玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的研究进展

玻璃纤维增强环氧树脂 复合材料研究进展

玻璃纤维增强环氧树脂复合材料研究进展

张玉楠

(西南科技大学 材料科学与工程学院， 绵阳 621010)

摘要：玻璃纤维增强环氧树脂是玻璃钢的一种。本文综述了玻璃纤维增强环氧树脂的一些性能，尤其是力

学性能，并介绍了它的成型方法。概述了玻璃纤维增强环氧树脂的一些应用并提出了展望。

关键词：玻璃纤维；环氧树脂；复合材料；制备

Research progress of glass fiber reinforced epoxy resin composite material

Yunan Zhang

(Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China)

Abstract:Glass fiber reinforced epoxy resin is a kind of glass fiber reinforced plastic. This paper reviewed some of the properties of the glass fiber reinforced epoxy resin, especially mechanical properties, and introduces its molding method. Summarizes some application of the glass fiber reinforced epoxy resin and put forward. Keywords:glass fiber;epoxy resin;composite material;preparation

前言：

玻璃纤维增强热固性塑料是指玻璃纤维作为增强材料，热固性塑料（包括环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂等）作为基体的纤维增强塑料。因其比重小，比强度高，比最轻的金属铝还要轻，而比强度比高级合金钢还要高，所以又称为玻璃钢。而玻璃纤维增强环氧树脂是GFRP中综合性能最好的一种。相比传统材料，复合材料具有一系列不可替代的特性，自二次大战以来发展很快。尽管产量小（据法国Vetrotex公司统计，2003年全球复合材料达700万吨），但复合材料的水平已是衡量一个国家或地区科技、经济水平的标志之一。美、日、西欧水平较高。北美、欧洲的产量分别占全球产量的33%与32%，以中国（含台湾省）、日本为主的亚洲占30%。中国大陆2003年玻璃纤维增强塑料逾90万吨，已居世界第二位。

1 玻璃纤维增强环氧树脂的性能

在玻璃钢产业中可以采用很多种树脂材料做基体，那为什么要采用环氧树脂呢？这是因为环氧树脂（EP）是优良的热固性树脂，它与目前大量应用的不饱和聚酯（UP）树脂相比，具有更优良的力学性质、

［1］

电绝缘性、耐化学药品性、耐热性和粘合性能。环氧树脂固化收缩率低，仅1%-3%，而不饱和聚酯树脂却高达7%-8%。它的粘结力最强，与玻璃纤维复合时，界面剪切强度最高。可低压固化，挥发份甚低， 固化后力学性能、耐化学性佳，电绝缘性能良好。

下表为以FW(纤维缠绕)法制造的玻纤增强环氧树脂的产品为例与钢性能的对比：

表1

相对密度 拉伸强度 拉伸模量 伸长率 弯曲强度 弯曲模量 压缩强度 悬臂梁冲击强度 燃烧性（UL-94） 比热容 膨胀系数 热变形温度 热导率 介电强度 吸水率

GF/EPR（玻纤含量80wt%)

2.08 551.6Mpa 27.58GPa 1.6% 689.5MPa 34.48GPa 310.3MPa 2385J/m V-O 535J/kg·k 4.0×10k 204ºC(1.82MPa) 1.85W/m·k 11.8×10V/m 0.5%(24h)

6-6-1

AISI1008 冷轧钢

7.86 331.0MPa 206.7GPa 37.0% 331.0MPa

233J/kg·k 6.7×10k

33.7W/m·k

-6-1

1.1 复合材料的弹性模量分析

以环氧树脂浇注体为参照,当基体中填加不同体积分数的玻璃纤维后，所得复合材料试样的弹性模量变化如图所示：

图1

1.2 复合材料的强度分析

图2 图3

由于玻璃纤维是单向排列于树脂基体中

,所以当纤维含量达到一定值后,当外力由基体传递至纤维时,由于各向异性的影响,会使力的作用方向发生变化,即主要沿纤维取向方向进行传递。在一定程度上使力的作用得到分散,对复合材料的破坏作用减缓,从而使材料的强度得到提高。但当纤维含量过多时,部分纤维难以被树脂充分浸润,从而在材料中形成许多结合较弱的界面,当材料受力时,这些界面容易脱附拔出,应力传递失效,使材料的性能下降 。

表2

当玻璃纤维体积含量为50%时,复合材料可获得较好的综合力学性能，其中弹性模量可达40GPa,纵向拉伸强度可达1200MPa，纵向压缩模量可达700MPa。

2 成型工艺

目前玻璃纤维增强环氧树脂在生产上主要有十种成型工艺： 手糊成型（HLU）

树脂传递成型（RTM） 纤维缠绕成型法（FW） 结构反应注射成型（SRIM） 拉挤成型 （PULT） 真空袋法成型（VB） 树脂膜熔浸成型（RFI） 低温固化预浸料成型（CP） 预浸料（高压釜）成型

SCRIMP RIFT VARTM

目前我国还是以手糊成型为主，在树脂基复合材料中约占80%。

2.1 手糊成型（HLU）

图4

2.1.1 方法

依次在模具表面上施加脱模剂 、胶衣、一层粘度为0.3-0.4PaS的中等活性液体热固性树脂(须待胶衣凝结后)、一层纤维增强材料，纤维增强材料有表面毡、无捻粗纱布(方格布)等几种。以手持辊子或刷子使树脂浸渍纤维增强材料，并驱除气泡，压实基层。铺层操作反复多次，直到达到制品的设计厚度。 树脂因聚合反应，常温固化，可加热加速固化。

2.1.2 手糊成型工艺的优点 a)不受尺寸，形状的限制； b)设备简单，投资少； c)工艺简单；

d)可在任意部位增补增强材料，易满足产品设计要求； e)产品树脂含量高，耐腐蚀性能好。

3.1.3手糊成型的缺点

a)属于劳动密集型生产，产品质量由工人训练程度决定；

b)玻纤含量不可能太高，树脂需要粘度较低才易手工操作，溶剂量高，力学与热性能受限制； c)手糊用树脂分子量低，通常可能较分子量高的树脂有害于人的健康和安全。

2.2 树脂传递成型（RTM）

图5

2.2.1 方法

RTM是一种闭模低压成型的方法，将纤维增强材料置于上下模之间，合模并将模具夹紧，在压力下注射树脂，树脂固化后打开模具，取下产品。树脂胶凝过程开始前，必须让树脂充满模腔，压力促使树脂快速传递到模个内，浸渍纤维材料。

RTM是一低压系统，树脂注射压力范围0.4-0.5MPa,当制造高纤维含量（体积比超过50%）的制品，如航空航天用零部件时，压力甚至达0.7MPa。纤维增强材料有时可预先在一个模具内预成型大致形状（带粘结剂），再在第二个模具内注射成型。为了提高树脂浸透纤维能力，可选择真空辅助树脂传递成型（VARTM-vacuum assisted resin transfer molding ）。 注意树脂一经将纤维材料浸透，树脂注口要封闭，以便树脂固化。注射与固化可在室温或加热条件下进行。模具可以复合材料与钢材料制作。若采用加热工艺,宜用钢模。

2.2.2 优点

a)制品纤维含量可较高，未被树脂浸得部分非常少； b)闭模成型，生产环境好；

c)劳动强度低，对工人技术熟练程度的要求也比手糊与喷射成型低； d)制品两面光，可作有表面胶衣的制品，精度也比较高； e)成型周期较短； f)产品可大型化；

g)强度可按设计要求具有方向性； h)可与芯材、嵌件一体成型； i)相对注射设备与模具成本较低。

2.2.3 缺点

a)不易制作较小产品；

b)因要承压，故模具较手糊与喷射工艺用模具要重和复杂，价位也高一些； c)能有未被浸渍的材料，导致边角料浪费。

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