前言：
玻璃纤维增强热固性塑料是指玻璃纤维作为增强材料，热固性塑料（包括环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂等）作为基体的纤维增强塑料。因其比重小，比强度高，比最轻的金属铝还要轻，而比强度比高级合金钢还要高，所以又称为玻璃钢。而玻璃纤维增强环氧树脂是GFRP中综合性能最好的一种。相比传统材料，复合材料具有一系列不可替代的特性，自二次大战以来发展很快。尽管产量小（据法国Vetrotex公司统计，2003年全球复合材料达700万吨），但复合材料的水平已是衡量一个国家或地区科技、经济水平的标志之一。美、日、西欧水平较高。北美、欧洲的产量分别占全球产量的33%与32%，以中国（含台湾省）、日本为主的亚洲占30%。中国大陆2003年玻璃纤维增强塑料逾90万吨，已居世界第二位。
1玻璃纤维增强环氧树脂的性能
在玻璃钢产业中可以采用很多种树脂材料做基体，那为什么要采用环氧树脂呢？这是因为环氧树脂（EP）是优良的热固性树脂，它与目前大量应用的不饱和聚酯（UP）树脂相比，具有更优良的力学性质、电绝缘性、耐化学药品性、耐热性和粘合性能［1］。环氧树脂固化收缩率低，仅1%-3%，而不饱和聚酯树脂却高达7%-8%。它的粘结力最强，与玻璃纤维复合时，界面剪切强度最高。可低压固化，挥发份甚低， 固化后力学性能、耐化学性佳，电绝缘性能良好。
下表为以FW(纤维缠绕)法制造的玻纤增强环氧树脂的产品为例与钢性能的对比
1.1 复合材料的弹性模量分析
以环氧树脂浇注体为参照,当基体中填加不同体积分数的玻璃纤维后，所得复合材料试样的弹性模量变化如图所
1.2 复合材料的强度分析
由于玻璃纤维是单向排列于树脂基体中,所以当纤维含量达到一定值后,当外力由基体传递至纤维时,由于各向异性的影响,会使力的作用方向发生变化,即主要沿纤维取向方向进行传递。在一定程度上使力的作用得到分散,对复合材料的破坏作用减缓,从而使材料的强度得到提高。但当纤维含量过多时,部分纤维难以被树脂充分浸润,从而在材料中形成许多结合较弱的界面,当材料受力时,这些界面容易脱附拔出,应力传递失效,使材料的性能下降 。
表2
当玻璃纤维体积含量为50%时,复合材料可获得较好的综合力学性能，其中弹性模量可达40GPa,纵向拉伸强度可达1200MPa，纵向压缩模量可达700MPa。
2成型工艺
目前玻璃纤维增强环氧树脂在生产上主要有十种成型工艺：
手糊成型（HLU）
树脂传递成型（RTM）
纤维缠绕成型法（FW）
结构反应注射成型（SRIM）
拉挤成型 （PULT）
真空袋法成型（VB）
树脂膜熔浸成型（RFI）
低温固化预浸料成型（CP）
预浸料（高压釜）成型
SCRIMP RIFT VARTM
目前我国还是以手糊成型为主，在树脂基复合材料中约占80%。
2.1 手糊成型（HLU）
图4
2.1.1 方法
依次在模具表面上施加脱模剂 、胶衣、一层粘度为0.3-0.4PaS的中等活性液体热固性树脂(须待胶衣凝结后)、一层纤维增强材料，纤维增强材料有表面毡、无捻粗纱布(方格布)等几种。以手持辊子或刷子使树脂浸渍纤维增强材料，并驱除气泡，压实基层。铺层操作反复多次，直到达到制品的设计厚度。 树脂因聚合反应，常温固化，可加热加速固化。
2.1.2 手糊成型工艺的优点
a)不受尺寸，形状的限制；
b)设备简单，投资少；
c)工艺简单；
d)可在任意部位增补增强材料，易满足产品设计要求；
e)产品树脂含量高，耐腐蚀性能好。
3.1.3手糊成型的缺点
a)属于劳动密集型生产，产品质量由工人训练程度决定；
b)玻纤含量不可能太高，树脂需要粘度较低才易手工操作，溶剂量高，力学与热性能受限制；
c)手糊用树脂分子量低，通常可能较分子量高的树脂有害于人的健康和安全。
2.2 树脂传递成型（RTM）
图5
2.2.1 方法
RTM是一种闭模低压成型的方法，将纤维增强材料置于上下模之间，合模并将模具夹紧，在压力下注射树脂，树脂固化后打开模具，取下产品。树脂胶凝过程开始前，必须让树脂充满模腔，压力促使树脂快速传递到模个内，浸渍纤维材料。
RTM是一低压系统，树脂注射压力范围0.4-0.5MPa,当制造高纤维含量（体积比超过50%）的制品，如航空航天用零部件时，压力甚至达0.7MPa。纤维增强材料有时可预先在一个模具内预成型大致形状（带粘结剂），再在第二个模具内注射成型。为了提高树脂浸透纤维能力，可选择真空辅助树脂传递成型（VARTM-vacuum assisted resin transfer molding ）。
注意树脂一经将纤维材料浸透，树脂注口要封闭，以便树脂固化。注射与固化可在室温或加热条件下进行。模具可以复合材料与钢材料制作。若采用加热工艺,宜用钢模。
2.2.2 优点
a)制品纤维含量可较高，未被树脂浸得部分非常少；
b)闭模成型，生产环境好；
c)劳动强度低，对工人技术熟练程度的要求也比手糊与喷射成型低；
d)制品两面光，可作有表面胶衣的制品，精度也比较高；
e)成型周期较短；
f)产品可大型化；
g)强度可按设计要求具有方向性；
h)可与芯材、嵌件一体成型；
i)相对注射设备与模具成本较低。
2.2.3 缺点
a)不易制作较小产品；
b)因要承压，故模具较手糊与喷射工艺用模具要重和复杂，价位也高一些；
c)能有未被浸渍的材料，导致边角料浪费。
2.3 纤维缠绕成型法（FW）
图6
2.3.1 方法
通常采用直接无捻粗纱作为增强材料。粗纱排列在纱架上。粗纱自纱架上退绕，通过张力系统、树脂槽、绕丝嘴，由小车带动其往复移动并缠绕在回转的芯轴（模）上。纤维缠绕角度与纤维排列密度根据强度设计，并由芯轴（模）转速与小车往复速度之比，精确地控制。固化后将缠绕的复合材料制品脱模。
对某些两端密闭的产品不用脱模，芯模即包在复合材料产品内，作为内衬。
2.3.2 优点
a)因为纤维迳直以合理的线型铺设，承担负荷，故复合材料制品的结构特性可非常高；
b)由于同内衬层组合，可制得耐腐蚀、耐压、耐热的制品；
c)可制造两端封闭的制品；
d)铺放材料快、经济、用无捻粗纱，材料费用低；
e)可采用树脂计量，然浸胶后的纤维通过挤胶或口模，控制树脂含量；
f)可大量生产和自动化；
g)机械成型，复合材料材质及方向性均匀，质量稳定。
2.3.3 缺点
a)制品形状限于圆柱形或其它回转体；
b)纤维不易沿制品长度方向精确排列；
c)对于大型制品，芯模成本高；
d)成品外表不是“模制”的，不尽如人意；
e)对于承受压力的制品，如选择树脂不合适或无内衬，就易发生渗漏。
2.4 结构反应注射成型（SRIM）
图7
2.4 方法
将两种或两种以上的组分在混合区低压（0.5MPa）混合后，即在低压（0.5-1.5MPa）下注射到闭模中反应成型，此即为工艺过程。若组分一为多元醇，一为异氰酸酯，则反应生成聚氨酯 。为增加强度，可直接在一种组分内行加入磨碎玻纤原丝和（或）填料。亦可采用长纤维（如连续纤维毡、织物、复合毡、短切原丝等的预成型物等）增强，在注射前将长纤维增强材料预先置模具内。用此法可得到高力学性能的制品。
2.4.1 优点
a)制造成本比热塑性塑料注射工艺低；
b)可制造大尺寸、形状复杂的产品；
c)固化快，适于快速生产。
2.4.2 缺点
采用磨碎玻璃纤维增强原料费用高，不经济。
2.5 拉挤成型 （PULT）
2.5.1 方法
主要采用玻璃纤维无捻粗纱（使用前预先放置在纱架上），它提供纵向（沿生产线方向）增强。其它类型的增强材料有连续原丝毡、织物等。它们补充横向增强，表面毡则用于提高成品表面质量。树脂中可加入填料，改进型材性能（如阻燃），并可降低成本。
拉挤成型的程序是：
a)使玻璃纤维增强材料浸渍树脂；
b)玻璃纤维预成型后进入加热模具内，进一步浸渍（挤胶）、基体树脂固化、复合材料定型；
c)将型材按要求长度切断。
现在已有变截面的、长度方向呈弧型的拉挤制品成型技术。
拉挤成型将增强材料浸渍树脂有两种方式：
胶槽浸渍法（图8）：通常采用此法，即将增强材料通过树脂槽浸胶，然后进入模具。此法设备便宜作业性好，适于不饱和聚酯树脂，乙烯基酯树脂。
注入浸渍法（图9）：玻纤增强材料进入模具后，被注入模具内的树脂所浸渍。此法适于凝胶时间短、粘度高、生产附产物的树脂基体，如酚醛、环氧、双马来酰亚胺树脂。
图8
图9
2.5.2 优点
a)典型拉挤速度0.5-2m/min，效率较高，适于大批量生产，制造长尺寸制品；
b)树脂含量可精确控制；
c)由于纤维呈纵向，且体积比可较高（40%-80%），因而型材轴向结构特性可非常好；
d)主要用无捻粗纱增强，原材料成本低，多种增强材料组合使用，可调节制品力学性能；
e)制品质量稳定，外观平滑。
2.5.3 缺点
a)模具费用较高；
b)一般限于生产恒定横截面的制品。
2.6 真空袋法成型（VB）
图10
2.6.1 方法
此法是手糊法与喷射法的延伸。将手糊或喷射好的积层在树脂的A阶段与模具在一 起，在积层上覆以橡胶袋，周边密封，在后用真空泵抽真空，使积层受到不大于1个气压的压力，而被压实、固化、成型。
2.6.2 优点
a)采用普通的湿法铺层技术，通常可获得高纤维含量的制品；
b)可制造大尺寸产品；
c)产品两面光；
d)较湿法铺层浸胶孔隙率低；
e)由于压力，树脂流经结构纤维，纤维得以较好地浸渍树脂；
f)有利于操作人员健康和安全；真空袋减少了固化时逸出的挥发性物质。
2.6.3 缺点
a)额外的工艺过程增加了劳动力和袋材成本；
b)要求操作人员有较高的技术熟练水平；
c)树脂混合和含量控制基本上仍然取决于操作人员的技术；
d)生产效率不高。
2.7 树脂膜熔浸成型（RFI）
图11
2.7.1 方法
将干织物与树脂片（树脂片系放在一层脱模纸上提供）交替铺放在模具内。铺层被真空袋包覆，藉真空泵抽真空，将干织物内空气抽出。然后加热，令树脂熔化并流浸已抽出空气的织物，然后经过一事实上时间即固化。
2.7.2 优点
a)空隙率低，可精确获得高的纤维含量；
b)铺层清洁，有利于健康和安全（似预浸）；
c)可较预浸法成本低，此为主要的优点；
d)由于树脂仅能过织物厚度方向传递，故树脂未浸到白斑区可较SCRIMP（西曼复合材料公司树脂参入成型法—Seeman Composite Resin Infusion Molding Process）少。
2.7.3 缺点
a)目前仅用于宇航工业，还未推广；
b)虽然宇航工业用高压釜系统产非总是需要，但加热室和真空袋系统对于复合材料固化，总是不可少的；
c)模具要求能经受树脂膜片的工艺温度（低温固化即需60-100ºC）；
d)要求所用芯材能经受工艺温度和压力；
2.8 预浸料（高压釜）成型
图12
2.8.1 方法
预先在加热、加压或使用溶剂的条件下，将织物和（或）纤维预先用预催化树脂预浸渍。固化剂大多能在环境温度下，让预浸材料贮存几周或几个月，仍能保质使用。当要延长保持期，材料须在冷冻条件下贮存。树脂通常在环境温度下呈临界固态。故触摸预浸材料时有轻微的黏附感，象胶带似的。制作单向预浸渍材料的纤维直接由纱架下来，与树脂结合。预浸渍材料用手或机械铺于模具表面，通过真空袋抽真空，并通常加热到120-180ºC。使树脂重新流动，并最终固化。盛开附加压力通常藉助高压釜（实际上是一座压力加热罐）提供，它能对铺层施加达5个大气压的压力。
2.8.2 优点
a)预浸材料制造人员可精确地调整树脂/固化剂水平和树脂在纤维中的含量；可以可靠地得到高纤维含量。
b)材料于操作人员十分安全，无碍健康，操作清洁；
c)单向带纤维成本最低，因为毋须将纤维预先转为织物的二次加工过程；
d)由于制造过程采用可渗透的高粘度树脂，树脂化学性能力学和热性能可以是最适宜的；
e)材料有效时间长（室温下可保质数月），这意味着可优化结构、复合材料易铺层；
f)可能实现自动化和节省劳动力。
2.8.3 缺点
a)对于预浸织物，材料成本高；
b)通常要对高压釜固化复合材料制品，耗费大、作业慢、制品尺寸受限制；
c)模具需能承受作业温度；
d)芯材需要承受作业温度和压力。
2.9 低温固化预浸料成型（CP）
图13
2.9.2 优点
a)预浸材料制造人员可精确地调整树脂/固化剂水平和树脂在纤维中的含量；可以可靠地得到高纤维含量。
b)材料于操作人员十分安全，无碍健康，操作清洁；
c)单向带纤维成本最低，因为毋须将纤维预先转为织物的二次加工过程；
d)由于制造过程采用可渗透的高粘度树脂，树脂化学性能力学和热性能可以是最适宜的；
e)材料有效时间长（室温下可保质数月），这意味着可优化结构、复合材料易铺层；
f)可能实现自动化和节省劳动力。
2.9.3 缺点
a)对于预浸织物，材料成本高；
b)通常要对高压釜固化复合材料制品，耗费大、作业慢、制品尺寸受限制；
c)模具需能承受作业温度；
d)芯材需要承受作业温度和压力。
2.10 西曼复合材料公司树脂渗透成型法（SCRIMP）
柔性模具树脂渗透法（RIFT）
真空辅助树脂传递成型（VARTM）
图14
2.10.1 方法
SCRIMP,RIFT ,VARTM这三种工艺原理相似。它们都是将织物作为干铺层材料入模内，如同RTM。然后覆以剥离保护层和缝编非结构织物。整个铺层用真空袋覆罩好。袋无渗漏后，让树脂流到积层。树脂很容易流经非结构织物而在整个铺层分布。SCRIMP法在真空袋与铺层之间可置加压模块，利于提高制作表观与结构密实度。
2.10.2 优点
a)同RTM，但制品仅一面光，不似RTM两面光；
b)由于模具一半是真空袋，主模具仅需较低强度，故模具成本甚低；
c)可制造大尺寸产品；
d)通常的湿法铺层工具可改进以用于这些成型法；
e)一次作业即可生产芯材结构。
2.10.3 缺点
a)要完成好相对复杂的操作过程；
b)树脂粘度必须非常低，限制了制品的力学性能；
c)存在铺层未浸到树脂，而造成的废品浪费的可能性；
3 玻璃纤维增强环氧树脂的应用
3.1 在航空、航天工业中的应用
我国高性能复合材料应用于航空业已有20多年历史［7］，因玻璃纤维增强环氧树脂材料耐腐蚀、耐高温、耐辐射而且密度小、刚性好、强度高，所以广泛用于导弹弹头和卫星整流罩，宇宙飞船的防热材料，飞行器的舰船的壳体、翼片和螺旋桨［8］等。
3.2 在民用工业中的应用
玻璃纤维增强环氧树脂在民用工业中主要用于以下几个方面：
a)玻璃钢的压力容器和管道
b)玻璃钢电机护环、套环等
c)防腐蚀制品
d)玻璃钢模具
主要产品：汽车仪表盘、保险杠、建筑门、窗、桌、沙发、电绝缘件小艇半成品、列车和卡车车身面板、艇、赛车、芯材粘结、方向舵管道、贮罐、气瓶(消防呼吸气瓶、压缩天然气瓶等)等。
4发展趋势及展望
我国复合材料/玻璃钢工业研究起始于1958年，经过多年的发展，产量从1978年的6000多吨发展到2008年的295万吨，已经仅次于美国，跃居世界第2位。但在很多高新产业关于玻璃纤维增强环氧树脂的研究仍然远远不够，目前在很多产业方面，尤其在航空航天、飞机、建筑以及地铁和汽车产业中，有很多部件因为暂时还没有研制出性能更好，质量更轻的材料仍然采用金属，这势必会造成能源的损失。而玻璃纤维增强环氧树脂材料具有比金属更轻，更坚硬、更耐辐射、更绝缘的特性，所以在未来的高新产业方面，定会大有作为。
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