高性能纖維環氧樹脂基復合材料力學性能分析研究

于海寧，高長星，王艷華

(威海光威復合材料股份有限公司，山東 威海 264200)

0 引言

高性能纖維一般是指強度大于 17. 6 cN/dtex，彈性模量大于 440 cN/dtex ，同時具備耐高溫、耐腐蝕、耐酸堿、抗氧化等特征的化學纖維[1]。因其特殊的物理、化學結構及特點，與環氧樹脂相結合，可加工成高強質輕、抗疲勞、可設計性強、易加工成型等優異性能的復合材料，被廣泛應用于國防軍工、軌道交通、生物醫藥、工程建筑、體育休閑等領域。近年來，全球高性能纖維及復合材料產業化仍以日本、美國、歐盟為優勢主體，但隨著經濟的快速發展，我國的高性能纖維在產業化技術、品質、市場應用等方面取得了突破性進展，以自主創新探索核心技術，逐漸打破國外封鎖壟斷，國產化率穩步提升。目前正朝著制造技術先進化、低成本化、材料高性能化、多功能化和應用擴大化的方向發展。

1 高性能纖維及其復合材料

1.1 碳纖維及其復合材料

碳纖維(圖1)是一種含碳量在95%以上的的無機高分子纖維，具有低密度、高強度、耐疲勞磨損、耐化學腐蝕等優異的物理及化學性能，并伴有熱膨脹系數小、導電導熱性好、電磁透波性好等優勢，外形柔軟，可加工成不同類型的織物[2]。按照工業化生產原料的不同，碳纖維可分為聚丙烯腈基(PAN)碳纖維、瀝青基碳纖維、膠粘絲碳纖維等；按照絲束規格，可以分為小絲束(1～24 K)、大絲束(24～100 K)、巨絲束(100 K及以上)。目前市場90%以上的碳纖維都是以PAN基為原材料，在高溫、惰性氣體環境中，經過聚合、紡絲、氧化、碳化等生產工藝制成的無機高分子纖維[3]。全球碳纖維仍以日本、美國、歐盟為優勢主體，小絲束碳纖維生產基本上被日本東麗、東邦和三菱等企業所控制，市場占有率達到70%左右，大絲束則主要由美國卓爾泰克、德國西格里和日本東邦所控制，市場占有率為80%左右。

圖1 碳纖維

根據賽奧碳纖維技術統計,2019年中國的碳纖維需求量約為3.78萬噸。其中進口纖維約為2.58萬噸，國產纖維供給量為1.2萬噸，相比2018年9 000噸的國產銷量，同期增長33%，連續2年以超過30%的速率增長[4]。這證明國產纖維正在不斷取得進步，也得到了國內企業的認可。在國內市場需求旺盛、纖維產量供不應求的環境下，國內骨干企業紛紛開始進行擴產計劃，光威復材與內蒙古包頭九原區政府、丹麥維斯塔斯公司簽署合作協議，將投資20億元在包頭建設“萬噸級碳纖維產業化項目”，吉林精功集團宣布擴建2 000噸碳化線一條，中復神鷹投資50億元在西寧建設20 000噸碳纖維的擴建工程[4]。在國務院推出的《中國制造2025》中，碳纖維也被列為重點戰略材料，同日本、歐美等發達國家相比，雖然我國的碳纖維發展水平起步較晚，但現已進入到快速發展階段。目前,部分國產纖維的性能(表1)及品質，已基本達到國外同級別水平，T300級、T700級規模化量產，并已應用到航空航天領域，T800級處于工程化生產階段，T1000級、M60J級已突破關鍵的制備技術。

表1 國產纖維性能指標

碳纖維增強復合材料是以碳纖維或者織物為增強體，以樹脂、陶瓷、金屬等為基體，具有較高的比強度、比剛度，輕量化效果顯著，已廣泛應用到航空航天、軌道交通、風電葉片、體育休閑、醫療設備等諸多領域。在航空航天和軌道交通方面，已從非承力構件擴展到主承力構件；在風電方面，作為風機葉片的主材料，降低了風機負載，提高了風能利用率；在體育休閑方面，碳纖維材質的魚竿、自行車、球拍、滑雪板等器材，提高了國際體育比賽的競爭力；在醫療方面，由于其X射線透過性強且與生物相容性好，可用于制作人體器官和數字化影像設備的配套器材。

1.2 玻璃纖維及其復合材料

玻璃纖維(圖2)是一種性能優異的無機非金屬材料，以天然礦石為原料，經高溫熔制、拉絲、絡紗、織布等工藝制作而成，其單絲的直徑一般為3～10 μm，相當于一根頭發絲的1/20～1/5，具有絕緣性好、耐熱性強、耐老化等特點，但易被酸、堿侵蝕，抗扭、耐磨、抗折性能較低[5]。

圖2 玻璃纖維

依據玻璃纖維中含堿量的高低，分為無堿玻璃纖維(E玻纖)，含堿量<2%；低堿玻璃纖維，含堿量2%～6%；中堿玻璃纖維(C玻纖)，含堿量6%～12%；高堿玻璃纖維，含堿量>12%。目前市場上無堿玻璃纖維、中堿玻璃纖維的產量約占總體的98%以上。玻璃纖維環氧樹脂基復合材料是目前研究比較成熟、應用最廣的一種環氧樹脂基復合材料[6]，具有比強度高、比模量高、耐疲勞、耐腐蝕、電性能優異等優勢，已廣泛應用于交通運輸、建筑建材、電氣工業、機械工業、石油化工等領域。

1.3 芳綸及其復合材料

芳綸(圖3)全稱為“芳族聚酰胺纖維”，是分子主鏈上至少含有85%的直接與兩個芳環相連接的酰胺基團的聚酰胺經溶液紡絲產生，是一種高強度、高模量、耐高溫、耐酸堿、耐磨性、質量輕的新型高科技合成纖維，其強度是鋼材的5～6倍，模量為鋼材的2～3倍，重量僅為鋼材的1/5左右，且具有良好的絕緣性、抗老化性能以及較長的生命周期[7]。

圖3 芳綸

目前，市場上常見的是對位芳酰胺纖維(PPTA)和間位芳酰胺纖維(PMTA)兩種。鄰位芳綸因商業價值較低，故研究甚少。國際上美國的杜邦、日本帝人等企業在芳綸的研發及規模化生產已日趨成熟，產能約占全球80%以上，完全占據統治地位[8]。其中對位芳綸主要以杜邦Kevlar、帝人Technora系列產品為代表，間位芳綸主要有以杜邦Nomex、帝人Conex系列產品為代表。與國外巨頭企業相比，我國的技術水平、產業化程度相對落后，在國家政策的推動下，泰和新材、中晨藍光、儀征化纖等少數企業現已具有千噸級生產線，尤其泰和新材的間位芳綸產能達到5 600噸/年，同時具備生產間位芳綸和對位芳綸的能力，成為僅次于美國杜邦的全球第二大間位芳綸的供應商。

芳綸是重要的國防軍工材料，美國、英國等發達國家的防彈衣均為芳綸材質。芳綸防彈衣、頭盔的輕量化，可有效提高了軍隊的快速作戰能力。其次，芳綸材質的輪胎質輕胎薄、滾動阻力小、耐切割及刺穿、轉向性能好、輪胎使用壽命長，可滿足現代超音速飛機對輪胎的使用要求[9]。此外，芳綸在建材、特種防護服裝、電子設備等領域也有一定的應用。

2 環氧樹脂

環氧樹脂泛指含有兩個或兩個以上環氧基，以脂肪族、脂環族或芳香族有機化合物為骨架，并通過環氧基團反應能形成的熱固性產物的高分子低聚體，其突出特點是粘結能力強[10]。由于其具有良好的粘接性、耐腐蝕性、收縮率低以及高強度等優異性能，環氧樹脂已成為先進復合材料中應用最廣泛的基體樹脂，適用于多種成型工藝。

9A16環氧樹脂是威海光威復合材料股份有限公司自主研發的一種基于120 ℃中溫固化的增韌改性環氧樹脂，其適用以碳纖維、玻璃纖維、芳綸及織物為增強材料的預浸料。樹脂具有橡膠般韌性，可以防止微裂紋的擴散，具有良好的耐熱性、抗沖擊強度及抗剝離性，適用于熱壓罐、模壓、真空袋壓法等多種成型工藝。復合材料制件具有優良的韌性、抗沖擊性等綜合性能，可在-50～80 ℃長期使用，多用于工業產品及航空構件。

9A16環氧樹脂具體性能特點為：耐熱性好，Tg可達140 ℃；良好的樹脂流動性(圖4)；良好的黏性及可操作性；固化條件靈活，110～150 ℃均可完成固化；成型方式多樣化；良好的貯存性。

圖4 升溫黏度曲線

3 實驗及結果

以9A16環氧樹脂為基體，以碳纖維(TZ700S)、玻璃纖維(E玻纖)、芳綸(對位芳綸1414)為增強材料，采用真空袋壓法，在120 ℃條件下保溫 90 min成型，成型壓力不低于0.09 MPa，按照指定的固化工藝參數(圖5)，固化成型復合材層壓板，通過INSTRON萬能材料試驗機(圖6)對產品相關的力學性能進行測試。

圖5 固化工藝參數

圖6 INSTRON萬能材料試驗機

表2 碳纖維、玻璃纖維、芳綸性能指標

表3 單向復合材料性能數據

表4 織物復合材料性能數據

從力學性能測試的結果得出，碳纖維力學性能最優，芳綸次之，玻璃纖維相對較低。碳纖維質輕高強，耐疲勞，抗腐蝕已成為國防軍工的必備材料；玻璃纖維價格便宜，性能上可以滿足建筑、工業、化工的需求；芳綸優勢在于抗沖擊，在防護裝備中得到廣泛應用。

4 結論

高性能纖維是國民經濟和國防軍工重要的戰略性新型材料，已全面滲透到航空航天、軌道交通、工程建筑、體育休閑等領域，依托國家政策提供優良的發展環境，高性能纖維的生產設備得到有效提升，產品質量顯著提高，市場規模穩步增長[11]。此外，創建多元化的合作體系，健全并完善相關標準體系，加大科技創新力度，預計到“十四五”計劃末期，我國將成為世界上高性能纖維復合材料產業化的生產、消費大國[12]。