專業分享 | 關於複合材料樹脂基體的選擇

對於複合材料結構件來說，所選樹脂基體不但需要滿足綜合性能好的要求，還要滿足室溫下適用期長、粘度低等工藝性需要，以適應結構較複雜的複合材料結構件的成型。

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樹脂性能比較

製造部件選擇使用什麼樹脂，這取決於樹脂的性質，對於複合材料結構，需要考慮的最重要的有以下方面：粘結性能、力學性能、耐水性能。

1）粘接性能

樹脂和纖維或芯材的粘接是很重要的。聚酯樹脂在上述三種樹脂基體中粘接性能是最差的。乙烯基樹脂的粘接性能相比聚酯樹脂有明顯改善，但是環氧樹脂的粘接性能最好，因此可以在許多高強度的粘接劑中發現環氧樹脂。這主要由於其化學成分中的羥基和醚鍵。環氧樹脂的這種性能尤其適用於夾芯蜂窩結構的生產，粘接面積雖然很小，但可最大限度的增加粘接強度。

樹脂和纖維的粘接力並不僅僅依賴樹脂體系的粘接性能，還受到纖維表面層影響，纖維表面的「偶聯劑」我們會在後面討論。

2）力學性能

任何樹脂系統，最重要的兩項力學性能是拉伸強度和模量。相比於聚酯樹脂和乙烯基樹脂，環氧樹脂具有更高的強度和模量。在80℃，5個小時條件下固化也可以得出類似的結論。

在複合材料的設計和生產階段，收縮也需要重點考慮，收縮發生在樹脂固化過程和固化後階段。其原理是樹脂分子相對於液態和半凝膠狀態下進行重新排列並重新取向。聚酯樹脂和乙烯基樹脂固化過程中需要大量的分子從新排列，所以他們的固化收縮率達到8%。然而，環氧樹脂獨特的反應特性使其固化過程中很少的分子需要重新排列，固化收縮率僅在2%左右。

3）耐水性能

樹脂的一個重要的特性，尤其對於造船業，是能經受住水的降解。任何樹脂都會吸收水分並增加自身的重量，但重要的是這些水和樹脂及樹脂/纖維粘結界面作用，並引起一個逐漸積累的長期力學性能損失過程。由於分子結構中的酯基團，聚酯和乙烯基樹脂都很容易讓水解。因此，聚酯複合材料在水中浸泡一年後只能保留65%的剪切強度，而環氧樹脂複合材料浸泡同一時間能保持90%左右的剪切強度。

環氧樹脂的聚合物鏈結構在抵禦水的影響要大大優於其他樹脂系統。這種體系顯示出良好的耐化學性能、耐水性、對於水有低的滲透率、具備非常良好的力學性能。

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常用的樹脂體系

複合材料工業上使用量最大的環氧樹脂品種是縮水甘油醚類環氧樹脂，而其中又以雙酚A型環氧樹脂為主，雙酚F型環氧樹脂（DGEBF）和雙酚S型環氧樹脂也有大量應用。其可單獨或者與通用E型樹脂共混，供作高性能複合材料（ACM）。

縮水甘油胺類環氧樹脂的優點是多官能度、環氧當量高，交聯密度大，耐熱性顯著提高。目前國內外已利用縮水甘油胺環氧樹脂優越的粘接性和耐熱性，來製造碳纖維增強的複合材料（CFRP）用于飛機二次結構材料。

國內外噴管用樹脂基防熱材料的發展經歷大致相同，從玻璃/酚醛、高硅氧/酚醛到碳/酚醛、碳/聚芳基乙炔，從單功能到多功能、低性能到高性能，樹脂體系經歷了從酚醛樹脂、改性酚醛樹脂到高性能樹脂。目前對聚苯並咪唑、聚喹口惡啉、聚苯並唑、聚苯並噻唑、聚芳基乙炔等高性能樹脂的應用研究已成為熱點,是樹脂基防熱材料發展的方向。

耐高溫結構複合材料用的新型熱固性樹脂一般指芳雜環高聚物，如聚醯亞胺、聚苯碸等，它們的耐熱性比改性環氧和多官能團環氧更高，其中聚醯亞胺是目前耐熱性最好、已實現工業化生產的重要品種。聚醯亞胺中的雙馬來醯亞胺（BMI）既具有聚醯亞胺耐高溫、耐濕熱、耐輻射的特點，又有類似於環氧樹脂較易加工的優點。但缺點是熔點高、溶解性差、脆性大。如Hexcel F650是成熟的第二代BMI樹脂。在非常潮濕的情況下，最高連續使用溫度為204.4℃，採用HexcelF650基複合材料的導彈經噴氣式戰鬥機超聲速衝刺後，能承受比預料更嚴酷的熱環境。

氰酸酯樹脂（CE）是二十世紀八十年代開發的一類新型樹脂。主要用途有高性能印刷電路板、高性能透波結構材料（如雷達罩）、航空航天用高韌性結構複合材料。最早應用於宇航領域的商品化氰酸酯基複合材料為美國Narmco公司的R-5254C，它是碳纖維增強的CE與其它樹脂的混合物。隨後，一些供應CE基複合材料預浸料的公司，在CE中加入玻璃化溫度高於170℃的非晶態熱塑性樹脂如聚碳酸酯（PC）、聚碸（PS）、聚醚碸（PES）等，使CE保持優良耐濕熱性能和介電性能的同時，衝擊後壓縮強度（CAI）值達到240~320MPa，其使用溫度與改性後的PI、BMI相當。

酚醛樹脂典型的改性途徑有共聚改性，包括引進氰基、硼元素、芳環有機硅，以及採用二苯醚甲醛樹脂、芳烷基甲醛樹脂改性等；如氰基酚醛樹脂的熱氧化穩定性明顯提高，分解溫度達440℃，1000℃下的產炭率達68%~70%。

來源復材知道