《复合材料指南》（四）树脂性能比较

2023-05-17 09:40

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树脂性能比较

在任何组件中使用的树脂系统的选择取决于它的一些特性，以下可能是大多数复合结构中最重要的：

1.胶合性能

2.机械性能

3.微观裂纹阻力

4.抗疲劳强度

5.水蚀降解

粘合性能

已经讨论了树脂体系的粘合性能在实现复合材料的全部力学性能方面是如何重要的。在夹层结构中，树脂基体与纤维增强材料或芯材的附着力是很重要的。

聚酯树脂通常在这里描述的三种体系中具有最低的粘合性能。乙烯莱斯特树脂表现出比聚酯更好的粘接性能，但环氧树脂体系提供了所有粘合剂中最好的性能，因此在许多高强度粘合剂中经常发现。这是由于它们的化学成分和极性羟基和醚基团的存在。由于环氧树脂以低收缩率固化，在固化过程中，液体树脂和粘附物之间建立的各种表面接触不会受到干扰。环氧树脂的粘接性能在蜂窝芯层合板的结构中特别有用，其中小的粘接表面积意味着需要最大的粘接。

树脂与纤维之间的粘结强度不仅取决于树脂体系的粘合性能，还受增强纤维表面涂层的影响。

机械性能

任何树脂体系的两个重要机械性能是拉伸强度和刚度。图22和23显示了在20°C和80°C固化的市售聚酯、乙烯莱斯特和环氧树脂体系上进行的测试结果。

图22 树脂的相对拉伸强度图23 树脂的相对刚度

在室温下七天的固化期后，可以看到典型的环氧树脂在强度和刚度方面都比典型的聚酯和乙烯酯具有更高的性能。80°C后固化5小时的有益效果也可以看到。

对复合材料设计者和建造者来说，同样重要的是树脂在固化期间和固化后的收缩量。收缩是由于树脂分子在液体和半凝胶相中重新排列和重新定向。聚酯和乙烯酯需要大量的分子重排才能达到固化状态，并且可以显示高达8%的收缩率。然而，环氧树脂反应的不同性质导致很少的重排，并且没有挥发性双产物的产生，典型的环氧树脂收缩率降低到2%左右。在一定程度上，没有收缩是环氧树脂比聚酯更好的机械性能的原因，因为收缩与内部应力有关，可以削弱材料。

此外，层压板厚度的收缩导致增强纤维图案的“穿透打印”，这是一种难以消除且昂贵的外观缺陷。

微观裂纹

层压板的强度通常是根据它在完全失效之前能承受多大的载荷来考虑的。这种极限强度或断裂强度是树脂表现出灾难性断裂和增强纤维断裂的点。

然而，在达到这一极限强度之前，层压板将达到一个应力水平，树脂将开始从那些与应用载荷不对齐的纤维增强层中开裂，这些裂缝将通过树脂基体扩散。这被称为“横向微裂纹”，尽管此时层压板还没有完全失效，但破裂过程已经开始。因此，想要持久结构的工程师必须确保他们的层压板在常规使用载荷下不超过这一点。

图24 典型的FRP应力/应变图

层压板在微开裂前所能达到的应变很大程度上取决于树脂体系的韧性和粘结性能。对于脆性树脂系统，如大多数聚酯，这一点发生在层压板失效之前很长一段时间，因此确实限制了这种层压板可以承受的应变。例如，最近的试验表明，对于聚酯/玻璃编织粗纱层压板，微裂纹通常在约0.2%应变时发生，直到2.0%应变时才发生最终破坏。这相当于可用强度仅为极限强度的10%。由于层压板在张力下的极限强度由纤维强度决定，这些树脂微裂纹不会立即降低层压板的极限性能。

然而，在水或潮湿空气等环境中，微裂纹层压板将比未开裂的层压板吸收更多的水。这将导致重量增加，树脂和纤维施胶剂受潮，硬度下降，随着时间的推移，最终性能下降。

树脂/纤维粘附性的增加通常源于树脂的化学性质及其与应用于纤维的化学表面处理的兼容性。在这里，众所周知的环氧胶粘剂性能有助于层合板实现更高的微开裂应变。正如前面所提到的，树脂韧性很难测量，但广泛地通过其最终失效应变来表示。不同树脂体系的对比如图25所示。

图25 典型树脂应力/应变曲线(80℃后固化5小时 )

抗疲劳强度

一般来说，与大多数金属相比，复合材料具有优异的抗疲劳性。然而，由于疲劳失效往往是由少量损伤的逐渐积累引起的，任何复合材料的疲劳行为都将受到树脂的韧性、抗微裂纹能力以及制造过程中出现的空隙和其他缺陷的数量的影响。因此，与聚酯和乙烯酯相比，环氧基层压板往往表现出非常好的抗疲劳性，这是它们在航空结构中使用的主要原因之一。

水蚀降解

任何树脂的一个重要特性，特别是在海洋环境中，是它能够承受进水降解的能力。所有树脂都会吸收一些水分，增加层压板的重量，但更重要的是吸收的水分如何影响层压板中的树脂和树脂/纤维粘结，导致机械性能的逐渐和长期损失。由于分子结构中存在可水解酯基团，聚酯树脂和乙烯酯树脂都容易发生水降解。

因此，薄聚酯层压板在水中浸泡一年后，预计只能保留其层间剪切强度的65%，而环氧树脂层压板浸泡一年后将保留约90%。

图26 100℃浸泡时间对树脂层间剪切强度的影响

图26显示了水对环氧树脂和聚酯编织玻璃层压板的影响，这些层压板在100°C的水浸泡下。这种高温浸泡使浸泡后的薄片具有加速的降解性能。

渗透性能

海洋环境中的所有层压板都允许非常少量的水以蒸汽形式通过它们。当水通过时，它与层压板内的任何可水解成分发生反应，形成浓缩溶液的微小细胞。在渗透循环下，更多的水通过层压板的半透膜，试图稀释这种溶液。这些水将细胞内的流体压力增加到700 psi。最终，压力会使层压板或胶衣变形或破裂，并可能导致典型的“水痘”表面。层压板中的可水解组分可能包括在制造过程中被困住的污垢和碎片，但也可能包括固化聚酯中的酯键，以及较小程度上的乙烯莱斯特。

使用富树脂层旁边的凝胶涂层是必不可少的聚酯树脂减少这种类型的降解，但通常唯一的治愈一旦过程开始是更换受影响的材料。为了从一开始就防止渗透的发生，有必要使用一种既具有低透水率又具有高抗水侵蚀能力的树脂。当与具有类似抗表面处理和层压到非常高的标准的增强材料一起使用时，起泡几乎可以消除。具有环氧基链的聚合物链在抵抗水的影响方面比许多其他树脂体系要好得多。这种体系已被证明具有优异的耐化学性和耐水性，低透水率和非常好的机械性能。

树脂性能对比总结

这里讨论的聚酯、乙烯酯和环氧树脂可能占结构复合材料中使用的所有热固性树脂体系的90%左右。总之，这些类型的主要优点和缺点是:

表格内容：聚酯的优势：使用方便、树脂的最低成本(£1-2/kg)。

缺点：机械性能中等，开模时苯乙烯排放高，固化收缩率高、工作时间范围有限。

乙烯树脂的优点：具有很高的耐化学/环境性能、机械性能高于聚酯

缺点：后固化一般要求性能高、苯乙烯含量高、成本高于聚酯(£2-4/kg)、固化收缩率高。

环氧树脂的优点：高的机械性能和热性能、高耐水性、工作时间长、耐温能力强至湿140℃/ 干220℃、固化收缩率低

缺点：比乙烯酯更贵( (£3-15/kg)、临界混合、腐蚀处理。

用于复合材料的其他树脂

除了聚酯，乙烯酯和环氧树脂，还有许多其他特殊的树脂系统，用于需要其独特性能的地方:

酚醛树脂

主要用于高耐火要求的地方，酚醛树脂在高温下也能很好地保持其性质。对于室温固化材料，使用腐蚀性酸，导致不愉快的处理。其固化过程的缩合性质容易导致包含许多空洞和表面缺陷，树脂趋于脆性，力学性能不高。典型成本: £2-4/kg。

苯异氰酸酯

主要用于航空航天工业。该材料优异的介电特性使其非常适合用于低介电纤维，如石英，用于制造天线罩。该材料还具有高达200°C湿的温度稳定性。典型成本: £40/kg。

硅树脂

以硅为基材而不是碳为有机聚合物的合成树脂。耐火性能好，耐高温。需要高温固化。用于导弹应用。典型成本: >£15/ kg。

聚氨酯

高韧性材料，有时与其他树脂混合，由于相对较低的层压机械性能在压缩。使用有害异氰酸酯作为固化剂。典型成本: £2-8/kg。

双马来酰亚胺(BMI)

主要用于要求较高温度(230°C湿/250°C干)的飞机复合材料。例如，发动机入口，高速飞机飞行表面。典型成本:>£50/kg.。

聚酰亚胺

用于需要在比双马来酰亚胺能承受的更高温度下操作的地方(使用高达湿250℃/干300℃)。典型的应用包括导弹和航空发动机部件。极其昂贵的树脂(>£80/kg)，在制造过程中使用有毒原料。聚酰亚胺由于在固化过程中缩合反应会放水而难以加工，固化后相对较脆。PMR15和LaRC160是复合材料中最常用的两种聚酰亚胺。