長纖維增強熱塑性復合材料的研究進展

摘 要：綜述了長纖維增強熱塑性復合材料的研究進展，詳細介紹了長纖維增強熱塑性復合材料性能的影響因素，包括纖維含量、纖維長度、界面狀態以及注塑過程中纖維的取向等，最后對長纖維增強熱塑性復合材料的發展做出了展望。

關鍵詞：長纖維 熱塑性 復合材料

中圖分類號：TQ32 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）11（a）-0076-01

纖維增強聚合物復合材料的強度、剛度和尺寸穩定性等均優于未增強的聚合物基體材料。近年來，以玻璃纖維（GF）、碳纖維（CF）和芳綸纖維為增強材料的長纖維增強熱塑性復合材料已應用于汽車、航空航天、電子電氣、機械等領域。其強度高、密度小、價格低、易于回收利用，被認為是可替代鋼材而使汽車輕量化的理想材料，加快了高性能塑料替代金屬材料的步伐[1]。

當今，隨著汽車數量持續增加，降低汽車油耗、減少尾氣排放、保護大氣環境已成為全球最為關注的問題。汽車輕量化設計可以降低油耗，而采用高性能的汽車輕量化材料制作汽車零部件可作為最有效的手段之一。另外，航天航空等對先進、高性能材料的需求的也日益增加。因此，長纖維增強熱塑性復合材料研究開發引起了復合材料界的高度重視，并且近年來已成為一類迅速發展的高性能復合材料。目前，長纖維增強熱塑性復合材料在工業發達國家（美國、法國、日本等）發展和應用較快，并走在世界的前列。我國長纖維增強熱塑性復合材料的研制工作起步較晚，長纖維增強熱塑性復合材料在國內汽車零配部件上的開發、設計與應用也只有少量制品，總體上還處于剛起步階段。

1 長纖維增強熱塑性復合材料的特點

與傳統的短纖維增強粒料相比，長纖維增強熱塑性復合材料在結構上有著顯著不同：長纖維粒料中，纖維在樹脂基體中沿軸向平行排列和分散，纖維長度等于粒料長度，且被樹脂充分浸漬；而在短纖維粒料內，纖維無序地分散于基體當中，其長度遠小于粒料的長度且不均勻。

短纖維與長纖維粒料結構上的不同主要取決于制備工藝的不同：后者在制備過程中纖維一直處于連續狀態，經切粒后得到固定的長度；而前者在制備之前要先進行粉碎，然后再與樹脂基體通過螺桿擠出機擠出后造粒制得，或者是連續纖維與樹脂基體經螺桿擠出機共同擠出后造粒制得?？梢?，短纖維粒料的在制備過程中都要經過螺桿擠出機的擠出工序，而在這個過程中因為受到螺桿和熔體的剪切力作用，大部分纖維被嚴重損壞，纖維長度大大減小。

短纖維與長纖維粒料結構的不同導致了兩者在性能上也存在明顯差異。與短纖維增強熱塑性復合材料相比，長纖維增強熱塑性復合材料具有以下優點。

（1）長纖維增強熱塑性復合材料的纖維長度較長，而且纖維分散較為均勻，可以顯著提高復合材料的力學性能，如拉伸、彎曲、沖擊性能等。

（2）比剛度和比強度高，抗沖擊性能好，更適用于制作汽車部件。

（3）耐蠕變性能高，尺寸穩定性好，可以提高制件的精度。

（4）耐疲勞性能優良，在高溫和潮濕的環境中穩定性更好。

2 長纖維增強熱塑性復合材料的性能影響因素

長纖維增強熱塑性復合材料的性能主要由纖維含量、纖維長度、界面狀態以及注塑過程中纖維的取向等因素決定[2]。

2.1 纖維含量

一般來講，隨纖維含量增加復合材料的力學性能和尺寸穩定性增強，但纖維含量高時，在加工過程中熔體的流動性變差，纖維分布不均勻，從而導致其力學性能隨纖維含量繼續增加而增加的幅度下降，甚至有些性能反而會下降。

2.2 纖維長度

纖維長度對復合材料的力學性能影響很大，在一定長度范圍內，其力學性能隨纖維長度增加而提高。由于纖維增強材料受到外力作用時，纖維在界面剪切力的作用下撥出和斷裂，吸收能量越多材料力學性能越好。當纖維長度大時，纖維的撥出和斷裂可吸收較多能量；當纖維長度小時，纖維未斷裂之前，就與基體分離，纖維未能充分發揮其增強作用，甚至只起填充材料作用。長纖維復合材料經過加工制件后，其纖維長度雖有破壞，但保留長度仍遠大于短玻璃纖維增強產品，所以其綜合性能優于短纖維增強復合材料。但當纖維長度達到一定數值后，隨纖維長度的增加，復合材料力學性能提高效果不明顯，甚至一些性能會下降。這是因為纖維長度很長時，纖維在復合材料中彎曲、纏結，纖維承力的有效長度沒有變大。

2.3 界面狀態

界面存在于纖維和樹脂基體之間，其功能作用為傳遞載荷。而纖維增強復合材料的界面面積很大，因此對復合材料性能影響很大。均勻、恒定、適當強度大小的界面可以抵抗多種熱應力和變形應力，以保證把樹脂基體受到的載荷有效地傳遞給纖維。

2.4 纖維取向

纖維增強復合材料性能直接與纖維分布取向相關聯，在纖維取向方向上復合材料具有更高強度和剛度。因此，復合材料中纖維取向性越小，其分布越均勻，制品的各向異性越小。

3 長纖維增強熱塑性復合材料的發展趨勢及展望

長纖維增強熱塑性復合材料具有高強度、高抗沖擊性能、耐蠕變性能和好的尺寸穩定性等優點，廣泛應用于汽車、航天航空、建筑、機械、體育器械、電子/電氣、包裝等行業。其中，長玻璃纖維增強熱塑性復合材料在汽車制造的應用最為廣泛，因為它們出眾的強度和模量可以大量的減輕重量，并且相對的易于制造和加工。車輛重量的減輕總的來說是提高燃料的利用率，在這方面降低生產成本實質上是獲得了環境和經濟效益。通常，長玻璃纖維增強熱塑性復合材的一些優點甚至超過了金屬，包括高的抗沖擊性能、好的韌性、改善阻尼和抗腐蝕性，并且易于成型和循環利用。因此，長玻璃纖維增強熱塑性復合材已經被用于設計和制造各種各樣的組件，包括汽車等的儀表盤、車座殼體、電池殼、備用輪胎倉等[3]。

長纖維增強熱塑性復合材料已廣泛用于汽車、建材、電子電器、機械等行業。我國汽車、建材等行業正處于快速發展階段。而目前我國各行業所用的長纖維增強熱塑性復合材料主要是靠進口。因此，如何在已有研究的基礎上，自主研究開發高性能的長纖維增強熱塑性復合材料，加快推動其產業化進程，將有利于降低能耗、節約資源和減少污染。這符合我國建設節約型社會及可持續發展的原則，是目前復合材料領域面臨的一項重要任務。

參考文獻

[1] 曾天卷.玻璃纖維增強熱塑性塑料—— 短纖維粒料和長纖維粒料[J].玻璃纖維，2008.