芳綸混雜復合材料研究進展

陳超峰，薛晴嵐，肖順波，彭開云，毛矛

(1.中藍晨光化工研究設計院有限公司，成都 610041；2.中藍晨光化工有限公司，成都 611430；3.高技術有機纖維四川省重點實驗室，成都 610041)

0 引言

芳綸增強復合材料具有輕質、高強、抗沖、耐磨、透波等性能，同時芳綸產品形態多樣，復合方式靈活且工藝適應性好，廣泛應用于航空航天、個體防護、工業傳輸、車/船及軌道交通、電子信息、體育用品等領域。但因芳綸模量低、表面惰性、含水率高等問題導致其增強樹脂基復合材料的剛性、層間性能、壓縮性能和彎曲性能差，限制了其在復合材料相關領域的應用。通常的改善途徑有兩種：一種是對纖維或樹脂進行改性，主要改善復合材料層間性能；另一種是與其他纖維進行混雜使用，通過不同纖維的優勢互補來改善復合材料的多種性能。本文對芳綸混雜復合材料的研究進展進行綜述，包括芳綸/碳纖維、芳綸/玻璃纖維、芳綸/玄武巖纖維、芳綸/超高分子量聚乙烯纖維、芳綸/陶瓷纖維、芳綸/麻等二元混雜及多元混雜體系。

1 芳綸/碳纖維混雜復合材料研究現狀

天津工業大學[1-4]采用東麗T700(12K)級碳纖維和杜邦Kevlar 49(1420D)芳綸進行3D混編，并系統研究了3D混編結構對織物/環氧樹脂復合材料性能的影響。試驗顯示，以碳纖維為軸紗的混雜織物復合材料的縱向拉伸性能和縱向彎曲性能均高于以芳綸為軸紗的混雜復合材料，3D六向結構的橫向彎曲性能明顯優于3D五向結構，其中以碳纖維為軸紗的3D六向結構的橫向彎曲強度(439.24 MPa)和模量(28.45 GPa)最高[1]。編織結構和混雜結構對復合材料表面應變分布有顯著影響，以芳綸為軸紗的混雜復合材料在拉伸載荷作用下表面變形較小，呈現脆性斷裂；以碳纖維為軸紗的混雜復合材料表面變形較為明顯，呈現韌性斷裂[2]。以芳綸為編織紗、碳纖維為軸紗的3D五向結構混編復合材料的沖擊后壓縮強度最高(130.48 MPa)，與沖擊前相比下降幅度最小(4.42%)[3]。孫穎等[4]在上述基礎上引入T400碳纖維參與混雜。試驗顯示，經緯紗為碳纖維/Z向紗為芳綸的混雜復合材料拉伸強度和模量最高，分別為1 027.79 MPa和50.17 GPa；不同編織結構隨著芳綸體積含量增加，復合材料的拉伸強度和模量降低，斷裂伸長率增加。

Wan[5]等研究了碳纖維/對位芳綸3D編織環氧復合材料的摩擦學性能和磨損機理，發現混雜復合材料在磷酸鹽緩沖溶液(PBS)潤滑條件下的摩擦系數和比磨損率較在干摩擦條件下明顯降低。在干摩擦條件下，混雜復合材料的摩擦系數均高于芳綸復合材料和碳纖維復合材料，而耐磨性介于芳綸復合材料和碳纖維復合材料之間，低于碳纖維復合材料但高于芳綸復合材料；碳纖維/芳綸體積比為3 ∶2時的摩擦系數最低，耐磨性最好。

田書全[6]研究了對位芳綸/碳纖維二維混編織物/環氧樹脂復合材料的沖擊后壓縮和疲勞性能。測試數據顯示，混編織物復合材料具有比碳纖維織物復合材料更高的抗沖擊韌性和更小的凹坑深度，落錘沖擊峰值載荷和彈性應變能最大分別提高14.4%和140.1%，凹坑深度最大降低86.3%。雖然碳纖維織物復合材料具有比混雜織物復合材料更高的壓縮載荷，但沖擊損傷對混編織物壓縮性能影響較小。

Mahdi[7]等對芳綸和碳纖維蜂窩狀復合材料結構的破碎行為進行研究。結果表明，內置6邊形或8邊形碳纖維/環氧樹脂復合材料、外置芳綸/環氧樹脂復合材料的蜂窩結構在破壞時呈現彈性、塑性形變而不發生脆性斷裂，具有較外置碳纖維/環氧樹脂復合材料更高的吸能能力，破碎試驗后的結構完整性提高7%～29%。

阮芳濤[8]等采用杜邦1 110 dtex芳綸和東麗T300碳纖維互為經緯紗制備多種平紋混雜織物，織物經乙醇超聲清洗、干燥后，以同向8層鋪疊并采用RTM真空灌注環氧樹脂制備復合材料，復合材料性能試驗顯示以碳纖維為經紗的混雜織物復合材料彎曲強度和彎曲模量明顯較高，且都隨經紗密度增加而增加，彎曲強度和彎曲模量在試驗范圍內最高分別達到604 MPa和71.5 GPa。

易凱[9]等研究了芳綸/環氧和T800級碳纖維/環氧層間混雜復合材料的抗彈沖擊性能。試驗顯示，純芳綸復合材料及混雜復合材料層板的鋼彈沖擊破壞均為表層剪切破壞、中間層分層破壞和背板層拉伸斷裂破壞。以碳纖維層為著彈面的V50和貫穿比吸能值分別達到195.46 m/s和112 J·m2/kg，都高于同厚度的芳綸復合材料和以芳綸為著彈面的混雜復合材料。

Ma[10]等對碳纖維(T700SC-12000)/芳綸(Kevlar 29)混合增強環氧樹脂復合材料管的準靜態壓縮性能和吸能能力進行研究。在纖維含量相同的情況下，三層(芳綸/碳纖維/芳綸)結構比五層(芳綸/碳纖維/芳綸/碳纖維/芳綸)結構具有更好的吸能能力。通過顯微鏡對復合材料橫截面觀察發現，復合材料破壞模式為彎曲、張開和屈曲的混合破壞，且3種破壞模式的能量吸收能力依次降低。

陳戰輝[11]等采用真空輔助樹脂滲透成形工藝制備了碳纖維復合材料和芳綸/碳纖維層間混雜復合材料，并對復合材料進行了沖擊試驗研究。試驗表明，在碳纖維層合板表面鋪覆芳綸，可以減小出射面的損傷面積和降低層合板結構的纖維斷裂損傷范圍，出射面損傷面積減幅為32%～76%；芳綸在入射面可以減小層合板的沖擊損傷程度，在出射面會造成較大的混雜界面分層。

吳思保[12]等研究了熱壓罐法成型工藝對碳纖維和雜環芳綸混雜復合材料的變形影響。試驗表明，降低復合溫度和增加復合壓力，采用二次膠接及芳綸復合材料預變形處理可以減小混雜結構復合材料的變形，其中溫度變化的影響最明顯，復合溫度由 180 ℃降至120 ℃時，復層結構的變形減小了80%。

尹寒飛[13]等利用聲發射(AE)和數字圖像(DIC)相關方法互補技術研究了碳纖維/芳綸層內混雜復合材料在拉伸過程中的信號衰減、損傷演化等。結果表明，利用AE技術能有效區分混雜復合材料中芳綸和碳纖維的損傷破壞行為；結合DIC方法，能有效反映復合材料試件表面位移場的變化規律。

芳綸/碳纖維混雜復合材料的研究較多針對混雜方式、成型工藝等對復材力學性能、防彈性能等的影響進行研究。通過優化組合，可以提升純芳綸復合材料的壓縮、彎曲及界面性能，預計在結構材料、防彈材料等領域具有應用前景。

2 芳綸/玻璃纖維混雜復合材料研究現狀

Valen?a[14]等采用Kevlar 49芳綸與S玻璃纖維制備了Kevlar49(經)/Kevlar 49(緯)、Kevlar 49(經)/S玻璃纖維(緯)和Kevlar 49(經)/Kevlar 49+S玻璃纖維(緯)三種斜紋結構的混編織物，并對織物/環氧樹脂復合材料的性能進行試驗研究。試驗顯示，幾種織物復合材料的性能各有高低，與以Kevlar 49芳綸或S玻璃纖維為緯紗相比，以Kevlar 49+S玻璃纖維為緯紗的混雜復合材料在90 °方向的屈服強度(均值154.69 MPa)和彎曲強度(均值260.30 MPa)最高，0 °方向的沖擊能量最高(均值216.27 kJ/m2)。

陳飛[15]等研究了聲發射信號在玻璃纖維/芳綸混雜復合材料板中的傳播衰減特性及波速規律。發現聲發射信號在傳播過程中，幅值隨著傳播距離成指數性衰減。當傳播距離達到200 mm時，75 °傳播方向上幅值衰減達到了90%。聲發射信號在0 °～60 °傳播方向上傳播時，波速隨角度增大而減??；在60 °～90 °傳播方向上傳播時，波速隨角度增大而增大。

楊彥峰[16]等研究了芳綸、玻璃纖維及二者混雜增強酚醛泡沫的性能。試驗顯示，玻璃纖維、芳綸和混雜都能夠大幅提高酚醛泡沫的壓縮強度、彎曲強度和沖擊強度。壓縮強度隨芳綸比例的增加而降低；當芳綸和玻璃纖維質量比為1 ∶1時的彎曲強度達到最大值0.42 MPa；沖擊強度隨芳綸比例的增加而明顯增大，當加入6%的芳綸時，其沖擊強度達到4.75 kJ/m，比純酚醛泡沫提高了324%。

Imielinska[17]研究了玻璃纖維/芳綸層內混雜和層間混雜復合材料層合板浸水老化后的低速沖擊性能。試驗表明，干態和濕態條件下兩種試樣的低速沖擊破壞模式都是纖維/基體脫粘和界面裂紋。層間混雜試樣在濕態和干態條件下的抗壓強度保留系數分別為0.77和0.63，都高于層內混雜試樣。

張超[18]等研究了玻璃纖維/芳綸混雜增強丁腈橡膠改性酚醛樹脂的摩擦性能。數據表明，添加混雜纖維能明顯降低摩擦系數和磨損率；添加后的磨損機制為疲勞和塑性變形，未添加的主要表現為疲勞、犁溝以及少量黏著磨損。

徐魯杰[19]等從混雜比、樹脂配方及成型工藝三方面對芳綸(T750芳綸織物)與高強玻璃纖維(單向布或平紋布)層間混雜復合材料的抗穿燃彈(12.7 mm)性能進行研究分析。數據顯示，單向靶板(T750芳綸織物+高強玻璃纖維單向布)的比吸能值(SAE)高于平紋靶板(T750芳綸織物+高強玻璃纖維平紋布)，SAE值最高為131.9 J·m2/kg。二者的動能消耗機理有所差異，單向靶板中纖維大片扯出吸收動能，平紋靶板逐層分層吸收動能。

Fidan[20]等采用顯微斷層掃描技術研究了玻璃纖維和玻璃纖維/芳綸混雜增強聚酯復合材料的內部沖擊損傷。試驗顯示，芳綸的加入可以明顯提高玻璃纖維增強復合材料在低速載荷下的沖擊承載能力，其韌性阻礙了沖擊載荷下裂紋的形成和裂紋的擴展，提高了抗沖擊性能和穿孔閾值。

相關文獻對芳綸/玻纖混雜體系進行優化研究及其破壞機理分析，結果顯示混雜芳綸可以明顯改善玻纖復合材料的沖擊承載能力和耐磨性等，在耐磨、抗沖擊等領域具有工業應用可能。

3 芳綸/玄武巖纖維混雜復合材料研究現狀

Bandaru[21]等制備了兩種玄武巖纖維/芳綸二維平紋雜化織物，并和聚丙烯復合制備了三種層合結構的復合材料，并研究了復合材料的拉伸性能和壓縮性能。試驗顯示，混雜復合材料的拉伸強度較玄武巖纖維復合材料提高3.02%～16.42%；楊氏模量較芳綸復合材料和玄武巖纖維復合材料分別提高2.96%～13.77%和3.16%～14.75%；壓縮強度、壓縮模量和破壞應變都介于芳綸復合材料和玄武巖纖維復合材料之間。Bandaru[22]還研究了玄武巖纖維/芳綸三維混雜織物增強聚丙烯復合材料的拉伸和壓縮性能。試驗顯示，三維混雜織物復合材料的經緯向拉伸強度、破壞應變都高于芳綸和玄武巖纖維復合材料，彈性模量和壓縮模量介于芳綸和玄武巖纖維復合材料之間。

周冬春[23]等首先制備了Kevlar 129芳綸/玄武巖纖維的3D織物/環氧復合材料，并對兩種混雜結構復合材料的拉伸和剪切性能進行研究。試驗顯示，層內混雜復合材料的徑向拉伸強度和楊氏模量分別達到281.4 MPa和15.53 GPa，高于層間混雜的222 MPa和12.8 GPa。層內混雜復合材料的剪切強度和模量分別為122 MPa和3.97 GPa，較層間混雜分別高 19.61%和26.03%。Wang[24]等進一步對復合材料的低速沖擊性能進行研究。結果表明，層間編織模式的復合材料表現出較高的韌性指數(8%～220%)、較低的峰值載荷(5%～45%)和較高的經緯向比能量吸收(9%～67%)。

Sarasini[25]等采用220 g/m2的玄武巖纖維織物和130g/m2的Twaron2200芳綸織物及環氧樹脂制備了夾心(內部7層玄武纖維巖織物，外部各3層芳綸織物)和交替(7層芳綸織物和6層玄武巖纖維織物交替排列)兩種結構的層間混雜復合材料，并對復合材料經不同能量沖擊后的彎曲性能進行研究分析。試驗顯示，兩種結構的沖擊后彎曲強度都隨沖擊能量增加而單調降低，且夾心結構的沖擊前后彎曲強度都明顯高于交替結構。但交替結構具有更好的能量吸收能力，其通過交替層的多個小分層起到破環分散作用，呈現最有利的沖擊后彎曲強度和損傷容限組合。

相關文獻對芳綸/玄武巖纖維混雜方式及其對復合材料的性能進行研究，結果顯示通過混雜可以改善芳綸復合材料和玄武巖復合材料的相關性能，層內混雜和夾心結構的混雜效應優于層間混雜和交替結構。

4 芳綸/其他纖維混雜復合材料研究現狀

Yahaya[26-27]等對紅麻/芳綸(Kevlar 129)混雜環氧復合材料的性能進行研究。結果表明，紅麻機織布混雜復合材料的拉伸強度為145.8 MPa，分別比紅麻單向布和非織造混雜復合材料高20.78%和43.55%；夏比沖擊(Charpy impact)強度為51.41 kJ/m2，分別比紅麻單向布和非織造混雜復合材料高19.78%和52.07%。彈道沖擊結果顯示,隨著紅麻含量的增加，混雜復合材料的彈道性能呈降低趨勢。雙層紅麻和14層芳綸布混雜復合材料的V50(452 m/s)和吸能值最高。

肖文瑩[28]等研究了對位芳綸和超高分子量聚乙烯纖維(UHMWPEF)單向布層間混雜復合材料靶板的防彈性能。試驗顯示，以芳綸為迎彈面和提高UHMWPEF混雜比都能夠提升抗彈性能；迎彈面選用抗壓縮剪切性能好的纖維材料，背彈面選強度高、斷裂伸長率大的纖維材料，可以提高比吸能值。當芳綸和UHMWPEF混雜比為1 ∶2，且芳綸為迎彈面時的比吸能值可達56.46 J·m2/kg。

Patnaika[29]等研究了Twaron芳綸漿粕和硅酸鋁基陶瓷纖維混雜改性酚醛復合材料的摩擦性能。結果顯示，摩擦磨損隨陶瓷纖維含量降低而持續降低，摩擦波動隨芳綸含量的增加而減小，在陶瓷纖維和芳綸為5 ∶1時整體性能最佳。

孫穎[30]等采用樹脂傳遞模塑(RTM)工藝制備了Kevlar 49芳綸、UHMWPEF和環氧樹脂的兩種層間混雜、兩種夾芯混雜和層內混雜共5種混雜結構復合材料層板(都為5層織物)，并通過落錘沖擊試驗研究了混雜結構、纖維含量對抗沖擊性能的影響。結果表明，混雜復合材料載荷峰值大于單一纖維復合材料，沖擊正面與背面都為芳綸的層間混雜方式沖擊載荷峰值最大可達到3.11 kN；當UHMWPEF含量為40%時，在沖擊能量相近的情況下，層內混雜方式的沖擊后損傷區域最小。

Zheng[31]等采用外徑24 mm的特殊燒結金剛石取芯鉆頭對陶瓷/芳綸雙層復合材料裝甲的鉆削進行了試驗研究。結果發現，從芳綸復合材料背板鉆入能獲得較為圓滑的鉆孔，隨著壁厚增加，加工效率降低；主軸轉速在2 600 r/min之前，鉆孔效率隨著轉速增加而增加；在2 600～3 200 r/min范圍內，鉆孔效率隨轉速增加而降低。

王春紅[32]等研究了洋麻/對位芳綸混紡織物的環氧復合材料性能。結果顯示，混雜復合材料的拉伸、彎曲和剪切性能大多較純芳綸復合材料有所提高，尤其是剪切性能提升明顯，其中20%洋麻/80%芳綸混紡織物復合材料剪切強度比純芳綸織物增強復合材料提高18.6%。

芳綸與其他纖維混雜的研究結果也顯示，通過混雜可以不同程度地改善單一纖維的相關性能，尤其芳綸與UHMWPEF混雜在防彈方面起到明顯的提升作用。

5 芳綸/多纖維混雜復合材料研究現狀

Li[33]等首先采用Kevlar回收短纖維、錦綸短纖維和低熔點聚酯短纖維制備混合非織造布(CF)，再將兩層混合非織造布和1層芳綸織物(K)或1層玻璃纖維織物(G)制成兩種夾心材料(K-CF和G-CF)，再將兩種夾心材料通過針刺、熱粘合制備多種組合的復合織物材料(5層K-CF、5層G-CF和1層K-CF與4層G-CF的多種組合)，并對織物復合材料的靜態和動態穿刺性能進行研究。靜態和動態穿刺試驗結果均顯示5層都為K-CF材料的抗穿刺值最高，分別達到1 000 N/(g/cm3)和1 600 N/(g/cm3)以上。

衛軍[34]等研究了多纖維層間混雜組合對鋼筋混凝土梁延性的影響。結果表明，芳綸/玄武巖纖維/碳纖維組合方式能大幅度提高延性，同時保證受彎構件具有較高的極限承載力和剛度。芳綸/玄武巖纖維/碳纖維混雜模式中，芳綸和玄武巖纖維共同作用下的應力平穩轉移使多纖維混雜的斷裂延伸率比碳纖維復合材料提高了70.2%，極限位移提高了50.8%。

張超[35]等研究了芳綸/玻璃纖維/鋼纖維/銅纖維不同混雜組合對增強丁腈橡膠改性酚醛樹脂基體的摩擦性能影響。結果顯示，混雜纖維的加入明顯提高了摩擦系數和抗剪切能力，降低了磨損率。摩擦機理試驗顯示，芳綸/玻璃纖維/鋼纖維/銅纖維混雜組合材料的磨損形式為犁溝和塑性變形；芳綸/玻璃纖維混雜組合的材料磨損形式主要為黏著磨損。

柴曉明[36]等研究了Kevlar 129平紋織物、S玻璃纖維平紋織物和T300級碳纖維平紋織物單一組分或多組分混雜熱塑性復合材料對彈體的動能吸收能力。試驗顯示，復合材料樹脂質量分數為20%時的彈道性能最佳，按碳纖維織物/玻璃纖維織物/芳綸織物順序復合的V50和比吸能值分別達到257.3 m/s和85.7 J·m2/kg，顯示了最優的防彈性能。

通過多纖維混雜，發揮不同纖維的性能優勢，可以形成互補協同效應，后續應深入研究多纖維協同作用機理。

6 結語

目前的研究結果顯示通過混雜可以實現芳綸復合材料相關性能的改善提升，尤其在抗沖擊、耐磨和防彈等方面提升效果明顯，纖維類型、混雜方式、固化工藝等都會對最終復合材料的性能造成影響。根據不同的應用需求，纖維類型搭配和混雜方式的可選擇性多樣，具有很強的可設計性、可實現性和可優化性，預期未來混雜復合材料在多領域具有應用前景。后續應加強芳綸混雜復合材料的老化性能及綜合工況下的服役性能等評價研究，同時形成系列標準產品及數據手冊，為芳綸混雜復合材料的工業應用提供設計依據和參考。