开发高性能复合材料中使用的新型纤维材料

开发高性能复合材料中使用的新型纤维材料／颜录科等・６Ｉ・

开发高性能复合材料中使用的新型纤维材料 颜录科寇开昌哈恩华颜海燕 （西北工业大学化学工程系，西安７１００７２）摘要复合材料的性能在很大程度上取决于增强体—纤维的性能、含蚤及使用状态。主妥介绍了几种在开发研制高性能复合材料中侠用的新型纤雄材料 关键词复合材料纤维混杂，以及它们的性能、应用与开发动向

Ｎｅｗ　Ｆｉｂｒｅ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｕｓｅｄ　ｉｎ 丁Ｂ３ｉ八

Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ＭａｔｅｒｉａｌＹＡＮ　Ｌｕｋｅ ＫＯＵ　Ｋａｉｃｈａｎｇ ＨＡ　Ｅｎｈｕａ ＹＡＮ　Ｈａｉｙａｎ（Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　Ｖａｎ　７１００７２，　Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｒｅ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ　ｂｙ　ｉｎｔｅｎｓｉｆｙｉｎｇ　ｆｉｂｒｅ，　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ，　ｃｏｎｔｅｎｔ　ａｎｄ　ｕｓｅ　ｓｔａｔｅｓ．　Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｎｅｗ　ｆｉｂｒｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｗｉｔｈ　ｆｏｃｕｓ　ｏｎ　ｔｈｅｉｒ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．　Ｉｔ　ａｌｓｏ　ｓｕｍｍａｒｉｓｅｓ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ａｎｄｎｅｗ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ａｒｅａ． Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ，　ｆｉｂｒｅ，　ｈｙｂｒｉｄ

０前吉 所谓复合材料川是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料在复合材料中，通常有一相为连续相，称为墓体；另一相为分散相，称为增强材料。分散相可以是增强纤维，也可以是颖粒状或弥散的填料。由于复合材料各组分之间“取长补短”、“协同作用”，使其既可保持原材料的某些特点，又能发挥组合后的新特征．产生单一材料所不具有的性能，而最重要的是复合材料可按对材料性能的需要进行设计和制造，即性能的可设计性Ｉ，一幻。 增强体是高性能复合材料的关键组分，在复合材料中起着增加强度、改善性能的作用。虽然可用作增强体的材料品目萦多，但是先进（高性能）复合材料必须用高性能纤维以及用这些纤维制成的二维、三维织物作为增强体川纤维不仅能使材料显示出较高的抗张强度和刚度，而且能减少收缩，提高热变形温度和低温冲击强度等．复合材料的性能在很大程度上取决于纤维的性能、含量及使用状态。所以为了满足航空、航天等领域对先进复合材料的需求，开发高性能纤维材料就显得尤为重要。本文主要介绍了几种在开发研制高性能聚合物基复合材料中使用的新型纤维材料，以及它们的性能、应用与开发动向。１新型纤维材料１．１碳纤维 碳纤维（ＣＦ）是先进复合材料（ＡＣＭ）最常用的也是最重要的增强体ｏ．ｚ。它是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳，是一种新型无机非金属材料。现在应用的有机纤维主要有聚丙烯腊（ＰＡＮ）纤维、人造丝（粘胶纤维）和沥青纤维Ｐ．ｓ７等而目前世界各国发展的主要是ＰＡＮ基碳纤维和沥青基碳纤维。ＰＡＮ基碳纤维是现在和未来发展高性能碳纤维的主要品种，沥青基碳纤维虽在强度方面无法与ＰＡＮ基碳纤维竞争，但由于其炭化吸收率高于８５％且原料便宜，有利于降低成本，所以可望通过进一步改进制备技术，大ｔ应用于汽车和建筑等民用领域 碳纤维具有低密度、高强度、高摸ｔ，耐高温、化学稳定性好等许多特性，比强度和比模ｉｔ均优于其他无机纤维的．另外碳纤维还有良好的耐低温性能，如在液氮温度下也不脆化川但是碳纤维性脆、抗冲击性和高温抗氧化性较差。碳纤维主要用作树脂、碳、金属、陶瓷、水泥基复合材料的增强体，由它增强的复合材料是一种目前最受重视的高性能材料之一，己广泛用于航空、航天、军事、工业、体育器材等许多领域［，Ｉ 日本的Ｈ－２Ａ火箭的一级和二级连接部，用复合材料代替了铝合金，过去用约１２００个铝合金部件组装，现用碳纤维增强聚合物基复合材料（ＣＦＲＰ）的夹芯结构，仅濡不到２００个部件，降低了部件制造费用及组装费用，大幅度降低了成本。富士重工用碳纤维复合材料制造了直升飞机的无轴承叶轮装置（通称ＦＢＲ），飞行中具有低噪音、低振动、高速化的效果 ＣＰＲＰ加固修复钢筋混凝土结构技术是一种用树脂类材料把碳纤维粘贴于结构或构件表面，形成复合材料体ＣＦＲＰ．通过其与结构或构件的协同工作，达到对结构构件补强加固及改善受力性能的目的［ｓ］的技术。Ｒａｊｏｎ　Ｓｅｎ等［？］使用ＣＦ增强环氧树脂层压材料修复补强桥梁，研究表明桥梁的强度大大提高、弹性响应略有增加，并通过实验确定了该方案的可行性。而且ＲａｊｏｎＳｅｎ等也通过非线性有限元分析得到了与实验一致的结果，在理论上论证了ＣＦ增强聚合物层压材料加固修复钢筋混凝土桥梁的可行性Ｅ．　Ｃｏｓｅｎｚａ等ｆｎ）分析了评估发展长螺纹纤维增强聚合物基复合材料ＣＦＲＰ）加固钢筋混凝十中存在的问题，提出分析配方的新方法；并采用将ＦＲＹ钢筋植入混凝上中，然后通过拉力从自由端将其拉出的方法有效地估计了发展可以避免快

颜录科联系人，西安市劳动南路８８Ｕ　１Ｅ园大学生公离２－１５３０号（７１００６８）Ｅ－ｍａｉｌ！　ｙａｎｌｋ＿７９＠ｓｏｈｕ．　ｃｏｍ

万方数据材料导报２００４年３月第１８卷第３期。一速失效的ＦＲＰ钢筋的确切民度。 日本三菱化学公司用碳纤维片材“ＲＥＰＬＡＲＫ”补强桥梁、烟囱、隧道和建筑ｒ－Ｉｊ．己用ＲＥＰＬＡＲＫ修复补强ｆ几百个项日，其中１９９８年完成的位于日本东京以西约１００ｋｎ处的ＳＡＫＡＷＡ桥ｍ是一个最大的地爽后修复的项日美国，加拿人和欧洲已进礼了许多使用ＦＲ１，进行建筑物修复与加固的研究开发与应用工作，其中有着许多困难但同时也积累了不少成功的经验，为今后在桥梁设训和维修，以及在结构上采用复合材料奠定了基础。瑞十Ｓｉｋａ一直致力丁ＦＲＰ板材加固，仅在瑞十，它们的研究就引发了１０００种ＣＦＲＰ板材加固的应用该公司新近开发出一种预制ＣＦＲＰ　＇飞”形角片。用于抗剪加固。荷兰ＮＥＤＲＩ　Ｓｐａｎｓｔａａｌ开发出一种称为“碳拉力”（ｃａｒｂｏｎ　ｓｔｒｅｓｓ）线的产品，这此复合材料线由碳纤维组成，直径为５．３．ｍ碳拉力线的使用可以避免由于水的涡流作用而使预应力钢筋在铁轨附近的桥墩处发生腐蚀，２］。 可用十土木建筑结构加固修复的ＣＦＲＰ材料形式主要是长纤维，其中包括片材，棒材、型材及特殊构造用材料从国际上看，在长纤维的ＣＦＲＰ中，使用最多的材料形式是片材，而布状材料使用量最大，每年达２００万ｍ＇，折合碳纤维约５ｘ　１０１－６ｘ１０＇ｋｇ，且技术最成熟．板材使用量较小，但由于该形式的ＣＦＲＰ利用效率高，近年来使用量增长很快［ｔ．７ 我国是在１９９７年正式开始对ＣＦＲＰ加固修复土木建筑结构进行研究的，并在１９９８年开始厂实际的工程应用，对龙母大桥［’‘的加固修复是比较成功的一例。２１世纪初我国采用ＣＦＲＰ加固技术对丹东港大东港区码头进行加固修复，井取得成功，为今后的码头维修加固提供了，条新的思路和方法，也为该项技术在国内港口工程领域内的应用打下了良好的墓础〕二。但由于我国ＣＦＲＰ在基础设施应用方面起步较晚，与世界发达国家还有一定的差距，在顶层设计、研究规划、开发计划、质量控制、标准制订等各方面都有待建立、加强与完善１．２芳纶纤维 芳纶纤维（ＫＦ），其化学名称为聚对苯二甲酞对苯一胺（ＰＰＴＡ）纤维川。芳纶作为复合材料用增强体，其形态有长丝、短纤维、浆粕、网类、织物、三维编织等，其长远目标是取代玻璃纤维和钥丝。用芳纶纤维增强的树脂基复合材料（ＫＦＲＰ）在航空航天方面的应用．仅次于ＣＦ，成为不可少的材料［ｎ．｝．ｕ。目前的研究开发方向仍是围绕提高强度、模量、伸长率和生产效率．降低成本，改进其表面缺陷和提高层间剪切与压缩强度，以扩大其应用领域此外，还利用其易原纤化的特性制备原纤化的芳纶浆粕，以利于增强与树脂荃体的粘合性等。 日本电工公司将Ｔｗａｒｔｏｎ芳纶进行单向拉伸，再用环氧丙烯酸树脂固化，制成的棒状材料现己应用于桥梁部件和吊桥上阪神、淡路大地震后，芳纶己应用于混凝土结构的补强，如桥墩、高速公路桥、立交桥和铁路支撑柱及结构件的补强采用芳纶缠绕制成的少污染汽车压缩天然气罐目前己风靡欧美。 用ＫＦ制造的汽车、船等具有明显的节省燃料的效果，同时也大大提高了汽车、船等的性能。ＫＦ在建筑材料方面的应用主要是用于增强混凝土．具有较好的增强效果，现己成功应用于桥梁、码头及化工）等的设施芳纶复合材料板已广泛用于装甲车、防弹运钞车、直升飞机防弹板、舰艇装甲防护板［ｐａ．｝，一用ＫＦ制成的防弹头盔、防弹背心具有优良的防弹效果，伊拉克战争中英军士兵所装备的防弹头盔就是用Ｋｅｖｌａｒ　１２９制成的 ＫＦ既具有高强度、高模量和低密度的特点，又是良好的介电材料，能透过电磁波，耐腐蚀性和耐紫外线性能良好，是制造天线罩的理想增强材料之一因此国内外竞相开展ｒ用ＫＦ及其织物增强树脂基复合材料研制雷达罩的工作．如美国贡斯飞机公司的桨状飞机雷达罩，加拿大飞机制造公司的挑战者飞机雷达罩都采用ＫＦＲＰ制造．ＫＦＲＰ还被用来制造雷达整机中的结构件，以及机壳、机架等。由于结构件轻、谐振频率高、特别适丁制作机载、星载天线结构比如，日本的广播卫星天线，口径为５０．　８ｃ－Ｘ　１２７ｃｍ，天线反射面为椭圆形偏置抛物面，ＫＦＲＰ火层结构，反射面背面支撑结构用ＫＦ织物增强复合材料制造美国ＲＣＡ公司为多颗卫星研制的多部抛物面天线，其反射面均采用ＫＦ织物增强复合材料制造［ｕＷ 为发挥ＫＦ拉伸强度高的特性，常用ＫＦ编织各种绳索双缝线，在星载可展开式天线中用作天线反射而固定拉绳信息产业部电子第２０研究所在轻型高架天线中采用ＫＦ绳作为天线拉索，应用效果良好［Ｅｘ１．３超高分子ｆ　Ｒ乙烯纤维 超高分子量聚乙烯ｒ，＇　（ＵＨＭＷＰＥ）纤维是由荷兰ＤＳＭ公司发明的，随后日本东洋纺、美国联合信号公司等分别与ＤＳＭ合作，使纤维的强度不断提高。口本三井石化、东索公司以及我国台湾的工业院在这方面也都做了不同的改进工作，各有特点 ＵＨＭＷＰＥ是目前比强度最高的有机纤维，但其极限使用温度只有１００－１３０＇Ｃ（熔点１５０Ｔ），蠕变较大，因此限制了其在许多领域的应用。此外，在高强纤维中其耐疲劳性和耐磨性最高，耐冲击性和耐药品性优良。Ｄｙｎｅｅｍａ制成的单向（ＵＤ）防弹板己应用于人体防步枪的胸插垫板，轻型装甲材料、防弹运钞车、高级警车、坦克、轻型装甲车和运兵车等，能有效地防御刚性弹等的射击，与防弹钢板相比，其质量几乎减轻５０％ｅ　２００１年，美国联信公司使用其商品名为“Ｇｏｌｄ　Ｓｈｉｅｌｄ－ＰＲＣ＂和＂ＳｐｅｃｔｒａＳｈｉｅｌｄ－ＰＶＲ”的ＵＨＭＷＰＥ纤维无纺布增强的复合材料制成目前性能最高、质量最轻的头盔，该头盔还具有许多附加性能，如士兵戴上它可以干扰卫星的侦察。最近，日本东洋纺使用ＵＨＭＷＰＥ纤维增强的复合材料制备ｒ超导线圈框，已经得到了实际应用。１．４混杂纤维 混杂纤维川主要是指连续纤维的单向混杂与混杂编织，是当前复合材料用新型增强体的重要发展方向之一 混杂纤维增强的复合材料作为航空、航天领域的结构材料得到了比较多的应用。石墨Ｋｅｖｌａｒ纤维（ＣＦ／ＫＦ）混杂复合材料己成功应用于固体火箭发动机与卫星的遥控协ｉＡ电机等的壳体，使它们的性能大大提高；用碳纤维混杂复合材料制造的卫星天线，不仅达到质轻刚性好与热稳定性好的要求，而且其反射系数也是令人满意的；将两种热膨胀系数截然不同的纤维进行合理的组合可得到热膨胀系数为零的混杂材料，用此材料制作的卫星摄像机支架可以有效防止温度变形，从而使卫星摄像精度得以保证。 张永成书〕采用ＣＦ／ＧＦ双增强复合材料进行了制作天线支杆的有益尝试，并取得了满意的效果。支杆全长５．８８．，重量仅为２．　７ｋｇ，锥型面的锲入连接结构较好地解决了支杆连接的难点；并且装、拆简便．运输、背负状态占用空间小，通过近３年的