复合材料的树脂基体主要包括，一文读懂复合材料中的纤维和树脂的特点

现代复合材料在制造业中的应用并不新鲜，已经存在了数十年，可以追溯到20 世纪60 年代初。纤维和液体基质的组合以前已用于多种应用，从久经考验的干泥和稻草（泥砖）到福特汽车公司（美国密歇根州底特律）开发的1941 年概念车。一直是。它的车身面板由天然纤维增强复合材料制成。

尽管如此，与钢、铝、铁和钛等传统材料相比，复合材料仍然很成熟，直到现在设计和制造工程师才能够更好地理解复合材料。此外，复合材料因其各向异性而受到阻碍，这使得它们难以建模和模拟。然而，复合材料的物理特性，加上其无与伦比的轻盈性，使它们具有不可抗拒的吸引力。

幸运的是，对于那些刚接触复合材料的人来说，这些材料很容易理解和应用。以下是纤维和树脂在复合材料制造中的用途。

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高强度和轻重量仍然是将复合材料推向新领域的最佳组合，但其他性能也同样重要。复合材料具有优异的减振性能和低热膨胀系数(CTE)，这些特性使其能够针对特定应用进行设计。复合材料具有抗疲劳性，并具有设计/制造灵活性，可以显着减少给定应用所需的零件数量。这意味着成品所需的原材料、接头和紧固件更少，并且组装时间更快。复合材料还具有耐极端温度、耐腐蚀和耐磨性，特别是在工业环境中，这些特性可以极大地帮助降低产品生命周期成本。这些特性导致了复合材料的广泛应用。例如，对燃油效率和效率的追求使得减轻重量成为几乎所有机械运输车辆（从自行车到大型商用飞机）的首要任务。

波音787 是第一架在其结构部件中广泛使用复合材料的商用飞机。飞机的几乎所有部件都是由碳纤维/环氧树脂制成的。

波音公司（伊利诺伊州芝加哥）的787 梦想飞机重量减轻了50%，表面上由100% 空气动力复合材料制成，自2009 年12 月首飞以来，复合材料已成为一级飞机。我进入了。飞机内饰在航空航天领域的作用。从那时起，787 引起了全球对商业运输竞争对手的关注，例如空中客车公司（法国图卢兹）和其他复合材料重型飞机。首批采用52% 复合材料的空客A350 XWB 于2015 年交付。空客此前已将复合材料应用于其A380 巨型客机和A400M 军用运输机。这四个项目是人们期待已久的转型的实现，这一转型超越了通用航空飞机市场，早已成为军用飞机制造的一部分。材料形状变得越来越多样化，可以通过各种成型和成型工艺进行制造，并且正在或正在成为全球制造业的焦点。

完全不同的材料

复合材料与传统材料的不同之处在于，复合材料零件由两种不同的成分组成：纤维和基体材料（最常见的是聚合物树脂）。一旦它们组合在一起，它们就保持分离。然而，相互作用的存在是为了创造新材料。简单地总结一个组件的属性并不能预测它的属性。事实上，纤维和树脂组合的主要优点之一是它们的互补性。例如，细玻璃纤维表现出相对较高的拉伸强度，但易于损坏。相比之下，大多数聚合物树脂的拉伸强度较低，但非常坚韧且具有延展性。然而，当纤维和树脂结合在一起时，它们的弱点就会被抵消，从而创造出一种比单独使用任何一种成分更有用的材料。

BMW i3 全电动汽车是第一款大量使用复合材料的量产汽车，尤其是在乘客舱周围的结构中。

复合材料的结构性能主要由纤维增强材料获得。汽车零部件、船舶、消费品和耐腐蚀工业零部件等大型市场中使用的商用复合材料通常由不连续、随机取向的玻璃纤维或连续但无取向的纤维形状制成。我是。先进复合材料最初是为军用航空航天市场开发的，其性能优于传统结构金属，现已应用于通信卫星、飞机、体育用品、交通运输、重工业、石油天然气勘探等能源领域。如风力涡轮机的建造。

高性能复合材料的结构性能源自基体中连续、定向、高强度的纤维增强材料（最常见的是碳、芳纶或玻璃），这提高了加工性能，增加了刚度和阻力，增强了化学性能等机械性能。

纤维取向可以控制，并且可以提高任何应用中的性能。例如，在复合材料高尔夫球杆杆身中，复合材料杆身内以不同角度取向的硼纤维和碳纤维充分利用其强度和刚度特性来承受扭矩载荷和多重弯曲、压缩和拉力。

复合材料的性能由纤维和树脂基体的结合决定。这可以通过几种制造方法中的一种来实现。

基质可以是聚合物、陶瓷或金属基质。商业和高性能航空航天应用中最广泛使用的复合材料聚合物基体是热固性材料。它由聚合物链组成，当与催化剂混合、受热或两者结合时，这些聚合物链会永久固化。相互关联的网络。固化通常在高温和/或高压条件下在烘箱和/或真空袋或高压釜中进行。另一种不太常见的固化技术包括电子束、紫外线(UV) 辐射、X 射线和微波工艺。

另一种最常用的基体类型是热塑性(TP) 树脂，它正成为复合材料制造商越来越受欢迎的选择。通过熔化或软化材料然后冷却，形成热塑性线性聚合物链并重新形成成型固体。热塑性塑料通常以片材或面板形式出售，可以通过原位固化技术进行加工，例如简单的压制成型，无需热固性材料所需的高压釜或真空袋，即可制造坚固的近净形零件。 TP 的可重构性提供了在使用过程中纠正异常或修复损坏的可能性。

玻璃纤维

复合材料工业中使用的大部分纤维是玻璃纤维。玻璃纤维是最古老、最常见的增强材料，在大多数终端市场应用中用作重金属部件的替代品（航空航天工业是一个重要的例外）。玻璃纤维比第二种最常见的增强材料碳纤维更重，硬度更低，但它更耐冲击，并且断裂伸长率更高（也就是说，它在断裂前拉伸得更多）。根据玻璃类型、长丝直径、涂层化学（称为“上浆”）和纤维形态，可以获得不同的特性和性能水平。

玻璃纤维是复合材料制造中最常用的纤维类型，因为它经济实惠、重量轻且具有有吸引力的特性。

玻璃丝以束状形式提供，称为原丝。线是连续玻璃丝的集合。粗纱通常是指像线一样缠绕在大线轴上的一束未加捻的原丝。单端无捻粗纱由与原丝长度相同的连续玻璃原丝组成。多头粗纱由长但不完全连续的股线组成，这些股线在绕线过程中以交错的方式添加或掉落。纱线是捻合股线的集合。高性能纤维

先进复合材料中使用的高性能纤维包括碳纤维、芳纶纤维（商品名Kevlar和Twaron）、硼纤维、高模量聚乙烯（PE）和聚对亚苯基-2,6-苯并二恶唑（PBO）等新型纤维。混合组合。 Kevlar 是杜邦防护技术公司（美国弗吉尼亚州里士满）的产品。 Twaron 纤维由Teijin（荷兰阿纳姆）制造。

碳纤维有拖曳或编织两种形式。将碳纤维与树脂基体相结合可提供前所未有的强度和重量优势。

碳纤维是高性能应用中使用最广泛的纤维，由聚丙烯腈(PAN)、人造丝和沥青等多种前体制成。前体纤维经过化学处理、加热、拉伸和碳化，形成高强度纤维。第一批投放市场的高性能碳纤维是由人造丝前体制成的。目前，PAN 和沥青基纤维在大多数应用中已经取代了人造丝基纤维。 PAN基碳纤维用途最广泛，应用最广泛。它们具有令人惊叹的特性，例如卓越的强度（高达1,000 ksi）和高刚度。由石油或煤焦油沥青制成的沥青纤维具有高至极高的刚度和低至负的轴向热膨胀系数（CTE）。其CTE 特性在需要热管理的航天器应用（例如电子外壳）中特别有用。碳纤维的特性促使人们寻找替代的、更便宜的前体材料，例如从纸浆和废纸中获得的木质素。尽管研究工作正在引起人们的关注，但这种低成本纤维材料成为实用的商业增强材料还有很长的路要走。

虽然碳纤维比玻璃纤维或芳纶纤维坚固，但它不仅耐冲击性较差，而且如果与金属接触也会引起电解腐蚀。制造商通过在层压板中使用阻隔材料或面纱层（通常是玻璃纤维/环氧树脂）来克服后一个问题。

高性能碳纤维的基本纤维形式是称为丝束的连续纤维束。碳纤维牵引由数千根连续的无捻细丝组成，细丝的支数用数字后面加1000次的“K”来表示（例如，12K表示细丝的支数为12000）。丝束可直接用于纤维缠绕和拉挤等工艺，或转化为单向带、纺织品和其他形式的增强材料。

芳纶纤维由芳香族聚酰胺制成，具有优异的抗冲击性和良好的伸长率（高于碳，低于玻璃）。典型的高性能芳纶纤维的模量约为20 Msi，拉伸强度约为500 ksi，伸长率约为3%。芳纶纤维以其在防弹背心和其他装甲和防弹应用中的性能而闻名，并且由于执法和军事市场的人员保护和装甲需求，芳纶纤维的需求量很大。芳纶的特性还使这种纤维成为需要抗冲击的直升机旋翼叶片、船体和运动器材的理想选择。

硼纤维的强度是钢的五倍，硬度是钢的两倍。硼提供强度、刚度、重量以及优异的抗压缩和抗弯性能。硼复合材料的应用范围从运动器材（如钓鱼竿、高尔夫球杆杆身、滑雪板和自行车车架）到航空航天应用（如飞机尾蒙皮、桁架构件和预制飞机的维护补丁）。

高性能纤维的高成本对于了解这些材料如何通过提高性能、耐用性和设计自由度来降低高成本，以及这些优势如何增加生命周期成本（一个关键指标）非常重要。如果忽视影响，它可能会阻碍您选择的制造商。对于碳纤维来说尤其如此。从历史上看，碳纤维供需的大幅波动使碳纤维的选择变得复杂。

热固性树脂

复合材料中使用最广泛的聚合物是热固性塑料，这是一种塑料树脂，当通过热或化学（催化剂或促进剂）等方式固化时，它基本上变得不熔且不溶。一旦固化，热固性塑料就无法恢复到未固化状态。尽管目前商业用途的几乎所有热固性树脂均源自石油原料，但不断增长的生物树脂领域正在进行研究、开发和商业化。生物树脂主要设计用于以不同比例使用可再生农业原料，例如多元醇（源自大豆）和乙醇（源自玉米）。

不饱和聚酯树脂是商业大批量应用中使用最广泛的热固性塑料，因为它们易于加工，具有良好的机械、电气和化学性能平衡，并且成本相对较低。 （饱和聚酯是一种热塑性聚合物。通常与玻璃纤维增强材料结合使用，聚酯非常适合各种制造工艺，包括开模喷涂、压缩成型、树脂传递模塑（RTM），聚酯特性许多酯配方都是量身定制的根据乙二醇和酸元素以及反应性单体（最常见的是苯乙烯）的选择，满足特定的性能标准。苯乙烯的添加量最高可达50%，以降低粘度并促进树脂的生成。工艺和工艺。

乙烯基酯树脂在聚酯和高性能环氧树脂之间提供了低成本、快速固化、易于加工的桥梁（见下文）。分子结构与聚酯非常相似，但反应位点仅在分子链末端，酯基较少。酯基容易水解，因此减少乙烯基酯可以提高对水和化学侵蚀性环境的耐受性，这在一定程度上解释了价格较高的原因。乙烯基酯是化学储罐和其他以耐腐蚀性为重要目标的应用中的首选，它们还为需要高度防潮性的结构层压板增加了价值，例如船体和甲板。它们的加工和固化方式与聚酯类似，可能会增加其韧性，但固化后通常需要升高温度。

对于先进复合材料基体，最常见的热固性材料是环氧树脂、酚醛树脂、氰酸酯（CE）、双马来酰亚胺（BMI）、苯并恶嗪和聚酰亚胺。

与波音787 一样，空客A350 XWB 是一款双通道喷气式飞机，按重量计算，复合材料含量超过50%。

环氧树脂有助于提高复合材料的强度、耐用性和耐化学性。高温下具有高性能，热/湿工作温度高达121C。环氧树脂有液体、固体和半固体形式，通常通过与胺或酸酐反应来固化。环氧树脂是使用硬化剂（也称为硬化剂）而不是像聚酯树脂那样使用催化剂来固化的。固化剂（B 部分）和基础剂（A 部分）以一定速率发生反应的“加成反应”。因此，使用正确的树脂和固化剂混合比例以确保反应完全非常重要。否则，树脂将无法完全固化，也无法发挥其全部潜力。增强环氧树脂（添加热塑性和反应性橡胶化合物以防止由于高水平交联而导致脆性）是高比率复合材料机身的标准配置，例如波音787 梦想飞机和空客A350 XWB。

酚醛树脂基于芳香醇和醛（例如苯酚）和甲醛的组合。它们用于阻燃飞机内饰板以及需要低成本、阻燃、低烟产品的商业市场。由于其优异的焦炭产量和烧蚀（吸热）特性，酚醛树脂长期以来一直受到烧蚀和火箭喷嘴应用的青睐。事实证明，它在非航空航天应用（特别是海上石油和天然气平台的组件）以及公共交通和电子应用中也取得了成功。然而，酚醛树脂通过缩合反应聚合，在固化过程中释放水蒸气和甲醛。这种现象会在复合材料内产生空隙。因此，酚醛树脂的机械性能略低于环氧树脂和大多数其他高性能树脂。

氰酸酯（CE）是多功能基体，具有优异的强度和韧性，与其他聚合物基体相比吸湿性非常低，并且具有优异的电性能，但这些优势是有代价的。 CE 的热/湿工作温度高达149C，通常采用热塑性塑料或球形橡胶颗粒进行增强。它们的加工过程与环氧树脂类似，但由于CE 的粘度特性和标称挥发物含量，固化过程更容易。当前的应用范围从天线罩、天线、导弹和消融到微电子和微波产品。

在更奇特的树脂中，双马来酰亚胺和聚酰亚胺（化学性质相似）用于飞机和导弹的高温应用，例如喷气发动机机舱零件。 BMI 兼容热/湿工作温度（高达232C），而某些聚酰亚胺可在高达371C 的短时间内使用。固化过程中释放的挥发物和水分使聚酰亚胺比环氧树脂或CE更难加工，但已经开发出特殊的配方和加工技术来减少或消除空隙和分层。与CE和环氧树脂相比，BMI和聚酰亚胺传统上都表现出较高的吸湿性和较低的韧性值，但近年来在创造更坚韧的配方方面取得了重大进展。BMI现在被认为比环氧树脂更具流体侵入性。 BMI 的使用不断增加，是因为在高于177C 的温度下工作的工具和应用以及需要在中等温度下改善热/湿度和开孔压实(OHC) 性能的结构中越来越多地使用复合材料。这也是由使用量不断增加所推动的。 80120。因此，它主要用于F-35 Lightning II 战斗机，可以提供比环氧树脂质量更小的抗损坏结构。

热塑性树脂

与固化反应无法逆转的交联热固性材料相反，热塑性塑料在冷却时硬化，但保留其可塑性。换句话说，可以通过将其重新加热到加工温度以上来使其重新熔化和硬化。廉价的热塑性基体具有较低的加工温度，但也具有有限的操作温度。它们来自一系列工程塑料和日用塑料，例如聚乙烯(PE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚碳酸酯(PC)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚酰胺（PA 或尼龙）和聚丙烯.我受到启发。 （PP）。运动鞋、矫形器和医疗假肢等大批量产品以及汽车进气歧管和其他发动机罩下部件受益于这些树脂的韧性和防潮性。

高性能热塑性树脂—— 聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚芳基砜(PAS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚砜(PES))、聚苯硫醚(PPS)、液晶聚合物(LCP) ——耐高温环境良好，固化后不会吸潮，暴露在潮湿环境中也不会变质。这些树脂采用高性能纤维增强，无需冷藏即可延长预浸料的保质期，并提供出色的抗冲击性和减振性能。它还提供了使用回收材料并简化废物和报废结构回收的机会。

然而，其相对较高的粘度可能会给复合材料制造商带来一些加工挑战。基于高性能树脂的增强热塑性复合材料正在渗透到航空航天应用中。