復合材料中的樹脂基體
基體結合纖維增強件，在纖維之間傳遞載荷，使復合材料部件具有凈形狀，并決定其表面質量。復合材料基體可以是聚合物、陶瓷、金屬或碳。聚合物基體是商業和高性能航空航天應用中最廣泛使用的復合材料。陶瓷和金屬基體通常用于非常高溫的環境，如發動機。碳作為基體用于極端高溫的應用，如碳/碳制動器和火箭噴嘴。
01樹脂基體：熱固性樹脂
復合材料中最廣泛使用的聚合物是熱固性樹脂，這是一類塑料樹脂，當通過熱和/或化學（催化劑或促進劑）或其他方式固化時，其基本上不可溶解。固化后，熱固性材料不能恢復到其未固化狀態。盡管目前商業使用的幾乎所有熱固性材料都來源于石油原料，但生物樹脂領域的研發和商業化仍在不斷發展。生物樹脂主要是為了使用可再生農業原料而開發的，它包括不同比例的多元醇（來自大豆）和乙醇（來自玉米）。
不飽和聚酯樹脂由于其易于處理、機械、電氣和化學性能的良好平衡以及相對較低的成本，是商業和大規模生產應用中使用最廣泛的熱固性樹脂。（飽和聚酯是熱塑性聚合物。）通常與玻璃纖維增強劑結合，聚酯能很好地適應一系列制造工藝，最常用于開模噴涂、壓縮成型、樹脂傳遞模塑（RTM--Resin Transfer Moulding）和鑄造。聚酯提供了用于塊狀模塑化合物（BMC-bulk molding compounds）和片狀模塑化合物（SMC-sheet molding compounds）的主要樹脂基體，這些化合物通過壓縮成型進行加工。
聚酯配方的性能可以根據乙二醇和酸元素以及反應性單體（最常見的是苯乙烯）的選擇進行修改，以滿足特定的性能標準。苯乙烯的添加量高達50%，以降低粘度，使樹脂更易于處理和加工。聚酯樹脂通常根據其基本成分而有所不同。例如，鄰苯二甲酸是建立在鄰苯二甲酸基礎上的。異聚酯樹脂以間苯二甲酸為基本成分，與正聚酯相比，具有優異的耐化學性和耐熱性。對苯二甲酸聚酯樹脂含有對苯二甲酸，與傳統的異聚酯相比，其配方可提高韌性。雙環戊二烯（DCPD）改性聚酯。可以具有較低的粘度并且在較低的苯乙烯含量下提供良好的性能。然而，DCPD在室溫下固化，因此需要加熱的儲存和處理設施。
苯乙烯使聚酯樹脂能夠通過交聯分子鏈從液體固化為固體。然而，聚酯樹脂會在很長一段時間內自行凝膠。因此，在樹脂制造過程中經常添加少量抑制劑，以減緩這種作用并延長樹脂的保質期。即使沒有抑制劑，聚酯的聚合速率也太慢，無法實現復合材料成型，因此添加了催化劑和促進劑來加速固化。催化劑在成型前加入到樹脂中，以激活交聯，但不參與聚合反應。與聚酯一起使用的催化劑包括甲基乙基酮過氧化物（MEKP）和過氧化物。充分混合是重要的，催化劑與樹脂重量的比例影響固化速率，并可能影響固化程度。例如，1%通常被視為慢速混合物，2%是常見的供應商規范，3%是快速固化混合物。然而，添加超過4%重量的催化劑可能導致固化失敗。
將促進劑添加到催化的樹脂中以使反應能夠在車間溫度和/或以更高的速率進行。因為在沒有催化劑的情況下，促進劑對樹脂的影響很小，所以聚酯制造商有時會將它們添加到樹脂中，以產生預加速樹脂。鈷是一種常見的促進劑。固化是放熱的：當組分交聯時，它們會釋放熱量。制造商可以通過仔細配制催化劑包（可能包括促進劑，但也包括抑制劑和促進劑），在保質期、適用期（固化前的時間）、凝膠時間、固化溫度和粘度方面控制固化曲線。
一系列其他添加劑——有時被稱為改性劑——提供了修飾的加工或性能屬性。最常見的是顏料、填料和阻燃劑。盡管顏料僅以樹脂重量的約3%添加，但如果它們與樹脂不相容，則它們的使用會影響固化并使最終層壓板降解。填料，如研磨纖維、短切纖維和玻璃微球，通常以高達50%的量添加，以幫助降低成本、促進成型或防止厚層壓板中的放熱。某些填料也有助于成品復合材料的耐火性。
開發無鹵阻燃劑是因為已知鹵素（即溴，與氟、氯、碘和砹（astatine）一起占據元素周期表的VIIA族）在暴露于火焰時會釋放有毒和腐蝕性氣體。三水合氧化鋁（ATH）是Huber Engineered Materials（美國喬治亞州亞特蘭大市）在MoldX產品中使用的一種替代品。據報道，Huber的ATH產品能夠在不改變粘度的情況下實現更高的負載量，從而獲得優異的模具流動性，并在不犧牲阻燃性能的情況下顯著減少含鹵素阻燃劑。R.J.Marshall公司（美國密歇根州紹斯菲爾德）開發了其Maxfil產品線，有三種ATH等級，可提供不同的顆粒尺寸，以及ATH和碳酸鈣的混合物，用于阻燃和抑煙不那么關鍵的應用，如浴室墻板的BMC/SMC噴涂和石油平臺的拉擠管。
特殊配方的無增強聚酯樹脂，即凝膠涂層，可提高最終產品的抗沖擊性和耐磨性以及表面外觀。將其應用于模具表面，并在復合材料疊層之前進行凝膠化。例如，在浴缸和淋浴市場，盡管來自聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）制成的玻璃/丙烯酸單元的激烈競爭，但凝膠涂層玻璃纖維產品一直占據主導地位，其使用量仍在繼續增長。HK Research Corp.（美國北卡羅來納州希科里）開發了其REVOLUTION系列，該系列以具有更緊密網絡的接枝聚合物基質而自豪，提供了一種真正靈活的凝膠涂層，具有更強的耐候性，同時保持了與傳統凝膠涂層相同的易用性和價格。該產品線最近增加了高清EXTREME“metaL FLEX”模具系統，與流行的汽車涂料相比，造船商可以在其玻璃纖維零件上添加“金屬”涂層。該公司聲稱，它可以“匹配任何可以想象的顏色組合”，已經為幾家造船廠提供了2014年的汽車顏色。
Ashland Performance Materials（美國俄亥俄州都柏林）是一家樹脂供應商，通過其ENVIRES系列，用玉米或大豆衍生的生物乙二醇取代原油衍生的乙二醇，在這一領域大力將生物基樹脂商業化。加拿大Campion Marine公司（不列顛哥倫比亞省基洛納市）是第一家將生物樹脂轉化為生物樹脂的大型造船廠，自2009年以來，其所有型號都使用了Ashland的特殊層壓級Envirez L 86300，經過測試，其強度、伸長率和彈性均優于之前使用的石油基聚酯。
Reichhold LLC2（Research Triangle Park，NC，US）還開發了一種生物樹脂POLYLITE 31325-00，這是一種低粘度不飽和聚酯，豆油含量為25%。該材料專為SMC/BMC應用而設計。陶氏化學公司（美國得克薩斯州帕薩迪納市）使用甲基丙烯酸（MFA）作為反應性稀釋劑配制生物基不飽和聚酯（鄰苯二甲酸、異苯二甲酸和對苯二甲酸、DCPD改性和雙酚A氣相法）和乙烯基酯，MFA是從棕櫚仁和椰子油中提取的部分苯乙烯替代物。在15-18%的負載量下，MFA可將苯乙烯排放量減少27%，具有良好的韌性和伸長率，低至無氣味，生物含量為60%。AOC Resins（美國田納西州科利爾維爾）提供使用大豆和玉米原料的EkoTek UPR生產線，其中一種產品H431-AKAG的可再生和/或再生含量高達42%。
Dixie Chemical Co.股份有限公司（美國得克薩斯州帕薩迪納市）提供兩種不飽和聚酯，MAESO和MAELO，分別以大豆油和亞麻籽油為原料。雖然環氧化亞麻籽和豆油已經存在多年，但Dixie的版本是用馬來酸酐和其他化學物質功能化的，以結合反應位點。該樹脂具有與典型的UPR相當的性能，并且與傳統樹脂體系一樣，含有反應性稀釋劑，如苯乙烯、乙烯基甲苯或Dixie生物基甲基丙烯酸（MFA）。
乙烯基酯樹脂是低成本、快速固化、易于加工的聚酯和高性能環氧樹脂之間的橋梁（如下所述）。它們的分子結構與聚酯非常相似，但它們僅在分子鏈末端具有反應位點，并且具有較少的酯基。由于酯基容易水解，因此酯基數量較少會增加乙烯基酯對水和化學腐蝕環境的抵抗力，這在一定程度上是其價格較高的原因。乙烯基酯在化學品儲罐和其他以耐腐蝕為主要目標的應用中備受青睞，而且它們還為需要高度防潮的結構層壓板（如船體和甲板）增加了價值。它們的加工和固化與聚酯非常相似，有可能提高韌性，盡管這通常需要提高固化后的溫度。
對于先進的復合材料基體，最常見的熱固性樹脂是環氧樹脂、酚醛樹脂、氰酸酯（CE）、雙馬來酰亞胺（BMI）、苯并惡嗪和聚酰亞胺。
環氧樹脂有助于復合材料的強度、耐用性和耐化學性。它們在高溫下提供高性能，熱/濕使用溫度高達121°C。環氧樹脂有液體、固體和半固體形式，通常通過與胺或酸酐反應而固化。大多數商業環氧樹脂具有基于雙酚a的二縮水甘油醚、雙酚F的二縮水縮水甘油醚（較低粘度）、雜酚油酚醛清漆或酚類酚醛清漆的化學結構。環氧樹脂不像聚酯樹脂那樣使用催化劑固化，而是使用硬化劑（也稱為固化劑）。
硬化劑（B部分）和基礎樹脂（A部分）按照固定比例在“加成反應”中共同反應。因此，使用正確的樹脂與硬化劑的混合比例以確保完全反應是至關重要的。否則，樹脂既不能完全固化，也不能達到其全部性能。（計量器/混合/分配設備現在被廣泛用于自動化和準確控制樹脂的混合，然后將其輸送到成型過程中。）使用的硬化劑類型會影響固化樹脂的最終性能，從而影響復合材料。硬化劑包括脂族胺、脂環族胺、聚酰胺、芳族胺、酸酐、酚類、硫醇和潛在硬化劑（如路易斯酸）。
許多航空航天應用使用胺固化的多功能環氧樹脂，需要在高溫高壓下固化。增韌環氧樹脂——添加熱塑性塑料和反應性橡膠化合物以抵消因高度交聯而產生的脆性——已成為高百分比復合材料機身的常態，如波音公司（美國伊利諾伊州芝加哥）的787夢想客機和空客公司（法國圖盧茲）的A350 XWB。
環氧樹脂領域的一個顯著發展，在很大程度上得益于汽車行業對“每分鐘零件數”生產的持久期望，是一組新的樹脂配方的出現，這些配方獲得了恰當的“速固化”環氧樹脂。這是樹脂的統稱，其設計壽命與傳統環氧樹脂相似，可以延長，直到纖維完全浸漬，但在“觸發”溫度下，可以激活到兩分鐘或更短的固化周期。
陶氏汽車系統公司（瑞士霍根）于2014年推出了其VORAFORCE快速固化汽車環氧樹脂灌注樹脂平臺。它的固化時間最快可達30秒，樹脂的潛伏特性加上低粘度（低至10MPa/sec），使輸液速度最大化。
Hexion股份有限公司（美國俄亥俄州哥倫布市）提供了一系列優化的快速固化環氧樹脂、固化劑和預制棒粘合劑。Hexion的商標為Epikote Resin TRAC 06170和Epikure固化劑TRAC 061 70的產品適用于使用RTM或濕法壓縮成型制造的結構部件。據報道，根據零件尺寸和復雜性，這種組合導致零件到零件的循環時間小于1分鐘。他補充道，Epikote Resin TRAC 06400系列也可用于快速固化預浸料，當在130°C下固化時，固化時間短至90秒。
赫氏（Hxecel-美國康涅狄格州斯坦福德）提供一種速固化預浸料，商標為HexPly M77，在150°C（80巴壓力）下對5mm厚的零件進行兩分鐘的循環。HexPly M77的低粘性使預浸料坯能夠通過激光切割機切割成精確的形狀，然后自動定向、組裝并固結成扁平的預浸料。它的Tg為125°C，可以在加熱時脫模固化零件，從而加快生產周期。蘇威（Cytec Solvay-英國德比郡Heanor）報告稱，在那里進行了為期18個月的研發計劃，為白色結構的一級和二級車身開發了幾種低于3分鐘的環氧樹脂化學成分。一些公司也在開發生物基環氧樹脂。一家是Sicomin（法國馬爾蒂格斯城堡），該公司十年來開發了幾種商標為GreenPoxy的樹脂。
SR GreenPoxy 56是一種透明環氧樹脂，其碳含量超過50%，來源于植物和蔬菜，而Surf clear EVO是一種專門用于沖浪板市場的環氧樹脂。該公司不會確定其樹脂的確切工廠來源，Sicomin的出口經理Marc Denjean表示，其環氧樹脂可以與多種硬化劑（非生物基）相結合，以匹配特定的工藝，包括手工疊層、浸泡、壓縮成型等。熵樹脂（美國加利福尼亞州海沃德市）聲稱擁有該行業首個美國農業部（USDA）“生物優選”認證的環氧樹脂，Super Sap環氧樹脂100/1000，其37%的分子骨架來源于天然松油。Entropy聲稱，這種樹脂與增強材料粘合良好，比石油基環氧樹脂具有更好的伸長率。
Huntsman Advanced Materials（美國得克薩斯州伍德蘭市）在過去的八年里一直與寶馬合作開展i3生產汽車項目，該項目使用Huntsman的商標為Araldite LY 3585環氧樹脂，并在高壓RTM工藝中使用Aradur 3475硬化劑。
酚醛樹脂是基于芳香醇和醛（如苯酚）與甲醛的組合。它們應用于阻燃飛機內飾板和需要低成本、阻燃和低煙產品的商業市場。優異的焦炭產率和燒蝕（吸熱）特性使酚類化合物長期以來備受燒蝕和火箭噴嘴應用的青睞。它們在非侵蝕空間應用中也被證明是成功的，尤其是在海上石油和天然氣平臺的組件以及公共交通和電子應用中。然而，酚類化合物通過縮合反應聚合，在固化過程中會釋放出水蒸氣和甲醛。這種現象會在復合材料中產生空隙。因此，酚醛樹脂的機械性能略低于環氧樹脂和大多數其他高性能樹脂。此外，模具必須設計有足夠的通風和/或成型過程必須包括一個“呼吸”步驟，以允許水蒸氣逸出。出于這個原因，酚醛樹脂通常不使用RTM進行加工。
氰酸酯（CE）是一種多用途基質，與其他聚合物基質相比，它提供了優異的強度和韌性，允許非常低的吸濕性，并具有優越的電性能，盡管這些好處的成本更高。CE具有高達149°C的熱/濕使用溫度，通常使用熱塑性塑料或球形橡膠顆粒進行增韌。它們的工藝與環氧樹脂相似，但由于CE的粘度分布和標稱揮發物，它們的固化過程更簡單。目前的應用范圍從雷達罩、天線、導彈和燒蝕材料到微電子和微波產品。
雙馬來酰亞胺（BMI）樹脂是具有挑戰性的環氧樹脂，應用于空氣懸浮層。以前，BMI被認為過于昂貴，但現在可以以與高性能環氧樹脂相同的成本進行加工，碳纖維/BMI預浸料約為75美元/磅，而中等模量碳纖維/環氧預浸料為70美元/磅。這種16層6K碳纖維織物OOA固化工具由Cytec Solvay（美國亞利桑那州坦佩市）HTM520 BMI工具預浸料制成。如圖所示，成品工具具有良好的表面光潔度，Cytec Solvay報道稱，具有應用所需的全厚度質量。但是，BMI的使用不僅是由使用溫度超過177°C的工具和應用驅動的，還由在中等溫度（80-120°C）下需要提高熱/濕和開孔壓縮性能的結構中越來越多地使用復合材料驅動的。
在更奇特的樹脂中，雙馬來酰亞胺和聚酰亞胺（化學上的近親）用于飛機和導彈的高溫應用（例如，用于噴氣發動機機艙部件）。BMI提供熱/濕使用溫度（最高232°C），而一些聚酰亞胺可以在短時間內使用到371°C。固化過程中釋放的揮發物和濕氣使聚酰亞胺比環氧樹脂或CE更難使用；已經開發了特殊的配方和加工技術來減少或消除空隙和分層。傳統上，BMI和聚酰亞胺都比CE和環氧樹脂表現出更高的吸濕性和更低的韌性值，但近年來在制造更堅固的配方方面取得了重大進展，BMI現在被吹捧為比環氧樹脂具有更好的抗流體侵入性。
BMI的使用增加不僅是由于使用溫度超過177°C的工具和應用，還因為在中等溫度（如80°C至120°C）下需要改進熱/濕和開孔壓縮（OHC-open hole compression）性能的結構中越來越多地使用復合材料。這就是它在F-35閃電II上大量使用的原因，與環氧樹脂相比，它能夠以更低的質量實現耐損傷結構。原始設備制造商繼續在樹脂方面大獲全勝，與787和A350上使用的增韌環氧樹脂相比，開孔壓縮（OHC-open hole compression）至少增加了20%。此前，BMI被認為過于昂貴，但碳纖維預浸料的價格為75美元/磅，與70美元/磅的中等模量（IM）碳纖維/環氧樹脂系統競爭非常激烈，之前循環時間長的問題也在解決中。
聚丁二烯樹脂具有良好的電氣性能和耐化學性，已成功用作E玻璃/環氧樹脂復合材料中環氧樹脂的替代品，該復合材料通常用于成型薄壁玻璃增強雷達罩。
最近比BMI開發的苯并惡嗪樹脂開始用于熱壓罐工具。例如，Airtech International（美國加利福尼亞州亨廷頓海灘）的Beta預浸料熱壓罐固化苯并惡嗪工裝系統提供218°C的使用溫度、低樹脂收縮率以提高尺寸穩定性、減少回彈和室溫儲存。此外，苯并惡嗪類與環氧樹脂一樣，可用于輸液過程，并表現出比環氧樹脂高的剛度、優異的熱性能（它們具有高Tg）、更低的吸濕性和更好的阻燃性（高炭產率）。苯并惡嗪也具有比環氧樹脂更好的抗紫外線輻射性。
苯并惡嗪是通過苯酚、甲醛和胺在加成反應中與開環聚合反應而形成的，開環聚合產生具有接近零固化收縮的高分子量聚合物，具有極大促進與其他樹脂雜交的反應位點，并且能夠與自身聚合（均聚）以形成與酚類非常相似的聚苯并惡嗪網絡。苯并惡嗪發現于20世紀40年代，在20世紀80年代和90年代加強了開發，并于2000年被鑒定為印刷電路板（PCB-printed circuit boards），但結構復合材料系統直到2008年才商業化。與環氧樹脂相比，苯并惡嗪具有高硬度、優異的熱性能、較低的吸濕性、更好的阻燃性和紫外線輻射性，因此人們對其的興趣越來越大。更奇特的苯并惡嗪的Tg可以高達300°C至350°C；更常見的配方在150°C到250°C之間。
與BMI一樣，這些Tg較高的系統可能很脆，需要進行增韌以防止微裂紋。供應商聲稱，它們的加工方式與環氧樹脂大致相同，但熱反應較低。Henkel Aerospace（加利福尼亞州Bay Point，US）報告稱，19mm厚、150層的層壓板可以以5°C/min的升溫速率固化，而不會出現不受控制的放熱。
苯并惡嗪的價格在環氧樹脂和BMI之間。然而，根據其兩個主要供應商采取的截然不同的方法，向潛在用戶展示的方式各不相同。漢高提供結構預浸料、灌注樹脂和薄膜粘合劑，同時與Airtech International股份有限公司（美國加利福尼亞州亨廷頓海灘）合作提供工具預浸料。漢高認為苯并惡嗪是一種在整個供應鏈中降低復合材料結構成本的方法，因為其室溫穩定性（無冷凍儲存）和加工優勢，不僅滿足復雜的結構需求，還滿足供應、搬運、表面處理以及健康和安全要求。
與此同時，亨斯邁先進材料公司（瑞士巴塞爾和美國德克薩斯州伍德蘭）正在向預浸料機、樹脂配方商和粘合劑制造商銷售苯并惡嗪建筑砌塊組件。它將苯并惡嗪與其他樹脂（如環氧樹脂、酚醛樹脂、BMI、硫醇等）雜交的獨特且幾乎無窮無盡的能力視為實現真正定制的聚合物的途徑，這些聚合物將滿足單個復合材料應用的需求，甚至在未來進一步優化結構設計。苯并惡嗪具有酚醛樹脂的易燃性、煙性和毒性（FST-flammability, smoke and toxicity）性能，沒有空隙和加工困難，似乎有望將大型集成結構推向飛機和其他運輸內部。但一些用戶警告說，它尚未達到BMI的成熟度，仍需要在幾個領域進行進一步開發，包括OOA處理。
盡管如此，苯并惡嗪已被一家主要的機身制造商采用，通過Airtech的Beta 8610薄膜粘合劑粘合大型BMI工具組件，也適用于空客A380輔助動力裝置（APU）外殼，用用用Toho Tenax（日本東京）碳纖維增強的Henkel苯并惡津預浸料代替原來的BMI。Airtech的Beta預浸料熱壓罐固化工具系統基于漢高的苯并惡嗪樹脂，已在慕尼黑GKN航空航天公司用于生產100個碳纖維T形管柱支撐工具，用于制造空客A350的內側和外側機翼襟翼。
另一種不太為人所知的樹脂類別是鄰苯二甲腈，最初由美國海軍研究實驗室開發用于非常高溫的應用。由Eikos（Franklin，MA，US）商業化的鄰苯二甲腈的使用溫度接近371°C，已被用于高溫發動機零件和潛艇。
02樹脂基體：熱塑性
與固化反應無法逆轉的交聯熱固性塑料相比，熱塑性塑料在冷卻時會硬化，但仍保持其塑性；也就是說，它們將重新熔化，并可以通過在高于其加工溫度的溫度下重新加熱來重塑。較便宜的熱塑性基質提供較低的加工溫度，但也具有有限的使用溫度。它們來自工程塑料和商品塑料的菜單，如聚乙烯（PE）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚丁烯二甲酸酯（PBT）、聚碳酸酯（PC）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚酰胺（PA或尼龍）和聚丙烯（PP）。運動鞋、矯形器和醫用假肢等大批量商業產品，以及汽車進氣歧管和其他發動機罩下零件，都得益于這些樹脂的韌性和防潮性。
高性能熱塑性樹脂——聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮酮（PEKK）、聚酰胺酰亞胺（PAI）、聚芳基砜（PAS）、聚醚酰亞胺（PEI）、聚醚砜（PES）、聚苯硫醚（PPS）和液晶聚合物（LCP）——在高溫環境中性能良好，一旦硬化，既不會吸水，也不會在潮濕環境中降解。這些樹脂采用高性能纖維增強，無需冷藏即可延長預浸料的保質期，并具有卓越的抗沖擊和減振性能。它們還提供了使用回收內容物的機會，并簡化了廢物和報廢結構的回收。
然而，由于其相對較高的粘度，它們可能會給復合材料制造商帶來一些加工挑戰。以高性能樹脂為基體的增強熱塑性復合材料正在進軍航空航天應用?？湛虯380的18米龍骨梁使用了大量碳纖維/PPS肋和支架，A340-600副翼也是如此。Composites Forecasts and Consulting LLC（美國亞利桑那州梅薩市）報告稱，波音787系列每架飛機需要10000至15000個碳纖維/PPS角片和加強板（cleats），以幫助將外層固定到復合材料圓形框上，而空客A350 WXB據信每架飛機大約需要8000個。
Stork Fokker AESP（荷蘭Hoogeveen）為灣流航空航天公司（美國佐治亞州薩凡納）G550公務機提供了碳/PEI地板，并為G650在飛機尾部增加了CF/PPS方向舵和升降舵。Fokker Aerostructures BV（荷蘭Papendrecht）為AgustaWestland AW169旋翼機設計并正在制造CF/PPS水平尾翼（HTP）。其他應用包括飛機座椅靠背和地板梁，同時研究繼續證明，使用CF/PEEK自動鋪帶和原位固結的桁條加強機身面板，無需進一步加熱或加壓。
熱塑性聚合物可以是具有隨機排列的分子鏈的無定形聚合物，也可以是具有無定形區域和分子堆積在晶格中的區域的半結晶聚合物。非晶態熱塑性塑料不形成晶體結構，并且具有接近其玻璃化轉變溫度（Tg）的成型/最高使用溫度。半結晶熱塑性塑料具有結晶結構分解的Tg和熔體溫度。用半結晶熱塑性塑料制成的零件的機械性能取決于結晶度，結晶度由用于制造零件的冷卻速率決定。
熱塑性聚合物可以是具有隨機排列的分子鏈的無定形聚合物，也可以是具有無定形區域和分子堆積在晶格中的區域的半結晶聚合物。非晶態熱塑性塑料不形成晶體結構，并且具有接近其玻璃化轉變溫度（Tg）的成型/最高使用溫度。半結晶熱塑性塑料具有結晶結構分解的Tg和熔體溫度。用半結晶熱塑性塑料制成的零件的機械性能取決于結晶度，結晶度由用于制造零件的冷卻速率決定。
為了使循環時間非常短的高級復合材料能夠用于大批量應用，Aonix advanced Materials Corp.（渥太華，安大略省，加拿大）開發了其基于改性對苯的無定形Ultra-P、Ultra-S和Ultra-I聚合物家族，砜和聚酰亞胺系統，以避免傳統的結晶聚合物問題，這些問題具有非常敏感和長的冷卻周期以及最終零件中的翹曲。用Ultra-I基體系統（改性聚酰亞胺）制成的復合材料顯示出與PEEK基復合材料相當的熱機械性能，而那些使用Ultra-S基體系統（改良砜）的復合材料則與傳統的環氧基復合材料針鋒相對。Aonix的定制Express機器是液壓操作、改良的壓縮成型和熱成型裝置，據報道，這些裝置可以在1分鐘的周期內將預固結坯料轉化為零件。
與此同時，碳纖維增強尼龍（聚酰胺）已成為中小型無人機的首選復合材料，在體育用品中也很受歡迎。麥格納國際（加拿大安大略省奧羅拉市）的Exteriors運營部門正在為2014款日產Rogue跨界多功能車生產北美汽車行業首款全熱塑性、復合材料、完全可回收的舉升門模塊。全提升門總成比類似的沖壓鋼系統輕30%，包括由未增強的熱塑性烯烴（TPO）化合物模制的外面板和使用30%長玻璃纖維/聚丙烯（PP）制成的內面板。
03樹脂基體：熱固性或熱塑性
聚氨酯樹脂有熱固性和熱塑性兩種配方。熱固性聚氨酯用于對船用板樁和電線桿等難加工零件進行拉擠，并用于提高反應注射成型（RIM-reaction injection molding）制造的汽車保險杠蒙皮的剛性。聚脲聚合物配方可用于增強反應注射成型（RRIM-reinforced reaction injection molding），以礦物硅灰石為增強材料。它們是第一批在汽車涂裝過程中能夠承受高溫并提供a級面漆的聚合物。亨斯邁聚氨酯（美國密歇根州奧本山）以其VITROX產品開啟了“快速固化”革命。
VITROX可以一直保持低而穩定的粘度，直到達到“啟動”溫度，從而激活快速固化。該觸發溫度由樹脂的催化劑混合物和特定配方決定，可以根據客戶的應用進行精確定制，與20-25分鐘的傳統PUR使用壽命相比，使用壽命可從<5分鐘縮短至數小時。VITROX專為輸液、RTM、VARTM和細絲纏繞應用而設計，并針對汽車行業，其Tg超過200°C，據報道具有良好的機械性能和固有的FST性能。
也可用任何一種形式的聚酰亞胺（已經描述了其熱固性形式）。在熱塑性塑料形式中，聚酰亞胺樹脂在熱和壓力下很容易釋放揮發物，從而生產出空隙較少的零件。
在過去的十年里，這一類別中還添加了另外兩種樹脂，它們以熱塑性形式可以像熱固性樹脂一樣以較低的粘度進行加工。一類環狀熱塑性聚酯最初由通用電氣公司開發，并由Cyclics公司（美國紐約州斯克內克塔迪）銷售，可提供更容易的加工。熱塑性聚酯被分解成環狀低聚物形式，當加熱到特定溫度時，其粘度降至水狀，這對纖維潤濕有很大幫助。當它被催化然后冷卻時，低聚物恢復到更傳統的粘度，并形成長鏈高分子量熱塑性塑料。該材料具有熱塑性塑料的特性，但可以像熱固性塑料一樣進行加工。
另一個例子是陶氏化學公司（美國密歇根州米德蘭市）于2000年左右開發的獲得專利的熱塑性聚氨酯（TPU）系列，并于2004年剝離給總部位于米德蘭的Fulcrum Composites股份有限公司。這些TPU使熱塑性拉擠工藝的商業化成為可能。盡管拉擠成型主要由低粘度熱固性材料主導，但Dow TPU具有在其加工溫度下部分解聚并在冷卻時快速解聚的能力。換言之，當樹脂顆粒被加熱和熔化時，長聚合物鏈中的單體分子部分解除連接，然后在冷卻時重新連接。這一發展使拉擠型材的生產成為可能，該拉擠型材可以后成型（通過熱成型）或二次成型（通過擠出和/或注射成型）來生產螺桿等產品，而無需使用損壞拉擠纖維的機加工工藝。
最后，為熱固性環氧樹脂開發了新的硬化劑技術，使其能夠在“斷裂點”進行設計，從而使樹脂的交聯斷裂，留下易于回收的熱塑性分子。該技術由Connora Technologies（美國加利福尼亞州海沃德）以Recyclamine的形式開發，并由合作伙伴Adesso Advanced Materials（中國江蘇省無錫市）以Cleavamine的形式銷售，適用于任何環氧樹脂系統，并已在室溫灌注、壓縮成型、預浸料、RTM和HP-RTM系統中進行了驗證。固化的環氧樹脂復合材料已在100°C的稀釋（25%）乙酸循環浴中溶解一小時，從而能夠輕松去除碳纖維，隨后將熱塑性環氧樹脂基體干燥并研磨成可重復使用的粉末。
04不用熱壓罐固化
航空航天行業對基體樹脂有著相當大的需求，這種樹脂可以提供與熱壓罐等效的層壓板（包括<1%的空隙率），而無需在熱壓罐中固化，這不僅是資本密集型的，而且操作成本高昂。最近的行業調查表明，對于尺寸從8m²到130m²的零件，烤箱的安裝成本可以是同等尺寸熱壓罐的七分之一到十分之一，而制造烤箱可固化零件的干纖維和液體樹脂的成本可以比轉化為預浸料坯的相同材料低70%。
TenCate Advanced Composites（Morgan Hill，CA，US和Nijverdal，The Netherlands）提供六種不同的熱壓罐外（OOA）可固化環氧預浸料，Tg范圍為125°C至203°C，包括TC250增韌環氧樹脂（性能在NCAMP數據庫中），TC275產品設計用于通用航空，TC350鋼化高溫系統用于軍事和商業航空航天結構。后兩者被列為能夠產生空隙率非常低（<0.05%）的零件。Hexcel（美國康涅狄格州斯坦福德）的HexPly M56是一條用于飛機結構的180?C固化環氧樹脂產品線，而Cytec的OOA產品包括以下內容：
- Cycom 5320-1，為飛機主結構開發，在180?C下固化。
- Cycom 5215，177°C獨立后固化后的濕Tg超過150°C。
- MTM44-1增韌環氧樹脂，最大濕Tg為150°C（通用電氣航空公司用于制造空客A350 XWB機翼的外部和中部固定后緣面板）。
- 最大濕Tg為130°C的MTM46
- MTM27在150°C下進行15分鐘的固化循環，然后進行110°C的后固化，
- 最大濕Tg為160°C的MTM45（用于先進復合材料貨機（ACCA）的整個結構）。
- MTM57-2降低粘性，僅真空袋ZPREG，以及多種LTM低溫工裝材料。
BMI也已移出熱壓灌，非熱壓罐固化系統可從Cytec Solvay、TenCate、Renegade Materials Corp.（俄亥俄州斯普林斯伯勒市，美國）和Stratton Composite Solutions（佐治亞州Marietta市，美國。Hexcel的OOA BMI也在發展中。
05其他基體：碳、金屬和陶瓷
也許最奇特的基體，部分原因是它既不是熱固性的，也不是熱塑性的，是熱解和致密的非連續碳，它形成了碳/碳（C/C）復合材料中的基體。C/C可以承受極高的溫度，例如美國國家航空航天局的航天飛機部件上的溫度接近1650°C，還可以用于飛機和賽車制動部件、導彈發動機和排氣噴嘴，這些部件的短期使用溫度高達2760°C。
金屬（如鋁、鈦和鎂）和陶瓷（如碳化硅）也被用作基體，用于非常專業的應用，如航天器部件，在這些應用中，最小的熱膨脹系數（CTE-coefficient thermal expansion）和不放氣是必不可少的。它們也用于發動機部件，其中聚合物基體不能提供此類應用所需的極高的耐溫性。
不飽和聚酯樹脂由于其易于處理、機械、電氣和化學性能的良好平衡以及相對較低的成本，在商業和大規模生產應用中應用最為廣泛。聚酯通常與玻璃纖維增強材料結合，能很好地適應各種制造。
不飽和聚酯樹脂由于其易于處理、機械、電氣和化學性能的良好平衡以及相對較低的成本，在商業和大規模生產應用中應用最為廣泛。聚酯通常與玻璃纖維增強材料結合，很好地適應一系列制造工藝，最常用于開模噴涂、壓縮成型、樹脂傳遞模塑(RTM-Resin Transfer Moulding)和鑄造。聚酯提供用于本體模塑化合物（BMC-bulk molding compounds）和片狀模塑化合物（SMC-sheet molding compounds）的主要樹脂基體，這些材料用于壓縮模塑。
聚酯配方的性能可以根據乙二醇和酸元素以及反應性單體（最常見的是苯乙烯）的選擇進行修改，以滿足特定的性能標準。聚酯樹脂通常根據其基本成分而有所不同。例如，鄰苯二甲酸是建立在鄰苯二甲酸基礎上的。異聚酯樹脂以間苯二甲酸為基本成分，與正聚酯相比，具有優異的耐化學性和耐熱性。對苯二甲酸樹脂含有對苯二甲酸，與傳統的異聚酯相比，其配方可提高韌性。
特殊配方的無增強聚酯樹脂，即凝膠涂層，可提高最終產品的抗沖擊性和耐磨性以及表面外觀。將其應用于模具表面，并在復合材料疊層之前進行凝膠化。例如，在浴缸和淋浴市場，凝膠涂層玻璃纖維產品一直占據主導地位，盡管來自聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）制成的玻璃/丙烯酸單元的激烈競爭，但其使用量仍在繼續增長。
乙烯基酯樹脂是低成本、快速固化、易于加工的聚酯和高性能環氧樹脂之間的橋梁（如下所述）。乙烯基酯在固化過程中收縮較小，在化學腐蝕性環境（如化學儲罐）和需要高度防潮的結構層壓板（如船體和甲板）中表現優于聚酯，這在一定程度上解釋了其較高的價格。
這些熱固性材料的固化是放熱的；當它們交聯時，會釋放熱量。制造商可以通過仔細配制催化劑包（可能包括抑制劑、促進劑和促進劑），在保質期、適用期（固化前的時間）、凝膠時間、固化溫度和粘度方面控制固化曲線。
對于先進的復合材料基體，最常見的熱固性樹脂是環氧樹脂、酚醛樹脂、氰酸酯（CE）、雙馬來酰亞胺（BMI）和聚酰亞胺。
環氧樹脂有助于復合材料的強度、耐用性和耐化學性。它們在高溫下提供高性能，熱/濕使用溫度高達121°C/250°F。環氧樹脂有液體、固體和半固體形式，通常通過與胺或酸酐反應而固化。大多數商業環氧樹脂具有基于雙酚a或雜酚油的二縮水甘油醚和/或酚醛酚醛樹脂的化學結構。許多航空航天應用使用需要在高溫下固化的胺固化多功能環氧樹脂?？梢蕴砑釉鲰g劑，例如熱塑性塑料和反應性橡膠化合物，以抵消脆性。
酚醛樹脂是基于芳香醇和醛（如苯酚）與甲醛的組合。它們應用于阻燃飛機內飾板和需要低成本、阻燃和低煙產品的商業市場。優異的焦炭產率和燒蝕（吸熱）特性使酚類化合物長期以來備受燒蝕和火箭噴嘴應用的青睞。它們在非侵蝕空間應用中也被證明是成功的，尤其是在海上石油和天然氣平臺的組件以及公共交通和電子應用中。然而，酚醛樹脂在固化過程中會釋放水蒸氣和甲醛，這會在復合材料中產生空隙。因此，它們的機械性能略低于環氧樹脂和大多數其他高性能樹脂。模具必須設計有足夠的通風或“呼吸”步驟，以允許水蒸氣逸出。
氰酸酯（CE）是一種通用基質，與其他聚合物基質相比，它提供了優異的強度和韌性，允許非常低的吸濕性，并具有優異的電性能，盡管成本更高。CE的熱/濕使用溫度高達149°C/300°F，通常使用熱塑性塑料或球形橡膠顆粒進行增韌。它們的工藝與環氧樹脂相似，但由于CE的粘度分布和標稱揮發物，它們的固化過程更簡單。應用范圍從雷達罩、天線、導彈和燒蝕材料到微電子和微波產品。
在更奇特的樹脂中，雙馬來酰亞胺（BMI）和聚酰亞胺（化學上的近親）用于飛機和導彈的高溫應用（例如，用于噴氣發動機機艙部件）。BMI提供熱/濕使用溫度（最高232°C/450°F），而一些聚酰亞胺可以在短時間內使用到371°C/700°F。固化過程中釋放的揮發物和濕氣使聚酰亞胺比環氧樹脂或CE更難使用；已經開發了特殊的配方和加工技術來減少或消除空隙和分層。與CE或環氧樹脂相比，BMI和聚酰亞胺都表現出更高的吸濕性和更低的韌性值，但近年來在制造更堅韌的配方方面取得了重大進展。
聚丁二烯樹脂具有良好的電氣性能和耐化學性，已成功用作E玻璃/環氧樹脂復合材料中環氧樹脂的替代品，該復合材料通常用于成型薄壁玻璃增強雷達罩。
苯并惡嗪是酚醛樹脂的一個子類，是由苯酚與醛和芳香胺反應形成的。雖然這種化學物質自20世紀40年代以來就已為人所知，但Huntsman Advanced Materials（得克薩斯州伍德蘭）最近開發了一系列用于先進復合材料和電子應用的苯并惡啉。另一種鮮為人知的樹脂類別是鄰苯二甲腈，最初由美國海軍研究實驗室開發用于非常高溫的應用。由Eikos股份有限公司（馬薩諸塞州富蘭克林市）商業化，鄰苯二甲腈的使用溫度接近371°C/700°F，已被選擇用于高溫發動機零件和潛艇。
與固化反應無法逆轉的交聯熱固性塑料相比，熱塑性塑料在冷卻時會硬化，但仍保持其塑性；也就是說，它們會軟化，并可以通過在加工溫度以上重新加熱而反復整形。價格較低的熱塑性基體提供較低的加工成本。
與固化反應無法逆轉的交聯熱固性塑料相比，熱塑性塑料在冷卻時會硬化，但仍保持其塑性；也就是說，它們會軟化，并可以通過在加工溫度以上重新加熱而反復整形。較便宜的熱塑性基質提供較低的加工溫度，但使用溫度也有限。它們來自工程塑料和商品塑料的菜單，如聚乙烯（PE）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚丁烯二甲酸酯（PBT）、聚碳酸酯（PC）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚酰胺（PA或尼龍）和聚丙烯（PP）。運動鞋、矯形器和醫用假肢等大批量商業產品，以及汽車進氣歧管和其他發動機罩下零件，都得益于這些樹脂的韌性和防潮性。
高性能熱塑性樹脂-聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮酮（PEKK）、聚酰胺酰亞胺（PAI）、聚芳基砜（PAS）、聚醚酰亞胺（PEI）、聚醚砜（PES）、聚苯硫醚（PPS）和液晶聚合物（LCP）-在高溫環境中性能良好，暴露在濕氣中時既不吸水也不降解。這些樹脂由高性能纖維增強，在沒有制冷的情況下表現出較長的預浸料坯保質期，并提供卓越的抗沖擊性和振動阻尼，盡管它們因其高粘度而帶來一些加工挑戰。
注：原文見，《Materials & Processes: Resin matrices for composites》 2022.6.29
《Resin matrices: Thermosets 》 2007.11.1
《Resin matrices: Thermoplastic 》2007.11.1
楊超凡 2024.1.2
