氰酸酯树脂及其复合材料的研究进展

黄伟，耿嘉阳，徐磊，苏源

（黑龙江省科学院石油化学研究院，哈尔滨150040）

氰酸酯树脂及其复合材料的研究进展

黄伟，耿嘉阳，徐磊，苏源

（黑龙江省科学院石油化学研究院，哈尔滨150040）

氰酸酯树脂作为近年来备受关注的基体树脂之一，本文介绍了近十年来氰酸酯树脂及其复合材料的研究进展，主要讲述了新型碳纤维及其氰酸酯基复合材料，多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）改性氰酸酯基复合材料，纳米材料改性氰酸酯基复合材料。

氰酸酯树脂；改性；复合材料

作为“21世纪最具竞争力的高性能结构与功能材料的树脂品种”之一，氰酸酯树脂一直备受人们关注［1］，氰酸酯（Cyanate Ester，简称CE）不仅具有优异的耐高温、耐烧蚀性，而且兼具类似环氧树脂的力学性能，可以在一定的温度范围以及频率范围内保持良好的介电性能。CE在一定的加热催化的条件下可发生自聚反应，生成一种极为特殊的交联密度较高的三嗪环形化学结构，这种特殊结构决定了其相比于其他聚合物材料具有优异的热力学稳定性和尺寸稳定性。另外，CE树脂是一种集环氧树脂（EP）的良好工艺性和双马来酰亚胺（BMI）的耐高温性于一体的热固性树脂。CE在固化过程中能够生成芳香环和醚键等结构，使该树脂的交联度大幅度增加，决定了CE树脂具有优良的力学性能和比较高的模量，成为航天行业中不同于聚酰亚胺（PI）和BMI的又一高性能可以广泛应用的复合材料基体树脂［2-3］。

高性能树脂基复合材料与以往所采用的传统材料相比，具有比强度、比模量高和可设计性等优良特点，现已在航空航天、船舶运输、通信系统等领域得到极大的应用。当前，火箭、卫星以及航天大飞机中树脂基复合材料所占的比例是衡量国家航空航天技术水平的重要标志之一［4-5］。

1　氰酸酯树脂及其复合材料

树脂基复合材料（resin matrix composites，简称RMC）是当今技术较为成熟且应用广泛的材料，有较高的比刚度和比强度，良好的工艺设计性，便于减轻航空航天器械的结构质量，已成为宇航材料的发展研究核心，正逐渐代替以往传统使用的金属材料以及合金材料［6-7］。而氰酸酯作为一种新型高性能基体树脂，其复合材料的发展是一个热点。

1.1新型碳纤维及其氰酸酯基复合材料

碳纤维（carbon fiber，简称CF），是一种含碳量在95%以上的新型增强纤维材料。它具有高强度、高模量、耐腐蚀性等优良特性，是目前军事及民用工业领域的重要材料［8］。碳纤维多被用作增强材料添加进基体树脂、金属、混凝土、陶瓷等各种材料中，组合成为新型复合材料。

碳纤维/氰酸酯复合材料是目前广泛应用在航天器的新型材料。诸静等［9］研究了碳纤维/氰酸酯复合材料的各项性能，其吸湿性和尺寸稳定性优于环氧树脂基复合材料。张建可［10］研究了M55J碳纤维/氰酸酯复合材料的相关测试问题，采用空间环境模拟技术，而赵臻璐等人［11］模拟空间环境，研究了在原子氧暴露的情况下，BHM3高模量碳纤维及其氰酸酯基复合材料的微观形貌、质量损失率以及力学性能的演化规律，进一步为BHM3碳纤维在空间结构上的应用提供实验依据。

哈尔滨工业大学的潘阳阳［12］采用溶胶-凝胶法，自制出纳米石墨烯-TiO2（GE-TiO2），研究在复杂多变的空间环境下，GE-TiO2/CE及其碳纤维增强复合材料的力学性能、热学性能、尺寸稳定性及抗电子辐照性能等各项性能，发现碳纤维在电子辐照作用下基本无损伤，而基体树脂则有一定损伤。研究表明：GE-TiO2可有效提高CE的抗辐照性能，GE-TiO2/CE及碳纤维增强复合材料的表面粗糙度可随着空间辐照的增加而增加，在辐照含量为1.0×1016e/cm2时，其各项性能呈现最佳。

1.2多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）改性氰酸酯基复合材料

多面体低聚倍半硅氧烷（Polyhedral Oligomeric Silsesquioxan，简称POSS）是一种新型的高度对称纳米级有机-无机掺杂体，因为兼具无机材料和有机聚合物的共同特性，所以综合性能更为优异。杂化材料POSS所具有的笼型结构的纳米级尺寸与树脂有机高分子聚合物的相似，可以更好地与基体树脂相互融合，因此，采用POSS改性树脂基复合材料已成为现阶段的研究热点，POSS所特有的笼型骨架将赋予树脂基复合材料体系更加优异的综合性能［13］。

POSS不仅可以改善树脂体系的力学性能、热学性能，同时还能增加其抗原子氧的能力。由于在空间环境下，POSS单体的大量硅原子可与原子氧反应生成一层无机二氧化硅薄膜，所以它具有良好的抗原子氧的能力，于镇海［14］利用该特性，采用POSS来改性氰酸酯（CE）基体树脂，生成一种性能优异的树脂体系，该树脂体系具有优异的力学性能、耐高温性、尺寸稳定性、介电性能以及抗原子氧能力，同时也制备出POSS/CE基复合材料，经过测试表明，POSS改性后的CE树脂体系增强了抗空间辐照的能力，以POSS/CE树脂为基体的复合材料的抗原子氧能力效果明显，为今后航空航天器结构配件的应用与材质选择提供实验和理论相结合的重要依据。

POSS还可作为一种催化剂，催化固化氰酸酯树脂，制备出碳纤维/氰酸酯复合材料，可在降低固化温度的同时，保持其增强复合材料的各项优良性能［15］。此外，焦剑等人［16］讨论了不同含量的八环氧基笼型倍半硅氧烷（G-POSS）改性氰酸酯基体树脂，制备出综合性能优异的G-POSS/CE杂化材料，G-POSS的加入起到增强增韧CE树脂的效果，同时明显降低其介电常数。

1.3纳米材料改性氰酸酯基复合材料

近年来，随着纳米技术的飞速发展，纳米复合材料的制备及其性能研究已成为新一代材料科学领域的热点问题之一。纳米复合材料定义为分散相至少有一维尺寸在1～100nm量级的复合材料［17］，其分散相可为无机化合物，也可为有机化合物。近几年来，有机/无机纳米复合材料已迅速成为新交叉科学，受到科技工作者的高度重视，此类纳米材料具有常规聚合物复合材料所不具备的物理力学性能、耐热性和气体液体阻隔性能等，因而已逐步显示出重要的研究意义，已演变成一个深入探究的前沿领域［18-22］。

哈尔滨工业大学的张雪霞［23］针对氰酸酯固化物脆性大的问题，提出采用纳米TiO2来增强增韧氰酸酯树脂，石墨纤维/氰酸酯复合材料力学性能得到改善，其弯曲强度和层间剪切强度都有所提高，同时发现经空间电子辐照测试，纳米TiO2改性可减少空间电子辐照对氰酸酯树脂的降解作用，从而提高石墨纤维/氰酸酯复合材料抗真空电子辐照性能。

陕西科技大学的李春雪［24］采用表面接枝聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的纳米氧化钕（Nd2O3）/PMMA/CE的力学性能显著提高，热稳定性能得到保持，其耐水性能、耐磨性能和介电性能得到增强。其介电性能的提高，将促进其在隐身材料领域的应用，进一步拓宽CE应用领域。

2　展望

随着我国航空航天事业的不断发展，对新材料的要求日益增多，氰酸酯基复合材料作为一种优异的高性能树脂基复合材料，是当前新材料研究的一个热点，相信今后很长的一段时间，氰酸酯基复合材料将会有长足的发展。

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［24］李春雪.纳米氧化钕多步接枝聚甲基丙烯酸甲酯改性氰酸酯树脂的制备及性能研究［D］.西安：陕西科技大学，2015.

Research introduction on curing reaction of cyanate ester resin

HUANG Wei，GENG Jia-yang，XU Lei，SU Yuan
（Institute of Petrochemistry，Heilongjiang Academy of Science，Harbin 150040，China）

Asoneof thematrix resins，cyanateester resin hasattractedmuch attention in recentyears，thispaper introduces the research progressof cyanateester resin and its composites in recent ten years，mainly about thenew carbon fiberand its composites based on cyanate ester，polyhedral oligomeric silsesquioxane（POSS）modified cyanate ester composites and composites materials modified cyanate ester composites.

Cyanate ester resin；Modified；Composite materials

TQ320

A

1674-8646（2016）18-0006-03

2016-08-06

黑龙江省科学院青年创新基金资助项目（2015-YQ-04）

黄伟（1987-），女，黑龙江哈尔滨人，初级研实员，硕士研究生，主要从事化学产品的分析工作。