颗粒增强金属基复合材料

高性能聚乙烯纤维及其复合材料发展与应用
论文关键词：高性能聚乙烯纤维表面改性复合材料应用
论文摘要：高性能聚乙烯纤维作为新型有机纤维，其性能与复合材料的应用是科研人员研究的热点之一。

着重探究高性能聚乙烯纤维的性能、表面改性以及复合材料的应用等问题。

近几年，纤维的高性能、高功能和高感性一直是研究者对新型化纤材料研究的重点，高性能聚乙烯纤维是继碳纤维、芳纶之后具有极其重要战略意义的新型纤维材料，因其独特的性能，该纤维及其增强复合材料已被广泛应用于多个领域，倍受研究人员与生产企业的青睐。

1 高性能聚乙烯纤维的结构及特点
高性能聚乙烯纤维的高强高模特性来源于自身的超高相对分子质量、沿轴向高度取向和晶体结构。

聚乙烯具有亚甲基相连的大分子链的化学结构，在超倍牵伸时，形成伸直链超分子结构，高性能聚乙烯纤维的优越性能完全是由于它的这种超分子结构决定的。

高性能聚乙烯纤维的一个突出优点是密度低，为0.97g/cm3，使得其质量轻的同时，能够达到较大的比拉伸强度和拉伸模量；由于聚乙烯不含易与接触物质发生反应的羟基、芳香环等基团，使得其具有高耐酸碱腐蚀性；同时，高性能聚乙烯纤维熔点比普通聚乙烯低，沸水收缩率也较低。

另外，即使在很低的温度下，该纤维仍能够保持柔软。

2 高性能聚乙烯纤维的缺点及改进现状
高性能聚乙烯纤维有其不可避免的不足，如熔点低蠕变高，在制造复合材料的过程中具有较高的纤维表面惰性和较差的浸润性。

这些特点直接影响了高性能聚乙烯纤维在复合材料中的应用范围，围绕高性能聚乙烯纤维制造与改性的研究也在近些年取得了阶段性成果。

1）改进低熔点和高蠕变。

研究证明进行放射处理，使超高强聚乙烯纤维产生分子间交联，或提高其分子量或共聚（如使用有机过氧化物等化学物质）改性，均可使纤维蠕变得到改善，熔点得以提高。

2）改进纤维与基体的粘结性。

高性能聚乙烯纤维的化学惰性和低表面能，决定了其与基体的粘合性很低，研究表明可以通过以下方法对其加以改进：①使用化学试剂进行处理。

如用二甲苯、铬酸、高锰酸钾等强氧化性剂对高性能聚乙烯纤维表面进行氧化处理，产生含氧活性基团，与基体形成化学键，使其表面凸凹不平，加大其粗糙程度，提高其粘接性能；
②使用辐射引发表面接枝处理。

用丙烯类单体，如丙烯酸、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯等，接枝在高性能聚乙烯纤维链上，提高纤维与树脂基体的粘接性能；③采用电晕放电处理及等离子处理。

它是利用等离子体发生装置产生等离子流利用它冲击纤维表面达到很高表面活性的目的其总的效果是在纤维表面产生微凹痕增加纤维表面积通过处理，使其表面形成极性基团，从而提高其与树脂基体的粘接性能；④目前高性能聚乙烯纤维复合材料常用的树脂体。

由于上述3种方都会损害纤维的综合性能为代价的，而且拉伸强度和模量下降尤为明显，所以寻找或合成树脂基体来提高粘接性则是较好的方式。

经过大量研究，目前符合聚乙烯纤维复合材料用树脂基体条件的有聚氨酯类、橡胶类、乙烯酯类树脂体。

3 高性能聚乙烯纤维复合材料类型
高性能聚乙烯纤维复合材料主要有以下几类：
1）自增强类。

是以高密度聚乙烯或低密度聚乙烯为基体材料，以高性能聚乙烯纤维为增强体的纤维增强复合材料。

选择同一类型的聚乙烯树脂作为基体材料能够改善UHMPE的界面粘结性差的缺点，并且有利于回收再利用的现代环保要求。

2）填充型复合材料。

这种符合材料是在以往材料的基础上，为完善其综合性能而进行
适当地材料填充（填充料有水合氧化铝、水不溶性硅酸盐、碳酸钙、碱式碳酸铝钠、羟基硅灰石、碳酸钙、硅藻土和高岭土等）。

这种复合材料通过反作用力于载荷和阻止裂缝扩展而提高复合材料的延伸性，并且有利于降低成本。

3）高性能聚乙烯纤维的合金化和复合化材料。

对于合金化，以PP（聚丙烯）/UHMPE合金最为突出，长链的PP分子与UHMPE分子构成一种共混网络，受到外力冲击时，它会发生较大形变以吸收外界能量，起到增韧的作用，形成的网络越完整，密度越大，则增韧效果越好。

对于复合化，UHMPE可与塑料、橡胶、橡胶硫化形成合金来改善和提高其综合性能。

4 高性能聚乙烯纤维复合材料应用现状及前景展望
由于高性能聚乙烯纤维具有诸多优点，所以应用范围较：
1）渔业与海洋缆绳。

目前，利用高性能聚乙烯纤维制作的渔网，仅为普通纤维渔网重量的60%，能够提高捕捞效率，减少渔船能耗。

用该纤维制作的深海养殖网箱，其良好的机械性能能防止食肉鱼对经济鱼类的猎杀，有效降低养殖成本。

另外，国内外相关标准要求必须配备1条重达100kg的高性能聚乙烯纤维缆绳，以替代传统的钢索。

这给国内该产业提供一个重要的市场空间。

2）防冲击吸能领域的安全防护。

高性能聚乙烯纤维与树脂复合材料具有良好的韧性，因此在防冲击吸能领域具有非常好的应用。

例如用于制作避弹衣、头盔、复合装甲等；用于安全生产的防切割手套、护具、防冲击板材等；用于高危环境下的防冲击护具，如警用防刺服、矿工防砸头盔等。

随着该纤维生产成本的下降，其在防冲击吸能领域也将有着非常好的发展前景。

3）军事国防。

高性能聚乙烯纤维介电常数低、电信号失真小、透射系数高，是用于雷制作高性能轻质雷达罩的首选材料；高性能聚乙烯纤维复合材料质轻、耐冲击，适用做于飞机一些非高温部位的金属替代材料，现在飞机翼尖等领域有所使用；在轻质装甲方面，高性能聚乙烯纤维可用于直升机防护装甲、坦克装甲、装甲车装甲等，有很好的应用前景。

随着随军备水平的提高，对高性能聚乙烯纤维的需求也将越来越多。

4）体育用品。

利用高性能聚乙烯纤维复合材料的高比强度和比模量、韧性和损伤容限好等特点制成的运动器械，重量轻且结实耐用。

市场上已经有网球拍、滑雪板、冲浪板等体育用品的骨架材料是由其制作的，并且以其优良的性能，赢得了使用者的喜爱。

5）医用高分子材料。

高性能聚乙烯纤维具有较好的生物相容性和化学稳定性好，一般不会引起人体的过敏反应和生物排斥反应。

可以用作牙科用丝线、医用移植线、牙托材料、人造韧带等方面。

5 结语
在“十一五”规划中，已经将高性能聚乙烯纤维项目列为重点发展的高科技项目，并将该种纤维作为国家鼓励发展的特种纤维之一。

随着“十二五”开局之年的到来，我国经济水平和科技水平将必定有更大的提高，高性能聚乙烯纤维也将有着更加广阔的应用前景。

参考文献：
[1]张乾、王汝敏，高性能聚乙烯纤维及其复合材料研究进展[J].高科技纤维与应用，2001（08）.
[2]任意，超高分子量聚乙烯纤维性能及应用概述[J].广州化工，2010（08）.。