前言：

玻璃纖維增強熱固性塑料是指玻璃纖維作為增強材料，熱固性塑料（包括環氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂等）作為基體的纖維增強塑料。因其比重小，比強度高，比最輕的金屬鋁還要輕，而比強度比高級合金鋼還要高，所以又稱為玻璃鋼。而玻璃纖維增強環氧樹脂是GFRP中綜合性能最好的一種。相比傳統材料，復合材料具有一系列不可替代的特性，自二次大戰以來發展很快。盡管產量小（據法國Vetrotex公司統計，2003年全球復合材料達700萬噸），但復合材料的水平已是衡量一個國家或地區科技、經濟水平的標志之一。美、日、西歐水平較高。北美、歐洲的產量分別占全球產量的33%與32%，以中國（含臺灣省）、日本為主的亞洲占30%。中國大陸2003年玻璃纖維增強塑料逾90萬噸，已居世界第二位。

 

1玻璃纖維增強環氧樹脂的性能

在玻璃鋼產業中可以采用很多種樹脂材料做基體，那為什么要采用環氧樹脂呢？這是因為環氧樹脂（EP）是優良的熱固性樹脂，它與目前大量應用的不飽和聚酯（UP）樹脂相比，具有更優良的力學性質、電絕緣性、耐化學藥品性、耐熱性和粘合性能［1］。環氧樹脂固化收縮率低，僅1%-3%，而不飽和聚酯樹脂卻高達7%-8%。它的粘結力最強，與玻璃纖維復合時，界面剪切強度最高。可低壓固化，揮發份甚低， 固化后力學性能、耐化學性佳，電絕緣性能良好。

 

下表為以FW(纖維纏繞)法制造的玻纖增強環氧樹脂的產品為例與鋼性能的對比

 

 1.1  復合材料的彈性模量分析

    以環氧樹脂澆注體為參照,當基體中填加不同體積分數的玻璃纖維后，所得復合材料試樣的彈性模量變化如圖所
     1.2  復合材料的強度分析

  
 

 

 

                                          

 

    由于玻璃纖維是單向排列于樹脂基體中,所以當纖維含量達到一定值后,當外力由基體傳遞至纖維時,由于各向異性的影響,會使力的作用方向發生變化,即主要沿纖維取向方向進行傳遞。在一定程度上使力的作用得到分散,對復合材料的破壞作用減緩,從而使材料的強度得到提高。但當纖維含量過多時,部分纖維難以被樹脂充分浸潤,從而在材料中形成許多結合較弱的界面,當材料受力時,這些界面容易脫附拔出,應力傳遞失效,使材料的性能下降 。

表2

                

    當玻璃纖維體積含量為50%時,復合材料可獲得較好的綜合力學性能，其中彈性模量可達40GPa,縱向拉伸強度可達1200MPa，縱向壓縮模量可達700MPa。

 

2成型工藝

目前玻璃纖維增強環氧樹脂在生產上主要有十種成型工藝：

手糊成型（HLU）

樹脂傳遞成型（RTM）

纖維纏繞成型法（FW）

結構反應注射成型（SRIM）

拉擠成型 （PULT）
    真空袋法成型（VB）

樹脂膜熔浸成型（RFI）

低溫固化預浸料成型（CP）

預浸料（高壓釜）成型

SCRIMP RIFT VARTM

   目前我國還是以手糊成型為主，在樹脂基復合材料中約占80%。

 

  2.1  手糊成型（HLU）

 

圖4 

2.1.1  方法

依次在模具表面上施加脫模劑 、膠衣、一層粘度為0.3-0.4PaS的中等活性液體熱固性樹脂(須待膠衣凝結后)、一層纖維增強材料，纖維增強材料有表面氈、無捻粗紗布(方格布)等幾種。以手持輥子或刷子使樹脂浸漬纖維增強材料，并驅除氣泡，壓實基層。鋪層操作反復多次，直到達到制品的設計厚度。 樹脂因聚合反應，常溫固化，可加熱加速固化。

 

2.1.2  手糊成型工藝的優點

a)不受尺寸，形狀的限制；

b)設備簡單，投資少；

c)工藝簡單；

d)可在任意部位增補增強材料，易滿足產品設計要求；

e)產品樹脂含量高，耐腐蝕性能好。

 

3.1.3手糊成型的缺點

a)屬于勞動密集型生產，產品質量由工人訓練程度決定；

b)玻纖含量不可能太高，樹脂需要粘度較低才易手工操作，溶劑量高，力學與熱性能受限制；
    c)手糊用樹脂分子量低，通常可能較分子量高的樹脂有害于人的健康和安全。

 

2.2  樹脂傳遞成型（RTM）

圖5

  

    2.2.1  方法

RTM是一種閉模低壓成型的方法，將纖維增強材料置于上下模之間，合模并將模具夾緊，在壓力下注射樹脂，樹脂固化后打開模具，取下產品。樹脂膠凝過程開始前，必須讓樹脂充滿模腔，壓力促使樹脂快速傳遞到模個內，浸漬纖維材料。
    RTM是一低壓系統，樹脂注射壓力范圍0.4-0.5MPa,當制造高纖維含量（體積比超過50%）的制品，如航空航天用零部件時，壓力甚至達0.7MPa。纖維增強材料有時可預先在一個模具內預成型大致形狀（帶粘結劑），再在第二個模具內注射成型。為了提高樹脂浸透纖維能力，可選擇真空輔助樹脂傳遞成型（VARTM-vacuum  assisted resin transfer molding ）。
注意樹脂一經將纖維材料浸透，樹脂注口要封閉，以便樹脂固化。注射與固化可在室溫或加熱條件下進行。模具可以復合材料與鋼材料制作。若采用加熱工藝,宜用鋼模。

   2.2.2  優點 
   a)制品纖維含量可較高，未被樹脂浸得部分非常少；
   b)閉模成型，生產環境好；
     c)勞動強度低，對工人技術熟練程度的要求也比手糊與噴射成型低；
   d)制品兩面光，可作有表面膠衣的制品，精度也比較高；
   e)成型周期較短；
   f)產品可大型化；
   g)強度可按設計要求具有方向性；
   h)可與芯材、嵌件一體成型；
   i)相對注射設備與模具成本較低。

   2.2.3  缺點
   a)不易制作較小產品；
   b)因要承壓，故模具較手糊與噴射工藝用模具要重和復雜，價位也高一些；
   c)能有未被浸漬的材料，導致邊角料浪費。

   2.3  纖維纏繞成型法（FW）

圖6

    2.3.1  方法
    通常采用直接無捻粗紗作為增強材料。粗紗排列在紗架上。粗紗自紗架上退繞，通過張力系統、樹脂槽、繞絲嘴，由小車帶動其往復移動并纏繞在回轉的芯軸（模）上。纖維纏繞角度與纖維排列密度根據強度設計，并由芯軸（模）轉速與小車往復速度之比，精確地控制。固化后將纏繞的復合材料制品脫模。
    對某些兩端密閉的產品不用脫模，芯模即包在復合材料產品內，作為內襯。

2.3.2  優點
    a)因為纖維逕直以合理的線型鋪設，承擔負荷，故復合材料制品的結構特性可非常高；
    b)由于同內襯層組合，可制得耐腐蝕、耐壓、耐熱的制品；
    c)可制造兩端封閉的制品；
    d)鋪放材料快、經濟、用無捻粗紗，材料費用低；
    e)可采用樹脂計量，然浸膠后的纖維通過擠膠或口模，控制樹脂含量；
    f)可大量生產和自動化；
    g)機械成型，復合材料材質及方向性均勻，質量穩定。

    2.3.3  缺點
    a)制品形狀限于圓柱形或其它回轉體；
    b)纖維不易沿制品長度方向精確排列；
    c)對于大型制品，芯模成本高；
    d)成品外表不是“模制”的，不盡如人意；
    e)對于承受壓力的制品，如選擇樹脂不合適或無內襯，就易發生滲漏。

    
   2.4  結構反應注射成型（SRIM）

 

 圖7  

2.4  方法
    將兩種或兩種以上的組分在混合區低壓（0.5MPa）混合后，即在低壓（0.5-1.5MPa）下注射到閉模中反應成型，此即為工藝過程。若組分一為多元醇，一為異氰酸酯，則反應生成聚氨酯 。為增加強度，可直接在一種組分內行加入磨碎玻纖原絲和（或）填料。亦可采用長纖維（如連續纖維氈、織物、復合氈、短切原絲等的預成型物等）增強，在注射前將長纖維增強材料預先置模具內。用此法可得到高力學性能的制品。

2.4.1  優點

a)制造成本比熱塑性塑料注射工藝低；
    b)可制造大尺寸、形狀復雜的產品；
    c)固化快，適于快速生產。

    2.4.2  缺點
    采用磨碎玻璃纖維增強原料費用高，不經濟。

    2.5  拉擠成型 （PULT）
    2.5.1  方法
    主要采用玻璃纖維無捻粗紗（使用前預先放置在紗架上），它提供縱向（沿生產線方向）增強。其它類型的增強材料有連續原絲氈、織物等。它們補充橫向增強，表面氈則用于提高成品表面質量。樹脂中可加入填料，改進型材性能（如阻燃），并可降低成本。
拉擠成型的程序是：
    a)使玻璃纖維增強材料浸漬樹脂；
    b)玻璃纖維預成型后進入加熱模具內，進一步浸漬（擠膠）、基體樹脂固化、復合材料定型；

c)將型材按要求長度切斷。

    現在已有變截面的、長度方向呈弧型的拉擠制品成型技術。
    拉擠成型將增強材料浸漬樹脂有兩種方式：
    膠槽浸漬法（圖8）：通常采用此法，即將增強材料通過樹脂槽浸膠，然后進入模具。此法設備便宜作業性好，適于不飽和聚酯樹脂，乙烯基酯樹脂。
    注入浸漬法（圖9）：玻纖增強材料進入模具后，被注入模具內的樹脂所浸漬。此法適于凝膠時間短、粘度高、生產附產物的樹脂基體，如酚醛、環氧、雙馬來酰亞胺樹脂。

圖8 

圖9 

 

2.5.2  優點
    a)典型拉擠速度0.5-2m/min，效率較高，適于大批量生產，制造長尺寸制品；
    b)樹脂含量可精確控制；
    c)由于纖維呈縱向，且體積比可較高（40%-80%），因而型材軸向結構特性可非常好；
    d)主要用無捻粗紗增強，原材料成本低，多種增強材料組合使用，可調節制品力學性能；
    e)制品質量穩定，外觀平滑。

    2.5.3  缺點
    a)模具費用較高；
    b)一般限于生產恒定橫截面的制品。

2.6  真空袋法成型（VB）

 
       圖10 

    2.6.1  方法
    此法是手糊法與噴射法的延伸。將手糊或噴射好的積層在樹脂的A階段與模具在一 起，在積層上覆以橡膠袋，周邊密封，在后用真空泵抽真空，使積層受到不大于1個氣壓的壓力，而被壓實、固化、成型。

2.6.2  優點
    a)采用普通的濕法鋪層技術，通常可獲得高纖維含量的制品；
    b)可制造大尺寸產品；
    c)產品兩面光；
    d)較濕法鋪層浸膠孔隙率低；
    e)由于壓力，樹脂流經結構纖維，纖維得以較好地浸漬樹脂；
    f)有利于操作人員健康和安全；真空袋減少了固化時逸出的揮發性物質。

    2.6.3  缺點
    a)額外的工藝過程增加了勞動力和袋材成本；
    b)要求操作人員有較高的技術熟練水平；
    c)樹脂混合和含量控制基本上仍然取決于操作人員的技術；
    d)生產效率不高。

   2.7  樹脂膜熔浸成型（RFI）

圖11 

     2.7.1  方法

將干織物與樹脂片（樹脂片系放在一層脫模紙上提供）交替鋪放在模具內。鋪層被真空袋包覆，藉真空泵抽真空，將干織物內空氣抽出。然后加熱，令樹脂熔化并流浸已抽出空氣的織物，然后經過一事實上時間即固化。

    2.7.2  優點
      a)空隙率低，可精確獲得高的纖維含量；
      b)鋪層清潔，有利于健康和安全（似預浸）；
      c)可較預浸法成本低，此為主要的優點；
      d)由于樹脂僅能過織物厚度方向傳遞，故樹脂未浸到白斑區可較SCRIMP（西曼復合材料公司樹脂參入成型法—Seeman  Composite Resin  Infusion  Molding  Process）少。

    2.7.3  缺點
    a)目前僅用于宇航工業，還未推廣；
    b)雖然宇航工業用高壓釜系統產非總是需要，但加熱室和真空袋系統對于復合材料固化，總是不可少的；
    c)模具要求能經受樹脂膜片的工藝溫度（低溫固化即需60-100ºC）；
    d)要求所用芯材能經受工藝溫度和壓力；

    2.8  預浸料（高壓釜）成型

圖12 

    2.8.1  方法
    預先在加熱、加壓或使用溶劑的條件下，將織物和（或）纖維預先用預催化樹脂預浸漬。固化劑大多能在環境溫度下，讓預浸材料貯存幾周或幾個月，仍能保質使用。當要延長保持期，材料須在冷凍條件下貯存。樹脂通常在環境溫度下呈臨界固態。故觸摸預浸材料時有輕微的黏附感，象膠帶似的。制作單向預浸漬材料的纖維直接由紗架下來，與樹脂結合。預浸漬材料用手或機械鋪于模具表面，通過真空袋抽真空，并通常加熱到120-180ºC。使樹脂重新流動，并最終固化。盛開附加壓力通常藉助高壓釜（實際上是一座壓力加熱罐）提供，它能對鋪層施加達5個大氣壓的壓力。

 

2.8.2  優點
    a)預浸材料制造人員可精確地調整樹脂/固化劑水平和樹脂在纖維中的含量；可以可靠地得到高纖維含量。
    b)材料于操作人員十分安全，無礙健康，操作清潔；
    c)單向帶纖維成本最低，因為毋須將纖維預先轉為織物的二次加工過程；
    d)由于制造過程采用可滲透的高粘度樹脂，樹脂化學性能力學和熱性能可以是最適宜的；
    e)材料有效時間長（室溫下可保質數月），這意味著可優化結構、復合材料易鋪層；
    f)可能實現自動化和節省勞動力。

    2.8.3  缺點
    a)對于預浸織物，材料成本高；
    b)通常要對高壓釜固化復合材料制品，耗費大、作業慢、制品尺寸受限制；
    c)模具需能承受作業溫度；
    d)芯材需要承受作業溫度和壓力。

    2.9  低溫固化預浸料成型（CP）

 

圖13

2.9.2  優點
    a)預浸材料制造人員可精確地調整樹脂/固化劑水平和樹脂在纖維中的含量；可以可靠地得到高纖維含量。
    b)材料于操作人員十分安全，無礙健康，操作清潔；
    c)單向帶纖維成本最低，因為毋須將纖維預先轉為織物的二次加工過程；
    d)由于制造過程采用可滲透的高粘度樹脂，樹脂化學性能力學和熱性能可以是最適宜的；
    e)材料有效時間長（室溫下可保質數月），這意味著可優化結構、復合材料易鋪層；
    f)可能實現自動化和節省勞動力。
    2.9.3  缺點
    a)對于預浸織物，材料成本高；
    b)通常要對高壓釜固化復合材料制品，耗費大、作業慢、制品尺寸受限制；
    c)模具需能承受作業溫度；
    d)芯材需要承受作業溫度和壓力。

    2.10  西曼復合材料公司樹脂滲透成型法（SCRIMP）

柔性模具樹脂滲透法（RIFT）

真空輔助樹脂傳遞成型（VARTM）

圖14 

    2.10.1  方法
    SCRIMP,RIFT ,VARTM這三種工藝原理相似。它們都是將織物作為干鋪層材料入模內，如同RTM。然后覆以剝離保護層和縫編非結構織物。整個鋪層用真空袋覆罩好。袋無滲漏后，讓樹脂流到積層。樹脂很容易流經非結構織物而在整個鋪層分布。SCRIMP法在真空袋與鋪層之間可置加壓模塊，利于提高制作表觀與結構密實度。

    2.10.2  優點
    a)同RTM，但制品僅一面光，不似RTM兩面光；
    b)由于模具一半是真空袋，主模具僅需較低強度，故模具成本甚低；
    c)可制造大尺寸產品；
    d)通常的濕法鋪層工具可改進以用于這些成型法；
    e)一次作業即可生產芯材結構。

    2.10.3  缺點
    a)要完成好相對復雜的操作過程；
    b)樹脂粘度必須非常低，限制了制品的力學性能；
    c)存在鋪層未浸到樹脂，而造成的廢品浪費的可能性；

 

3  玻璃纖維增強環氧樹脂的應用

3.1  在航空、航天工業中的應用

 我國高性能復合材料應用于航空業已有20多年歷史［7］，因玻璃纖維增強環氧樹脂材料耐腐蝕、耐高溫、耐輻射而且密度小、剛性好、強度高，所以廣泛用于導彈彈頭和衛星整流罩，宇宙飛船的防熱材料，飛行器的艦船的殼體、翼片和螺旋槳［8］等。

 

3.2  在民用工業中的應用

玻璃纖維增強環氧樹脂在民用工業中主要用于以下幾個方面：

a)玻璃鋼的壓力容器和管道

b)玻璃鋼電機護環、套環等

c)防腐蝕制品

d)玻璃鋼模具

 

    主要產品：汽車儀表盤、保險杠、建筑門、窗、桌、沙發、電絕緣件小艇半成品、列車和卡車車身面板、艇、賽車、芯材粘結、方向舵管道、貯罐、氣瓶(消防呼吸氣瓶、壓縮天然氣瓶等)等。 

 

4發展趨勢及展望

 我國復合材料/玻璃鋼工業研究起始于1958年，經過多年的發展，產量從1978年的6000多噸發展到2008年的295萬噸，已經僅次于美國，躍居世界第2位。但在很多高新產業關于玻璃纖維增強環氧樹脂的研究仍然遠遠不夠，目前在很多產業方面，尤其在航空航天、飛機、建筑以及地鐵和汽車產業中，有很多部件因為暫時還沒有研制出性能更好，質量更輕的材料仍然采用金屬，這勢必會造成能源的損失。而玻璃纖維增強環氧樹脂材料具有比金屬更輕，更堅硬、更耐輻射、更絕緣的特性，所以在未來的高新產業方面，定會大有作為。