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。正是基于這一原因，對于復(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,可以對這三類固化方式有個比較全面的認(rèn)識。
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；電子束固化時間常為秒級至分級，比常規(guī)熱固化快10～1000倍；可成倍縮短固化時間，同時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)對飛機(jī)復(fù)合材料制件的外場修補(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、同時固化或膠接不同材料和選擇區(qū)域固化等，設(shè)計者可以進(jìn)行不對稱或不均衡設(shè)計，這對原有的設(shè)計理念是一個突破。
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 電子束對碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的穿透厚度
對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，最大穿透厚度為2.5cm，雙面同時輻照時穿透厚度約為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，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，并已對諸多方面進(jìn)行了探索并儲備了技術(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年始開始對復(fù)合材料電子束固化技術(shù)的進(jìn)行研究，并為此申報了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目，重點(diǎn)對環(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，并對其性能作了測試分析，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，制件的孔隙率普遍較高，從而對結(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，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。