树脂基体性能及测试方法探析

树脂基体是复合材料的重要组成部分，其结构、组成、配比以及制成树脂浇铸体的基本力学性能，直接影响复合材料的最终性能。此外，树脂与纤维复合过程中，树脂与纤维的复合成型工艺方法、温湿度、树脂含量、固化条件（温度、压力、时间）、后期热处理、固化度等工艺性能也都影响着复合材料的最终性能。

一、力学性能

高性能树脂基体的力学性能主要包括拉伸强度和模量、断裂伸长率、弯曲强度和模量、冲击强度和表面硬度等。这些性能会随温度、加工和固化条件的变化而变化。与其他结构材料相比，高性能树脂基体的一个重要特征是黏弹性，即其性能依赖于作用温度和时间，由于存在黏弹性，高分子材料，尤其是热塑性树脂基体，在使用过程中会发生蠕变和应力松弛。高性能树脂基体一般具有高的模量，但断裂伸长率和韧性偏低。

1.强度与模量　当考虑基体的力学性能时，还必须了解使用的时间、温度、环境等，同时考虑温度、时间、环境等几方面因素的作用，才能真实地反映材料的性能指标。复合材料的力学性能与聚合物基体的力学性能有密切的关系，而一般复合材料用的热固性树脂固化后的力学性能并不高。

决定聚合物强度的主要因素是分子内和分子间的作用力。聚合物材料的破坏，是由主链上的化学键的断裂或是聚合物分子链间相互作用力的破坏引起的。由于工艺及内应力而使聚合物实际强度低于理论强度，其中内应力有的是杂质造成的。这样，在材料内部的平均应力还没达到它的理论强度以前，在缺陷部位的应力首先达到该材料的强度极限值，材料便从那里开始破坏，从而引起整个材料的断裂。

2.树脂的内聚强度与结构的关系　未固化的树脂呈线型结构，相对分子质量也不大，通常处于黏流态，此时内聚强度很低。由于固化反应的进行，相对分子质量加大，分子间力随之增大，以致强度有所升高，但仍然是固化过程中的量变阶段。当固化反应进一步进行，量变引起质变，树脂分子间产生交联，变成凝胶，此时树脂的相对分子质量迅速增加，以致机械强度也随之迅速提高。若固化反应继续进行，交联键不断增加，树脂强度则逐渐增大到相当稳定的数值，如果继续使交联密度增大到很大，树脂形变能力降低，呈现脆性。

3.树脂的断裂伸长率与结构的关系　树脂的断裂伸长率与结构的关系问题，实质是树脂在外力作用下形变能力的问题，高分子化合物的形变分为普弹形变、高弹形变及黏流形变等类型，其中黏流形变在已固化树脂中是不存在的。从普弹形变和高弹形变引起的原因看，前者是由于有机分子的键长和键角的改变引起的，而后者则是由于大分子链的链段移动引起的。由于普弹形变引起的树脂形变很小（约1%），而高弹形变引起的树脂形变则相当大，因此，树脂结构与断裂伸长率的关系，实质上就是树脂结构与高弹形变的关系。

对于已固化树脂来讲，在玻璃化转变温度以下出现强迫高弹形变主要取决于两个因素：一是大分子链的柔韧性；二是大分子链间的交联密度。具有柔性链结构的树脂其伸长率就比较大；反之，大的刚性分子链树脂的断裂伸长率就比较小，呈现脆性。从分子链间交联密度来看，交联密度较大，则树脂断裂伸长率越小，脆性就较大。

4.树脂的体积收缩率与其结构的关系　热固性树脂在固化时伴随着体积收缩的现象。由于体积收缩，往往引起与增强纤维黏结不良，树脂出现裂纹，对复合材料制品的质量带来不良影响。影响树脂体积收缩的因素是固化前树脂系统（包括树脂、固化剂等）的密度、基体固化后的网络结构的紧密程度、固化过程有无小分子放出等。环氧树脂的固化收缩率小，是由于环氧树脂在固化前的密度比较大，固化后的网络结构也不太紧密，而且固化过程又无小分子放出的缘故。

二、耐热性

复合材料在温度升高时，其物理性能和化学性能会发生变化。物理性能包括模量、强度、变形等，化学性能包括失重、分解、氧化等。

树脂的耐热性一种是指树脂在一定条件下仍然保留其作为基体材料的强度，即物理耐热性；另一种是指树脂在发生热老化时的温度范围变化，即化学耐热性。将聚合物加热，一般会发生物理及化学变化。物理变化指树脂的形变、软化、流动、熔融。化学变化指分子链断裂、交联、氧化、产生气体、质量变化等。从物理性能上看，耐热性主要是指在升高温度过程中大分子能否发生链段运动或整个分子的运动。因而凡是引进能束缚分子运动的因素，均能提高基体的耐热性。

1.玻璃化转变温度（Tg）玻璃化转变温度是聚合物从玻璃态向高弹态的次级转变。在玻璃化转变温度下，聚合物的比热和比容发生突变，分子链段开始运动，线胀系数迅速增大。聚合物链段中强极性基团的存在增加分子间作用力，进而增加链密度，因此，极性聚合物具有相对较高的Tg。在聚合物主链和侧基的庞大刚性基团阻碍链段的自由转动，有利于Tg的提高；而柔性的侧基能使链段间的距离增大，使其更易于运动从而降低Tg。

Tg是高分子链柔性的宏观体现，增加高分子链的刚性，高聚物的相应提高。在高分子主链中尽量减少单键，引进共轭双键、叁键或环状结构（包括脂环、芳环或杂环），对提高高聚物的耐热性特别有效。因此，为了获得高的Tg和耐热性，高性能树脂基体一般被设计成含有大量庞大刚性基团的链段。例如，芳香环聚酯、芳香族聚酰胺、聚苯醚、聚苯并咪唑、聚酰亚胺等都是优良的耐高温聚合物材料。

2.热氧化稳定性　为了满足高科技领域（航空航天等领域）的需求，已经发展了能在300℃以上长期使用的耐高温树脂基体。热氧化稳定性主要由组成分子链的原子间键能决定。在主链上引入—C—O—C—（醚键）、—CONH—（酰胺键）、—CONCO—（酰亚胺键）、—HN—CO—NH—（脲键）或在侧基上引入—OH—、—NH2—、—CN—、—NO2—、—CF3—都能提高结晶高聚物的熔融温度Tm。芳杂环结构，如苯和氮杂萘，具有高的键能，因而具有高的热氧化稳定性。其中，最稳定的聚合物是由杂环和芳香共轭结构组成的梯形聚合物。最稳定的柔性链基团为所有氢被氟和苯基取代的脂肪族化合物。—O—、—S—、—CONH—和—CO—也具有较好的热稳定性；—SO2—，—NH—，亚烃类和含氯基团的热稳定较差。对于含有苯撑基团的聚合物，其热稳定顺序为p＞m＞o。交联以强有力的化学键来代替分子间的次价键，因此，随着交联度的增加，耐热性不断提高。当转变为充分交联的体形高聚物时，耐热温度便是Tox（氧化）或Td（降解）。

3.线胀系数　两种不同线胀系数（CTE）的材料结合在一起，当温度变化时，会在界面上产生应力。如果这种线胀系数差别较大，则有可能导致界面结合的破坏。复合材料是由树脂和纤维增强材料组成，随着温度的变化，树脂和纤维界面会产生应力，严重时会出现界面分层。胶接构件极易在胶接界面发生破坏。因此，高性能树脂基体必须考虑和纤维增强材料的线胀系数匹配问题。表7-1为部分常用复合材料树脂基体和纤维增强材料的线胀系数。一般来说，无机材料的线胀系数比有机高分子材料低。降低高分子材料的线胀系数主要有以下几种方法。(www.xing528.com)

（1）在聚合物中引入有序结构，如结晶体。

（2）使用庞大刚性结构，如芳杂环，减少聚合物分子链段的运动。

（3）增加交联密度。

表7-1　部分树脂基体和纤维增强材料的线胀系数

三、电性能

树脂基体在电子工业的应用增长很快，包括绝缘材料、透波材料等。因此，了解树脂基体的电性能也是极其重要的。材料的电性能主要包括介电性能和电击穿强度。材料的介电常数指的是单位电场强度下材料单位体积内平均能量储存。介电常数的大小和材料的介电极化（电子极化、原子极化和取向极化）程度有关。高分子材料在作为绝缘材料使用时，除考虑在使用条件下耐热性、机械性能满足要求外，还需考虑材料的绝缘性能。当在某一电场作用下其介电损耗所产生的热量超过材料散发的热量时，会引起材料局部过热，随之会产生材料的击穿。高分子材料在应力作用下发生变形也会影响其击穿行为，使击穿强度下降。在这种情况下发生的击穿行为称为电机械击穿。

树脂分子由共价键组成，是一种优良的电绝缘材料。影响树脂电绝缘性能的因素有两个：一是树脂大分子链的极性，二是已固化树脂中杂质的存在。一般来说，树脂大分子链中极性基团多，极性越大，则电绝缘性能越差；反之，若树脂大分子由非极性分子组成，无极性基团如热固性丁苯树脂、1，2-聚丁二烯树脂则具有非常优良的电绝缘性能。另外有无增塑剂，也影响电性能。常用热固性树脂的电性能见表7-2。合成树脂的电性能一般优于玻璃纤维。因此，欲制得介电性能良好的复合材料，既要选择电绝缘性能较好的增强材料，又要选择电绝缘性能较好的树脂。

表7-2　部分热固性树脂基体的电性能

四、耐腐蚀性

在组成复合材料的基体和增强材料中，玻璃纤维对水、酸或碱的侵蚀抵抗能力是比较差的，但对有机溶剂则几乎不受侵蚀。

基体对水、酸或碱溶液的侵蚀抵抗能力一般要比玻璃纤维好，而对有机溶剂的侵蚀抵抗能力要比玻璃纤维差。但树脂的耐化学腐蚀性能随其化学结构的不同可以有很大的差异。同时，复合材料中的树脂含量，尤其是表面层树脂的含量与其耐化学腐蚀性能有密切关系。

树脂和介质之间作用引起的腐蚀主要有物理作用和化学作用两种。物理作用是指树脂吸附介质引起溶胀或溶解导致树脂结构破坏，性能下降；化学作用是树脂分子在介质作用下引起化学键的破坏，或生成新的化学键而导致结构破坏，性能下降。所以树脂耐溶剂介质能力主要由组成体系的化学结构决定，它们之间极性大小、电负性和相互间的溶剂化能力都影响化学腐蚀性能。

一般来说，树脂交联度大，耐介质腐蚀性好，所以热固性树脂固化时必须控制一定的固化度，固化度太低会严重影响其耐腐蚀性能。

固化树脂耐水、酸、碱等介质的能力，主要与其水解基团在相应的酸碱介质中的水解活化能有关。表7-3列出了一些基团的水解反应活化能。活化能高，耐水解性就好。

表7-3　一些基团的水解反应活化能