树脂与橡胶的区别(一文读懂复合材料中的纤维和树脂)

Posted 2023-05-29

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树脂与橡胶的区别(一文读懂复合材料中的纤维和树脂)

复合材料在制造业中的现代使用并不新鲜，其间跨越了几十年，最早可以追溯到20世纪60年代初。在此之前，纤维与液体基质的组合已被用于各种应用，从久经考验的干泥和稻草（土坯砖）到福特汽车公司（美国密歇根州底特律）于1941年开发的概念车，其特点是用天然纤维增强复合材料制成的车身面板。

尽管如此，与钢、铝、铁和钛等传统材料相比，复合材料仍在成熟中，直到现在，设计和制造工程师才更好地理解复合材料。此外，复合材料受到其非各向同性性质的阻碍，这使得它们难以建模和仿真。然而，复合材料的物理特性 - 加上无与伦比的轻质 - 使它们具有无可抗拒的吸引力。

幸运的是，对于复合材料新手来说它的这些材料可以很容易地理解和应用。以下是复合材料制造中的纤维及树脂的应用。

优异的性能

高强度和低重量仍然是推动复合材料进入新领域的制胜组合，但其他性能同样重要。复合材料具有良好的减振性和低热膨胀系数（CTE），这些特性可以针对特殊应用进行设计。复合材料具有抗疲劳性，并提供设计/制造灵活性，可以显着减少特定应用所需的零件数量 - 这意味着成品需要更少的原材料，更少的接头和紧固件以及更短的装配时间。复合材料还具有对极端温度、腐蚀和磨损的耐受性，特别是在工业环境中，这些特性对降低产品生命周期成本有很大作用。这些特性推动了复合材料的广泛使用。例如，对燃油经济性和效率的推动使得轻量化成为几乎所有机械运输方式的优先事项，从自行车到大型商用飞机。

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

自从波音公司（美国伊利诺伊州芝加哥）的787 Dreamliner（重量降为50%，空气动力学表面上为100%复合材料）投入生产并于2009年12月成功进行首次飞行以来，复合材料已进入一级和二级航空航天结构，并在航空航天世界的飞机内饰中占据了更大的位置。此后，787加入了世界关注的焦点，其商用运输机竞争对手空中客车公司（法国图卢兹）等其他复合材料密集型飞机。首批52%复合材料空客A350 XWB于2015年交付。空中客车公司此前曾将复合材料纳入其A380超级巨无霸客机和A400M军用运输机。这四个计划是期待已久的转型的实现，该转型也已经超越了通用航空飞机市场，并且长期以来一直是军用飞机制造的一部分。材料形式越来越多样化，可通过广泛的成型和成型工艺进行制造，这些材料形式已经或准备成为全球制造领域的焦点。

完全不同的材料

复合材料与传统材料的不同之处在于，复合材料部件由两种截然不同的成分组成——纤维和基质材料（最常见的是聚合物树脂）——当它们组合在一起时，它们仍然是离散的，但具有交互作用，以制造一种新材料，其性能不能简单地通过简单地总结其成分的属性来预测。事实上，纤维/树脂组合的主要优点之一是其互补性。例如，薄玻璃纤维表现出相对较高的拉伸强度，但容易受到损坏。相比之下，大多数聚合物树脂的拉伸强度较弱，但非常坚韧和具有延展性。然而，当纤维和树脂结合在一起时，纤维和树脂都抵消了对方的弱点，产生的材料比其任何一个单独的组件都更有用。

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

复合材料的结构性能主要来自纤维增强材料。用于大型市场的商用复合材料，如汽车部件、船舶、消费品和耐腐蚀工业部件，通常由不连续的、随机取向的玻璃纤维或连续但无取向的纤维形式制成。最初为军事航空航天市场开发的先进复合材料的性能优于传统结构金属，现在在通信卫星，飞机，体育用品，运输，重工业以及石油和天然气勘探和风力涡轮机建设的能源部门中都有应用。

高性能复合材料的结构特性来自连续的、定向的、高强度的纤维增强材料（最常见的是碳、芳纶或玻璃），其基体可提高加工性能并增强机械性能，如刚度和耐化学性。

纤维取向可以控制，这是一个可以提高任何应用性能的因素。例如，在复合材料高尔夫球杆轴中，在复合轴内以不同角度取向的硼和碳纤维使其能够充分利用其强度和刚度特性，并承受扭矩载荷和多个弯曲，压缩和拉伸力。

复合材料的性能来自纤维和树脂基体的组合，这可以通过几种制造类型之一来实现。

基质可以是聚合物、陶瓷或金属基质。在商业和高性能航空航天应用中，最广泛用于复合材料的聚合物基质是热固性树脂，由聚合物链组成，当与催化剂混合时，这些聚合物链与催化剂混合，暴露于热量或两者兼而有之时，这些聚合物链被永久固化成交联网络。固化通常在高温和/或压力条件下在烘箱和/或真空袋或高压灭菌器中进行。替代但较少使用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，它被证明是复合材料制造商越来越受欢迎的选择。形成热塑性线性聚合物链，并通过熔化或软化然后冷却材料来重整成成形状的固体。热塑性塑料通常以片状或面板形式出售，可以通过原位固结技术进行加工，例如简单的压制成型，以制造坚韧，接近净的形状零件，而无需热压罐或热固性塑料所需的真空袋固化。TP 可重整性提供了纠正异常或修复在役损坏的潜力。

玻璃纤维

复合材料工业中使用的绝大多数纤维都是玻璃纤维。玻璃纤维是大多数终端市场应用（航空航天工业是一个重要的例外）中最古老和最常见的增强材料，用于取代较重的金属部件。玻璃纤维的重量超过第二常见的增强材料碳纤维，并且没有那么硬，但它更耐冲击，并且具有更大的断裂伸长率（即，它在断裂之前伸长到更大的程度）。根据玻璃类型、灯丝直径、涂层化学性质（称为“施胶”）和纤维形态，可以实现各种性能和性能水平。

玻璃纤维是复合材料制造中最常用的纤维类型，具有可负担性，重量轻和有吸引力的特性。

玻璃丝以称为绞线的束状形式提供。一根线是连续玻璃丝的集合。粗纱通常是指一束未绞合的股线，像线一样包装在一个大线轴上。单端粗纱由连续的多条玻璃丝组成的钢绞线组成，这些玻璃丝的长度与股线的长度相同。多端粗纱包含冗长但不完全连续的线束，这些股线在线轴过程中以交错排列的方式添加或掉落。纱线是捻在一起的股线的集合。

高性能纤维

用于先进复合材料的高性能纤维包括碳纤维、芳纶纤维（商品名Kevlar和Twaron）、硼纤维、高模聚乙烯（PE）、聚对亚苯基-2，6-苯并二恶唑（PBO）等新型纤维以及杂化组合。Kevlar 是杜邦保护技术公司（美国弗吉尼亚州里士满）的产品。Twaron纤维由帝人（荷兰阿纳姆）生产。

碳纤维可以以拖曳形式或编织形式提供。当与树脂基体结合使用时，碳纤维具有前所未有的强度和重量优势。

碳纤维是迄今为止在高性能应用中使用最广泛的纤维，由多种前体制成，包括聚丙烯腈（PAN）、人造丝和沥青。前体纤维经过化学处理，加热和拉伸，然后碳化，以产生高强度纤维。市场上第一批高性能碳纤维是由人造丝前体制成的。如今，PAN和沥青基光纤在大多数应用中已经取代了基于人造丝的光纤。PAN基碳纤维是最通用和最广泛使用的。它们具有惊人的性能，包括出色的强度（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）。它们的CTE特性在需要热管理的航天器应用中特别有用，例如电子仪器外壳。碳纤维的特性正在刺激寻找替代和更便宜的前体材料，例如木质素，它来自纸浆和纸张废物。虽然研究工作正在获得牵引力，但这种低成本的纤维材料要成为可行的商业加固选择还有很长的路要走。

虽然碳纤维比玻璃或芳纶纤维更坚固，但不仅抗冲击性较差，而且在与金属接触时也会经历电偶腐蚀。制造商通过在层压层压层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。碳纤维牵引由数千个连续的，未扭曲的细丝组成，灯丝计数由数字后跟“K”指定，表示乘以1000（例如，12K表示灯丝计数为12000）。丝束可以直接用于长丝缠绕或拉挤成型等工艺，也可以转化为单向胶带、织物和其他增强形式。

芳纶纤维由芳香族聚酰胺制成，具有出色的抗冲击性和良好的伸长率（高于碳，但小于玻璃）。标准的高性能芳纶纤维模量约为20 Msi，拉伸强度约为500 ksi，伸长率接近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，部分原因是由于执法和军事市场对人员保护和装甲的需求，因此一直受到需求。芳纶的特性也使该纤维成为直升机旋翼叶片、船体和需要抗冲击性的体育用品的绝佳选择。

硼纤维的强度是钢的五倍，硬度是钢的两倍。硼具有强度、刚度和轻质性，并具有优异的抗压性能和抗屈曲性。硼复合材料的用途范围从体育用品（如钓鱼竿、高尔夫球杆轴、滑雪板和自行车车架）到航空航天应用，如飞机尾翼蒙皮、桁架构件和预制飞机维修贴片。

如果制造商忽视了这些材料如何通过提高性能，耐用性和设计自由度来减轻高成本，以及这些优势对关键指标的积极影响，那么高性能纤维的高成本可能会阻碍他们的选择：生命周期成本。碳纤维尤其如此，从历史上看，碳纤维的选择因碳纤维供需的显着波动而变得复杂。

热固性树脂

复合材料中应用最广泛的聚合物是热固性塑料，这是一类塑料树脂，当通过热和/或化学（催化剂或促进剂）或其他手段固化时，基本上变得不可熔性和不溶性。固化后，热固性塑料不能恢复到未固化状态。虽然目前几乎所有商业用途的热固性塑料都来自石油原料，但在不断增长的生物树脂领域，研发和商业化正在进行中。生物树脂主要用于使用可再生农业原料，其比例不同，包括多元醇（来自大豆）和乙醇（来自玉米）。

不饱和聚酯树脂是商业、大规模生产应用中使用最广泛的热固性塑料，因为它们易于处理，机械、电气和化学性能的良好平衡以及相对较低的成本。（饱和聚酯是热塑性聚合物。聚酯通常与玻璃纤维增强材料结合使用，可很好地适应各种制造工艺，最常用于开模喷涂、压缩成型、树脂传递成型（RTM）和铸造。聚酯配方的性能可以根据乙二醇和酸元素以及反应性单体（最常见的是苯乙烯）的选择进行改性以满足特定的性能标准。苯乙烯的添加量高达50%，以降低粘度，使树脂更易于处理和加工。

乙烯基酯树脂在低成本、快速固化和易于加工的聚酯和高性能环氧树脂（如下所述）之间架起了一座桥梁。它们的分子结构与聚酯非常相似，但它们仅在分子链的末端具有反应性位点并且具有较少的酯基。由于酯基易受水解的影响，因此减少乙烯基酯会增加乙烯基酯对水和化学腐蚀环境的抵抗力，这在一定程度上解释了它们较高的价格。乙烯基酯在化学罐和其他以耐腐蚀性为关键目标的应用中受到青睐，并且在需要高度防潮的结构层压板（如船体和甲板）中也增加了价值。它们的加工和固化方式与聚酯类似，有可能提高韧性，尽管这通常需要固化后温度升高。

对于高级复合基质，最常见的热固性物质是环氧树脂、酚类、氰酸酯（CEs）、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是一种双通道喷气式飞机，按重量计复合材料含量超过50%。

环氧树脂有助于复合材料的强度、耐久性和耐化学性。它们在高温下提供高性能，热/湿工作温度高达121°C。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固化。环氧树脂不像聚酯树脂那样用催化剂固化，而是使用硬化剂（也称为固化剂）。硬化剂（B部分）和基础树脂（A部分）按照固定比例在“加成反应”中共反应。因此，使用正确的树脂与硬化剂的混合比例以确保完全反应至关重要。否则，树脂既不会完全固化，也不会达到其全部性能。增韧环氧树脂 - 添加热塑性塑料和活性橡胶化合物以抵消由于高度交联引起的脆性 - 已成为高百分比复合材料机身的常态，例如波音公司的787 Dreamliner和空客A350 XWB。

酚醛树脂基于芳香醇和醛（如苯酚）与甲醛的组合。它们应用于阻燃飞机内饰板以及需要低成本、阻燃和低烟产品的商业市场。出色的焦炭产量和烧蚀（吸热）特性使酚醛树脂长期以来一直是烧蚀和火箭喷嘴应用的最爱。它们还被证明在非航空航天应用中是成功的，特别是在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。然而，酚类物质通过缩合反应聚合，这导致在固化过程中释放水蒸气和甲醛。这种现象会在复合材料中产生空隙。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（CEs）是多功能基质，具有优异的强度和韧性，与其他聚合物基质相比，具有非常低的吸湿性，并具有优异的电性能，尽管这些优点的成本更高。CE具有高达149°C的热/湿工作温度，通常用热塑性塑料或球形橡胶颗粒增韧。它们的加工方式与环氧树脂类似，但由于CE的粘度分布和标称挥发物，它们的固化工艺更简单。目前的应用范围从天线罩、天线、导弹和烧蚀剂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（化学上的近亲）用于飞机和导弹的高温应用（例如，用于喷气发动机机舱部件）。BMI提供热/湿工作温度（至232°C），而一些聚酰亚胺可以在短时间内用于371°C。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更难处理;已经开发了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更高的吸湿性和更低的韧性值，但近年来在创造更坚韧的配方方面取得了重大进展，现在BMI被吹捧为比环氧树脂具有更好的流体侵入性。BMI使用量的增加不仅受到工作温度超过177°C的工具和应用的推动，而且还受到在中等温度下需要改进热/湿和开孔压缩（OHC）性能的结构中越来越多地使用复合材料，例如，80°C至120°C。这就是它在F-35闪电II战斗机上大部分使用的原因，与环氧树脂相比，它可以在较低的质量下实现耐损伤结构。

热塑性树脂

与交联热固性塑料相比，其固化反应不能逆转，热塑性塑料在冷却时变硬，但保持其可塑性;也就是说，它们将重新熔化，并且可以通过将它们重新加热到高于其加工温度来重塑。较便宜的热塑性基质具有较低的加工温度，但也具有有限的使用温度。它们从工程塑料和商品塑料的菜单中汲取灵感，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（PP）。大批量商业产品，如运动鞋、矫形器和医用假肢，以及汽车进气歧管和其他引擎盖下部件，都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）、聚芳砜（PAS）、聚醚酰亚胺（PEI）、聚醚砜（PES）、聚苯硫醚（PPS）和液晶聚合物（LCP）——在高温环境中具有良好的功能，一旦硬化，暴露在潮湿环境中既不会吸收水分，也不会降解。这些树脂采用高性能纤维增强，无需冷藏即可实现较长的预浸料保质期，并具有出色的抗冲击性和减振性能。它们还提供了使用回收材料的机会，并简化了废物和报废结构的回收利用。

然而，由于其相对较高的粘度，它们可能会给复合材料制造商带来一些加工挑战。以高性能树脂为基质的增强型热塑性复合材料正在进军航空航天应用。