一，電子束固化概述：
樹脂基復(fù)合材料是復(fù)合材料發(fā)展的重要分支．其成型工藝方法多種多樣，如手糊、樹脂傳遞模塑成型（RTM）、纏繞等，樹脂基復(fù)合材料的固化工藝多采用傳統(tǒng)的烘箱、熱壓罐固化等。近年來，出現(xiàn)了諸如X射線固化、激光固化、電子束固化、微波及超聲等多種輻射固化工藝，其中樹脂基復(fù)合材料的電子束固化成型技術(shù)是在復(fù)合材料低成本化和無公害化的背景下發(fā)展起來的一種新的復(fù)合材料成型工藝，并以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)引起人們重視。
電子束固化屬于輻射固化的一種，輻照固化是采用紫外光（UV）或高能射線輻照液態(tài)化學(xué)物質(zhì)，使其發(fā)生快速聚合反應(yīng)，形成固態(tài)產(chǎn)物的加工技術(shù)。用于輻照固化的輻射源可為紫外光、電子束、γ射線、X射線等，其各自的特點(diǎn)如下表所示：
表1 各種輻射固化的優(yōu)缺點(diǎn)比較
由上表可見，從安全性和生產(chǎn)效率兩個(gè)影響加工技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素來衡量，電子束具有明顯的優(yōu)勢(shì)。正是基于這一原因，對(duì)于復(fù)合材料的固化來說，電子束（EB）是最佳的輻射源。
下表是光固化、熱固化和電子束固化的比較,可以對(duì)這三類固化方式有個(gè)比較全面的認(rèn)識(shí)。
表2 三類輻射固化的比較
電子束固化的主要設(shè)備是電子直線加速器。對(duì)于輻照加工而言，其重要的設(shè)備技術(shù)參數(shù)主要為能量及功率，能量與被輻射材料的密度共同決定了輻射對(duì)材料的穿透能力，功率則決定了加工效率。
根據(jù)電子加速器能量的不同，可分為低能加速器、中能加速器和高能加速器，其主要應(yīng)用特點(diǎn)見表3。
表3 三類加速器的特點(diǎn)
電子束固化的實(shí)施方式如下圖所示：
圖1 電子束固化實(shí)施方式
電子束固化與其他固化方法相比具有下列特點(diǎn)：
1）可以實(shí)現(xiàn)室溫或者低溫固化，避免由于升溫而導(dǎo)致的樹脂流失；材料沒有因溫度的影響而產(chǎn)生熱應(yīng)力，降低了成品制件的殘余應(yīng)力和固化收縮率，有利于制件的尺寸控制，避免翹曲，提高制件的力學(xué)性能，同時(shí)可以使用低成本的模具材料如塑料、木材、泡沫、玻璃鋼等，從而大大降低成本；
2）固化速度快，成型周期短；電子束固化時(shí)間常為秒級(jí)至分級(jí)，比常規(guī)熱固化快10～1000倍；可成倍縮短固化時(shí)間，同時(shí)采用電子束固化方式，避免了熱壓罐尺寸限制制件尺寸的弊端，從理論上講制件尺寸僅受屏蔽室大小的限制，這對(duì)大型制件的快速成型尤其具有重要意義；
3）可選擇區(qū)域固化，這是因?yàn)殡娮邮袒恰懊闇?zhǔn)區(qū)域”的固化，所以在制造、裝配和修理過程中可以僅僅固化所選擇的區(qū)域，而其他區(qū)域不固化。這不但對(duì)降低復(fù)合材料裝配成本（從而大大降低制造成本）有重要意義，而且在復(fù)合材料修理領(lǐng)域很有應(yīng)用前景，目前運(yùn)用便攜式的電子加速器已可實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料制件的外場(chǎng)修補(bǔ)；
4）便于實(shí)現(xiàn)連續(xù)化操作，與樹脂傳遞模型成型（RTM）、纏繞、纖維鋪放等成型工藝相結(jié)合，進(jìn)一步降低成本；改善材料的工藝操作性；
5）允許同時(shí)固化或膠接不同的材料。這主要是由于固化溫度接近室溫，可以忽略不同性質(zhì)的材料在流動(dòng)性、熱膨脹系數(shù)等方面的差異，從而減少復(fù)合材料加工環(huán)節(jié)，減少成型后再切削打磨的加工費(fèi)用，降低制造成本；
6）適用的電子束固化樹脂體系基本上不采用揮發(fā)性的有毒有機(jī)溶劑以及有毒和致癌的固化劑，降低了溶劑用量，減少了揮發(fā)份的產(chǎn)生，從而減少復(fù)合材料成型過程中對(duì)人體和環(huán)境的污染；
7）只要避光保存，可電子束固化的樹脂體系在室溫和黑暗的條件下可無限期地儲(chǔ)存，因而改善了材料的工藝操作性；
8）賦予了復(fù)合材料設(shè)計(jì)者更大的自由度，由于電子束固化能夠?qū)崿F(xiàn)成型大型制件、同時(shí)固化或膠接不同材料和選擇區(qū)域固化等，設(shè)計(jì)者可以進(jìn)行不對(duì)稱或不均衡設(shè)計(jì)，這對(duì)原有的設(shè)計(jì)理念是一個(gè)突破。
運(yùn)用電子束進(jìn)行樹脂基復(fù)合材料固化的幾種具體實(shí)施方式如圖2所示，復(fù)合材料的傳統(tǒng)工藝如纏繞成型、拉擠成型、樹脂傳遞模塑成型（RTM）、真空袋壓等都可以與電子束固化工藝實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合。
圖2 電子束對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的穿透厚度
對(duì)于一般的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料而言，10MeV能量的電子束單面輻照時(shí)，最大穿透厚度為2.5cm，雙面同時(shí)輻照時(shí)穿透厚度約為6.0cm。由于電子束能量超過10MeV以上后易使被輻射材料產(chǎn)生放射殘留，因而當(dāng)制件的厚度超過上述厚度時(shí)，一般使用穿透能力更強(qiáng)的X射線進(jìn)行固化，但加工效率會(huì)顯著降低。
二，電子束固化國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
電子束（EB）固化技術(shù)在我國的應(yīng)用較薄弱，其原因在于EB固化設(shè)備一次性投資較大，設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用高，令人望而卻步。但是，與EB固化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)相比這些困難還是能夠克服的?，F(xiàn)在EB固化技術(shù)在我國已發(fā)展了有20多年的歷史，并已對(duì)諸多方面進(jìn)行了探索并儲(chǔ)備了技術(shù)，伴隨國際EB固化技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用和人們對(duì)環(huán)保的重視，電子束固化技術(shù)前景廣闊。
北京航空材料研究院及北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等科研院所從1998年始開始對(duì)復(fù)合材料電子束固化技術(shù)的進(jìn)行研究，并為此申報(bào)了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目，重點(diǎn)對(duì)環(huán)氧樹脂及碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的電子束固化進(jìn)行一系列的基礎(chǔ)研究，試制了電子束固化碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板材，并對(duì)其性能作了測(cè)試分析，所取得的研究成果為電子束固化航空航天用結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的進(jìn)一步開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
盡管電子束固化樹脂基復(fù)合材料在近年來取得了快速的發(fā)展，但其畢竟是一項(xiàng)新興的加工技術(shù)，因此，在理論研究和實(shí)際應(yīng)用中還存在一些問題，如：電子束可穿透的厚度及輻照過程中的加壓目前仍是一個(gè)有待解決的矛盾，盡管可以采用X射線來穿透較厚的制件，但X射線的轉(zhuǎn)化效率很低，導(dǎo)致固化所需的時(shí)間約為電子束固化的10倍；電子束固化的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料仍普遍存在界面粘結(jié)力低的問題，缺乏對(duì)界面形成機(jī)理的分析研究；另外，由于在電子束固化過程中，樹脂幾乎不流動(dòng)，制件的孔隙率普遍較高，從而對(duì)結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料之間的機(jī)械性能產(chǎn)生較為顯著的影響。
三，電子束固化樹脂的機(jī)理
電子束進(jìn)入樹脂后與樹脂基體發(fā)生相互作用，在非常短的時(shí)間之內(nèi)將能量傳遞給樹脂分子，使其發(fā)生電離或激發(fā)，生成離子、次級(jí)電子、激發(fā)分子、自由基等活性中間體，引發(fā)樹脂交聯(lián)反應(yīng)。
可實(shí)現(xiàn)電子束固化的樹脂根據(jù)固化機(jī)理的不同可分為兩類，一類按自由基機(jī)理固化，主要是丙烯酸及甲基丙烯酸類，這類樹脂固化后使用溫度和斷裂韌性較低，固化收縮率高并且固化過程受到氧的阻抑，所以在高性能的復(fù)合材料中一般不用這類樹脂。另一類按陽離子固化機(jī)理固化的樹脂，主要為環(huán)氧樹脂。鑒于環(huán)氧樹脂在樹脂基復(fù)合材料領(lǐng)域內(nèi)大量應(yīng)用的事實(shí)，下面重點(diǎn)討論一下環(huán)氧樹脂的電子束固化。
環(huán)氧樹脂以其綜合性能好、固化方便，適用范圍廣而成為先進(jìn)復(fù)合材料最主要的基體樹脂之一。但用作先進(jìn)復(fù)合材料基體的環(huán)氧樹脂固化溫度通常在120～180℃，固化周期長達(dá)數(shù)小時(shí)，耗能大且工裝成本高，大大增加了先進(jìn)復(fù)合材料的成本，限制了先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用。復(fù)合材料高性能，低成本化的一條重要途徑就是在保證性能的前提下，降低環(huán)氧樹脂固化溫度并縮短固化時(shí)間。
環(huán)氧樹脂的電子束固化機(jī)理為陽離子固化機(jī)理，陽離子機(jī)理固化環(huán)氧樹脂的固化過程不受氧的阻抑，綜合性能較好，但樹脂中必須添加少量的光引發(fā)劑才能在電子束的作用下固化。
很多已經(jīng)得到廣泛工業(yè)應(yīng)用的環(huán)氧樹脂品種在引入光引發(fā)劑后都可以實(shí)現(xiàn)電子束固化。例如DOW化學(xué)公司的低粘度雙酚A型環(huán)氧樹脂Tactix123，Shell化學(xué)公司的雙酚F型環(huán)氧樹脂Epon862，我國的雙酚A型環(huán)氧618和酚醛型環(huán)氧648 等都可以通過電子束輻照進(jìn)行固化。
北京航空材料研究院對(duì)幾種環(huán)氧樹脂進(jìn)行了電子束固化研究。他們研制的環(huán)氧樹脂及其復(fù)合材料的性能列于下表：
表4 性能比較表
從表4中可知，電子束固化的環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度較低，這可能有兩方面原因：一是電子束固化太快，樹脂在固化過程中沒有充分流動(dòng)及浸潤纖維，使碳纖維與樹脂的界面粘結(jié)強(qiáng)度比熱固化時(shí)的界面粘結(jié)強(qiáng)度差；二是纖維表面狀態(tài)與樹脂不匹配導(dǎo)致了二者之間界面結(jié)合較弱。一般的市售碳纖維均為已進(jìn)行表面上漿的產(chǎn)品，其表面具有有利于環(huán)氧樹脂熱固化的反應(yīng)基團(tuán)，但這些基團(tuán)可能會(huì)使電子束固化的光引發(fā)劑“中毒”，影響界面上的交聯(lián)反應(yīng)，使界面結(jié)合變差。