第一章：简介

从宏观层面上讲，复合材料是由不同材料结合然而却仍保留各自独特特性的复合产品。该合成材料具有一系列独特的特性及质量，其比单个组分材料更有益处。

任何复合材料都包括基体材料及增强材料。基体包围增强材料，保留增强材料的相对位置。基体帮助把部件表面的载重转移到增强材料中及增强材料之间。大多数材料能发挥基体作用。

• 基体的广义分类：泥浆/水泥/沥青/橡胶/塑料/陶瓷/碳/金属/玻璃等

• 增强物质具有多种形式，如：粉状或者聚合矿物质/晶须（非常短的纤维）/短切纤维/连续纤维等

纤维能被制成纺织产品，如：毡或布，或各种结构的织物。纤维材料包含各种材料，如：玻璃纤维，碳纤维，碳化硅，硼纤维，混合瓷，大量的聚合物及天然材料，如：大麻。

复合材料在许多方面上，都不同于传统材料。最显着的是它们只有在生产现场，经过加工后，才能获得其特性及特点。它们由真正的“原”材料组成。材料寿命、材料储存及生产温度是仅仅三个必须管控的参数。

相比之下，所谓的原材料，如：铝片，不会失去其特性，除非处于一些极其暴露的条件下，否则它会一直保留其特性。处理和使用复合材料就像处理使用食品一样，质量要求新鲜，同时，一致性要求符合‘食谱’并且注意加工细节。

复合材料包括玻璃纤维增强聚酯（GFRP）树脂，其广泛用于世界各地。这些通常被视为商品型复合材料。应用范围从玻纤卫浴到固体表面台面、装饰雕像、汽车车体部件、风力叶片等。任何大部分产品均能由玻璃纤维增强聚酯所加工成型。

玻璃纤维是由无机金属氧化物所组成，其主要组分是氧化硅及少量氧化铝，氧化钙，氧化镁，氧化硼及氧化锆。精确的组分决定了最终使用性能。最常用的玻璃纤维是E玻纤，其次是A玻纤，再次是C及S玻纤。玻璃纤维基本上是纯氧化硅，其特点是它的介电常数是商业材料中最低的。

树脂的级别决定了任何应用的最终使用适合性。不饱和聚酯树脂能提供良好的特性平衡，且成本适中。乙烯基酯树脂能改进一定的特性，如：强度及抗热性，但是成本很高。

纤维增强塑料（FRP）部件，通过固化工具和成型方法，使用模具设计成型。虽然不是所有的模具都是固化工具，但是大多数固化工具称为模具。最常见的例外是纤维预成型模具。固化工具包括一些元素。至少，固化工具包括模具外壳，其形状与固化部件的外部表面相同。大型模具包含支柱（用以增强局部区域）和框架（用以把模具的重量分配到集中的载重点上，如：角轮，其也能提供移动性的装备。）

该指导适用于一种特定复合材料类型，称为纤维增强塑料（FRP）。纤维增强塑料的主要下属范围是玻璃纤维增强塑料（GFRP或GRP）。这三个术语有时都可以替换使用。

第二章：玻璃钢复合树脂的化学概述

1.简介

热固性聚酯及热固性乙烯基酯聚合物是大多数树脂和胶衣的主要成分，是RTM，大理石，铸塑，层压，拉挤成型及复合树脂的基础。

多方面用途的树脂广泛用于以下应用，包括：

建筑及工程结构\波纹及平面板；丙烯酸片用增强材料；淋浴棚，浴缸及大理石面盆；内部及外部汽车车体镶板；聚合物混凝土及地雷螺栓；电子部件

聚酯及乙烯基酯树脂能被配制成的范围：从坚硬到柔软（或者取其之间的任一点）并且具有耐腐蚀性及耐水性。该树脂能用于非填充、填充、增强或着色方式的应用。生产者能在从室温到400ºF(204℃)的温度范围下固化聚酯树脂。

生产者在具有聚酯及乙烯基酯树脂是如何制作的及它们如何固化的知识时，将会更加容易了解一些影响它们的重要因素。这会提供良好的使用技术，而不会产生很多问题。知识和经验为有效的生产方法及高质量的部件提供基础。

应用指导章节提供了热固性聚酯及热固性乙烯基酯树脂的化学体系简易描述。它是一个指导（这些树脂是如何制作的和它们是如何固化的）。更多信息将在本章末陈述。

2.聚酯及乙烯基酯聚合物的合成

聚酯及乙烯基酯聚合物的合成源于石化行业，其最终来源于石油和或天然气。聚酯包含三个主要化合物类型：二元酸（意思是每个化合物有两个酸官能团），二元醇（意思是每个化合物有两个醇官能团）和单体/稀释剂。

生产聚酯时，二元酸和二元醇在热量下一起反应形成长链复合物，其称为聚合物。因为酸和二元醇一起反应形成酯，其称为酯化反应，合成聚合物称作聚酯（表意是“很多酯”）。一些二元酸是不饱和的（具有碳—碳双键）并且由于该原因，聚酯被称为不饱和聚酯。在形成聚合物时，酸和二元醇在反应器里进行反应。在室温到430ºF(221℃)的温度范围下，反应时间可为14到24小时。反应的进展是由测量酸性减少及粘度增加来监控的。水是酯化反应的副产品。在反应过程中，水被排出反应器。

乙烯基酯树脂也是不饱和酯，其是由双环氧化物的不同不饱和一元羧酸之间的加成反应形成的。因为乙烯基不饱和功能来自于甲基丙烯酸或者丙烯酸，而非马来酸，与不饱和聚酯不同，这些聚合物在每个聚合物链的末端仅仅具有不饱和团。在室温到大约240ºF(116℃)的温度范围下，乙烯基酯反应通常需要8到14小时。乙烯基酯的生产参数与不饱和聚酯的生产参数非常相似；然而，因为这是加成反应，而不是缩合反应，所以没有水分产生。

聚酯及乙烯基酯聚合物的原始形态通常都是硬固体；与玻璃块相似。为了便于生产商制作这些聚合物，它们被溶解在单体中，通常是苯乙烯，它也具有不饱和基团，并参与固化反应。当生产商添加过氧化物引发剂时，单体的不饱和部分与聚合物的不饱和部分发生反应形成交联。合成材料是硬固体，甚至被加热到很高温度时，也不会变软或者熔化。由于这个原因，该树脂称作热固性树脂（热塑性树脂能被熔化，和/或再次变软并且变形成其他物品）。

3.聚酯及乙烯基酯树脂的类型

聚酯树脂的特性取决于用于形成聚酯聚合物中的二羧酸和二元醇使用的类型及数量和单体（聚酯被稀释其中）。最常见不饱和酸是顺丁稀二甘酸。饱和酸，如：邻苯二甲酸酐，间苯二甲酸和己二酸也包括在其中以展示不同的特性。二元醇包括乙烯二醇，二甘醇，丙二醇及新戊二醇。苯乙烯是最常见的单体，但是其他能用的单体是乙烯基甲苯，a‐甲基苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯。将在随后章节显示一些上述组分的结构。

每个这些组分都促成了树脂的最终特性。间二苯甲酸和新戊二醇提高了抗水、抗化学和腐蚀的能力。为了改进耐候性，间苯二甲酸，甲基丙烯酸甲酯和稳定添加剂将会阻止紫外线的照射。增加已二酸和减少不饱和酸的数量会使树脂变软，增加弹性。相反，使用更多的不饱和酸，有时多为高功能团单体，如：二乙烯苯，来增加硬度。这些材料在固化时，通过增加化学键数量和密度，可以使树脂变得坚硬。为了改变树脂的易燃特性，应该使用特殊酸，如：氯桥酸酐和四溴苯酐。

通常用于层压树脂的其他结构是双环戊二烯(DCPD)。DCPD替代一些二元醇并且无粘性时间加快，收缩性明显降低及固化的表面变得光滑。含有DCPD的树脂主要用于结构性应用，其需要良好的装饰表面及较少的纤维印痕。

正如不饱和聚酯，乙烯基酯树脂的特性更取决于聚合物结构的选择。最常见的乙烯基酯树脂具有双酚A二缩水甘油醚，正如不饱和一元酸双环氧和甲基丙烯酸一样。乙烯基酯单体的选择与不饱和聚酯（意思是苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯）非常相似。乙烯基酯结构如下：

除了上述提及的基础成分外，改性剂可以包括酚醛环氧（多功能环氧），马来酸，特殊的双环氧化合物和其他单功能酸。改性剂能增加强度，增加弹性或其取决于所作选择的改性固化性能。乙烯基酯是选用于机械强度和/或耐化学或水性需求比传统不饱和聚酯树脂需要大得多的应用。

除了不饱和聚酯及乙烯基酯树脂外，聚酯和聚氨酯杂化的树脂体系合成物的聚酯和聚氨酯的化学体系，也具有良好的韧性，抗破裂性，抗疲劳性，低收缩性，良好的黏着性，耐水性及良好的固化速度。它们用于船舶应用中的防水涂层，以便减少纤维印痕和增强抗起泡性。此外，合成物能被配制成用于结构性应用。

4.固化机理

如前所述，在聚酯或乙烯基酯树脂反应后，它溶于单体中（通常是苯乙烯），所以它是易流动性液体，这将便于生产商使用。聚酯聚合物与单体的重量比例范围大约从75:25到50:50。添加抑制剂到溶液中用以阻止聚合物中的单体和不饱和酸过早反应。

通过自由基反应，聚酯或乙烯基酯溶液产生凝胶和固化。在这个过程中，过氧化物被生产商添加到聚合物溶液中。过氧化物分解（分裂）成两个高能量自由基，其与聚合物和单体中的不饱和部分发生反应。自由基和聚合物及单体的不饱和功能导致了新的化学键的形成，其将交联树脂体系。

一旦交联开始，溶液中聚合物的流动性将会受到很大限制。在仅仅一小部分不饱和团发生反应后，溶液就会凝胶。最终，聚合物链被单体交联成为一个固体，不可熔的块状物，受热时，其不会变软或熔化。具有代表性的是，在层压和铸塑应用中，80%‐90%的不饱和团将会按照部件被脱模的时间发生反应。如果温度保持高于70ºF(21℃)，部件将会在两到四个月内达到95%‐97%的固化。大量热量伴随着固化产出，通常被称为放热。热量是新的化学键形成的结果并且该热量也促使固化反应进行得更快。

抑制剂与自由基反应非常快速。在生产商添加合适的过氧化物引发剂前，其被用于阻止聚合物溶液过早地发生交联。自由基能在树脂中自然形成。如果聚合物溶液暴露于热量和/或阳光下，或者被金属或其他物质污染的话，自由基将会形成得更快。

影响固化反应的因素：

树脂的温度——随着温度每增加18ºF(10℃)，树脂的凝胶及固化时间将会减少一半。相反地，随着温度每减少18ºF(10℃)，树脂的凝胶及固化时间将会增加一倍。如果温度太低了的话，聚酯的固化可能进行得不彻底。

体积——树脂的数量和形状将会影响固化率。一块厚的铸件将会比一块薄的层压板固化得快，因为铸件将会产生更多热量且会比层压板能更好地保留所放的热量。非常薄的层压板可能需要进行外部加热才能彻底固化。

过氧化物引发剂——过氧化物的类型和数量基于树脂和固化条件。

加速剂（促进剂）——这些添加剂增加了自由基和不饱和团的反应速率。

5.过氧化物引发剂

过氧化物的功能是引发树脂中的交联反应。交联首先会促使溶液凝胶，而后促使凝胶固化彻底。当过氧化物被添加到树脂中，树脂中的热量和/或加速剂把过氧化物分解成自由基。自由基首先会消耗树脂中的抑制剂，而后与聚酯聚合物和单体中的不饱和部分发生反应。不饱和化合物与自由基反应产生的反应物将会产生第二自由基，其将与其他不饱和团发生反应。这将形成第三自由基，等等并且循环继续直到交联形成为止。当自由基不能移动与其他不饱和团接触时，整个过程结束。在固化体系的粘度太高时，流动滞后性将会产生。剩余的团将会随着部件的老化或在被生产商加热的后固化过程中时，慢慢地交联。

一些用于固化聚酯和乙烯基酯溶液的过氧化物在室温下非常不稳定且必须冷藏储存。因为过氧化物和加速剂反应会发生爆炸，不应该把它们直接混合到一起。由于这个原因，用于室温下的树脂通常预先添加加速剂（或促进剂）。如果需要其他的加速剂或促进剂，在添加过氧化物前，它应该被完全地混合到树脂中。应该严格查看列于原材料安全数据表中每种过氧化物的预防措施。

聚酯和乙烯基酯树脂的固化分为两组：室温(65到95ºF(18到35℃))和高温。高温固化，通常在温度范围180到320ºF(82到160℃)下，在加热工具或模具中进行。用于这些温度的过氧化物包括过氧苯甲酸叔丁酯，过氧辛酸叔丁酯，过氧化苯甲酰，过氧缩酮和其他特殊过氧化物。通常，不需要加速剂激活这些过氧化物。有足够的热量把这些过氧化物分解成自由基。

室温固化通常被用于铸塑和层压应用。过氧化甲基乙基酮(MEKP)；异丙苯氢过氧化物(CHP)；2,4‐戊二酮过氧化物(2,4‐P)；或使用这些过氧化物的混合物。为了使这些过氧化物有效，它们应该与各种增塑剂稀释到活性氧含量达到4%到9%。添加加速剂到树脂中会帮助把这些过氧化物转化为自由基，其对凝胶和固化过程很有必要。

MEKP是由甲基乙基酮和过氧化氢制成的。这两种试剂发生反应形成一些不同的过氧化物。大多数生产商提供的MEKP是过氧化物和残余过氧化氢的混合物。每种商用MEKP的精确组分取决于生产过程。然而，不同生产商生产的MEKP反应都不同并且应该在换用另一种MEKP前，进行检验。在MEKP上也存在少量水分和过氧化氢。这些也能改变MEKP的反应性。

控制过氧化物使用的一些因素：

1.数量——在开始反应时，必须使用充分数量的过氧化物并且一直能用到最终固化。配制树脂和过氧化物以便具有足够的0.75%到3%的溶液，其能产生自由基。如果使用过多的过氧化物，将会产生过多的聚合物链。过多的链将会导致短聚合物链和固化树脂的物理特性将会变差。如果使用过少的过氧化物，凝胶时间将会变长，产生的聚合物链将会消失在所有的不饱和团被反应前。

2.热量——必须提供足够的热量促进树脂彻底固化。热量可以是外部热源，如：烘箱，加热灯或者加热的模具。热量也可以来自树脂本身的放热。如果放热强烈的话，如：厚的铸件，部件变得越热，固化得越快。如果部件是薄的层压板的话，放热将会变弱，由于部件的大面积面积-体积比例，热量容易消散，这将导致固化变慢。

3.车间条件是非常重要的–如果温度低于60ºF(15℃)的话，固化将会被大大地拖延。然而，如果温度等于或高于90ºF(32℃)的话，凝胶和固化将会变快。减少过氧化物可能产生足够的工作时间，但是可能没有足够的自由基促进树脂彻底固化。

6.加速剂

用于室温固化的树脂含有加速剂（也称为促进剂）。加速剂提高了过氧化物变成自由基的速度。加速剂和过氧化物的数量必须允许生产商有足够的时间形成部件，同时，有足够的固化速度以使生产过程经济实际。可以满足生产商的各种需求；如：快速凝胶和固化，快速凝胶而低速固化（用于更长修剪时间），凝胶延长而快速固化等。

通常，加速剂是金属盐（有时称为金属皂）和胺。它们包括钴，钙和钾盐，及胺，如：二甲基苯胺和二乙基苯胺。

一些加速剂详述如下：

1.钴——钴溶液通常含有6%到12%的金属。它们能把树脂染成粉红色，其取决于钴使用的数量。钴能对大多数过氧化物产生作用形成自由基。钴也影响过苯甲酸叔丁酯和引发剂，其被用于140到180ºF(60到82℃)的适中温度下。钴不充当过氧化苯甲酰的加速剂。

2.胺——通常，胺能把聚酯树脂从黄色变色为棕色，其取决于胺使用的数量。它们也会把固化的部件染黄。二甲基苯胺(DMA)和二乙基苯胺(DEA)不直接对MEKP或2,4-P（2,4-戊二酮过氧化物）起作用。它们增加了钴把这些过氧化物转换成自由基的能力。它们在缩短MEKP引发树脂的固化时间和提高硬度增长速度方面上非常有效。

第三章：玻璃钢复合材料的特性概论

1.简介

纤维增强塑料（FRP）或玻璃增强塑料（GRP）是一种适应性材料。玻璃钢部件能被广泛地制成具有各种特性的产品，其取决于树脂基体类型、增强材料的类型、级别和方向性；填充剂和其他添加剂的用法及加工过程和生产条件。因而，玻璃钢部件被广泛地用于各种应用。这些包括：

建筑——浴盆、淋浴间及地板、热水管、水疗中心、面盆及水槽、管道、建筑板材、便携式建筑、游泳池、地板光栅、门、卫星天线

船舶——滑水船、渔船、帆船、游艇、个人水上艇筏、皮划艇、橡皮艇、码头

腐蚀——罐子、加工船、管道、风扇、污染控制设备、洗涤器

运输——汽车车体镶板及结构性部件、车罩及车帽、拖车侧壁、休闲车壁、火车座椅

客户——体育用品、铸件、装饰艺术

电动——电器外壳、电路板、绝缘板

本章节提供了制作玻璃钢这样有用材料特性的简要概述。

2.机械性能

机械性能是指材料的强度、刚性、韧性和其他承载能力。用于展示玻璃钢复合材料机械性能的典型测试，其包括拉伸、弯曲、压缩及冲击特性。

固化的，纯的或者未增强的树脂性质类似玻璃并且大多数相对脆弱。添加增强纤维显着地改进了机械性能。增强纤维的使用也使得玻璃钢 复合材料具有各向异性。这表示它们能在不同方向上被设计成具有不同的特性。钢、铝和其他结构性材料的机械性能是各向同性或者在所有的方向上具有相同的特性。复合材料的各向异性是从增强纤维的选择性方向上得到的。在纤维定向于已知应力的方向上时，增强材料的强度将会被运用得更有效且以较轻的重量获得较好的性能。例如，相对于无规纤维制成的毛毡，与拉伸称重方向平行的粗纱增强材料就可少用一些。然而，在随意承重应用中，毛毡可能会更有效。另一种展示复合材料的各向异性及设计灵活性的方法是查看各种产品结构的特性。一行平行的玻璃纱股能具有150000磅/平方英寸（1034mPa)的拉伸强度，而一张喷涂层压板（由随意方向、短切玻纤制作而成）可能具有15000磅/平方英寸（103mPa）的拉伸强度。毛毡和编织层压板混合物将会具有30000到50000磅/平方英寸（207到345?mPa）的拉伸强度。

复合材料和其他建筑材料，如：钢和铝，之间的另一不同之处是它们对冲击的反应。当钢或铝板在以较低力度受到冲击时，不发生变化。当受到较大的力度冲击时，可能导致表面出现凹痕。如果冲击力足够大的话，此冲击可能使板材断裂。玻璃钢板材，在受到较小冲击力时，将会发生较小变化；在受到较大冲击力时，将会开裂；如果冲击力足够大的话，将会断裂。玻璃钢没有屈服点，所以表面不会有凹痕。

矿物填料被用于一些玻璃钢应用中用以降低成本。填料增加了玻璃钢的刚性，但是减少了强度。温度也会影响机械性能。像大多数材料一样，玻璃钢在寒冷的气温下会变得脆弱及在温暖的温度下会变得具有弹性。将在随后的章节中讨论玻璃钢的热特性。

3.硬度

一个玻璃钢层压板的硬度是树脂基体类型和/或树脂基体固化程度的标志。树脂越硬，巴克尔读数就越高，而树脂越有弹性，巴克尔读数就越低。树脂基体的硬度随着其固化而增加。当树脂达到其最大硬度时，它已经完全固化并且其特性已被完全显现出来。

使用各种硬度计测量硬度。最常见的是肖尔D、巴克尔935和巴克尔934。这些硬度计都是简易手持设备，其是针和弹簧装备，在表盘上读数。对于玻璃钢来说，肖尔D和巴克尔935硬度计被用于较软或者处于早期固化阶段的材料。巴克尔934硬度计被用于高级固化阶段和完全固化的材料。对于典型的玻璃钢建筑来说，当树脂基体已经固化时，巴克尔934硬度计应该显示35-45间的读数。

使用这些类型的硬度计，不能测量典型厚度胶衣膜的硬度。需要用完全穿透胶衣膜的压针读出基底的硬度。

4.比重

比重或者相对未填充的密度，玻璃钢与其他结构性材料相比，比重较低。以典型的树脂-玻纤的比例，玻璃钢的比重大约是1.7。相较之下，铝的比重大约是2.8和钢的比重大约是8.0。

低比重加上上述机械性能的设计灵活性导致玻璃钢的强度-重量的比例非常高。强度-重量比例在对重量敏感的应用工业，如：航空航天和运输应用，是重要的因素。

在玻璃钢中，填料的使用影响了比重。最常使用的填料（碳酸钙、硫酸钙及氢氧化铝）和粘土增加了比重。然而，较轻重量的填料，如：空心玻璃微球，能够降低玻璃钢的比重。

5.热性能

玻璃钢部件被用于很多高温应用中，包括运输行业中引擎罩下应用及腐蚀和电子行业中的多种应用。这些部件的热性能大部分由聚合物基体，树脂基体类型和部件固化工艺所决定。间苯二甲酸树脂和大多数乙烯基酯树脂具有良好的热性能。邻苯二甲酸树脂通常具有较差的热性能。在不同温度下固化的相同聚合物树脂基体具有不同的热性能，在较低温度下固化的材料具有较低的热性能。随着固化温度的增加，聚合物热性能增加到最大值。但如果加热超过最佳温度，固化聚合物热性能不再有任何提高。

在高温下，在结构性应用中，限制玻璃钢使用的因素是模量或刚性的消耗。这种刚性的消耗，在较低温度下，通常是渐进式的，直到树脂基体聚合物达到从玻璃化状态到橡胶化状态这一点。这个转化称为玻璃化温度，Tg。通常，复合材料不用于结构性或承重性应用（在该应用中，部件将会长期暴露于树脂基体玻璃化温度之上）。然而，在电或腐蚀性应用中，复合材料用于大于其自身玻璃化温度的条件下。甚至对于非结构性应用来说，聚合物的玻璃化温度或热性能是一个重要的因素。暴露于大于其自身玻璃化温度下的部件，由于扭曲、印痕和其他因素，会失去表面光洁度。根据使用的聚合物树脂类型，该现象能出现在深色部件上（其暴露于阳光下）。

有几种方法测量玻璃化温度。常见的两种方法是差示扫描量热法(DSC)和动态力学分析(DMA)。DSC是玻璃化温度的化学测量方法。DSC通过检测能量吸收来测量玻璃化温度。聚合物需要吸收能量以便通过自身的玻璃化转变，就像冰需要吸收能量融化成水一样。

DMA是玻璃化温度的物理测量方法（测量样品模量与温度的变化关系）。玻璃化温度是由模量或刚性的主要消耗所决定的。

在DSC和DMA中，随着温度上升，聚合物从玻璃状转变到橡胶状。玻璃化温度能被定义为转化起始温度、转化中间温度及转化最终温度。最适宜的测量方法取决于如何使用该数据。然而，如果要对比玻璃化温度的结果，必须规定它们采用相同的标准。

常用于玻璃钢行业的另一种热性能测量方法是热变形温度，HDT。HDT的定义见ASTM D648。其是样品在磅/平方英寸（18巴）的承重下，偏离0.10英寸（2.5mm）的温度。HDT能用于纯树脂或复合材料样品。样品必须是0.5英寸（13mm）宽，4英寸（102mm）长。样品的厚度范围是0.125英寸到0.5英寸（3到13mm）。HDT不能用于测量大多数层压板，因为它们在测试设备安全操作的温度范围内，没有达到要求的挠度。Tg和HDT是玻璃钢应用温度的指示器，但是需要考虑长期高温暴露这一因素。长期暴露于高温下能导致聚合物树脂基体氧化，这样树脂基体会变得脆弱。除了绝缘特性外，在任何应用中，需要考虑是否需要抗冲击力或弹性，包括长期高温暴露，特别是在电子行业的应用中，玻璃钢的长期高温暴露性能已被热老化研究所评估。在这些研究中，玻璃钢样品被暴露在一定高温下（间隔变化温度）。而后，测试主要的特性。这些结果表明玻璃钢样品适用于对温度有要求的应用。

玻璃钢热性能的其他两个重要的特性是热膨胀系数（CTE）和热导性。热膨胀系数用于测量材料的空间稳定性与温度变化之间的关系。大多数材料在受热时膨胀和在遇冷时收缩。部件设计者需要了解热膨胀系数以便能确保部件将会在应用温度范围下被安装在配件里。当不同的材料被用于相同部件或者安装在同一配件中时，热膨胀系数也是一个重要考虑因素。应该尽量减小由于膨胀率与收缩率的不同而产生的应力。模具设计者需要热膨胀系数信息以确保模具内的部件将会具有要求的尺寸。

热导性是一种测量热量如何快速转入或转出材料的方法。与金属材料相比，玻璃钢的热导性很低，使其适用于绝缘应用。玻璃钢相对低的热导性也会促使表面适用于热或冷的温度条件。

玻璃钢的热膨胀系数和热导性会随着温度、填料、增强材料含量及增强材料方向性而变化。温度对热膨胀系数最明显的影响是材料在寒冷的温度下收缩和在温暖的温度下膨胀。热膨胀系数和热导性的作用也是非常不同的，其取决于温度是否高于或低于树脂基体的玻璃化温度。填料和增强材料的添加通常会减小热膨胀系数。这是真实的，特别是在平面或平行于增强材料方向上。增强材料对热膨胀系数的影响在垂直于增强材料的方向上较小，即玻璃钢部件的厚度方向。

6.化学特性

玻璃钢部件被用于许多对耐化学性有要求的应用中。这些包括罐子、加工船、管道、风扇、污染控制设备及洗涤器。玻璃钢部件的耐化学性受树脂基体和增强材料的影响。聚酯和乙烯基酯树脂在不同程度上，具有不同耐化学性。间苯二甲酸树脂的耐化学性比邻苯树脂好。乙烯基酯树脂甚至比间苯二甲酸的耐化学性更好。

玻璃钢部件（由间苯二甲酸和乙烯基酯制作而成）具有良好的耐弱碱、强酸及非极性溶剂的性质。强酸，极性溶剂，如：酮（丙酮）和含氯物质（四氯化碳和氯仿）能快速地腐蚀玻璃钢。这些化学物质要么与聚合物发生化学反应，要么使聚合物膨胀到破裂（水泡）。玻纤增强材料的使用通常不会改进耐腐蚀性，在某些情况下，却减弱其性能。在强碱环境下，确实有这种情况发生，因为这些化学物质腐蚀且溶解玻璃纤维。可使用表面材料，如：面毡，来增强玻璃钢部件的耐腐蚀性。

玻璃钢部件是否适用于特定耐腐蚀性应用中，这将取决于部件将会暴露于何种类型的化学物质中，暴露温度和暴露时间。树脂基体供应商会提供腐蚀指导（其基于他们产品的这些因素给予特殊建议）。通常，测试处于现实环境及条件中的材料样品，是选择何种树脂具有最好持久性能的最好方法。

7.电特性

玻璃钢部件通常具有良好的电特性并且广泛用于各种电的应用中。玻璃钢部件的电特性受树脂基体类型、填料类型及含量、玻纤含量的影响。许多电的应用也需要高温性能，所以用于热应用中相同的树脂类型能被用于电应用中。这些包括间苯二甲酸和乙烯基酯。双环戊二烯树脂也被用于电应用中。玻璃钢的一个独特特性是具有电透明性。这将特殊用于整流罩、多普勒系统等生产中。玻璃钢通过使用特殊的填料能被制成具有导电性。

8.阻燃性

玻璃钢部件被用于许多对阻燃性有要求的应用中。建筑、运输和消费品市场通常需要一些阻燃性并对烟雾及烟毒有一定限制。玻璃钢部件能满足许多这些方面的需求。通过采用典型的玻璃钢树脂、增强材料、填料，通常是氢氧化铝，能满足一些标准。其他标准需要使用特殊的玻璃钢树脂。这些树脂通常含有卤素，如：溴。使用添加剂，如:氧化锑，能进一步改进玻璃钢的阻燃性能。

9.光学特性

大多数常见的聚酯玻纤层压板是半透明的，通过使用特殊树脂和毛毡，玻璃钢层压板在1/16英寸到1/8英寸（1.59mm到3.17mm）处能获得高达90%的光透射。通过在树脂中添加颜料和填料，能制作出不透明的层压板。颜色能被模压到产品中，所以没必要喷漆。

10.耐候性

玻璃钢的室外耐候性通常是良好的。然而，它对紫外线有一定的敏感度，其指定半透明层压板需特别添加紫外线吸收剂。通常，对于胶衣来说，不需要紫外线吸收剂，因为颜料和填料被视为吸收剂。此外，所有暴露的层压板要么具有胶衣，要么具有玻纤表面毡作为暴露的表面用以防止纤维“起霜”或纤维表面暴露。

11.聚酯收缩性

所有的玻璃钢树脂基体在固化过程中，在不同程度上有所收缩。增强材料和填料是惰性的，不会收缩。收缩性对于模具制作来说，是一个重要的考虑因素并且必须确保部件将会具有准确的尺寸。树脂基体的收缩性也能影响部件的装饰性。围绕纤维增强材料的树脂基体收缩性导致了部件表面出现纤维印痕。收缩性也会导致部件扭曲。

整个玻璃钢部件的收缩级别取决于树脂基体类型、固化过程、填料和增强材料的级别及增强材料的方向性。玻璃钢树脂基体按照体积大约收缩6%到9%。弹性树脂通常比硬性树脂收缩得少。一些特殊的树脂，主要用于模具应用中，具有抗收缩添加剂，其将会减小或去除收缩性。玻璃钢树脂基体的收缩性也取决于固化过程、特别是固化温度。在常温下固化的树脂不会同高温下固化的树脂具有一样的收缩性。在树脂基体中添加填料和增强材料将会减小收缩性。对于增强材料来说，在平行于增强材料方向上的收缩性比在垂直于增强材料方向上的收缩性小些。

12.技术数据表

玻璃钢行业中树脂、玻纤、填料及其他供应商都会提供其产品的技术数据表。这些数据表通常包括这些所提供产品的特性和何时被用于生产玻璃钢部件。玻璃钢部件生产商经常使用这些数据表来对比各个生产商产品的特性及做出选择材料的决定。然而，在对比不同生产商的数据表时，必须小心谨慎。测试过程中的微小差异对特性都具有更大的影响。

因此，对比列于数据表上的物理特性能导致错误的判断（这个材料比那个材料好）。建议在同一个实验室，使用同一个设备，准备及制作样品。这将会减小即将对比的差异数和变形数。通常来说，数据表只应该作为大体指导（该材料是否适用于某种应用及对比单个供应商生产的材料）。

第四章：玻璃钢复合材料的结构

1.简介

能使用多种生产工艺生产纤维增强塑料。一些范例如下：

手糊层压、喷涂层压、连续层压、树脂转移成型及该工艺的多种变量、灌注成型、拉挤成型、纤维铺放成型、旋转铸模成型、纤维缠绕成型、压模成型、注射成型

由于篇幅有限，不能全面深入地介绍每种玻璃钢生产工艺。对常见常见的工艺做深入的介绍：开模成型低容量/闭模成型/压模成型。以下为每种三种工艺的简要对比：

2.生产工艺的描述

A.开模成型——开模成型是生产玻璃钢部件最简单及最广泛的生产工艺。开模成型在常温的车间条件下进行操作。通常，模具本身是由玻璃钢制作的且是单面的。它可以是凸形的（部件是塑出的）或凹形的（部件是塑进的）。部件的装饰表面紧邻模具。模具的后侧面是打开的。

与许多其他生产工艺（应用外部涂层）相比，在生产部件的主要结构后，开模成型的部件由外部到内部被生产。开模成型的第一步是在模具上涂上胶衣（部件的外部涂层）。

1)防渗涂层——它是在胶衣后的一个附加涂层。防渗涂层改进了船舶部件的装饰性、减少了破裂并改善了抗渗起泡性。

2)表面层压——它是在胶衣后相对薄的玻璃纤维增强铺层。表面层压改进了装饰性及抗渗透起泡性。

3)印痕封阻剂——它是可喷涂合成泡沫材料，其用于表面层压下以改进铺层的装饰性。

4)芯材材料——它是轻质材料用于制造具有一定厚度及硬度，而不需要增加重量的部件。

5)主体层压——它是铺层的主要部分，其提供了大部分的结构特性。

用于表面层和主体层的玻纤增强材料可以采用手糊成型或喷涂成型。在使用收卷良好的增强材料（如：短切毡和缝边或编织的纺织结构材料）时，可采用手糊成型工艺。可使用刷子、滚子或浸润枪操作树脂。

在使用短切无捻粗纱时，可采用喷涂成型工艺。使用短切喷枪把短切粗纱和催化了的树脂喷涂到铺层表面上。浸润玻纤并且用层压滚子压实玻纤。手糊成型和喷涂成型可以在同一部件或铺层中混合使用。

开模成型的部件尺寸仅仅受部件和模具的操作因素所限制。与一些其他的生产工艺相比，开模成型是劳动密集型工作。部件与部件的一致性取决于操作技术并且其经常具有可变性。

B.低容量闭模成型——低容量闭模成型工艺的分类是指液体树脂被转移到封闭模腔内（含有增强材料）的生产工艺。很多低容量闭模成型工艺随着时间不断地产生。一些例子如下：

真空灌注、复合材料树脂灌注生产工艺、传统RTM、轻型RTM（层压壳RTM）、硅袋RTM、封闭腔袋成型、多种嵌入成型、零注射压力

采用这些生产工艺生产的部件在外表面可以有或可以没有 胶衣。就由胶衣制作的部件而言，采用与开模成型用相同的技术，把胶衣放到一半的模具内。然后，在模具内装入增强材料并且密封。把催化了的树脂导入模具内。在部件充分固化后，打开模具，然后脱模部件。

用于这些生产工艺的部件尺寸受模具和部件的操作因素所限制。由于不依赖于操作者技术，部件与部件的一致性比开模成型的要好。也可以生产两面装饰性部件。必须限制由这些生产工艺所排放的排放物；然而，由于该生产工艺的封闭部分，产生的排放物比开模成型产生的要少很多。如果使用胶衣工艺的话，其产生的排放物与开模成型产生的排放物相同。

C.压模成型——压模成型是另一种闭模生产工艺，其在模具封闭过程中，用锁模力使预先生产的化合物流入模具中。通常用液压提供锁模力。压模模具通常由镀镍工具钢制作而成。片状模化合物、块状模化合物和湿模化合物均是预先生产的化合物。

如果需要在压模成型的部件上喷涂外部涂层的话，一般采用后处理；然而，也可以使用模内涂层。部件的尺寸受模板尺寸限制。部件与部件的一致性具有完美性。压模成型产生的排放物也受限制；然而，由于封闭生产工艺的本质，排放物比开模成型所产生的排放物要少很多。

3.生产工艺的选择

采用最好的生产工艺生产特殊部件效果可能更明显。然而，当最好的生产工艺不明显时，通过加工对比研究，良好地进行生产工艺的选择。

加工贸易研究包括对比部件结构成本和部件性能因素（就由多种生产工艺生产的特殊部件而言）。部件结构成本包括设备成本、模具成本、材料成本及人工成本，但是不受其限制。部件性能因素取决于正在研究的特殊部件，但是它能包括重量、强度及外观需求。危险空气污染物(HAP)的排放或其他受限制的材料随生产工艺而改变并且可能影响生产工艺的选择。

一个贸易研究的例子如下：

来自即将起航船舶甲板上的部件。舱口盖铰链接触甲板下的储存舱或冷却器。楼梯外表面是防滑表面。楼梯表面由玻纤和泡沫填充的蜂窝芯材制作而成。部件的尺寸是11英寸X25英寸，1.5英寸高。设计标准包括3英尺标高的300磅压力。如下图：

在贸易研究考虑范围内的生产工艺是开模成型和一些低容量闭模成型，其包括真空灌注、硅袋RTM、轻型RTM和传统RTM。设备成本、模具成本、材料成本和人工成本被计算到每种生产工艺中（基于每个部件）。成本基于2008年的典型数据并且成本也表现为相对成本（采用开模成型生产的100个部件，其作为基线）。

生产的部件数量范围是10个到9000个。需要三年时间进行生产部件，每年制作同等数量的部件。加工贸易研究成本结果体现在3/IV.2图表上。每个部件的成本随着生产部件数量的增加而减少。然而，减少的数量取决于生产工艺，其意味着以不同的生产率而进行的不同生产工艺是最有成本效益的。

就生产舱口盖而言，传统RTM（生产数量少于1000个部件）不是成本有效的生产工艺。就生产数量多于1000个部件而言，该生产工艺，与轻型RTM相比，具有竞争力；由于表面需要喷涂胶衣，甚至在生产9000个部件时，并不比轻型RTM价格便宜。就生产大量无胶衣部件而言，成本的对比是不同的。与轻型RTM成型工艺相比，硅袋RTM，就生产舱口盖而言，绝不是一个成本有效的生产工艺。由于材料成本，需要生产硅袋。然而，硅袋RTM，就不易采用其他生产工艺生产的密封轮廓部件而言，是一个完美的生产工艺选择。

轻型RTM是生产舱口盖的低成本成型工艺，其生产量多于100个部件。

真空灌注与开模成型相比，具有一定的竞争力，当生产量少于100个部件时，其是生产舱口盖的低成本生产工艺。由于每个部件所需要的消耗材料（真空袋膜、密封带等）成本，真空灌注就高速率的生产来说，不是成本有效的成型工艺。

在其生产量少于100个部件的情况下，开模成型生产舱口盖是低成本生产工艺。但是，当生产量多于100个部件时，它不是成本有效的生产工艺。

总体加工贸易研究结果，包括舱口盖的部件外观、强度、成本及排放物，体现在上图表2中。

闭模成型工艺的使用，与开模成型工艺相比，减少了50%的低VOC材料排放物。排放物量和部件外观的差别均会影响舱口盖生产工艺的选择。

提供该贸易研究作为一个评估案例（在选择成型工艺时，能做出明智的决定）。得出的结论并不对所有的部件类型、尺寸、复杂性和人工、材料及资金成本都有效。