复合材料树脂基体的作用(树脂基复合材料的基体)
专业分享｜关于复合材料树脂基体的选择
对于复合材料结构件来说，所选树脂基体不但需要满足综合性能好的要求，还要满足室温下适用期长、粘度低等工艺性需要，以适应结构较复杂的复合材料结构件的成型。
一，树脂性能比较
制造部件选择使用什么树脂，这取决于树脂的性质，对于复合材料结构，需要考虑的最重要的有以下方面：粘结性能；力学性能；耐水性能。
1）粘接性能
树脂和纤维或芯材的粘接是很重要的。聚酯树脂在上述三种树脂基体中粘接性能是最差的。乙烯基树脂的粘接性能相比聚酯树脂有明显改善，但是环氧树脂的粘接性能是最好的，因此可以在许多高强度的粘接剂中发现环氧树脂。这主要由于其化学成分中的羟基和醚键。由于环氧树脂固化时的低收缩率，所以液态树脂跟各种基材的粘结界面相对不会被固化后出现的收缩应力所影响。环氧树脂的这种性能尤其适用于夹芯蜂窝结构的生产，粘接面积虽然很小，但可最大限度的增加粘接强度。
树脂和纤维的粘接力并不仅仅依赖树脂体系的粘接性能，还受到纤维表面层影响，纤维表面的“偶联剂”我们会在后面讨论。
2）力学性能
任何树脂系统，最重要的两项力学性能是拉伸强度和模量。图22显示了市场上应用的聚酯、乙烯基树脂、环氧树脂在20℃和80℃的测试结果。
在室温下经过7天的固化可以看出，相比于聚酯树脂和乙烯基树脂环氧树脂具有更高的强度和模量。在80℃，5个小时条件下固化也可以得出类似的结论。
在复合材料的设计和生产阶段，收缩也需要重点考虑，收缩发生在树脂固化过程和固化后阶段。其原理是树脂分子相对于液态和半凝胶状态下进行重新排列并重新取向。聚酯树脂和乙烯基树脂固化过程中需要大量的分子从新排列，所以他们的固化收缩率达到8%。然而，环氧树脂独特的反应特性使其固化过程中很少的分子需要重新排列，并且没有易挥发的副产品生成，因此环氧树脂的固化收缩率仅在2%左右。这可以部分解释为什么环氧树脂的力学性能超过聚酯树脂，因为收缩产生的内应力可以削弱材料性能。此外，层合复合材料的厚度方向的收缩会产生纤维结构的‘透印’效果，这种表面缺陷很难消除，且处理起来很麻烦。
3）耐水性能
树脂的一个重要的特性，尤其对于造船业，是能经受住水的降解。任何树脂都会吸收水分并增加自身的重量，但重要的是这些水和树脂及树脂/纤维粘结界面作用，并引起一个逐渐积累的长期力学性能损失过程。由于分子结构中的酯基团，聚酯和乙烯基树脂都很容易让水解。因此，聚酯复合材料在水中浸泡一年后只能保留65%的剪切强度，而环氧树脂复合材料浸泡同一时间能保持90%左右的剪切强度。
在有水环境下，所有的复合材料都将允许少量的水以蒸气的形式通过层合结构。由于有水通过，它跟结构中任何能与溶于水的物质会形成微小的溶液空腔。根据渗透压原理，更多的水会通过层合结构（类似半透膜）以稀释这溶液。空腔中伴随水的增加，流体压力可以高达700psi(47.6个大气压)。最终，压力将导致结构层或胶衣的变形或爆裂，导致表面出现鸡皮状疤痕的特点。溶解到水中的物质即可以是制造过程中夹杂在结构中的灰尘和碎屑，也可以是聚酯或乙烯基脂结构中的酯键。
为较少这种类型的降解，使用聚酯树脂时，胶衣层下要有足够厚度的富树脂层，这可以减轻这种类型的降解。但是，这种问题一旦出现，修复的办法只能是更换受影响的材料。
为了从一开始就防止渗透作用的发生，有必要选择使用水渗透速率低且具高耐水性的树脂。当使用的增强材料能够进行类似的表面处理，且材料的层合质量非常好时，因渗透作用产生的微小气泡可以基本上避免。环氧树脂的聚合物链结构在抵御水的影响要大大优于其他树脂系统。这种体系显示出良好的耐化学性能、耐水性、对于水有低的渗透率、具备非常良好的力学性能。
二，常用的树脂体系
复合材料工业上使用量最大的环氧树脂品种是缩水甘油醚类环氧树脂，而其中又以双酚A型环氧树脂为主，双酚F型环氧树脂（DGEBF）和双酚S型环氧树脂也有大量应用。其次是缩水甘油胺类环氧树脂和缩水甘油酯类环氧树脂。其他还有酚醛环氧树脂、间苯二酚型环氧树脂、间苯二酚-甲醛型环氧树脂、四酚基乙烷型环氧树脂、三羟苯基甲烷型环氧树脂、富有柔韧性脂肪族多元醇缩水甘油醚型环氧树脂、环氧丙烯酸树脂和耐候性的脂环族环氧树脂等，其可单独或者与通用E型树脂共混，供作高性能复合材料（ACM）。
缩水甘油胺类环氧树脂的优点是多官能度、环氧当量高，交联密度大，耐热性显著提高。目前国内外已利用缩水甘油胺环氧树脂优越的粘接性和耐热性，来制造碳纤维增强的复合材料（CFRP）用于飞机二次结构材料。
国内外喷管用树脂基防热材料的发展经历大致相同，从玻璃/酚醛、高硅氧/酚醛到碳/酚醛、碳/聚芳基乙炔，从单功能到多功能、低性能到高性能，树脂体系经历了从酚醛树脂、改性酚醛树脂到高性能树脂。目前对聚苯并咪唑、聚喹口恶啉、聚苯并唑、聚苯并噻唑、聚芳基乙炔等高性能树脂的应用研究已成为热点,是树脂基防热材料发展的方向。
耐高温结构复合材料用的新型热固性树脂一般指芳杂环高聚物，如聚酰亚胺、聚苯砜等，它们的耐热性比改性环氧和多官能团环氧更高，其中聚酰亚胺是目前耐热性最好、已实现工业化生产的重要品种。聚酰亚胺中的双马来酰亚胺（BMI）既具有聚酰亚胺耐高温、耐湿热、耐辐射的特点，又有类似于环氧树脂较易加工的优点。但缺点是熔点高、溶解性差、脆性大。如HexcelF650是成熟的第二代BMI树脂。在非常潮湿的情况下，最高连续使用温度为204.4℃，采用HexcelF650基复合材料的导弹经喷气式战斗机超声速冲刺后，能承受比预料更严酷的热环境。
氰酸酯树脂（CE）是二十世纪八十年代开发的一类新型树脂。主要用途有高性能印刷电路板、高性能透波结构材料（如雷达罩）、航空航天用高韧性结构复合材料。最早应用于宇航领域的商品化氰酸酯基复合材料为美国Narmco公司的R-5254C，它是碳纤维增强的CE与其它树脂的混合物。随后，一些供应CE基复合材料预浸料的公司，在CE中加入玻璃化温度高于170℃的非晶态热塑性树脂如聚碳酸酯（PC）、聚砜（PS）、聚醚砜（PES）等，使CE保持优良耐湿热性能和介电性能的同时，冲击后压缩强度（CAI）值达到240~320MPa，其使用温度与改性后的PI、BMI相当。
酚醛树脂典型的改性途径有共聚改性，包括引进氰基、硼元素、芳环有机硅，以及采用二苯醚甲醛树脂、芳烷基甲醛树脂改性等；如氰基酚醛树脂的热氧化稳定性明显提高，分解温度达440℃，1000℃下的产炭率达68%~70%。
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