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文|楠貓
編輯|楠貓
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近幾十年來，社會面臨著氣候變化和資源利用的挑戰，導致生態系統的退化 。為了應對這些威脅性變化 ， 國際社會致力于尋找新的生產和創造價值的方式，包括輕量化結構和對木質纖維素生物質的有效利用，以實現可持續創新的可能解決方案 。
事實上，輕量化就意味著減少生產能量、減少生產的原材料和管理終生的材料，質量的減少也導致了交通工具的能量耗減少和污染物排放的減少 。
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因此 ， 在各種應用中，夾層結構越來越多地取代了塊狀結構，因為它們具有輕巧、在彎曲時的機械性能以及熱、振動和聲學特性 。纖維內含物基環氧樹脂復合材料就是一種夾層結構，它是一類具有廣泛應用潛力的高性能材料 。在生活中，它的運用也十分廣泛 。
讓我們一起來探究，纖維內含物基環氧樹脂復合材料的特性究竟有何特殊之處才能被廣泛運用？
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●○熱固性有機基體：環氧樹脂○●
環氧樹脂是一種熱固性聚合物，它由兩部分組成：環氧基團催化劑和含胺固化劑（-NH2或-NH） 。在交聯過程中，胺基團中的每個氫原子打開環氧環，并產生了聚合物鏈 。
與熱塑性樹脂相比，環氧樹脂在受沖擊時更易脆裂 。根據研究人員的研究，熱固性基體復合材料的沖擊響應還存在一些弱點：
?在相同的沖擊能量下，與熱塑性基體復合材料相比，由于沖擊而導致的剝離面積更大 。
? 對于25 J的沖擊能量，環氧增強結構會被穿孔，而熱塑性復合結構的最大位移約為11.4 mm 。
? 在相同的沖擊能量水平下，環氧基體復合材料的耗散能量與沖擊能量的比值高于熱塑性基體復合材料 。該比值的增加增加了結構被穿孔的風險 。
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此外，這類樹脂的高脆性也是復合材料偽塑性行為的原因 。在受到沖擊時，會引發層內和層間裂紋的開啟 。與此同時，環氧殘渣形成并阻礙了沖擊后裂紋的閉合，這對復合材料的抗沖擊性不利 。
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【樹脂基復合材料在生活中的應用,和環氧樹脂配合使用的纖維】●○纖維材料和類型○●
復合材料根據其組成進行分類，包括基礎材料（基體）和填充材料 ?；w或粘合劑是將填充材料在結構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狀、塊狀、顆粒狀、纖維狀或晶須狀形式存在 。
由于其高強度、耐久性、熱穩定性、抗沖擊性、化學性能、摩擦性能和耐磨性，所以玻璃纖維被譽為是最常用的合成纖維 。
然而，使用傳統加工技術對玻璃纖維增強聚合物（GFRPs）進行加工通常是緩慢、困難的，而且工具壽命較短 。玻璃纖維易于從原材料制造，原材料供應幾乎無限 。
根據使用的原材料和其在制造過程中的用量，通常使用多種類型的玻璃纖維在GFRP復合材料中，玻璃纖維在使用壽命結束時也存在處理不方便的缺點 。
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●○玻璃纖維增強聚合物○●
玻璃纖維增強聚合物復合材料采用了各種生產技術制造，并廣泛應用于各種領域 。由于其優越的機械性能，玻璃纖維增強復合材料近年來受到了更多關注 。
玻璃纖維具有高強度、柔韌性、剛度、耐久性等優良特性 。增加玻璃纖維的含量可以改善GFRP復合材料的機械和熱性能 。
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●○碳纖維增強環氧樹脂○●
碳纖維最早在1880年由愛迪生用作燈泡的燈絲，從1960年開始，研究逐漸轉向高模量和高強度的碳纖維的開發 。
碳纖維在需要更高剛度的應用中更為重要，碳纖維增強聚合物（CFRP）復合材料在飛機、汽車、體育等各個領域具有廣泛的應用 。通常 ， 碳纖維可以根據其機械性能、制造方法、應用領域、前體材料、纖維材料、最終熱處理溫度以及其功能進行分類 。
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●○植物纖維增強環氧樹脂○●
如今，工業企業正在專注于提供環保產品 ， 全球也在朝著可持續發展的方向前進 。由于其可生物降解性，自然纖維被應用于生產環保產品 。
促使人們越來越多地使用天然纖維增強復合材料的主要原因是對污染、原材料和能源浪費以及石油儲備枯竭等問題的日益關注 。
由于復合材料具有輕質、機械性能、綜合功能、物理化學抗性和易加工等優勢，它們在體積方面取得了顯著進展，并在實際上主導了幾乎所有行業 。
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例如 ， 木纖維通過蒸汽爆破過程進行轉化，并在不同的蒸汽壓力下進行處理 。蒸汽爆破后，纖維對水的親和性、機械特性和在堿性溶液中的溶解能力都會減少 。
列舉了這么多材料的作用以及應用，它們的制備方式也值得我們進行深一步了解 。
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●○制備方法○●
這些材料的制備方法的選擇主要取決于使用的樹脂、纖維長度、復合材料所需的性能以及生產批次和速率 。
? 接觸成型：這是一種適用于小批量生產的方法，在上涂蠟的模具上 ， 交替堆疊催化樹脂層和布料層 。使用刷子將樹脂涂在增強材料上，并用滾筒除氣 。重復這個過程直到達到所需的層數 。
這種方法簡單經濟，并且可以制作任何形狀和大小的零件，在模具一側具有良好的表面外觀 。此方法制造的零件在很大程度上取決于操作者的熟練程度 。
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? 真空成型：這是一種適用于中等規模生產的方法 ， 在上涂蠟的硬模具上放置增強材料和樹脂，然后在整個結構上應用防水薄膜 。通過真空泵在模具和薄膜之間建立真空，使樹脂分布均勻并去氣 。保持負壓直到樹脂完全干燥 。
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? 低壓液體樹脂注射成型：也稱為RTM（樹脂注射成型） ， 該方法涉及將增強材料插入硬的雙面模具中 。然后將催化樹脂以0.1至0.4 MPa的壓力泵入模具中 。
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? 纖維纏繞：這種自動化方法適用于高壓成型高性能創新零件，如管道和液體儲罐 。該方法涉及將紗線浸泡在催化樹脂浴中，然后圍繞芯棒纏繞 。根據紗線移動速度與芯棒旋轉速度和角度的比例 ， 有三種纏繞方式：圓周纏繞、極向纏繞和螺旋纏繞 。
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? 高壓釜法：也稱為真空袋法 。該方法是將增強材料和樹脂壓實在堅硬模具上，然后通過一層彈性、柔性的薄膜使其與模具形成緊密的袋狀結構 。將模具放入一個封閉的室內，施加幾兆帕斯卡的內部壓力 。這種壓力由流體（空氣、水、氮氣或蒸汽）通過薄膜傳遞 ， 有助于樹脂的聚合 。
? 同時噴涂成型：這種方法是從接觸成型方法演變而來 。在上涂蠟的模具上同時噴涂經過催化樹脂混合的切碎纖維 。然后使用滾筒壓實噴涂層并消除氣泡 。這種技術可以低成本地生產中型和大型零件以及基本形狀 。然而，由于這種成型方法僅使用切碎纖維，所制作的零件的機械性能較差 。
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●○生活中的應用○●
造船
E玻璃纖維常被用作造船中的增強材料，而用環氧樹脂浸漬的碳纖維常被用于航空航天領域 。合成纖維在復合材料中的應用得到支持 ， 因為它們具有高化學抗性、與大多數浸漬樹脂的相容性以及良好的機械和熱性能 。
然而，這種類型的增強材料的使用已不再足夠：一方面，其相對較大的密度對其產生了負面影響 。另一方面，它們對健康和環境構成威脅 。
自上世紀80年代以來，這些環境問題已成為我們社會和媒體關注的重點 。從那時起 ， 由于其高比機械性能，生態復合材料的工業優化正在蓬勃發展 。通過纖維預制品的開發和加工方法的調整，應用的限制不斷被突破 。
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汽車
汽車的車身部件，如發動機罩、儀表板和儲物箱，采用了亞麻、黃麻、劍麻和苧麻等天然纖維增強材料進行制造 。
這些復合結構采用了VARTM制造技術，并通過結構測試和沖擊應力分析進行了驗證 。因此 ， 材料的重量減輕，同時穩定性和強度得到了提高 。使用頭部沖擊準則（HIC）對安全特性進行了測試，發現具有天然纖維增強的復合結構適用于汽車車身部件 。
下圖展示了碳纖維復制品的外部車身元件，汽車行業尤其致力于使用天然纖維在不同的非結構性部件（儀表板、車門板、備胎罩等）中，以降低質量、燃油消耗和排放 。
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航空
由于其優異的機械性能和輕量化結構，復合材料在航空領域得到了廣泛應用 。在纖維復合材料結構的層中使用導電纖維可以消除通信設備的傳輸器需要獨立的電線的要求 。
當將P100石墨纖維擴散到6061鋁基復合材料的高增益天線中時，可以實現高剛度和較低的熱膨脹系數 ， 該天線用于哈勃太空望遠鏡 。
例如，飛機的機翼就是一種復合材料，纖維使用的是碳纖維，樹脂使用的是環氧樹脂 。
制造技術涉及樹脂浸漬：所有的增強纖維都經過干燥、成型，然后將樹脂注入增強材料中 。聚合物基體的選擇必須既保證固化后成品機翼的良好性能，又保持良好的反應活性 ， 不要過高以允許機翼的浸漬，這可能需要數小時，但足夠使反應有效進行 。
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纖維內含物基環氧樹脂復合材料是一種具有廣泛應用潛力的高性能材料 。通過將纖維增強材料與環氧樹脂基體相結合 ， 這種復合材料具有出色的力學性能、化學穩定性和耐熱性能 。在航空航天、汽車工程、建筑結構等領域，纖維內含物基環氧樹脂復合材料已經得到廣泛應用 。
該復合材料的制備方法多樣 ， 可以根據具體需求選擇合適的加工工藝 。通過合理的纖維排列和樹脂浸漬，可以實現復合材料的均勻性和強度的控制 。同時 ， 纖維增強相賦予復合材料高強度和剛度，滿足輕量化設計的需求 。
未來的研究領域可以著重于將現有的復合材料回收利用于高附加值的替代品 ， 也還需要開發新的用于處理消費后廢棄物的創新方法，才能讓復合材料在各個領域中繼續發揮重要作用！
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