高性能纤维环氧树脂基复合材料力学性能分析研究

于海宁，高长星，王艳华

(威海光威复合材料股份有限公司，山东 威海 264200)

0 引言

高性能纤维一般是指强度大于 17. 6 cN/dtex，弹性模量大于 440 cN/dtex ，同时具备耐高温、耐腐蚀、耐酸碱、抗氧化等特征的化学纤维[1]。因其特殊的物理、化学结构及特点，与环氧树脂相结合，可加工成高强质轻、抗疲劳、可设计性强、易加工成型等优异性能的复合材料，被广泛应用于国防军工、轨道交通、生物医药、工程建筑、体育休闲等领域。近年来，全球高性能纤维及复合材料产业化仍以日本、美国、欧盟为优势主体，但随着经济的快速发展，我国的高性能纤维在产业化技术、品质、市场应用等方面取得了突破性进展，以自主创新探索核心技术，逐渐打破国外封锁垄断，国产化率稳步提升。目前正朝着制造技术先进化、低成本化、材料高性能化、多功能化和应用扩大化的方向发展。

1 高性能纤维及其复合材料

1.1 碳纤维及其复合材料

碳纤维(图1)是一种含碳量在95%以上的的无机高分子纤维，具有低密度、高强度、耐疲劳磨损、耐化学腐蚀等优异的物理及化学性能，并伴有热膨胀系数小、导电导热性好、电磁透波性好等优势，外形柔软，可加工成不同类型的织物[2]。按照工业化生产原料的不同，碳纤维可分为聚丙烯腈基(PAN)碳纤维、沥青基碳纤维、胶粘丝碳纤维等；按照丝束规格，可以分为小丝束(1～24 K)、大丝束(24～100 K)、巨丝束(100 K及以上)。目前市场90%以上的碳纤维都是以PAN基为原材料，在高温、惰性气体环境中，经过聚合、纺丝、氧化、碳化等生产工艺制成的无机高分子纤维[3]。全球碳纤维仍以日本、美国、欧盟为优势主体，小丝束碳纤维生产基本上被日本东丽、东邦和三菱等企业所控制，市场占有率达到70%左右，大丝束则主要由美国卓尔泰克、德国西格里和日本东邦所控制，市场占有率为80%左右。

图1 碳纤维

根据赛奥碳纤维技术统计,2019年中国的碳纤维需求量约为3.78万吨。其中进口纤维约为2.58万吨，国产纤维供给量为1.2万吨，相比2018年9 000吨的国产销量，同期增长33%，连续2年以超过30%的速率增长[4]。这证明国产纤维正在不断取得进步，也得到了国内企业的认可。在国内市场需求旺盛、纤维产量供不应求的环境下，国内骨干企业纷纷开始进行扩产计划，光威复材与内蒙古包头九原区政府、丹麦维斯塔斯公司签署合作协议，将投资20亿元在包头建设“万吨级碳纤维产业化项目”，吉林精功集团宣布扩建2 000吨碳化线一条，中复神鹰投资50亿元在西宁建设20 000吨碳纤维的扩建工程[4]。在国务院推出的《中国制造2025》中，碳纤维也被列为重点战略材料，同日本、欧美等发达国家相比，虽然我国的碳纤维发展水平起步较晚，但现已进入到快速发展阶段。目前,部分国产纤维的性能(表1)及品质，已基本达到国外同级别水平，T300级、T700级规模化量产，并已应用到航空航天领域，T800级处于工程化生产阶段，T1000级、M60J级已突破关键的制备技术。

表1 国产纤维性能指标

碳纤维增强复合材料是以碳纤维或者织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属等为基体，具有较高的比强度、比刚度，轻量化效果显著，已广泛应用到航空航天、轨道交通、风电叶片、体育休闲、医疗设备等诸多领域。在航空航天和轨道交通方面，已从非承力构件扩展到主承力构件；在风电方面，作为风机叶片的主材料，降低了风机负载，提高了风能利用率；在体育休闲方面，碳纤维材质的鱼竿、自行车、球拍、滑雪板等器材，提高了国际体育比赛的竞争力；在医疗方面，由于其X射线透过性强且与生物相容性好，可用于制作人体器官和数字化影像设备的配套器材。

1.2 玻璃纤维及其复合材料

玻璃纤维(图2)是一种性能优异的无机非金属材料，以天然矿石为原料，经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制作而成，其单丝的直径一般为3～10 μm，相当于一根头发丝的1/20～1/5，具有绝缘性好、耐热性强、耐老化等特点，但易被酸、碱侵蚀，抗扭、耐磨、抗折性能较低[5]。

图2 玻璃纤维

依据玻璃纤维中含碱量的高低，分为无碱玻璃纤维(E玻纤)，含碱量<2%；低碱玻璃纤维，含碱量2%～6%；中碱玻璃纤维(C玻纤)，含碱量6%～12%；高碱玻璃纤维，含碱量>12%。目前市场上无碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维的产量约占总体的98%以上。玻璃纤维环氧树脂基复合材料是目前研究比较成熟、应用最广的一种环氧树脂基复合材料[6]，具有比强度高、比模量高、耐疲劳、耐腐蚀、电性能优异等优势，已广泛应用于交通运输、建筑建材、电气工业、机械工业、石油化工等领域。

1.3 芳纶及其复合材料

芳纶(图3)全称为“芳族聚酰胺纤维”，是分子主链上至少含有85%的直接与两个芳环相连接的酰胺基团的聚酰胺经溶液纺丝产生，是一种高强度、高模量、耐高温、耐酸碱、耐磨性、质量轻的新型高科技合成纤维，其强度是钢材的5～6倍，模量为钢材的2～3倍，重量仅为钢材的1/5左右，且具有良好的绝缘性、抗老化性能以及较长的生命周期[7]。

图3 芳纶

目前，市场上常见的是对位芳酰胺纤维(PPTA)和间位芳酰胺纤维(PMTA)两种。邻位芳纶因商业价值较低，故研究甚少。国际上美国的杜邦、日本帝人等企业在芳纶的研发及规模化生产已日趋成熟，产能约占全球80%以上，完全占据统治地位[8]。其中对位芳纶主要以杜邦Kevlar、帝人Technora系列产品为代表，间位芳纶主要有以杜邦Nomex、帝人Conex系列产品为代表。与国外巨头企业相比，我国的技术水平、产业化程度相对落后，在国家政策的推动下，泰和新材、中晨蓝光、仪征化纤等少数企业现已具有千吨级生产线，尤其泰和新材的间位芳纶产能达到5 600吨/年，同时具备生产间位芳纶和对位芳纶的能力，成为仅次于美国杜邦的全球第二大间位芳纶的供应商。

芳纶是重要的国防军工材料，美国、英国等发达国家的防弹衣均为芳纶材质。芳纶防弹衣、头盔的轻量化，可有效提高了军队的快速作战能力。其次，芳纶材质的轮胎质轻胎薄、滚动阻力小、耐切割及刺穿、转向性能好、轮胎使用寿命长，可满足现代超音速飞机对轮胎的使用要求[9]。此外，芳纶在建材、特种防护服装、电子设备等领域也有一定的应用。

2 环氧树脂

环氧树脂泛指含有两个或两个以上环氧基，以脂肪族、脂环族或芳香族有机化合物为骨架，并通过环氧基团反应能形成的热固性产物的高分子低聚体，其突出特点是粘结能力强[10]。由于其具有良好的粘接性、耐腐蚀性、收缩率低以及高强度等优异性能，环氧树脂已成为先进复合材料中应用最广泛的基体树脂，适用于多种成型工艺。

9A16环氧树脂是威海光威复合材料股份有限公司自主研发的一种基于120 ℃中温固化的增韧改性环氧树脂，其适用以碳纤维、玻璃纤维、芳纶及织物为增强材料的预浸料。树脂具有橡胶般韧性，可以防止微裂纹的扩散，具有良好的耐热性、抗冲击强度及抗剥离性，适用于热压罐、模压、真空袋压法等多种成型工艺。复合材料制件具有优良的韧性、抗冲击性等综合性能，可在-50～80 ℃长期使用，多用于工业产品及航空构件。

9A16环氧树脂具体性能特点为：耐热性好，Tg可达140 ℃；良好的树脂流动性(图4)；良好的黏性及可操作性；固化条件灵活，110～150 ℃均可完成固化；成型方式多样化；良好的贮存性。

图4 升温黏度曲线

3 实验及结果

以9A16环氧树脂为基体，以碳纤维(TZ700S)、玻璃纤维(E玻纤)、芳纶(对位芳纶1414)为增强材料，采用真空袋压法，在120 ℃条件下保温 90 min成型，成型压力不低于0.09 MPa，按照指定的固化工艺参数(图5)，固化成型复合材层压板，通过INSTRON万能材料试验机(图6)对产品相关的力学性能进行测试。

图5 固化工艺参数

图6 INSTRON万能材料试验机

表2 碳纤维、玻璃纤维、芳纶性能指标

表3 单向复合材料性能数据

表4 织物复合材料性能数据

从力学性能测试的结果得出，碳纤维力学性能最优，芳纶次之，玻璃纤维相对较低。碳纤维质轻高强，耐疲劳，抗腐蚀已成为国防军工的必备材料；玻璃纤维价格便宜，性能上可以满足建筑、工业、化工的需求；芳纶优势在于抗冲击，在防护装备中得到广泛应用。

4 结论

高性能纤维是国民经济和国防军工重要的战略性新型材料，已全面渗透到航空航天、轨道交通、工程建筑、体育休闲等领域，依托国家政策提供优良的发展环境，高性能纤维的生产设备得到有效提升，产品质量显著提高，市场规模稳步增长[11]。此外，创建多元化的合作体系，健全并完善相关标准体系，加大科技创新力度，预计到“十四五”计划末期，我国将成为世界上高性能纤维复合材料产业化的生产、消费大国[12]。