树脂基复合材料在生活中的应用,和环氧树脂配合使用的纤维 _树脂

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文|楠猫
编辑|楠猫

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近几十年来，社会面临着气候变化和资源利用的挑战，导致生态系统的退化。为了应对这些威胁性变化，国际社会致力于寻找新的生产和创造价值的方式，包括轻量化结构和对木质纤维素生物质的有效利用，以实现可持续创新的可能解决方案。
事实上，轻量化就意味着减少生产能量、减少生产的原材料和管理终生的材料，质量的减少也导致了交通工具的能量耗减少和污染物排放的减少。

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因此，在各种应用中，夹层结构越来越多地取代了块状结构，因为它们具有轻巧、在弯曲时的机械性能以及热、振动和声学特性。纤维内含物基环氧树脂复合材料就是一种夹层结构，它是一类具有广泛应用潜力的高性能材料。在生活中，它的运用也十分广泛。
让我们一起来探究，纤维内含物基环氧树脂复合材料的特性究竟有何特殊之处才能被广泛运用？

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●○热固性有机基体：环氧树脂○●
环氧树脂是一种热固性聚合物，它由两部分组成：环氧基团催化剂和含胺固化剂（-NH2或-NH）。在交联过程中，胺基团中的每个氢原子打开环氧环，并产生了聚合物链。
与热塑性树脂相比，环氧树脂在受冲击时更易脆裂。根据研究人员的研究，热固性基体复合材料的冲击响应还存在一些弱点：
?在相同的冲击能量下，与热塑性基体复合材料相比，由于冲击而导致的剥离面积更大。
? 对于25 J的冲击能量，环氧增强结构会被穿孔，而热塑性复合结构的最大位移约为11.4 mm 。
? 在相同的冲击能量水平下，环氧基体复合材料的耗散能量与冲击能量的比值高于热塑性基体复合材料。该比值的增加增加了结构被穿孔的风险。

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此外，这类树脂的高脆性也是复合材料伪塑性行为的原因。在受到冲击时，会引发层内和层间裂纹的开启。与此同时，环氧残渣形成并阻碍了冲击后裂纹的闭合，这对复合材料的抗冲击性不利。

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【树脂基复合材料在生活中的应用,和环氧树脂配合使用的纤维】●○纤维材料和类型○●
复合材料根据其组成进行分类，包括基础材料（基体）和填充材料。基体或粘合剂是将填充材料在结构中粘合或保持的基本材料，而填充材料以天然或合成材料的片状、块状、颗粒状、纤维状或晶须状形式存在。
由于其高强度、耐久性、热稳定性、抗冲击性、化学性能、摩擦性能和耐磨性，所以玻璃纤维被誉为是最常用的合成纤维。
然而，使用传统加工技术对玻璃纤维增强聚合物（GFRPs）进行加工通常是缓慢、困难的，而且工具寿命较短。玻璃纤维易于从原材料制造，原材料供应几乎无限。
根据使用的原材料和其在制造过程中的用量，通常使用多种类型的玻璃纤维在GFRP复合材料中，玻璃纤维在使用寿命结束时也存在处理不方便的缺点。

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●○玻璃纤维增强聚合物○●
玻璃纤维增强聚合物复合材料采用了各种生产技术制造，并广泛应用于各种领域。由于其优越的机械性能，玻璃纤维增强复合材料近年来受到了更多关注。
玻璃纤维具有高强度、柔韧性、刚度、耐久性等优良特性。增加玻璃纤维的含量可以改善GFRP复合材料的机械和热性能。

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●○碳纤维增强环氧树脂○●
碳纤维最早在1880年由爱迪生用作灯泡的灯丝，从1960年开始，研究逐渐转向高模量和高强度的碳纤维的开发。
碳纤维在需要更高刚度的应用中更为重要，碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料在飞机、汽车、体育等各个领域具有广泛的应用。通常，碳纤维可以根据其机械性能、制造方法、应用领域、前体材料、纤维材料、最终热处理温度以及其功能进行分类。

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●○植物纤维增强环氧树脂○●
如今，工业企业正在专注于提供环保产品，全球也在朝着可持续发展的方向前进。由于其可生物降解性，自然纤维被应用于生产环保产品。
促使人们越来越多地使用天然纤维增强复合材料的主要原因是对污染、原材料和能源浪费以及石油储备枯竭等问题的日益关注。
由于复合材料具有轻质、机械性能、综合功能、物理化学抗性和易加工等优势，它们在体积方面取得了显著进展，并在实际上主导了几乎所有行业。

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例如，木纤维通过蒸汽爆破过程进行转化，并在不同的蒸汽压力下进行处理。蒸汽爆破后，纤维对水的亲和性、机械特性和在碱性溶液中的溶解能力都会减少。
列举了这么多材料的作用以及应用，它们的制备方式也值得我们进行深一步了解。

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●○制备方法○●
这些材料的制备方法的选择主要取决于使用的树脂、纤维长度、复合材料所需的性能以及生产批次和速率。
? 接触成型：这是一种适用于小批量生产的方法，在上涂蜡的模具上，交替堆叠催化树脂层和布料层。使用刷子将树脂涂在增强材料上，并用滚筒除气。重复这个过程直到达到所需的层数。
这种方法简单经济，并且可以制作任何形状和大小的零件，在模具一侧具有良好的表面外观。此方法制造的零件在很大程度上取决于操作者的熟练程度。

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? 真空成型：这是一种适用于中等规模生产的方法，在上涂蜡的硬模具上放置增强材料和树脂，然后在整个结构上应用防水薄膜。通过真空泵在模具和薄膜之间建立真空，使树脂分布均匀并去气。保持负压直到树脂完全干燥。

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? 低压液体树脂注射成型：也称为RTM（树脂注射成型），该方法涉及将增强材料插入硬的双面模具中。然后将催化树脂以0.1至0.4 MPa的压力泵入模具中。

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? 纤维缠绕：这种自动化方法适用于高压成型高性能创新零件，如管道和液体储罐。该方法涉及将纱线浸泡在催化树脂浴中，然后围绕芯棒缠绕。根据纱线移动速度与芯棒旋转速度和角度的比例，有三种缠绕方式：圆周缠绕、极向缠绕和螺旋缠绕。

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? 高压釜法：也称为真空袋法。该方法是将增强材料和树脂压实在坚硬模具上，然后通过一层弹性、柔性的薄膜使其与模具形成紧密的袋状结构。将模具放入一个封闭的室内，施加几兆帕斯卡的内部压力。这种压力由流体（空气、水、氮气或蒸汽）通过薄膜传递，有助于树脂的聚合。
? 同时喷涂成型：这种方法是从接触成型方法演变而来。在上涂蜡的模具上同时喷涂经过催化树脂混合的切碎纤维。然后使用滚筒压实喷涂层并消除气泡。这种技术可以低成本地生产中型和大型零件以及基本形状。然而，由于这种成型方法仅使用切碎纤维，所制作的零件的机械性能较差。

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●○生活中的应用○●
造船
E玻璃纤维常被用作造船中的增强材料，而用环氧树脂浸渍的碳纤维常被用于航空航天领域。合成纤维在复合材料中的应用得到支持，因为它们具有高化学抗性、与大多数浸渍树脂的相容性以及良好的机械和热性能。
然而，这种类型的增强材料的使用已不再足够：一方面，其相对较大的密度对其产生了负面影响。另一方面，它们对健康和环境构成威胁。
自上世纪80年代以来，这些环境问题已成为我们社会和媒体关注的重点。从那时起，由于其高比机械性能，生态复合材料的工业优化正在蓬勃发展。通过纤维预制品的开发和加工方法的调整，应用的限制不断被突破。

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汽车
汽车的车身部件，如发动机罩、仪表板和储物箱，采用了亚麻、黄麻、剑麻和苎麻等天然纤维增强材料进行制造。
这些复合结构采用了VARTM制造技术，并通过结构测试和冲击应力分析进行了验证。因此，材料的重量减轻，同时稳定性和强度得到了提高。使用头部冲击准则（HIC）对安全特性进行了测试，发现具有天然纤维增强的复合结构适用于汽车车身部件。
下图展示了碳纤维复制品的外部车身元件，汽车行业尤其致力于使用天然纤维在不同的非结构性部件（仪表板、车门板、备胎罩等）中，以降低质量、燃油消耗和排放。

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航空
由于其优异的机械性能和轻量化结构，复合材料在航空领域得到了广泛应用。在纤维复合材料结构的层中使用导电纤维可以消除通信设备的传输器需要独立的电线的要求。
当将P100石墨纤维扩散到6061铝基复合材料的高增益天线中时，可以实现高刚度和较低的热膨胀系数，该天线用于哈勃太空望远镜。
例如，飞机的机翼就是一种复合材料，纤维使用的是碳纤维，树脂使用的是环氧树脂。
制造技术涉及树脂浸渍：所有的增强纤维都经过干燥、成型，然后将树脂注入增强材料中。聚合物基体的选择必须既保证固化后成品机翼的良好性能，又保持良好的反应活性，不要过高以允许机翼的浸渍，这可能需要数小时，但足够使反应有效进行。

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纤维内含物基环氧树脂复合材料是一种具有广泛应用潜力的高性能材料。通过将纤维增强材料与环氧树脂基体相结合，这种复合材料具有出色的力学性能、化学稳定性和耐热性能。在航空航天、汽车工程、建筑结构等领域，纤维内含物基环氧树脂复合材料已经得到广泛应用。
该复合材料的制备方法多样，可以根据具体需求选择合适的加工工艺。通过合理的纤维排列和树脂浸渍，可以实现复合材料的均匀性和强度的控制。同时，纤维增强相赋予复合材料高强度和刚度，满足轻量化设计的需求。
未来的研究领域可以着重于将现有的复合材料回收利用于高附加值的替代品，也还需要开发新的用于处理消费后废弃物的创新方法，才能让复合材料在各个领域中继续发挥重要作用！

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