【中译版】先进复合材料讲义（二）：基质材料及胶粘剂

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基质材料

热固性树脂

树脂是指聚合物的通称。树脂及其化学成分和物理性能从根本上影响复合材料的加工、制造和最终性能。热固性树脂是所有人造材料中最多样和应用最广泛的。它们很容易被浇铸或形成任何形状，与大多数其他材料兼容，而且很容易（通过加热或催化剂）固化为不溶性固体。热固性树脂也是很好的粘合剂和粘接剂。

聚酯树脂

聚酯树脂是相对便宜且易加工的树脂，通常用于低成本的应用。低烟聚酯树脂用于飞机的内部部件。纤维增强聚酯可采用多种加工方法。常用的加工方法有配套金属模具成型、湿铺层压（真空袋）成型、注塑成型、纤维缠绕、拉挤和高压蒸汽。

乙烯基酯树脂

乙烯基酯树脂的外观、处理性能和固化特性具有与常规树脂相同的聚酯树脂。但是，耐蚀性和乙烯基酯复合材料的力学性能比标准聚酯树脂复合材料有很大提高。

酚醛树脂

酚醛树脂在20世纪初被首次用于市场商业化生产。尿素甲醛和三聚氰胺甲醛在20世纪20－30年代作为较低成本的低温使用的替代品出现。酚醛树脂因其低烟和低可燃性的特点而被用于室内部件。

环氧树脂

环氧树脂是可聚合的热固性树脂，具有从液体到固体的各种粘度。环氧树脂有许多不同的类型，技术人员应该以使用维护手册来选择正确的类型进行特定的修复。环氧树脂广泛应用于预浸料和结构粘合剂。环氧树脂的优点是强度和模量高，挥发物含量低，附着力好，收缩率低，耐化学性好，易于加工。它们的主要缺点是易碎和在水分的存在下性能下降。环氧树脂的加工或固化比聚酯树脂慢。加工工艺包括高压罐成型、纤维缠绕、模压成型、真空袋成型、树脂转移成型和拉挤成型。固化温度范围从室温到大约350°F（180°C）。最常见的固化温度范围在250°至350°F（120－180°C）之间。如图10所示

图10：两种带泵湿式环氧树脂分配器铺层系统

聚酰亚胺

聚酰亚胺树脂在高温环境中表现优异，其耐热性、氧化稳定性、低热膨胀系数和耐溶剂性有利于设计。它们的主要用途是电路板、热发动机和机体结构。聚酰亚胺可以是热固性树脂或热塑性塑料。聚酰亚胺需要较高的固化温度，通常超过550°F（290°C）。因此，普通的环氧复合袋装材料是不可用的，钢制工装成为一种必需品。使用聚酰亚胺袋装和释放膜，如Kapton?。Upilex?取代较低成本的尼龙套袋和聚四氟乙烯（PTFE）脱模膜是非常重要的环氧复合材料加工常见的程序。

玻璃纤维面层由于聚酯纤维的熔点低，必须用可排放透气材料来代替聚酯纤维作为垫料。

聚苯并咪唑（PBI）

聚苯并咪唑树脂具有极强的耐高温性能，用于耐高温材料。这些树脂可用作粘合剂和纤维。

双马来酰亚胺（BMI）

双马来酰亚胺树脂比环氧树脂具有更高的耐温能力和更高的韧性，并且在环境和高温下都具有优异的性能。双马来酰亚胺树脂的处理方法与环氧树脂类似。BMI用于航空发动机和高温部件。BMIs适用于标准的热压罐加工，注塑成型，树脂铸模成型，模压复合成型（SMC）等。

热塑性树脂

热塑性材料可以通过温度升高反复软化，并通过温度降低反复硬化。加工速度是热塑性材料的主要优点。材料在加工过程中不发生化学固化，材料在柔软时可通过模压或挤压成型。

半晶热塑性塑料

半晶热塑性塑料具有固定的阻燃性能，优越的韧性，良好的高温和冲击后的机械性能，及低吸湿性。它们用于二级和一级飞机结构。与增强纤维结合，它们可用于注塑成型化合物，可压缩成型的随机薄板，单向胶模，由预浸丝束（预浸丝料）制成的预浸料，和织物预浸料。浸渍在半晶热塑性塑料中的纤维包括碳纤维，镀镍碳，芳纶，玻璃纤维，石英和其他。

非晶热塑性塑料

非晶态热塑性塑料有多种物理形态，包括薄膜、丝状和粉末。与增强纤维结合，它们也可用于注塑复合材料，可压缩成型的随机薄板，单向胶模，编织预浸料等。所用的纤维主要是碳纤维、芳纶和玻璃纤维。非晶态热塑性塑料的特殊优势取决于聚合物。通常，这种树脂以其加工方便、速度、高温能力、良好的机械性能、优异的韧性和冲击强度以及化学稳定性而闻名。稳定性的结果在于无限的贮存寿命期，消除了热固性预浸料冷贮存的要求。

聚醚醚酮（PEEK）

聚醚醚酮，俗称PEEK，是一种高温热塑性塑料。这种芳香族酮材料具有优异的高热和燃烧特性，并耐各种溶剂和专有溶流体。PEEK也可以用玻璃纤维和碳纤维加强体。

树脂的固化阶段

热固性树脂使用化学反应固化。有三个固化阶段，分别称为A、B和C。

?A阶段：树脂组分（基材和固化剂）已经混合，但化学反应还没有开始。在湿铺层过程中，树脂处于A阶段。

?B阶段：树脂的组分已经混合，化学反应已经开始。这时材料变厚且很粘。预浸料的树脂处于B阶段。为了防止进一步固化，将树脂放在0°F的冰箱中。在冷冻状态下，预浸料的树脂停留在B段。当材料从冰箱中取出并再次加热时，就开始固化。

?C阶段：树脂完全固化。有些树脂在室温下固化，有些则需要高温固化循环才能完全充分固化。

预浸料产品（Prepregs）

预浸料由基体和增强纤维组合而成。它有单向形式（一个增强方向）和织物层压形式（几个增强方向）。所有五种主要的基体树脂家族都可以用于浸渍各种纤维形态。然后树脂不再处于低粘度阶段，但已被推进到B级固化水平，以获得更好的处理特性。以下产品可采用预浸料形式：单向胶模、机织纤维物、连续纱束和碎切垫。预浸料必须在0°F以下的冰箱中存储，以延缓固化过程。预浸料用升高的温度固化。航空航天中使用的许多预浸材料都是用环氧树脂浸渍的，它们在250华氏度或350华氏度下固化。预浸料用高压釜、烤箱或热毯固化。他们通常购买和储存在一个密封的塑料袋卷，以避免水分污染。如图11所示

图11：胶膜和织物预浸料

干纤维材料

干纤维材料，如碳纤维，玻璃纤维和kevlar?，用于许多飞机维修程序。在修复工作开始之前，干燥的织物被树脂浸渍。这个过程通常被称为湿铺层。采用湿铺层工艺的主要优点是纤维和树脂可以在室温下长时间保存。复合材料可以在室温下固化，也可以用高温固化来加快固化过程，增加强度。缺点是工艺混乱，强化材料的性能低于预浸料的性能。如图12所示

图12：干织物材料（从上到下：铝防雷材料，kevlar?，玻璃纤维和碳纤维）

助剂（触变剂）

助剂（触变性剂）静止时呈凝胶状，搅动时变为液体。这些材料具有较高的静剪强度和较低的动剪强度，同时在应力作用下失去粘度。

粘合剂

胶膜粘合剂

用于航空航天的结构粘合剂通常以薄膜形式提供，支撑在脱模纸上，并在冷藏条件下（－18°C，或0°F）存储。薄膜胶粘剂可使用高温芳香胺或催化固化剂与广泛的柔韧剂和增韧剂。橡胶增韧环氧膜胶粘剂广泛应用于航空工业。121－177°C（250－350°F）的温度上限通常取决于所需的增韧程度以及树脂和固化剂的总体选择。

一般来说，增韧树脂会导致较低的使用温度。薄膜材料通常由纤维支撑，以改善固化前对薄膜的处理，控制粘接过程中的胶粘剂流动，并协助控制粘接线的厚度。纤维可制成定向随意的短纤维毡，也可制成编织布。常见的纤维有聚酯纤维、聚酰胺纤维（尼龙）和玻璃纤维。含有编织布的胶粘剂，由于水被纤维吸干，可能有轻微的环境性能退化。由于粘接过程中不受限制的纤维会移动，所以随意垫布在控制薄膜厚度方面不如编织布有效。纺捻无纺布不动，因此被广泛使用。如图13及14所示

图13：使用薄膜胶粘剂，凯夫拉?，玻璃纤维和碳纤维

图14：一卷胶膜

胶粘剂

粘贴胶粘剂作为薄膜粘合剂的替代品。这些通常用于二次粘结修复补丁的损坏部件，并在薄膜胶粘剂难以应用的地方使用。在环氧树脂中，主要是用浆料粘在结构粘结剂上。一个部分和两个部分系统是可用的。粘贴胶粘剂的优点是可以储存在室温下，有很长的保质期。缺点是粘结线厚度很难控制，影响了粘接的强度。

当粘贴胶粘剂时，可以使织布在粘合过程中保持胶粘状态。如图15所示

图15：A B混合胶粘剂

发泡胶粘剂

大多数发泡胶粘剂均为0．025英寸至0．10英寸厚的B级环氧树脂。泡沫胶粘剂固化于250°F（121℃）或350°F（176℃）。在固化周期中，发泡胶粘剂展开。发泡胶粘剂需要储存在冰箱里，就像预浸料一样，它们的储存寿命有限。在预修复中，发泡胶粘剂被用来在夹层结构中拼接在蜂窝上，并在现有的核心中修复。如图16所示

图16：使用发泡胶粘剂

夹层结构说明（三明治结构描述）

理论上，夹层结构是一种结构面板概念，它由两种相对较薄、平行的面层组成，由一个相对厚或轻的芯材分开。该芯材支持面岑对抗弯曲和抵抗自平面剪切载荷。芯材必须具有高剪切强度和压缩刚度。复合夹层结构通常是用高压罐固化、压力机固化或真空袋固化而制造的。表皮层叠可以预先固化，然后再共固化操作中结合在一起，或结合两种方法。蜂窝状结构的例子是：机翼破坏，滑石，副翼，襟翼，机舱，地板，和舵。如图17所示

图17：蜂窝夹层结构

性能

在铝和复合板层结构的比较中，夹层结构的弯曲刚度非常高。大多数蜂窝都是各向异性，即属性是定向的。如图18所示，说明了使用蜂窝结构的优点。增加岩心厚度大大提高了蜂窝结构的刚度，而重量增加最小。由于蜂窝状结构的高刚度，没有必要使用外部硬板，如同梁架。如图18所示

图18：蜂窝夹层材料的强度和刚度与固体层压相比值

未完待续

原文标题:【中译版】先进复合材料讲义（二）：基质材料及胶粘剂