基体材料的优化方法及效果

2023-07-18 理论教育版权反馈

【摘要】：热固性树脂加热成形后转变为不溶、不熔的网状结构，不能二次加工，环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、聚酰亚胺树脂、双马树脂等都属于热固性树脂基体材料。

1.基体材料的作用

以合成树脂为主的基体材料是树脂基复合材料的另一重要成分。在复合材料成形过程中，基体材料经过一系列复杂的物理—化学变化，把增强纤维黏结成具有一定形状的整体。因此，基体材料的特性直接影响着复合材料的性能，而它的工艺性则直接关系到复合材料成形方法和工艺参数的选择。

纤维增强树脂基复合材料中，树脂基体的主要作用有以下几种。

①将分散的增强材料黏结形成一个整体，并保持适当的方向与位置。复合材料构件承载时，基体将外载荷传递和分布到增强材料上。

②通过对增强材料的覆盖和黏合作用保护增强材料，使增强材料免受机械损伤和潮湿、氧化及化学品等环境侵蚀，并抑制增强材料的缺陷、裂纹等的影响。

③与增强材料黏合良好、力学性能（如断裂伸长率、弹性模量等）相适应的复合材料，可以改善复合材料的层间剪切强度、横向拉伸强度、压缩强度以及断裂韧性等性能，并最大限度地发挥增强材料的力学性能。

④基体的耐热性、耐化学腐蚀性、耐老化性、介电性等性能，保证了复合材料在各种特定环境下正常使用。

2.基体材料的组成

（1）树脂

树脂是树脂基复合材料基体的主要成分，按照树脂的热行为可以分为热固性树脂和热塑性树脂两类。热固性树脂加热成形后转变为不溶、不熔的网状结构，不能二次加工，环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、聚酰亚胺树脂、双马树脂等都属于热固性树脂基体材料。热塑性树脂在特定温度范围内能够反复加热软化和冷却硬化，如聚乙烯、聚醚砜、聚醚酮等。复合材料的树脂基体，目前仍以热固性树脂为主。

（2）固化剂的助剂

为了改进树脂的工艺性能以及固化后制件的性能，或降低基体材料的成本，需要再添加固化剂和多种助剂，这些填料和树脂共同构成了树脂体系，填料在树脂体系中具有重要作用。

固化剂是树脂固化不可缺少的，它不仅促进树脂固化，而且在一定程度上影响制件的性能，不同的树脂需要不同的固化剂。稀释剂的作用主要是降低树脂黏度，增强树脂对增强材料的浸润性。增韧剂的作用是降低固化后树脂的脆性，在不损失树脂强度的情况下提高韧性。其他助剂包括改善树脂流动性、阻燃性、耐蚀性、耐磨性和电绝缘性等性能的填料。

3.热固性树脂基体材料

（1）环氧树脂

环氧树脂是分子中含有两个或两个以上活性环氧基团的一类有机高分子化合物。环氧树脂属于热固性树脂，可与多种固化剂发生交联反应，生成不溶、不熔的具有三维网状结构的高聚物。环氧树脂具有诸多良好的使用性能和简便的工艺性能，可用作多种复合材料的基体。

（2）酚醛树脂

酚醛树脂是酚类（如苯酚、甲酚、二甲酚等）和醛类（如甲醛、乙醛等）在酸或碱的催化作用下缩合而成的聚合物。酚醛树脂按酚类和醛类的不同配比及使用的催化剂不同，分为热固性树脂和热塑性树脂两类。通常，作为纤维增强复合材料基体使用的酚醛树脂大多采用热固性树脂。酚醛树脂是最早用于复合材料的热固性树脂。

（3）不饱和聚酯树脂

不饱和聚酯树脂是指不饱和聚酯在乙烯基类交联单体中的溶液。不饱和聚酯是由不饱和二元酸或酸酐、饱和二元酸或酸酐与二元醇缩聚而成。不饱和聚酯树脂在复合材料领域用量较多、用途广泛。

（4）聚酰亚胺

聚酰亚胺树脂是主链上含有酰亚胺基团的聚合物的通称。聚酰亚胺树脂可分为热固性和热塑性两类，热固性聚酰亚胺树脂根据其合成反应的类型，又可以分为缩聚型和加聚型两类。严格来讲，只有加聚型聚酰亚胺是热固性树脂，缩聚型聚酰亚胺只是行为上像热固性树脂，作为复合材料树脂基体的聚酰亚胺主要是加聚型聚酰亚胺。

（5）双马来酰亚胺

双马来酰亚胺是一种热固性树脂，是由聚酰亚胺树脂派生的一类树脂，具有与典型热固性树脂相似的流动性和可模塑性。为了提高树脂性能，实际应用中通常对纯双马来酰亚胺树脂进行改性。

与环氧树脂相比，双马来酰亚胺具有更好的热稳定性、优良的耐辐射性和耐湿热性，成形性与环氧树脂相近；但脆性超过了环氧树脂，使其断裂韧性和抗冲击性能降低。双马来酰亚胺的成本一般比高温环氧树脂要高。

基体材料的优化方法及效果

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