樹(shù)脂性能比較
在任何組件中使用的樹(shù)脂系統(tǒng)的選擇取決于它的一些特性，以下可能是大多數(shù)復(fù)合結(jié)構(gòu)中最重要的：
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膠性能
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機(jī)械性能
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微觀裂紋阻力
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抗疲勞強(qiáng)度
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水蝕降解
粘合性能
已經(jīng)討論了樹(shù)脂體系的粘合性能在實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的全部力學(xué)性能方面是如何重要的。在夾層結(jié)構(gòu)中，樹(shù)脂基體與纖維增強(qiáng)材料或芯材的附著力是很重要的。
聚酯樹(shù)脂通常在這里描述的三種體系中具有最低的粘合性能。乙烯萊斯特樹(shù)脂表現(xiàn)出比聚酯更好的粘接性能，但環(huán)氧樹(shù)脂體系提供了所有粘合劑中最好的性能，因此在許多高強(qiáng)度粘合劑中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)。這是由于它們的化學(xué)成分和極性羥基和醚基團(tuán)的存在。由于環(huán)氧樹(shù)脂以低收縮率固化，在固化過(guò)程中，液體樹(shù)脂和粘附物之間建立的各種表面接觸不會(huì)受到干擾。環(huán)氧樹(shù)脂的粘接性能在蜂窩芯層合板的結(jié)構(gòu)中特別有用，其中小的粘接表面積意味著需要最大的粘接。
樹(shù)脂與纖維之間的粘結(jié)強(qiáng)度不僅取決于樹(shù)脂體系的粘合性能，還受增強(qiáng)纖維表面涂層的影響。
機(jī)械性能
任何樹(shù)脂體系的兩個(gè)重要機(jī)械性能是拉伸強(qiáng)度和剛度。圖22和23顯示了在20°C和80°C固化的市售聚酯、乙烯萊斯特和環(huán)氧樹(shù)脂體系上進(jìn)行的測(cè)試結(jié)果。
圖22 樹(shù)脂的相對(duì)拉伸強(qiáng)度 圖23 樹(shù)脂的相對(duì)剛度
在室溫下七天的固化期后，可以看到典型的環(huán)氧樹(shù)脂在強(qiáng)度和剛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小時(shí)的有益效果也可以看到。
對(duì)復(fù)合材料設(shè)計(jì)者和建造者來(lái)說(shuō)，同樣重要的是樹(shù)脂在固化期間和固化后的收縮量。收縮是由于樹(shù)脂分子在液體和半凝膠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達(dá)到固化狀態(tài)，并且可以顯示高達(dá)8%的收縮率。然而，環(huán)氧樹(shù)脂反應(yīng)的不同性質(zhì)導(dǎo)致很少的重排，并且沒(méi)有揮發(fā)性雙產(chǎn)物的產(chǎn)生，典型的環(huán)氧樹(shù)脂收縮率降低到2%左右。在一定程度上，沒(méi)有收縮是環(huán)氧樹(shù)脂比聚酯更好的機(jī)械性能的原因，因?yàn)槭湛s與內(nèi)部應(yīng)力有關(guān)，可以削弱材料。
此外，層壓板厚度的收縮導(dǎo)致增強(qiáng)纖維圖案的“穿透打印”，這是一種難以消除且昂貴的外觀缺陷。
微觀裂紋
層壓板的強(qiáng)度通常是根據(jù)它在完全失效之前能承受多大的載荷來(lái)考慮的。這種極限強(qiáng)度或斷裂強(qiáng)度是樹(shù)脂表現(xiàn)出災(zāi)難性斷裂和增強(qiáng)纖維斷裂的點(diǎn)。
然而，在達(dá)到這一極限強(qiáng)度之前，層壓板將達(dá)到一個(gè)應(yīng)力水平，樹(shù)脂將開(kāi)始從那些與應(yīng)用載荷不對(duì)齊的纖維增強(qiáng)層中開(kāi)裂，這些裂縫將通過(guò)樹(shù)脂基體擴(kuò)散。這被稱為“橫向微裂紋”，盡管此時(shí)層壓板還沒(méi)有完全失效，但破裂過(guò)程已經(jīng)開(kāi)始。因此，想要持久結(jié)構(gòu)的工程師必須確保他們的層壓板在常規(guī)使用載荷下不超過(guò)這一點(diǎn)。
圖24 典型的FRP應(yīng)力/應(yīng)變圖
層壓板在微開(kāi)裂前所能達(dá)到的應(yīng)變很大程度上取決于樹(shù)脂體系的韌性和粘結(jié)性能。對(duì)于脆性樹(shù)脂系統(tǒng)，如大多數(shù)聚酯，這一點(diǎn)發(fā)生在層壓板失效之前很長(zhǎng)一段時(shí)間，因此確實(shí)限制了這種層壓板可以承受的應(yīng)變。例如，最近的試驗(yàn)表明，對(duì)于聚酯/玻璃編織粗紗層壓板，微裂紋通常在約0.2%應(yīng)變時(shí)發(fā)生，直到2.0%應(yīng)變時(shí)才發(fā)生最終破壞。這相當(dāng)于可用強(qiáng)度僅為極限強(qiáng)度的10%。由于層壓板在張力下的極限強(qiáng)度由纖維強(qiáng)度決定，這些樹(shù)脂微裂紋不會(huì)立即降低層壓板的極限性能。
然而，在水或潮濕空氣等環(huán)境中，微裂紋層壓板將比未開(kāi)裂的層壓板吸收更多的水。這將導(dǎo)致重量增加，樹(shù)脂和纖維施膠劑受潮，硬度下降，隨著時(shí)間的推移，最終性能下降。
樹(shù)脂/纖維粘附性的增加通常源于樹(shù)脂的化學(xué)性質(zhì)及其與應(yīng)用于纖維的化學(xué)表面處理的兼容性。在這里，眾所周知的環(huán)氧膠粘劑性能有助于層合板實(shí)現(xiàn)更高的微開(kāi)裂應(yīng)變。正如前面所提到的，樹(shù)脂韌性很難測(cè)量，但廣泛地通過(guò)其最終失效應(yīng)變來(lái)表示。不同樹(shù)脂體系的對(duì)比如圖25所示。
圖25 典型樹(shù)脂應(yīng)力/應(yīng)變曲線(80℃后固化5小時(shí) )
抗疲勞強(qiáng)度
一般來(lái)說(shuō)，與大多數(shù)金屬相比，復(fù)合材料具有優(yōu)異的抗疲勞性。然而，由于疲勞失效往往是由少量損傷的逐漸積累引起的，任何復(fù)合材料的疲勞行為都將受到樹(shù)脂的韌性、抗微裂紋能力以及制造過(guò)程中出現(xiàn)的空隙和其他缺陷的數(shù)量的影響。因此，與聚酯和乙烯酯相比，環(huán)氧基層壓板往往表現(xiàn)出非常好的抗疲勞性，這是它們?cè)诤娇战Y(jié)構(gòu)中使用的主要原因之一。
水蝕降解
任何樹(shù)脂的一個(gè)重要特性，特別是在海洋環(huán)境中，是它能夠承受進(jìn)水降解的能力。所有樹(shù)脂都會(huì)吸收一些水分，增加層壓板的重量，但更重要的是吸收的水分如何影響層壓板中的樹(shù)脂和樹(shù)脂/纖維粘結(jié)，導(dǎo)致機(jī)械性能的逐漸和長(zhǎng)期損失。由于分子結(jié)構(gòu)中存在可水解酯基團(tuán)，聚酯樹(shù)脂和乙烯酯樹(shù)脂都容易發(fā)生水降解。
因此，薄聚酯層壓板在水中浸泡一年后，預(yù)計(jì)只能保留其層間剪切強(qiáng)度的65%，而環(huán)氧樹(shù)脂層壓板浸泡一年后將保留約90%。
圖26 100℃浸泡時(shí)間對(duì)樹(shù)脂層間剪切強(qiáng)度的影響
圖26顯示了水對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂和聚酯編織玻璃層壓板的影響，這些層壓板在100°C的水浸泡下。這種高溫浸泡使浸泡后的薄片具有加速的降解性能。
滲透性能
海洋環(huán)境中的所有層壓板都允許非常少量的水以蒸汽形式通過(guò)它們。當(dāng)水通過(guò)時(shí)，它與層壓板內(nèi)的任何可水解成分發(fā)生反應(yīng)，形成濃縮溶液的微小細(xì)胞。在滲透循環(huán)下，更多的水通過(guò)層壓板的半透膜，試圖稀釋這種溶液。這些水將細(xì)胞內(nèi)的流體壓力增加到700 psi。最終，壓力會(huì)使層壓板或膠衣變形或破裂，并可能導(dǎo)致典型的“水痘”表面。層壓板中的可水解組分可能包括在制造過(guò)程中被困住的污垢和碎片，但也可能包括固化聚酯中的酯鍵，以及較小程度上的乙烯萊斯特。
使用富樹(shù)脂層旁邊的凝膠涂層是必不可少的聚酯樹(shù)脂減少這種類型的降解，但通常唯一的治愈一旦過(guò)程開(kāi)始是更換受影響的材料。為了從一開(kāi)始就防止?jié)B透的發(fā)生，有必要使用一種既具有低透水率又具有高抗水侵蝕能力的樹(shù)脂。當(dāng)與具有類似抗表面處理和層壓到非常高的標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)材料一起使用時(shí)，起泡幾乎可以消除。具有環(huán)氧基鏈的聚合物鏈在抵抗水的影響方面比許多其他樹(shù)脂體系要好得多。這種體系已被證明具有優(yōu)異的耐化學(xué)性和耐水性，低透水率和非常好的機(jī)械性能。
樹(shù)脂性能對(duì)比總結(jié)
這里討論的聚酯、乙烯酯和環(huán)氧樹(shù)脂可能占結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中使用的所有熱固性樹(shù)脂體系的90%左右。總之，這些類型的主要優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)是:
表格內(nèi)容：
聚酯的優(yōu)勢(shì)：使用方便、樹(shù)脂的最低成本(£1-2/kg)。
缺點(diǎn)：機(jī)械性能中等，開(kāi)模時(shí)苯乙烯排放高，固化收縮率高、工作時(shí)間范圍有限。
乙烯樹(shù)脂的優(yōu)點(diǎn)：具有很高的耐化學(xué)/環(huán)境性能、機(jī)械性能高于聚酯
缺點(diǎn)：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)、固化收縮率高。
環(huán)氧樹(shù)脂的優(yōu)點(diǎn)：高的機(jī)械性能和熱性能、高耐水性、工作時(shí)間長(zhǎng)、耐溫能力強(qiáng)至濕140℃/ 干220℃、固化收縮率低
缺點(diǎn)：比乙烯酯更貴( (£3-15/kg)、臨界混合、腐蝕處理。
用于復(fù)合材料的其他樹(shù)脂
除了聚酯，乙烯酯和環(huán)氧樹(shù)脂，還有許多其他特殊的樹(shù)脂系統(tǒng)，用于需要其獨(dú)特性能的地方:
主要用于高耐火要求的地方，酚醛樹(shù)脂在高溫下也能很好地保持其性質(zhì)。對(duì)于室溫固化材料，使用腐蝕性酸，導(dǎo)致不愉快的處理。其固化過(guò)程的縮合性質(zhì)容易導(dǎo)致包含許多空洞和表面缺陷，樹(shù)脂趨于脆性，力學(xué)性能不高。典型成本: £2-4/kg。
苯異氰酸酯
主要用于航空航天工業(yè)。該材料優(yōu)異的介電特性使其非常適合用于低介電纖維，如石英，用于制造天線罩。該材料還具有高達(dá)200°C濕的溫度穩(wěn)定性。典型成本: £40/kg。
硅樹(shù)脂
以硅為基材而不是碳為有機(jī)聚合物的合成樹(shù)脂。耐火性能好，耐高溫。需要高溫固化。用于導(dǎo)彈應(yīng)用。典型成本: >£15/ kg。
聚氨酯
高韌性材料，有時(shí)與其他樹(shù)脂混合，由于相對(duì)較低的層壓機(jī)械性能在壓縮。使用有害異氰酸酯作為固化劑。典型成本: £2-8/kg。
雙馬來(lái)酰亞胺(BMI)
主要用于要求較高溫度(230°C濕/250°C干)的飛機(jī)復(fù)合材料。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)入口，高速飛機(jī)飛行表面。典型成本:>£50/kg.。
聚酰亞胺
用于需要在比雙馬來(lái)酰亞胺能承受的更高溫度下操作的地方(使用高達(dá)濕250℃/干300℃)。典型的應(yīng)用包括導(dǎo)彈和航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件。極其昂貴的樹(shù)脂(>£80/kg)，在制造過(guò)程中使用有毒原料。聚酰亞胺由于在固化過(guò)程中縮合反應(yīng)會(huì)放水而難以加工，固化后相對(duì)較脆。PMR15和LaRC160是復(fù)合材料中最常用的兩種聚酰亞胺。
圖示 樹(shù)脂體系，如有機(jī)硅，BMI 's和聚酰亞胺經(jīng)常用于高溫飛機(jī)部件
