高性能纤维复合材料的研究及应用

严 岩，朱福和，王 伟

（1.中国石化仪征化纤有限责任公司研究院，江苏仪征 211900；2.江苏省高性能纤维重点实验室，江苏仪征 211900）

高性能纤维复合材料的研究及应用

严 岩1，2，朱福和1，2，王 伟1，2

（1.中国石化仪征化纤有限责任公司研究院，江苏仪征 211900；2.江苏省高性能纤维重点实验室，江苏仪征 211900）

高性能纤维复合材料是以高性能纤维作为增强材料，树脂作为基体，通过加工成型得到的复合材料，具有质轻、高强高模、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强、易加工成型等优异性能，得到广泛的应用。本文介绍了高性能纤维复合材料常用高性能纤维和常用树脂基体、复合材料界面和应用领域，并分析了国内高性能纤维复合材料发展存在的问题。

复合材料 高性能纤维 树脂基体

1 高性能纤维复合材料的概述

复合材料是两种或两种以上不同材料通过复合工艺组合而成的新型固体材料，各组分材料之间有明显界面，能够保留各组分材料原有的特点，又通过材料设计使各组分材料的优势充分发挥，从而获得单种材料无法比拟的综合性能［1-2］。高性能纤维复合材料一般是以高性能纤维为增强材料，以适合的聚合物（最常使用树脂）为基体的一种复合材料，具有高强度、高模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强、易加工成型等特点。20世纪60年代左右，为了满足国防军工和航天技术的发展要求，美国等发达国家开发碳纤维等高性能纤维材料并实现产业化生产，碳纤维环氧树脂复合材料和硼纤维增强环氧树脂复合材料由于高强高模、质量轻等优异性能开始应用于生产战斗机等军工装备。几十年来高性能纤维复合材料不断发展，已从航空航天领域向防护装备、体育器材、交通、建筑、工业设备等多领域迅速推广。随着复合材料研究继续深入，其优越性能将得到越来越充分的发挥和应用。

2 高性能纤维复合材料的组成

一般而言，高性能纤维复合材料是由高性能纤维和树脂基体组成，两者之间还存在界面层［3］。材料的性能由增强纤维材料、聚合物基体材料和界面性能所共同决定。

2.1 高性能纤维

高性能纤维又称特种纤维，是具有特殊物理化学结构、性能和用途的化学纤维，如质量轻、高强、高模、耐冲击、耐腐蚀、耐高温等优良性能［4］。高性能纤维类别品种繁多，按结构可分为有机纤维和无机纤维两种，有机纤维包括：芳香族聚酰胺纤维（俗称芳纶，包括间位芳纶、对位芳纶和杂环芳纶）、超高分子量聚乙烯纤维（也称高强聚乙烯纤维）、聚苯硫醚纤维、聚苯并咪唑纤维、聚苯并噁唑纤维、聚四氟乙烯纤维、聚酰亚胺纤维、聚醚醚酮纤维等；无机纤维主要包括：碳纤维、陶瓷纤维、玄武岩纤维、硼纤维等。最常用的三大高性能纤维是碳纤维、芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维［5］。

2.2 树脂基体

作为纤维增强的树脂基体，主要作用是传递纤维之间的应力，降低、减缓外力对复合材料的冲击，同时能保护纤维不受外力的摩擦损耗。在复合材料中，使用较多的是环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂。

环氧树脂泛指含有2个或2个以上环氧基，以脂肪族、脂环族或芳香族链段为主链的高分子预聚物。固化后的环氧树脂具有良好的物理、化学性能。环氧树脂分子链中含有极性基团，使其对各种材料具有较好的粘附力［6-7］。环氧树脂有缩水甘油醚类、缩水甘油酯类、缩水甘油胺类、线性脂肪族类、脂环族类多种，使用最多的是双酚A型环氧树脂，属于缩水甘油醚类环氧树脂。酚醛树脂是由苯酚和甲醛在催化剂条件下缩聚而成的树脂，具有良好的耐热性、耐酸性和力学性能、生产设备及工艺简单等特点，在非常高的温度下，能保持结构的整体性和尺寸的稳定性［8］。不饱和聚酯树脂是热固性树脂中常用的一种，它是由饱和二元酸、不饱和二元酸和二元醇缩聚而成的线形聚合物，经过交联单体或活性溶剂稀释形成的具有一定黏度的树脂溶液，不饱和聚酯树脂工艺性能优良，可以在室温固化，常压成型固化后力学性能略低于环氧树脂［9］。

除了上述常用树脂外，复合材料还用到热塑性树脂（聚烯烃树脂、聚酰胺树脂、聚碳酸酯树脂）和高性能树脂（聚酰亚胺树脂、聚砜树脂、聚醚砜树脂、聚苯硫醚树脂）。

2.3 复合材料的界面

复合材料的综合性能由增强纤维和树脂基体共同决定，纤维与树脂基体的界面粘合性能对复合材料综合性能同样至关重要。复合材料通过界面层把树脂和纤维连接成为整体，通过界面传递应力，界面剪切强度也决定着整个复合材料的应用。为了达到复合材料的优异综合性能，要求两相界面之间的粘结性和相容性要好，复合材料的界面层显得尤为重要。

通常芳纶纤维等高性能纤维表面光滑、表面能低、与树脂浸润性差，并且表面缺少化学活性官能团，造成表面反应活性低。这些原因导致大部分高性能纤维与树脂基体间的界面粘合性能不理想，复合材料界面剪切强度达不到理想水平，制约了复合材料综合性能的发挥。为了提高复合材料界面性能，通常需要对纤维进行表面改性处理，常用的改性方法有等离子体改性、辐射改性、超声波处理、表面化学接枝、表面刻蚀、表面涂层等。

Li Gang［10］等用磷酸对芳纶纤维进行了改性，然后与优化后的树脂基体复合制备了纤维增强复合材料。研究表明当磷酸的浓度小于40%时不会对芳纶纤维的强度产生明显的影响，而当处理液磷酸的浓度为20%时纤维表面的氧元素含量有明显的增加。芳纶纤维和树脂基体复合材料的界面剪切强度和层间剪切强度分别达到76 MPa和79MPa，纤维强度的转化率达到95%，而未改性纤维和未改性树脂制备的复合材料的界面剪切强度和层间剪切强度只

有53 MPa和51 MPa。Min Su等［11］研究了氧气气氛等离子体改性Kevlar纤维，并测试了改性芳纶纤维/马来酰亚胺树脂界面粘合性能。结果表明氧气等离子体改变了纤维表面含氧量，这是由于等离子体处理产生的活性中心反应生成含氧活性基团，并且表面变得粗糙，增加了表面极性和浸润性，使得复合材料界面性能提高。最优的加工条件是功率70W处理5分钟，此时复合材料界面剪切强度最大。Xu等［12］分别利用氧化还原法和γ射线预辐照法对碳纤维进行表面处理，用处理后的碳纤维与环氧树脂制备成复合材料。两种方法处理后碳纤维表面的氧含量都明显增加，增加了纤维表明极性基团的含量，增强了环氧树脂对碳纤维的浸润性。复合材料的层间剪切强度（ILSS）测试表明，预辐照处理和氧化还原法丙烯酸处理使复合材料的ILSS强度提高了16%左右，与此同时复合材料的拉伸强度只是有轻微的下降。

3 常见的几种高性能纤维复合材料

3.1 碳纤维及其复合材料

3.1.1 碳纤维简介

碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理后得到的微晶石墨材料，具有轴向强度和模量高、密度低、热膨胀系数小、耐化学腐蚀等性能，又有纺织纤维的柔软可加工性，属于一种性能优异的新型材料。碳纤维可在2 000℃的高温下使用，在不接触空气和氧化剂的条件下，能够耐受3 000℃的高温。根据机械强度和模量的不同，碳纤维可分为以下几大类：高模量纤维、高强度纤维、中模量纤维、低模量纤维、一般级纤维。根据丝束的大小可以分为大丝束和小丝束，大丝束一般指48～480 K，小丝束一般指1～24 K。按制备工艺分有三类碳纤维，分别是：聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维和黏胶基碳纤维，其中聚丙烯腈基碳纤维用量最大，发展最快。碳纤维增强树脂复合材料是轻量高强高模材料的典型代表，也是目前使用最多发展较快的一种复合材料。

3.1.2 碳纤维产业现状

世界碳纤维生产企业主要有日本的东丽、东邦和三菱人造丝公司，美国的HEXCEL，德国的西格里集团，韩国泰光产业以及中国台湾的台塑集团等［13］。其中，日本是聚丙烯腈基碳纤维的发源地，其发展一直处在世界领先地位，产量居世界第一。目前国产碳纤维指标可以达到东丽公司T300级产品水平，但是质量稳定性需要进一步提高［14］；干喷湿法纺丝T700级碳纤维在中复神鹰实现了工业化生产，产品质量有待稳定；高品质碳纤维，包括T800级的高强度碳纤维和M40J、M50J级的高模量碳纤维正在进行攻关试验与生产，相关单位有中科院宁波所、中复神鹰、威海拓展、北京化工大学、山西煤化所等。截至2014年底千吨级碳纤维生产企业有5家，中复神鹰和恒神新材料达到3 000 t/a。

3.1.3 应用领域

航天航空领域，包括客机、人造卫星、运载火箭、无人机等。如波音787客机中使用大量碳纤维复合材料，既减轻了重量，又不损失机身强度和刚度。新一代的飞行器将使用更高比例的碳纤维复合材料［15］。

土木建筑领域，利用碳纤维复合材料棒材替代钢材，利用碳纤维复合材料层板加固或修复桥梁及建筑物。目前在土木建筑中的应用有复合材料棒材、纤维增强胶接层板、碳纤维增强混凝土、碳纤维复合材料片等。

工业领域，在基础设施、油气钻探、压力容器、复合材料辊、风力发电等工业领域得到广泛应用。

交通运输领域，新一代的汽车要求降低能耗，最重要的措施之一就是减轻汽车质量，用一般钢材是不可能实现的，因此采用复合材料是最有效的办法。国外的各大主要汽车厂家，都在开发使用碳纤维复合材料的节能、环保汽车。虽然目前主要是用在豪华车型，但未来随着大丝束碳纤维价格的下降，将使碳纤维在更多普通车型中推广［16］。

体育休闲领域，近年来体育器材生产越来越多地使用碳纤维生产管状复合材料，像高尔夫球杆和球拍等，其它还有箭杆、钓鱼竿、自行车架、船桨、滑雪工具、棒球棒、公路赛车等体育用品。

3.2 对位芳纶纤维及其复合材料

3.2.1 对位芳纶纤维简介

对位芳纶（PPTA）全称聚对苯二甲酰对苯二胺，是具有代表性的一种高性能合成纤维，合成单体是对苯二甲酸和对苯二胺，两个酰胺键连接在苯环的对位位置，聚合得到线性刚性直链分子简单规整，结构单元中有刚性的苯环和极性的酰胺基团，对位芳纶纤维具有强度高（2 400～3 000 MPa）、模量高（62～143 GPa）、耐高温（Tm=530℃）等优异性能［17］。

对位芳纶纤维复合材料是使用量仅次于碳纤维复合材料的高性能纤维复合材料。

3.2.2 对位芳纶产业现状

对位芳纶生产企业主要有美国杜邦（代表产品Kevlar），日本帝人（代表产品Twaron和Technora）和韩国科隆、韩国晓星。全球对位芳纶市场几乎被美国杜邦和日本帝人所垄断。国内建有不同规模的对位芳纶生产线：中蓝晨光、烟台泰和、苏州兆达、平煤神马、仪征化纤、河北硅谷以及广东彩艳，虽然国内芳纶厂家较多，但规模都不大，芳纶生产力不集中，与国外水平仍有差距。

3.2.3 对位芳纶的应用领域

防弹材料，由于芳纶强度高，质量轻，能量耗散性好，舒适性较好，适合用于制造防弹衣，防弹头盔，防弹护甲，战略设施保护装备，成为重要的国防军工材料［18］。

航空航天，芳纶纤维复合材料广泛应用于航天飞机、运载火箭的结构材料，可以大大减轻飞行器自身重量，节省大量动力燃料，航天飞行器轻量化可以大大降低飞行成本。

高速列车交通工具，轻量化、节能化已成为当今交通运输工具的发展趋势，高性能纤维复合材料的应用可以确保安全且实现大幅度节能环保的目的。在高速列车车厢、隔音板、内部装饰板、刹车片等结构中均有芳纶纤维复合材料的应用［19］。

橡胶增强材料，随着橡胶制品相关行业的发展，一些传统骨架材料（锦纶、涤纶、钢丝）无法满足更高的使用要求，对位芳纶是很有发展前景的一种橡胶骨架材料。芳纶纤维已应用在航空子午线轮胎、大型工程胎、阻燃输送带和耐高温输送带、汽车胶管中［20］。国内外多家公司生产芳纶橡胶制品，比如日本普利司通公司使用芳纶帘布作为骨架用于大型输送带的生产，美国固特异公司制造出芳纶纤维增强航空轮胎以及高性能子午线轮胎。芳纶等高性能纤维在橡胶骨架材料等领域将会有广阔的应用前景。

3.3 超高分子量聚乙烯纤维及其复合材料

3.3.1 超高分子量聚乙烯纤维简介

超高分子量聚乙烯纤维是由分子量在100万以上的聚乙烯高聚物所纺出的纤维，上世纪70年代荷兰帝斯曼公司发明超高相对分子量聚乙烯的凝胶纺丝工艺专利，开始了超高分子量聚乙烯纤维的工业化生产。超高分子量聚乙烯中分子具有很高的取向度和结晶度，纤维分子几乎处于完全伸直状态，具有超高强度与模量、低密度（0.97 g/cm3）、耐药品性和高能量吸收性等性能［21］。超高分子量聚乙烯纤维复合材料在现代化国防和航空航天、海域防御装备等领域发挥着举足轻重的作用。

3.3.2 超高分子量聚乙烯纤维产业现状

世界超高分子量聚乙烯纤维主要生产企业是荷兰帝斯曼公司，日本三井石化和美国霍尼韦尔公司等。国内超高分子量聚乙烯纤维企业有20多家，包括湖南中泰特种装备有限责任公司、宁波大成新材料股份有限公司、中石化仪征化纤有限责任公司、山东爱地高分子材料有限公司、上海斯瑞聚合体科技有限公司、浙江千禧龙特种纤维公司等，合计产能在2万吨左右，总产能已超过国外的总和，产品质量和技术也有所提升，可以达到世界先进水平。

3.3.3 超高分子量聚乙烯纤维应用领域

绳缆绳索，超高分子量聚乙烯纤维断裂强度很高，又具有密度小于水、耐磨、耐光的性能，是制造绳索绳缆的理想材料。应用于生产吊索、悬索、海洋工程用绳、军工缆绳、渔网等。

防护领域，用于生产防弹衣、防弹头盔、抗冲击板材，其制备的防护装备具有柔软性和轻量化的优势。

体育用品，用于制造球拍、滑雪板、球拍弦和钓鱼线，体育器材轻便耐久［22］。

3.4 其它高性能纤维

间位芳纶（MPIA），全称聚间苯二甲酰间苯二胺纤维，由间苯二胺和间苯二甲酰氯低温缩聚而成，美国杜邦公司研发并实现产业化。间位芳纶具有高强高模、耐高温和阻燃等优异性能，同时还有相对密度小、耐疲劳、耐剪切和尺寸稳定性好等优点［23］。应用在耐高温服、阻燃防护装备、高温滤材、高性能电子隔膜、合成纸等领域。

芳纶Ⅲ纤维，属于杂环芳纶，强度和模量比对位芳纶更高，极限氧指数38以上，有极好的热稳定性和耐燃性，对基体树脂有好的浸润性。应用于国防、工业的特殊领域，如武器、高强复合材料、耐高温服装、高强缝纫线、电缆和橡胶增强等［24］。

芳砜纶纤维，是我国研究开发的芳香族聚酰胺类耐高温纤维，全称聚苯砜对苯二甲酰胺纤维，在芳纶分子中引入了对苯结构和砜基。其力学性能与间位芳纶相当，耐热性比间位芳纶高约20～30℃。主要应用于防护制品、高温过滤材料、电绝缘材料、摩擦密封材料、蜂窝材料等领域［25］。

聚苯硫醚（PPS）纤维，是一种含有芳香环的高分子化合物，由苯和硫反应合成。聚苯硫醚纤维具有优良的耐热性和耐化学腐蚀性，不会在酸（硫氧化物等）的露点温度以下遭侵蚀，成为理想的高温过滤材料，被认为是生产过滤袋最经济有效的材料。在环境保护、汽车工业、化学工业过滤、军事领域、航空等领域具有广泛的用途［26］。

聚酰亚胺（PI）纤维，是指主链上含有酰亚胺环的聚合物纺制的纤维。聚酰亚胺纤维强度比芳纶高大约一倍，在耐光、吸水性、耐热性等方面都更优越，具有较高的使用温度。用于工业高温除尘过滤材料，作为结构材料可以应用于航空航天、环保、防火等领域［27］。

4 我国高性能纤维复合材料产业的思考

聚对苯基并双噁唑（PBO）纤维，由美国陶氏化学和日本东洋纺公司研发并产业化，其力学性能、阻燃性、热稳定性优异，高强高模耐高温综合性能指标优于芳纶1414及芳纶1313。用于航空航天领域，防弹衣、防弹头盔等防弹材料，舰艇结构材料，飞机机身结构材料［28］。

玄武岩纤维，以火山岩（包括玄武岩）为唯一原料，高温熔融拉丝而成，具有耐高温、耐腐蚀、高强、高模、不燃烧、纯天然环保、耐辐射等性能。可用于现代国防武器制造、建筑、结构加固补强、电力、汽车船舶制造、消防环保等领域［29］。

4.1 国产高性能纤维

基体和增强体等原材料是发展先进复合材料的基础和前提，而增强纤维技术尤为重要。碳纤维和芳纶纤维是重要的增强材料，我国碳纤维和芳纶纤维的生产与国际先进水平仍有差距，存在一些问题：原丝质量差、生产规模小、成本高、应用基础研究薄弱等。应进一步加强T300级碳纤维、对位芳纶纤维性能稳定性和工程化研究和开发；加强T700、T800级等中高端国产碳纤维的研究，重要复合材料装备的发展应立足于国产高性能纤维。

4.2 复合材料的设计

复合材料的设计水平在一定意义上决定其应用水平，应充分发挥复合材料的优越性能，科学设计，减轻重量，提高可靠性，降低成本，复合材料的研究压力不能完全转加给材料研发。

4.3 低成本复合材料技术

我国在低成本复合材料技术方面也面临着很大的挑战，除了在原材料、装配与维护等方面进行研究改进外，更重要的是降低复合材料制造成本。在过去的30多年中，复合材料的研究与开发重点放在材料性能提高和工艺优化，目前的研究热点是复合材料的低成本技术，低成本制造技术的应用可通过复合材料的自动化制造提高生产效率和性能，降低复合材料的制造成本，以及通过提高复合材料的使用效能进而实现成本降低。

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Research and app lication of high perform ance fiber reinforced com posites

Yan Yan1，2，Zhu Fuhe1，2，Wang Wei1，2

（1.Research Institute of Sinopec Yizheng Chemical Fiber Co.，Ltd.，Yizheng Jiangsu 211900，China；2.Jiangsu Key Laboratory of High Performance Fiber，Yizheng Jiangsu 211900，China）

High performance fiber can be used as reinforcing material，and resin used asmatrix，theY can be formed compositematerial through the shaping process.High performance fiber reinforced composites possess excellent characters，such as light qualitY，high strength and high modulus，anti-fatigue，corrosion resistance，designabilitY，easY processing molding，and have been widelYapplied.In this paper，the high performance reinforced fiber and common resin，interface of composite material application fields of high performance fiber reinforced composites are introduced，and the problems in the development of high performance fiber reinforced composites are also analYzed.

composite，high performance fiber，resin matrix

TQ342+.7

B

1006-334X（2015）04-0044-05

2015-11-24

严岩（1989—），山东曲阜人，助理工程师，硕士研究生，主要从事特种纤维研究开发工作。