任何用于复合材料的树脂体系都需要以下特性：

1.良好的机械性能

2.良好的粘接性能

3.良好的韧性

4.抗环境退化性好

下图显示了“理想”树脂系统的应力/应变曲线。这种树脂的曲线显示出高极限强度，高刚度(由初始梯度表示)和高应变失效。这意味着树脂最初是坚硬的，但同时不会遭受脆性破坏。

还应注意的是，当复合材料处于拉伸状态时，为了实现纤维组分的全部力学性能，树脂必须能够变形到至少与纤维相同的程度。图12给出了E-玻璃、s -玻璃、芳纶和高强度碳纤维各自(即非复合形式)的失效应变。从这里可以看出，例如，断裂伸长率为5.3%的s型玻璃纤维，将需要断裂伸长率至少为该值的树脂来实现最大的拉伸性能。

树脂与增强纤维之间的高附着力对于任何树脂体系都是必要的。这将确保载荷有效地转移，并将防止开裂或纤维/树脂在受到压力时脱胶。

韧性是衡量材料抗裂纹扩展能力的指标，但在复合材料中，这很难精确测量。然而，树脂体系的应力/应变曲线本身提供了材料韧性的一些指示。一般来说，树脂在失效前接受的变形越大，材料就越坚韧，越抗裂。相反，具有低应变失效的树脂系统将倾向于创建脆性复合材料，这很容易开裂。重要的是使这种性能与纤维增强的伸长率相匹配。

良好的抗环境，水和其他侵略性物质，以及承受持续应力循环的能力，是任何树脂系统所必需的特性。这些特性对于在海洋环境中使用尤为重要。

纤维增强复合材料中使用的树脂有时被称为“聚合物”。所有的聚合物都有一个重要的共同特性，即它们是由许多简单的重复单元组成的长链状分子组成的。人造聚合物通常被称为“合成树脂”或简称为“树脂”。聚合物可以根据热对其性能的影响，可分为两种类型，“热塑性”和“热固性”。

热塑性塑料，像金属一样，加热软化，最终融化，冷却再次硬化。在温标上越过软化点或熔点的过程可以根据需要反复进行，而对材料在任何一种状态下的性能都没有任何明显的影响。典型的热塑性塑料包括尼龙、聚丙烯和ABS，这些都可以增强，尽管通常只能使用短的、切碎的纤维，如玻璃。

热固性材料，或“热固性”，是由原位化学反应形成的，树脂和硬化剂或树脂和催化剂混合，然后经历不可逆的化学反应，形成坚硬的，不粘合的产品。在一些热固性树脂中，如酚醛树脂，挥发性物质作为副产物产生(缩合反应)。其他热固性树脂，如聚酯和环氧树脂，通过不产生任何挥发性副产品的机制固化，因此更容易加工(“加成”反应)。一旦固化，热固性树脂在加热时不会再次变成液体，尽管超过一定温度它们的机械性能会发生显著变化。这个温度被称为玻璃化转变温度(Tg)，根据所使用的特定树脂体系、固化程度以及是否正确混合而有很大变化。在Tg以上，热固聚合物的分子结构从刚性结晶聚合物转变为更灵活的无定形聚合物。当冷却到Tg以下时，这个变化是可逆的。在Tg以上，树脂模量(刚度)急剧下降，导致复合材料的抗压和抗剪强度也随之下降。其他性能，如耐水性和颜色稳定性也显著降低以上树脂的Tg。

虽然在复合材料工业中使用的树脂有许多不同类型，但大多数结构件都是用三种主要类型制成的，即聚酯、乙烯酯和环氧树脂。

聚酯树脂是应用最广泛的树脂体系，特别是在海洋工业中。到目前为止，大多数用复合材料建造的小艇、游艇和工作船都使用这种树脂系统。

诸如此类的聚酯树脂属于“不饱和”型。不饱和聚酯树脂是一种热固性树脂，在适当的条件下能够从液体或固体状态固化。不饱和聚酯与饱和聚酯(如Terylene™)不同，后者不能以这种方式固化。然而，通常将不饱和聚酯树脂称为“聚酯树脂”，或简单地称为“聚酯”。

在化学中，碱与酸反应生成盐。同样，在有机化学中，醇与有机酸反应生成酯和水。通过使用特殊的醇，如乙二醇，与双碱性酸反应，将产生聚酯和水。该反应与饱和双碱性酸和交联单体等化合物的加入形成了聚酯生产的基本过程。因此，由不同的酸、乙二醇和单体制成的聚酯有一系列不同的性质。

在复合材料工业中，有两种主要类型的聚酯树脂用作标准层合系统。骨科聚酯树脂是许多人使用的标准经济树脂。异苯二甲酸聚酯树脂现在正成为船舶等行业的首选材料，其优越的耐水性是可取的。

图13显示了典型聚酯的理想化学结构。注意分子链中酯基(CO - O - C)和反应位点(C* = C*)的位置。

图13 一种典型等邻苯二甲酸聚酯的理想化学结构

大多数聚酯树脂是粘稠的淡色液体，由聚酯溶液在单体(通常是苯乙烯)中组成。加入高达50%的苯乙烯有助于降低树脂的粘度，使其更容易处理。苯乙烯还发挥了重要的功能，通过“交联”聚酯分子链，使树脂从液体固化为固体，而不产生任何副产物。因此，这些树脂可以在不使用压力的情况下成型，被称为“接触”或“低压”树脂。聚酯树脂的储存寿命有限，因为它们会在很长一段时间内自行凝固或“凝胶”。通常在树脂制造过程中加入少量的抑制剂来减缓这种胶凝作用。

为了用于模压，聚酯树脂需要添加几个辅助产品。这些产品一般是:

■催化剂

■加速器

■添加剂:触变/颜料/填料/化学/防火

制造商可以提供树脂的基本形式或已包含上述添加剂中的任何一种。树脂可配制成模塑工的要求，只需在模塑前加入催化剂即可。如上所述，给予足够的时间，不饱和聚酯树脂将自行凝固。这种聚合速度对于实际用途来说太慢，因此使用催化剂和加速器来实现树脂在实际时间内的聚合。在使用前不久将催化剂添加到树脂系统中以启动聚合反应。

催化剂不参与化学反应，而只是激活这个过程。催化剂被添加到催化树脂中，以使反应在车间温度和/或以更大的速度进行。由于在没有催化剂的情况下，助推剂对树脂的影响很小，因此聚酯制造商有时会将助推剂添加到树脂中，以形成“预加速”树脂。

聚酯的分子链可以表示如下，其中“B”表示分子中的反应位点。 

图14 聚酯树脂(未固化)示意图

随着苯乙烯' S '的加入，在催化剂的存在下，苯乙烯在每个反应位点上与聚合物链交联，形成一个高度复杂的三维网络，如下所示:

图15 聚酯树脂(固化)示意图

然后聚酯树脂被称为“固化”。它现在是一种耐化学腐蚀(通常)坚硬的固体。交联或固化过程称为“聚合”。这是一个不可逆的化学反应。这种分子链交联的“并排”性质倾向于意味着聚酯层压板在施加冲击载荷时遭受脆性。

在成型之前，需要非常小心地准备树脂混合物。在添加催化剂之前，必须仔细搅拌树脂和任何添加剂，使所有成分均匀地分散。这种搅拌必须彻底和小心，因为任何空气引入树脂混合物影响最终成型的质量。这尤其当层压加固材料层，因为气泡可以形成在合成层压，这可以削弱结构。同样重要的是，要谨慎地添加加速器和催化剂，以控制聚合反应，以获得最佳的材料性能。过多的催化剂会导致胶凝时间过快，而过少的催化剂会导致欠固化。

树脂混合物的着色可以用颜料进行。选择合适的颜料材料，即使只添加约3%的树脂重量，也必须谨慎考虑到使用不合适的颜料容易影响固化反应和降解最终层板。

由于各种原因，填充材料与聚酯树脂广泛使用，包括:

■降低模具成本

■方便成型过程

■赋予模具特定的性能

填充剂的添加量通常达到树脂重量的50%，尽管这样的添加量会影响层压板的弯曲和拉伸强度。填料的使用有利于厚构件的层压或铸造，否则会发生相当大的放热。添加某些填料也有助于增加层压板的耐火性能。

表面处理几乎总是应用在纤维上，既可以使处理损伤最小化，又可以提高纤维/基质界面结合强度。在复合材料应用中，碳和芳纶纤维的表面光洁度或尺寸通常能同时发挥这两种功能。在纤维制造过程中，该上浆剂被涂在纤维上，在纤维转化为织物的整个过程中，该上浆剂一直保留在纤维上。对于玻璃纤维，可以选择一种表面处理方法。

用于直接纤维加工的玻璃纤维粗纱，如预浸、拉挤和长丝缠绕，在纤维制造时采用“双重功能”整理处理。

然而，玻璃纤维纱用于织造时经过两个阶段的处理。第一道表面处理是在纤维制造点上进行的，在相当高的水平上，纯粹是为了保护纤维在处理和处理过程中不受损坏

编织过程本身。这种保护性整理物通常是淀粉基的，在编织过程结束后，通过加热或化学物质将其清洗或“冲刷”掉。经过洗涤的机织织物然后分别用不同的基体兼容整理处理，专门设计以优化纤维与树脂的界面特性，如粘结强度、耐水性和光学清晰度。

结构复合材料中使用的碳纤维的表面处理或尺寸通常是环氧基的，根据纤维的最终用途使用不同的水平。织造时的浆料水平约为重量的1-2%，而胶带预浸或细丝缠绕(或类似的单纤维工艺)的浆料水平约为0.5-1%。尺寸的化学性质和水平不仅对保护和基质相容性很重要，而且因为它们影响纤维的扩散程度。纤维也可以不上浆供应，但由于一般处理，这些纤维很容易断裂。大多数碳纤维供应商为每个等级的纤维提供3-4级尺寸。

芳纶纤维在制造时经过整理处理，主要是为了基体相容性。这是因为芳纶纤维需要较少的保护，以防止纤维处理造成的损坏。主要类型的纤维处理是复合表面处理，橡胶兼容表面处理(皮带和轮胎)和防水表面处理(弹道软装甲)。与碳纤维饰面一样，根据使用纤维的工艺类型，复合应用饰面也有不同的水平。

在聚合物复合材料术语中，织物被定义为由碳、芳纶或玻璃或这些纤维的组合制成的长纤维组装，以生产一层或多层纤维的平板。这些层要么是通过纤维本身的机械联锁，要么是通过一种次级材料将这些纤维结合在一起并固定在适当的位置，从而使组装具有足够的完整性。

织物的类型是根据所使用的纤维的方向和用于将纤维粘合在一起的各种构造方法进行分类的。

四种主要的纤维取向类别是:单向，0/90°，多轴和其他/随机。这些将在下面描述。不同材料的许多方面的进一步细节包含在SP系统复合材料手册的加固部分。

单向织物(UD)是指大部分纤维只向一个方向运动的织物。少量纤维或其他材料可以向其他方向流动，其主要目的是将初级纤维固定在位置上，尽管其他纤维也可以提供一些结构特性。虽然一些0/90°面料的织工将重量仅为单向75%的面料称为单向面料，但SP Systems的研究表明单向度仅适用于纤维重量占某一方向重量90%以上的织物。单向纤维通常在0°方向(沿棍- a经纱UD)，但也可以在90°到卷长(一个纬纱UD)。

真正的单向织物能够将纤维精确地放置在所需的位置，并以最佳数量放置在组件中(不多于或少于所需数量)。除此之外，UD纤维是直的，无卷曲。这使得复合材料结构中的织物具有最高的纤维性能。对于机械性能，单向织物只能通过预浸单向胶带来改善，其中没有任何二次材料将单向纤维固定在适当的位置。在这些预浸产品中，只有树脂系统将纤维固定在适当的位置。

有多种方法可以使初级纤维保持单向的位置，包括编织、缝合和粘合。与其他织物一样，单向织物的表面质量由两个主要因素决定:一次纤维的支数和纱线数的组合以及二次纤维的数量和类型。织物的悬垂度、表面光滑度和稳定性主要由结构风格决定，而面积重量、孔隙率和(在较小程度上)湿性则由选择纤维tex和每厘米纤维数的适当组合决定。

单向的经线或纬线可以通过拼接过程制成(参见本出版物的“多轴”部分中的信息)。然而，为了获得足够的稳定性，通常需要在织物表面加一块垫子或纸巾。因此，与组装纤维所需的拼接线一起，这种类型的UD织物中存在相对大量的次要寄生材料，这往往会降低层压性能。此外，缝合线0°层的高昂成本和相对较慢的生产速度意味着这些织物可能相对昂贵。

对于需要多种纤维取向的应用，结合0°和90°纤维取向的织物是有用的。其中大部分是编织产品。0/ 90°织物可以通过拼接而不是织造工艺生产，下面的“多轴织物”中给出了这种拼接技术的描述。

机织织物是由经纱(0°)纤维和纬纱(90°)纤维按规则图案或编织方式交织而成。织物的完整性是由纤维的机械联锁来维持的。悬垂度(织物符合复杂表面的能力)，表面平整度和织物的稳定性主要由编织方式控制。面积重量、孔隙率和湿出度(在较小程度上)由选择正确的纤维密度和纤维数/厘米*来决定。以下是一些比较常见的编织风格的描述:

每根经纱交替穿过每根纬纱。面料对称，稳定性好，孔隙度合理。然而，它是最难以悬垂的织物，与其他织物相比，高水平的纤维卷曲赋予相对较低的机械性能。对于大纤维(高密度)，这种编织方式会产生过多的卷曲，因此它往往不用于非常厚重的织物。

一根或多根经纱以有规律的重复方式交替地在两根或多根纬纱上或下编织。这就产生了视觉效果的直或断裂的垂直'肋骨'的织物。斜纹织物比平纹织物更显湿润和垂坠，只是稳定性略有下降。由于卷曲减少，织物也有一个光滑的表面和稍高的机械性能。

缎纹织物基本上是斜纹织物，经改良后产生较少的经纬交叉。

名称中使用的“线束”编号(通常为4,5和8)是在纤维重复之前交叉和穿过的纤维总数。“交叉脚”编织是缎面编织的一种形式，在重复模式中有不同的错开。缎纹织物非常平整，具有良好的透湿性和高度的悬垂性。低压弯具有良好的机械性能。缎面织物允许纤维在最接近的地方编织，并可以生产出紧密“紧密”的织物。然而，这种风格的稳定性和不对称性是需要考虑的。这种不对称导致织物的一面纤维主要沿经纱方向运动，另一面纤维主要沿纬纱方向运动。在组装这些织物的多层时必须小心，以确保应力不会通过这种不对称效应建立在组件中。

篮织与平纹基本相同，只是两根或两根以上经纱纤维与两根或两根以上纬纱纤维交替交织。两根经纱穿过两根纬纱的排列被称为2x2篮，但纤维的排列不需要对称。因此，有可能有8x2, 5x4等。篮状织物更平整，由于卷曲较少，比平纹织物更结实，但不太稳定。它必须用于由厚(高密度)纤维制成的重型织物，以避免过度卷曲。

梭织编织提高了“开放式”织物的稳定性，这种织物具有低纤维计数。一种平纹织物，相邻的经纱缠绕在连续的纬纱上形成螺旋对，有效地将每条纬纱“锁定”在适当的位置。拉诺织物通常与其他织物组合使用，因为如果单独使用，其开放性不能产生有效的复合成分。

一种平纹织造法，在这种织造法中，偶尔有几根经纱按一定的间隔从交替的上下交错中抽出，而改为每两根或两根以上的纤维交织一次。这种情况在纬线方向上发生的频率相似，总体效果是织物厚度增加，表面粗糙，孔隙率增加。

四方织法是一种特殊的编织风格，由SP系统开发，以促进层压在大的表面区域。面料，在任何纤维，编织在4-挽具缎面风格，给一个良好的组合悬垂，潮湿和空气释放。当织物在模子中铺设时，经纬纤维中都包含有示踪剂，用于织物的对准——玻璃织物中有蓝色(聚酯)示踪剂，碳织物中有黄色(芳纶)示踪剂。织物的边缘在厚度上呈锥形，以便相邻织物可以以最小的厚度增加重叠。减少经纱边缘处(通常距织物边30毫米处)的纤维支数，可产生变细效果。

机织玻璃纱织物与机织粗纱

以纱线为基础的织物通常比粗纱具有更高的单位重量强度，并且通常更细，生产的织物在可用重量范围的较轻一端。编织粗纱的生产成本较低，可以更有效地湿润。无论如何，由于它们只能在较重的质地中使用，它们只能生产可用重量范围的中等到较重的织物，因此更适合于较厚、较重的层压板。

下表涵盖了在考虑将玻璃纱纤维用于复合材料组件时应用的一些选择标准。

0/90°织物也可以通过拼接工艺制作，有效地将两层单向材料组合成一种面料。

由于以下因素，缝制0/90°织物在某些性能上比机织织物的机械性能提高20%:

1.平行无卷曲纤维在加载时立即承受应变。

2.在机织织物中经纬纤维交点处发现的应力点被消除。

3.与机织板相比，层压板可装入密度更高的纤维。在这方面，织物的行为更像是单向层。

与机织织物相比的其他优点包括:

1.用超过1kg/sqm的纤维就可以很容易地生产出厚重的织物。

2.增加纤维的填料可以减少树脂的用量。

“混合”一词指的是在结构中含有一种以上结构纤维的织物。在多层层压板中，如果需要一种以上类型的纤维的性能，那么可以提供两种织物，每一种都含有所需的纤维类型。然而，如果需要低重量或极薄的层压板，混合织物将允许两种纤维在一层织物中呈现，而不是两层。在混纺织物中，一根纤维在纬纱方向上运动，另一根纤维在经纱方向上运动是可能的，但更常见的是在经纱/纬纱方向上发现每种纤维的线是交替的。虽然铝杂化体最常见于0/90°机织织物，但该原理也用于0/90°针织物、单向织物和多轴织物。最常见的混合组合有:

碳纤维/芳纶

芳纶纤维具有较高的抗冲击性和抗拉强度，同时炭具有较高的抗压强度和抗拉强度。这两种纤维密度都很低，但成本相对较高。

芳纶/玻璃纤维

芳纶纤维的低密度、高抗冲击性和抗拉强度与玻璃良好的抗压和抗拉强度相结合，再加上成本较低。

碳纤维/玻璃纤维

碳纤维具有较高的拉伸抗压强度和刚度，并降低了密度，而玻璃则降低了成本。

近年来，多轴织物已开始在复合材料构件的构造中得到青睐。这些织物由一层或多层长纤维组成，由二级非结构拼接胎面固定。主要纤维可以是任意组合的任何结构纤维。缝合线通常是聚酯纤维，因为它结合了适当的纤维性能(用于将织物粘合在一起)和成本。除了简单的0/90°机织织物外，拼接工艺还可以将多种纤维取向组合成一种织物。多轴织物有以下主要特点:

优势

与机织类型相比，缝制多轴织物的两个关键改进是:

（i）更好的机械性能，主要是因为纤维始终是直的，没有卷曲，而且随着织物层数的增加，纤维的方向也越来越多。

(ii)基于织物可以做得更厚和具有多种纤维取向的事实，提高组件构建速度，因此在层压序列中需要包含的层数更少。

劣势

聚酯纤维不能很好地与一些树脂系统结合，因此拼接可能是产生吸汗或其他故障的起点。织物的生产过程也可能很慢，机器的成本也很高。这一点，再加上低重量织物需要更昂贵的低特克斯纤维来获得良好的表面覆盖，这意味着与机织织物相比，高质量的缝制织物的成本可能相对较高。对于极重的织物，虽然可以将大量的纤维快速地融入到组件中，但如果没有自动化的工艺，也很难用树脂浸渍。最后，除非像SP织物样式那样仔细控制，否则缝合过程会将纤维聚集在一起，特别是在0°方向，在层压板中产生富含树脂的区域。

织物结构

这种面料最常见的形式如下图所示:

多轴面料的基本制作方法有两种:

编织与缝合

用“编织和缝合”方法+45°和-45°层可以通过编织单向纬纱，然后在特殊的机器上倾斜织物，到45°层。经纱单向或纬纱单向也可以不倾斜地制成0°和90°层。如果0°和90°层都存在于多层针织物中，那么这可以由传统的0/90°机织织物提供。由于可以使用粗粗纱来制作每一层，编织过程相对较快，后续通过简单的拼接框架将层拼接在一起。

用这种方法制作四边形(四层:+45°，0°，90°，-45°)织物，单向纬纱将被编织，并在一个方向倾斜，形成+45°层，在另一个方向倾斜，形成-45°层。0°层和90°层将呈现为单一的编织织物。然后，这三个元素将被缝合在一个拼接框架上，从而产生最终的四轴织物。

同时针

同时针制是在针织工艺的基础上，在专用机器上进行的，如利巴、马利莫、迈耶等。每台机器的纤维铺设精度各不相同，特别是在保持纤维平行方面。这些类型的机器有一个框架，它同时为每个轴/层吸引纤维，直到所需的层已经组装好，然后将它们缝合在一起，如下图所示。

其他/随机织物

碎链垫

切分绞线(CSM)是一种无纺布材料，顾名思义，由随机定向的切碎的玻璃股组成-用于海洋应用-由PVA乳液或粉末粘结剂连接在一起。尽管PVA具有优越的悬垂处理和润湿特性，但在海洋环境中的用户应谨慎使用，因为它会受到水分的影响，并可能导致渗透，如水泡。

今天短切绞线衬垫很少用于高性能复合材料部件，因为它不可能生产具有高纤维含量的层压板，根据定义，高强度重量比。

薄纱织品

薄纱织品是由均匀而随机地分布在平面上的连续纤维丝组成的。然后用有机粘合剂如聚乙烯醇，聚酯等化学结合在一起。由于强度相对较低，它们主要不用作增强材料，而是作为层压板上的堆焊层，以提供光滑的表面处理。组织通常制造的面积重量在5到50g/sqm之间。玻璃组织通常用于通过在表面富集树脂来创建抗腐蚀屏障。同样的浓缩工艺还可以防止胶衣表面高度卷曲织物的穿透打印。 

花穗辫

辫子是由螺旋状的纤维交织而成的管状织物。管的直径由管的周长纤维的数量、螺旋纤维的角度、每单位长度纤维的交点数量以及组件中纤维的尺寸(密度)来控制。如0/90°梭织织物，交织的样式可有所不同(平纹、斜纹等)。管直径通常为纤维角 ±45°，但编织过程允许纤维移动在大约25°和75°之间的角度，取决于纤维的数量和密度。窄角的直径小，而宽角的直径大。因此，沿着一根管的长度，可以通过改变纤维角度来改变直径-较小的角度(相对于零)给予较小的直径，反之亦然。编织可以在桅杆、天线、传动轴和其他需要抗扭强度的管状结构等复合材料部件中找到。

复合材料芯材详解及性能对比

工程理论表明，任何面板的抗弯刚度都与其厚度的立方成正比。因此，复合材料层压板中芯材的目的是通过有效地用低密度芯材料“增厚”层压板来增加层压板的刚度。这可以提供一个急剧性的增加刚度，而很少增加额外的重量。

图32为弯曲荷载作用下的覆芯层压板。在这里，夹层层压板可以比作一个工字梁，其中层压板外壳充当工字梁的梁翼，芯材充当梁的抗剪切腹板。在这种加载模式下，可以看到上部蒙皮处于压缩状态，下部蒙皮处于拉伸状态，芯材处于剪切状态。因此一个最重要的属性是芯材的抗剪切强度和刚度(而展示出来)。

此外，特别是当使用轻质而薄的层压外壳时，芯材必须能够承受压缩载荷而不会过早失效。这有助于防止蒙皮起皱，并在屈曲模式下失效。

泡沫芯材

泡沫是最常见的芯材形式之一。它们可以由各种合成聚合物制成，包括聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚氨酯(PU)、聚甲基丙烯酰胺(丙烯酸)、聚醚酰亚胺(PEI)和苯乙烯丙烯腈(SAN)。它们的密度范围从小于30kg/m3到大于300kg/m3，尽管最常用的复合结构密度范围从40到200 kg/m3。它们也有不同的厚度，通常从5毫米到50毫米。

PVC泡沫

闭孔聚氯乙烯(PVC)泡沫材料是高性能夹层结构最常用的芯材之一。虽然严格来说，它们是PVC和聚氨酯的化学混合物，但它们往往被简单地称为“PVC泡沫”。

PVC泡沫提供了静态和动态性能的平衡组合，并具有良好的抗吸水性。它们还具有较大的工作温度范围，通常为-240℃至+80℃(-400°F至+180°F)，并且能够抵抗许多化学物质。虽然PVC泡沫通常是易燃的，但也有防火等级，可用于许多防火关键应用，如火车部件。当使用FRP皮作为夹层结构的芯材时，其合理的抗苯乙烯性能意味着它可以安全地与聚酯树脂一起使用，因此在许多行业都很受欢迎。它通常以薄板形式提供，或普通，或网格评分，以方便成型。

有两种主要类型的PVC泡沫:交联和非交联，非交联泡沫有时被称为“线性”。未交联的泡沫(如Airex R63.80)更坚硬、更灵活，更容易在曲线周围热形成。然而，与等密度交联聚氯乙烯相比，它们的力学性能较低，对高温和苯乙烯的耐受性较低。它们的交联物更硬，但更脆，将产生更硬的面板，不容易软化或在炎热的气候下爬行。典型的交联PVC产品包括Herex c系列泡沫，Divinycell H和HT等级以及Polimex Klegecell和Termanto产品。

新一代的增韧PVC泡沫现在也可以使用，它可以用交联PVC泡沫的一些基本机械性能来换取线性泡沫的一些改进的韧性。典型产品包括Divincell HD级。

由于交联PVC泡沫中的PVC/聚氨酯化学性质，这些材料需要用树脂涂层彻底密封，然后才能安全地与低温固化预浸料一起使用。虽然特殊的热稳定处理可用于这些泡沫，这些处理主要是为了提高泡沫的尺寸稳定性，并减少在高温加工过程中释放的气体量。

聚苯乙烯泡沫

尽管聚苯乙烯泡沫被广泛应用于帆船和冲浪板制造，其重量轻(40kg/m3)，成本低，易出砂的特点是最重要的，但由于其机械性能低，它们很少用于高性能部件的制造。它们不能与聚酯树脂系统连接使用，因为它们会被树脂中存在的苯乙烯溶解。

聚氨酯泡沫

聚氨酯泡沫只表现出中等的机械性能，并且在树脂/芯界面处的泡沫表面随着年龄的增长而恶化，导致皮肤分层。

 因此，它们的结构应用通常仅限于生产成型机，以创建框架或加劲部件的粗线。然而，聚氨酯泡沫可用于轻负荷夹层板，这些面板被广泛用于保温。该泡沫还具有合理的高使用温度特性(150℃/300℉)，并具有良好的吸声性。泡沫可以很容易地切割和加工成所需的形状或轮廓。

 聚甲基丙烯酰胺泡沫

对于给定的密度，聚甲基丙烯酰胺(丙烯酸)泡沫，如Rohacell提供了一些最高的整体强度和硬度的泡沫芯。它们的高尺寸稳定性也使它们独特，因为它们可以很容易地与传统的高温固化预浸料一起使用。然而，它们价格昂贵，这意味着它们的使用往往仅限于航空复合材料部件，如直升机旋翼叶片和飞机襟翼。

 苯乙烯丙烯腈(SAN)共聚物泡沫

SAN泡沫的行为类似于增韧交联PVC泡沫。它们具有交联PVC芯的大部分静态性能，但具有更高的伸长率和韧性。因此，它们能够吸收会破坏传统甚至增韧PVC泡沫的冲击水平。然而，与使用增塑剂使聚合物变韧的增韧PVC不同，SAN的韧性特性是聚合物本身固有的，因此不会随着年龄的增长而发生显著变化。

SAN泡沫在许多应用中正在取代线性PVC泡沫，因为它们具有线性PVC的韧性和伸长率，但具有更高的温度性能和更好的静态性能。然而，它们仍然是热成形的，这有助于制造弯曲部件。热稳定等级的SAN泡沫也可以更简单地与低温固化预浸料一起使用，因为它们不具有PVC固有的干扰化学成分。典型的SAN产品包括ATC Core-Cell的A系列泡沫。

 其他热塑性塑料

随着从热塑性塑料吹制泡沫的新技术的发展，这种类型的膨胀材料的范围继续增加。典型的是PEI泡沫，一种膨胀聚醚酰亚胺/聚醚砜，它结合了出色的防火性能和高使用温度。虽然价格昂贵，但在使用温度范围内，这种泡沫可用于结构、保温和防火应用

-194℃(-320℉)到+180℃(+355℉)。它非常适合飞机和火车内部，因为它可以满足一些最严格的防火规范。

 蜂窝芯材

蜂窝芯可用于多种材料的夹层结构。这些范围从低强度和刚度的纸张和卡片，低负载应用(如国内内部门)到高强度和刚度，用于飞机结构的极轻部件。蜂窝可以加工成平面和弯曲的复合结构，并且可以在没有过多的机械力或加热的情况下使其符合复合曲线。

 热塑性蜂窝通常是通过挤压生产，然后切片到厚度。其他的蜂房(比如用纸和铝做的)是通过多级工艺制造的。在这些情况下，大薄片的材料(通常为1.2x2.4m)用交替、平行的薄条纹胶粘剂印刷，然后在胶粘剂固化时将纸张堆叠在加热的压力机中。在铝蜂窝的情况下，堆叠的薄板，然后切开其厚度。这些薄片(称为“块状”)随后被轻轻拉伸和扩展，形成连续的六边形细胞形状的薄片。

在纸蜂窝的情况下，粘合纸的堆叠是温柔的膨胀成一大块蜂窝状，有几英尺厚。将这种脆弱的纸状蜂窝块展开，然后浸入树脂罐中，沥干水分，放入烤箱中固化。一旦这种浸渍树脂固化，块有足够的强度被切成所需的最终厚度。

在这两种情况下，通过改变膨胀过程中的拉力程度，可以产生规则的六边形细胞或过度膨胀(拉长)的细胞，每种细胞都具有不同的机械和处理/悬垂特性。由于这种粘合方法，蜂窝在板材的0°和90°方向上具有不同的力学性能。

虽然表皮通常是玻璃钢，但它们可能是几乎任何具有适当性能的板材，包括木材、热塑性塑料(如三聚氰胺)和金属板材，如铝或钢。蜂窝结构的细胞也可以填充刚性泡沫。这为皮肤提供了更大的粘结面积，通过稳定细胞壁提高了核心的机械性能，并提高了隔热和隔音性能。

蜂窝材料的性能取决于蜂窝的大小(因此频率)以及蜂窝材料的厚度和强度。板材的厚度通常为3-50mm，面板尺寸通常为1200 x 2400mm，尽管也可以生产高达3m x 3m的板材。

蜂窝芯可以提供坚硬和非常轻的层压板，但由于它们的粘结面积非常小，它们几乎专门用于高性能树脂系统，如环氧树脂，以便实现对层压板皮肤的必要附着力。

铝蜂窝

铝蜂窝生产的强度/重量比最高的任何结构材料。铝箔的粘合剂粘接有各种不同的配置，可以形成各种几何单元形状(通常是六角形)。属性也可以通过改变箔的厚度和电池大小来控制。蜂窝通常以未展开的块状形式提供，并在现场拉伸成薄片。

尽管铝蜂窝具有良好的机械性能和相对较低的价格，但在一些应用中，如大型船舶，必须谨慎使用结构，因为在盐水环境中潜在的腐蚀问题。在这种情况下，还必须注意确保蜂窝不会与碳皮直接接触，因为导电性会加剧电偶腐蚀。铝蜂窝也有一个问题，那就是它没有“机械记忆”。

在芯层板的冲击下，蜂窝将发生不可逆的变形，而FRP皮具有弹性，将恢复到原来的位置。这可能导致一个区域的无粘结的皮肤，机械性能大大降低。

Nomex蜂窝

Nomex蜂窝由Nomex纸制成，这是一种基于Kevlar™的纸，而不是纤维素纤维。最初的纸蜂窝通常浸在酚醛树脂中制成具有高强度和非常好的防火性能的蜂窝芯。它被广泛用于飞机的轻型内饰板，与酚醛树脂一起用于外壳。用于阻燃应用的特殊等级(例如公共交通内部)也可以制造，其中蜂窝细胞充满酚醛泡沫，以增加粘结面积和绝缘。

Nomex蜂窝由于其高机械性能、低密度和良好的长期稳定性，越来越多地应用于高性能的非航空航天部件。但是从图33可以看出，它比其他芯材要贵很多。

图33 芯材的价格比较

 热塑性塑料蜂窝

由其他热塑性塑料制成的芯材重量轻，提供了一些有用的特性，也可能使回收更容易。它们的主要缺点是难以在蜂窝和表皮材料之间实现良好的界面结合，而且它们的刚度相对较低。虽然它们很少用于高负荷结构，但它们可以用于简单的内饰板。最常用的聚合物是:

ABS — 用于刚性、冲击强度、韧性、表面硬度和尺寸稳定性。

聚碳酸酯 — 紫外线稳定性，优异的透光性，良好的耐热性和自熄性。

聚丙烯 — 耐化学性好。

聚乙烯 — 一种通用的低成本芯材。

木材

木材可以被描述为“大自然的蜂巢”，因为它的结构在微观尺度上类似于合成材料的细胞六边形结构蜂窝。当在夹层结构中使用时，颗粒垂直于表皮的平面，所得到的组件显示出与人造蜂窝相似的特性。然而，尽管有各种各样的化学处理，所有的木芯都容易受到水分的侵蚀，如果没有很好地用层压板或树脂包围，就会腐烂。

Balsa

最常用的木芯是端粒轻木。巴尔沙木芯首次出现在20世纪40年代的飞艇外壳中，这些外壳是铝皮和巴尔沙芯，以承受在水上着陆的反复冲击。这一性能促使海洋工业开始使用端粒巴尔萨作为FRP建筑的芯材。除了它的高压缩性能，它的优点包括作为一个良好的热绝缘体提供良好的吸声。这种材料在加热时不会变形，在火灾中充当绝缘和烧蚀层，芯材慢慢烧焦，使未暴露的表皮保持结构完好。它不仅提供优质的漂浮性，还容易用简单的工具和设备进行操作。

Balsa芯可作为3至50mm厚的轮廓端粒片在衬底织物上，刚性端粒片可达100mm厚。这些薄板可以提供现成的树脂涂层，用于真空袋装，预浸或基于压力的制造工艺，如RTM。巴尔沙的缺点之一是它的最低密度高，100kg/m3是典型的最低密度。尽管预密封泡沫可以减少这种情况，但在分层过程中，轻脂可以吸收大量树脂，这一事实加剧了这个问题。因此，它的使用通常仅限于不需要最佳减重的项目或局部高度紧张的地区。

雪松

另一种有时用作芯材的木材是雪松。在海洋它通常是作为“核心”的材料在条形板建筑，具有一个每一侧的复合皮肤和雪松的纹理平行于层压板面。雪松纤维沿着船的长度，使船头和船尾刚度，而FRP皮中的纤维在±45°，提供扭转刚度，并保护木材。

其他核芯材料

虽然通常不被认为是真正的三明治芯，但有一些薄的、低密度的“织物状”材料可用于略微降低单蒙皮层压板的密度。诸如Coremat™和Spheretex™等材料由一种充满降低密度空心球体的无纺布“毡状”织物组成。它们通常只有1-3mm的厚度，就像层压板中间的另一层加固一样，被设计成在施工过程中与层压树脂“润湿”。

然而，空心球体取代树脂，因此，结果中间层，虽然比泡沫或蜂窝芯重得多，密度低于同等厚度的玻璃纤维层压板。由于很薄，它们也可以很容易地符合二维曲率，因此使用起来快速方便。

复合材料成型工艺详解

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简介 

将复合材料作为一个整体，在树脂、纤维和芯等领域有许多不同的材料可供选择，它们都有自己独特的性能，如强度、刚度、韧性、耐热性、成本、生产率等。然而，由这些不同材料制成的复合材料部件的最终性能不仅取决于树脂基体和纤维的个别性能(在三明治结构中，芯也是如此)，而且还取决于材料本身设计到部件中的方式以及它们的加工方式。本节将比较几种常用的复合材料生产方法，并介绍每种不同工艺应牢记的一些因素，包括每种工艺对材料选择的影响。

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工艺比较 

喷涂工艺

描述

纤维在手持的枪中被切碎，并被注入定向于模具的催化树脂喷雾中。沉积的材料留在标准大气条件下固化。

材料选择

树脂:主要是聚酯。

纤维:仅限玻璃纤维粗纱。

核芯:没有。这些必须分开合成。

主要优点:

i)广泛使用多年。

ii)快速沉积纤维和树脂的低成本方式。

iii)低成本工装。

 主要缺点:

i)层压板往往富含树脂，因此过重。

ii)只加入短纤维，这严重限制了层压板的机械性能。

iii)树脂需要低粘度才能喷涂。这通常会降低它们的机械/热性能。

iv)喷层树脂苯乙烯含量高通常意味着它们有可能更有害，而它们的低粘度意味着它们有更大的渗透服装的趋势等。

v）将空气中的苯乙烯浓度限制在法定水平正变得越来越困难。

典型应用:

简单的外壳，轻负荷的结构板，如大篷车车身，卡车整流罩，浴缸，淋浴盘，一些小橡皮艇。

手糊成型

描述

树脂是手工浸渍到纤维中，以机织、针织、缝制或粘合织物的形式。这通常是通过滚筒或刷子完成的，越来越多地使用钳辊式浸渍器，通过旋转滚筒和树脂浴将树脂强制进入织物。层压板留在标准大气条件下固化。

材料选择:

树脂:任何树脂，如环氧树脂、聚酯树脂、乙烯酯、酚醛树脂。

纤维:任何纤维，尽管重芳纶织物很难用手浸湿。

核芯:任何材料。

主要优点:

i)广泛使用多年。

ii)简单的教学原则。

iii)低成本的工具，如果使用室温固化树脂。

iv)有广泛的供应商和材料种类选择。

v)与喷铺法相比，纤维含量更高，纤维更长。

主要缺点:

i)树脂混合、层压树脂含量和层压质量很大程度上取决于层压机的技能。低树脂含量的层压板通常不能实现没有纳入过多的空隙量。

ii)树脂的健康和安全考虑。手涂树脂的低分子量通常意味着它们有可能比高分子量产品更有害。树脂的低粘度也意味着它们更容易渗透衣物等。

iii)如果没有昂贵的提取系统，将空气中的苯乙烯浓度限制在聚酯和乙烯酯的法定水平将变得越来越困难。

iv)树脂需要低粘度才能手工操作。这通常会降低它们的机械/热性能，因为需要高稀释剂/苯乙烯水平。

典型应用:

标准风力涡轮机叶片，生产船，建筑模具。

真空袋法

描述

这基本上是上面所述的湿式铺层工艺的延伸，其中压力应用于层压板一旦铺层，以提高其固结性。这是通过密封一层塑料薄膜在潮湿的层压板和到工具。气囊下的空气由真空泵抽出，因此可施加一个大气压到层压板以巩固它。

材料选择:

树脂:主要为环氧树脂和酚醛树脂。由于真空泵从树脂中过量提取苯乙烯，聚酯和乙烯酯可能会出现问题。

纤维:固结压力意味着各种厚重的织物都可能被浸湿。

核芯:任何材料。

主要优点:

i)与标准的湿式铺层技术相比，通常可以获得更高的纤维含量的层压板。

ii)与湿法充填相比，该方法可获得更低的孔隙含量。

iii)由于压力和树脂在整个结构纤维中的流动，纤维更好地润湿，多余的纤维进入装袋材料。

iv)健康和安全:真空袋减少了治疗过程中挥发性物质的排放量。

主要缺点:

i)额外的工艺增加了劳动力和一次性装袋材料的成本

ii)操作人员需要较高的技能水平

iii)树脂含量的混合和控制仍主要取决于操作人员的技能

典型应用:

大型一次性游船，赛车组件，生产船的核心连接。

纤维缠绕

描述

这种工艺主要用于中空，一般为圆形或椭圆形的截面部件，如管道和储罐。纤维束通过树脂浴，然后以不同的方向缠绕在芯轴上，由纤维输送机构和芯轴的旋转速率控制。

材料选择:

树脂:任何树脂，如环氧树脂、聚酯树脂、乙烯酯、酚醛树脂。

纤维:任何。这些纤维直接从筒子架上取下来，而不是编织或缝制成织物形式。

核芯:任何，尽管组件通常是单一的皮肤。

主要优点:

i)这是一种非常快速和经济的铺设材料的方法。

ii)树脂含量可通过测量树脂到每根纤维束通过钳或模具控制。

iii)纤维成本最低，因为在使用之前没有将纤维转化为织物的二次加工。

iv)层合板的结构性能可以非常好，因为直纤维可以以复杂的方式铺设，以匹配所施加的载荷。

主要缺点:

i)该工艺仅限于凸形部件。

ii)纤维不容易沿着组件的长度精确铺设。

iii)大型部件的芯轴成本可能很高。

iv)组件的外表面未成型，因此在外观上不具有吸引力。

v)低粘度树脂通常需要使用其伴随的较低的机械、健康和安全性能。

典型应用:

化学品储存罐和管道，气瓶，消防员的呼吸罐。

拉挤成型

描述

纤维通过树脂浴从筒子架上拉出，然后通过加热的模具。模具完成了纤维的浸渍，控制树脂含量，并在通过模具时将材料固化成最终形状。这种固化的轮廓，然后自动切断长度。也可以将织物引入模具，以提供除0°以外的纤维方向。虽然拉挤是一个连续的过程，产生恒定截面的剖面，但一种被称为“拉挤”的变体允许在截面中引入一些变化。该工艺将材料通过模具进行浸渍，然后将其夹在模具中进行固化。这使得过程不连续，但适应小的变化在横截面。

材料选择:

树脂:一般为环氧树脂、聚酯树脂、乙烯酯树脂和酚醛树脂。

纤维:任何。

核芯:一般不使用。

主要优点:

i)这是一种非常快速，因此经济的浸渍和固化材料的方法。

ii)树脂含量可精确控制。

iii)纤维成本最低，因为大部分纤维来自筒子架。

iv)层合板的结构性能可以非常好，因为可以获得非常直的纤维和高纤维体积分数。

v)树脂浸渍区可以封闭，从而限制挥发性物质的排放。

主要缺点:

i)仅限于恒定或接近恒定的截面组件

ii)加热模具成本可能很高。

典型应用:

用于屋顶结构、桥梁、梯子、框架的梁和大梁。

树脂注模成型(RTM)

描述

织物作为一堆干燥的材料堆放起来。这些面料有时预压到模具形状，并用粘合剂粘在一起。然后，这些“预制件”更容易放置到模具中。然后用第二个模具夹住第一个模具，将树脂注入型腔。真空也可以应用于模腔，以协助树脂被拉进织物。这被称为真空辅助树脂注射(VARI)。一旦所有的织物都湿了，树脂入口被关闭，层压板被允许固化。注射和固化都可以在常温或高温下进行。

材料选择:

树脂:通常是环氧树脂，聚酯，乙烯酯和酚醛，尽管双马来酰亚胺等高温树脂可以在较高的工艺温度下使用。

纤维:任何。缝合材料在这个过程中工作得很好，因为缝隙允许快速的树脂运输。一些专门开发的织物可以帮助树脂流动。

核芯:不是蜂巢，因为细胞会充满树脂，压力会粉碎一些泡沫。

主要优点:

i)高纤维体积层合板可以获得非常低的孔隙含量。

ii）良好的卫生和安全，由于树脂外壳的环境控制。

iii)可能的还原反应。

iv)组件的两面都有一个模压表面。

主要缺点:

i)配套的模具价格昂贵，为了承受压力，模具很重。

ii)一般限于较小的部件。

iii)可能出现未浸渍区域，导致非常昂贵的报废部件。

典型应用:

小型复杂飞机和汽车零部件，火车座椅。

其他输注工艺- SCRIMP, RIFT, VARTM等

描述

像RTM一样，织物作为干燥的材料堆叠起来。然后在纤维层上覆盖剥层和针织型非结构织物。整个干堆叠然后真空袋装，一旦袋泄漏已消除，树脂是允许流入层压板。树脂在整个层压板上的分布是通过树脂轻易地流过非结构织物来辅助的，并从上面湿润织物。

材料选择:

树脂:一般为环氧树脂、聚酯树脂和乙烯酯树脂。

纤维:任何常规面料。缝合材料在这个过程中工作得很好，因为缝隙允许快速的树脂运输。

核心:除蜂巢外的任何核心。

主要优点:

i)如上RTM所述，除了组件的一侧有模压光洁度外。

ii)由于刀具的一半是真空袋，加工成本大大降低，主刀具对强度的要求更低。

iii)可以制造大型部件。

iv)标准湿式铺层工具可以针对该工艺进行修改。

v)一次操作即可生产出芯结构。

主要缺点:

i)工艺相对复杂，性能较好。

ii)树脂的粘度必须非常低，从而包含机械性能。

iii)可能出现未浸渍区域，导致非常昂贵的报废部件。

iv)该过程的某些要素由专利(SCRIMP)涵盖。

典型应用:

半生产小型游艇，火车和卡车车身面板。