聚合物基增强材料

浅析聚合物基增强材料

关键字：聚合物基增强材料纤维

摘要：增强材料，是聚合物基复合材料的骨架。它是决定复合材料强度和刚度的主要因素。就象树木中的纤维，混凝土中的钢筋一样，它的存在必不可少。相应的，复合材料的性能在很大程度上取决于增强材料的性能，含量及使用状态。

1、概念

在聚合物基复合材料中，填充材料和增强材料都是必不可少的组成，一般，我们习惯上将仅对聚合物基体起到增量及降低成本作用的固体粉粒状物质称为该聚合物复合组成成分中的填充材料，而把可对树脂基体起到增强作用的长纤维或短纤维状物质称为该聚合物复合组成中的增强材料。而现在，随着表面处理技术的提高以及填充材料种类的扩展，大多数粉粒体填充材料也起到一定的增强作用。

1.1基本特征

作为聚合物基复合材料中的增强材料，应具有以下基本特征：

1.能明显提高基体某种所需的性能，如比强度、比模量、耐热性、耐磨性或

低膨胀性等；

2.良好的化学稳定性；

3.与树脂有良好的浸润性和适当的界面反映；

4.价格低廉。

1.2分类

从不同的物理状态出发，我们可将聚合物基增强材料分为纤维增强材料，片状增强材料颗粒状增强材料等。其中，纤维状增强材料是作用最明显，应用最广泛的一类增强材料。例如玻璃纤维，碳纤维等。这是由纤维状材料的拉伸强度和拉伸弹性模量比同一块状材料要大几个数量级，用纤维材料可对基体材料进行增强可得到高强度、高模量的复合材料。下面，介绍几种常见的纤维增强材料。

2.纤维增强材料

2.1玻璃纤维glassfiber

玻璃纤维，由熔融的玻璃液以极快的速度拉成细丝而成。它的质地柔软，具有弹性，可并股、加捻、纺织成各种玻璃布，玻璃带等织物。也基于其成本低、性能好等种种优点，玻璃纤维是目前使用量最大的一种增强纤维。

图1-1以SiO2为基本骨架玻璃纤维的一次结构

从物理性质来看，玻璃纤维外观呈现表面光滑的圆柱体，横截面几乎都是完整的原型，这样有利于提高玻璃纤维的堆密度。，从而增强玻璃钢制品中的玻璃含量。而在化学性质方面，

除去浓碱、浓磷酸和氢氟酸外几乎耐所有的无机和有机化学药品。

2.1.1玻璃纤维的制造方法

目前，生产玻璃纤维最常用的方法有坩埚拉丝法和池窑拉丝法。坩埚拉丝法需将熔融的玻璃溶液先制成玻璃球，再将玻璃球放入坩埚中有拉丝机制成直径很细的（3~20um）玻璃纤维。（如图1-1）而池窑拉丝法则是将玻璃配合料投入熔窑熔化后直接拉制成各种支数的连续玻璃纤维，与前者相比，它省去了制球工艺，生产能力高，还可自动化控制，产品质量稳定；但另一方面，由于工艺的简化，纤维直径较大，所以此法比较适用于生产粗玻璃纤维。玻璃纤维的生产工艺也造就了它突出的缺点，即较脆而且不耐磨，纤维之间的摩擦系数大。在拉丝和纺织过程中，纤维就难免出现断裂现象；同时刚拉出的纤维容易受到空气中水蒸汽的侵蚀，使其强度下降。

2.1.2玻璃纤维的应用

玻璃纤维几乎应用与我们生活的各个角落，比如玻璃布，玻璃纱，输变电塔架、街灯灯柱、下水道窨井盖等，这些皆是由于其轻质、高强和耐久性。此外，玻璃纤维还正在被用来建造桥梁——H型梁和工字梁以及桥面。钢筋正在被玻璃纤维取代，它具有钢的强度但耐腐蚀。悬吊桥的跨度太大时如果用钢材建造会因自身重量而断裂，玻璃纤维护拦业已证明比钢质护拦强度更高。

2.2碳纤维

碳纤维是指由有机纤维如黏胶纤维、聚丙烯腈纤维或沥青纤维在保护气氛下热处理碳化成为含碳量90~99%的纤维。碳纤维属于过渡形式碳，其微观结构基本类似于石墨，但层面的排列并不规整，属于乱层结构。（如图2-1）

图2-1石墨晶体结构与乱层结构图

a—石墨晶体的重叠状态；b—乱层结构的重叠状态

碳纤维具有低密度，高强度，高模量，耐高低温，耐化学腐蚀，低电阻，低热膨胀系数，耐辐射等种种优异的性能。但同时他也存在多种缺陷，这些缺陷大致可分为表面和内部缺陷两大类型。如表面裂纹，成绩无，机械损伤，毛纤，内裂纹，没孔洞等。

2.2.1碳纤维的制造

碳纤维的主要制造方法是热解有机纤维。以含C量高的有机纤维作为先驱纤维（precursor）,在N2、Ar气氛保护和施加张力牵伸下，通过加热（碳化）去除大部分非碳元素，得到碳的石墨晶体结构为主体的纤维材料。

2.2.2碳纤维的应用

目前碳纤维的主要在体育，航空，工业三方面应用。在钓竿，球棒，飞机，铁路制造等领域中都有其广泛的使用量。其他的包括机器元件、家用电器、微机、及与半导体相关的设备的复合材料的生产，另外，在X射线仪器市场上，碳纤维的应用可以减少人体住X射线下的暴露。

随着碳纤维成本的连续降低，和世界范同内的环保要求的提高，碳纤维也开始被应用于汽车领域，将来它们会被应用做尾部沸腾器，发动机，传动轴和燃料箱材料，在未来将有很好的前景。

2.3芳纶

芳纶，一种人工合成的长链聚酰胺纤维，其中至少85%的酰胺键直接与两个苯环基团连接。具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能,其强度是钢丝的5～6倍，模量为钢丝或玻璃纤维的2～3倍，具有良好的绝缘性、抗老化性能和很长的生命周期。芳纶的发现，被认为是材料界一个非常重要的历史进程。

2.3.1芳纶的分类

芳纶按化学式可分为有间位和对位两种，间位的（间位芳香族聚酰胺，如图3-1）因其高温性能好；绝热性能好；尺寸稳定性好等特点，成为了作夹层结构中使用最多的夹芯材料。而对位的（如图3-2）被用作先进复合材料。如Kevlar 纤维。Kevlar 纤维的制备过程简要可分为缩聚和纺丝两步：首先，制备出高分子量的对苯二甲酰氯对苯二胺聚合物；再通过干喷湿纺的液晶纺丝工艺制备纤维。

图3-1间位芳香族聚酰胺图3-2 聚对苯甲酰胺

2.3.2芳纶的应用

随着欧美地区开展禁止使用石棉的环境保护运动，芳纶浆粕纤维得到了迅速的发展，逐步取代石棉成为刹车片、离合器片、密封垫的主要材料。此外，它在工业领域和民用领域中也得到了广泛的应用，如光纤防护、高温过滤袋、汽车胶管、防火毯、逃生绳、阻燃窗帘、微波炉手套等。芳纶还能做成芳纶纸，用于电机、变压器、电子电器的绝缘，还可进一步加工成蜂窝结构材料，用于飞机、游艇、高铁、动车的次受件。

小结

除去以上介绍的三种，还有陶瓷纤维，碳化硅纤维，金属纤维，晶须等等性能各异却又用途广泛的纤维增强材料。此外，还有碳酸钙，碳化硅为代表的粉体增强材料，新颖的碳纳米管增强材料等等。相信随着科技的进步和社会的发展，还会有越来越多的聚合物基增强材料被应用于祖国的建设，服务于我们的生活。

参考资料：

1、《聚合物复合材料》作者：黄丽陈晓红宋怀河中国轻工业出版社2012年1月

2、《聚合物基复合材料》作者：陈宇飞郭艳宏戴亚杰化学工业出版社2010年5月

3、网络网址：/databases/7_16_iacakquaymvjtrwt.html