石英纤维增强复合材料现状及未来发展趋势*

王立尧 王童 陈轶嵩 邱兆乾 罗耿

（长安大学，汽车学院，西安710021）

主题词：汽车 复合材料 石英纤维 发展趋势

1 引言

石英纤维增强复合材料是1种由石英纤维或其制品增强的复合材料。石英纤维是由高纯度石英或天然晶体制成的直径只有几微米到几十微米的无机纤维。该材料具有固态石英的部分特征和机械特性，常被用做先进复合材料的增强相。

石英玻璃纤维SiO2的质量分数接近100%；其耐高温性能高于高硅纤维，长期使用温度高达1 200℃，软化点温度达1 700℃，具有较高的电气绝缘性能、介电性能、抗腐蚀性、抗热震性，化学性能和稳定性优良。石英纤维增强复合材料不仅拥有原材料的物理化学特性，还结合了石英纤维带来的优点。汽车复合材料在汽车行业受到越来越多的关注和应用，具有一定的市场发展价值。

目前，石英纤维增强复合材料有很好的应用前景，通过总结该领域有突出进展的研究，现阶段常用的石英纤维增强复合材料有：石英纤维增强含硅芳炔树脂复合材料、石英纤维增强二氧化硅复合材料和石英纤维增强聚酰亚胺复合材料。

2 不同石英纤维增强复合材料的研究

2.1 石英纤维增强含硅芳炔树脂复合材料

2.1.1 石英纤维增强含硅芳炔树脂复合材料概述

含硅芳基乙炔树脂是1种新型的有机-无机杂化材料。因引入硅元素，使树脂具有优良的耐高温和耐烧蚀性，同时具有优良的介电和化学性能。可用作高温烧蚀隔热材料，该复合材料在国内外已实现小规模商用。

2.1.2 研究现状

在20世纪80年代，Shim等通过对苯二乙炔钠与二氯硅烷的缩合，制备了具有良好热稳定性且主链含有硅酞菁和二甲基硅的低维聚炔聚合物。在20世纪90年代，Corriu等和Itoh等合成了含硅芳香乙炔树脂。Itoh课题组对合成的MSP含硅芳香乙炔树脂及其复合材料的性能进行了深入研究[1]。近年来，国际先进复合材料低成本制造技术领域研发的主流是树脂传递模塑（Resin Transfer Nolding,RTM）制造技术。采用TEOAS表面改性QF的共混PSA复合材料，提升了其储能模量，加强了其弯曲性能和层间剪切强度（InterLaminar Shear Strength,ILSS）。

2.2 石英纤维增强二氧化硅复合材料

2.2.1 石英纤维增强二氧化硅复合材料概述

石英纤维是1种抗拉能力很强的无机纤维，由高纯石英或天然晶体制成。它的化学稳定性、抗烧蚀性强，同时具备较高的低线热膨胀系数。连续石英纤维增强二氧化硅在保留了陶瓷基体特性的情况下，还可以增强原材料韧性，进一步提高其强度。因此，连续石英纤维增强二氧化硅复合材料（SiO2f/SiO2）可实现较高频波段传输、隔热和承载的性能要求[2]，是当前市面上的热门新材料，SiO2f/SiO2复合材料介电性能如图1所示。

图1 SiO 2f/SiO 2复合材料介电性能

2.2.2 研究现状

目前，溶胶-凝胶（sol-gel）方法被广泛应用于制备SiO2f／SiO2复合材料。该工艺是将硅溶胶真空浸入石英纤维织物中，然后通过干燥、固化、烧结等工艺将二氧化硅基体沉积在织物中。溶胶-凝胶法的优点是硅溶胶粘度低，石英维能很好地渗透，结温低，石英维损伤小[3]。

2.2.3 目前可优化的问题（尚未攻克的技术难点）

（1）从织物结构、浸渍方法和有助于快速致密化的助剂等方面，对优化浸渍工艺、提高致密化效率、缩短制备周期和减少密度分布不均匀性进行深入研究。

（2）从石英纤维的表面处理及烧结工艺下手，通过降低制取过程中对纤维的损害，进一步增强SiO2f/SO2复合材料的力学能力。

（3）根据复合材料的多孔特性，研制出固膜性好、分散均匀性好、可承受较高温度、防潮性能强的涂料。

2.2.4 产业化分析

现阶段石英陶瓷已被广泛应用于玻璃、化工、电子、航空等领域，但是由于石英陶瓷具有机械强度较低抗侵蚀能力差等缺陷，限制了其在汽车上的大规模应用。目前，石英陶瓷仅作为汽车保护漆，尚不具备进行产业化应用以及大规模制备条件。

2.3 石英纤维增强聚酰亚胺复合材料

2.3.1 石英纤维增强聚酰亚胺复合材料概述

石英纤维增强聚酰亚胺复合材料是1种非均匀的各向异性材料，其机械性能优良、耐高温，理化性能稳定，用途广泛。石英纤维增强PI复合材料不仅能保持其原有的优良性能，而且具有优良的介电性能性能，在较宽的温度和频率范围内保持稳定。

2.3.2 研究现状

目前，市场对石英纤维増强聚亚酸复合材料需求越来越多，该类材料的加工要求也随之提高，但受限于该材料本身的性质，传统机械加工方式存在较大问题。

为此，石英纤维增强聚酰亚胺复合材料的高效、优质、高精度加工成为国内外学者研究的热点和难点之一。目前，在激光加工和电火花加工等在特殊加工方法的创新上有较大进展，但由于他们的某些缺点无法切合于石英纤维增强聚亚复合材料的制备[4]。所以较为传统的机械加工方法仍然处于主要地位。因此，为了实现材料的高精度加工特点，以磨代钻、以磨代铣等通过改变现有的加工方式和刀具模型的方法逐渐发展起来。为了突破切削液不能用于加工的限制，少数学者选择液氮作为冷却材料，研究复合材料的超低温加工。

2.3.3 目前存在问题（尚未攻克的技术难点）

（1）层间剪切强度和拉伸强度的复合材料含量较低；

（2）水溶性切削液很容易破碎，所以切削液无法对其进行加工和冷却；

（3）增强体在复合材料中具有较高的硬度和强度，这加剧了刀具的损耗[5]；

（4）加工效率低。

2.3.4 产业化分析

现阶段石英纤维増强聚酰亚胺复合材料在市场中已有应用。由于加工过程中存在刀具磨损严重、切削力大、加工效率低等问题，不能广泛应用。但是，其成本较低，且性能优异，若能改善其加工方法，随着各类新型加工技术的发展，该材料未来发展前景广阔。

3 具有发展潜力的石英纤维增强复合材料

通过对比各种石英纤维增强复合材料优劣，液氮低温加工的石英纤维增强聚酰亚胺复合材料具有很广阔的发展前景。这3种石英纤维增强复合材料的特点如下：

（1）石英纤维增强含硅芳炔树脂复合材料具有优异的耐高温和耐烧蚀性能，以及优异的力学性能，可作为高温烧蚀和隔热材料；

（2）石英纤维增强二氧化硅复合材料，可同时满足透波、防热、承载3方面的性能要求，但由于加工工艺问题，其密度不均匀性较大，没有合适的防潮涂层；

（3）石英纤维增强聚酰亚胺复合材料，该材料不仅可以保持其原有的优异性能，还具有优良的介电性能，在宽广的温度和频率范围内保持稳定，但由于其加工要求较高，难以实现批量化。

在3种增强材料中，有关增强含硅芳炔树脂复合材料研究也比较广泛，然而因为纤维和含硅芳炔树脂之间的较差的粘合性，复合材料的力学性能难以满足较高的工作压力，需要更换增强体来提高其力学性能。而改进加工方式后的石英纤维增强聚酰亚胺复合材料克服了纯陶瓷材料脆性大、强度低等缺点，同时兼具优异的耐烧蚀性能、力学性能、耐高温、化学稳定性好、抗烧蚀、易编织等优点，极具广阔应用前景。

4 结束语

通过对相关文献进行综述、分析，表明增强材料的不同使复合材料具有不同的特性。目前，研究热点主要集中于以下3方面：

（1）如何提高复合材料的力学性能；

（2）如何降低制造成本；

（3）如何改善2种材料的亲和性。

总体来说，虽然国内的车辆复合材料有一定市场，对于材料的制备也取得了一定成果，但是产品含金量同国外同类仍有很大差距，质量是行业发展的关键。在我国，要实现材料大规模应用，仍需更多时间和更多的研究、应用。