纤维增强环氧树脂基复合材料的研究进展_苏航

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纤维增强环氧树脂基复合材料的成型工艺包括 预浸料等半成品的制备、增强材料预成型和复合材
［5 ］ 料的固化成型 3 个方面 。不同的工艺方法可能同 时或分别进行， 包括树脂的浸渍、 与纤维的复合、
固化和成型。 纤维增强环氧树脂基复合材料的成型工艺有手 糊成型、热压罐成型、缠绕成型、拉挤成型、树脂 传递模塑（ RTM） 成型等。 2 研究进展及应用 2. 1 玻璃纤维增强环氧复合材料 玻璃纤维 （ GF ） / 环氧树脂 （ EP ） 复合材料是目 前研究比较成熟、 应用最广的一种环氧复合材料。 GF / EP 复合 材 料 具 有 质 量 轻、 强 度 高、 模 量 大、 耐腐蚀性好、电性能优异、原料来源广泛、工艺性 好、加工成型简便、生产效率高等特点，并具有材 料可设计性及特殊的功能性如屏蔽电磁波 、消音等 特点，已成为国民经济、国防建设和科技发展中无
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法替代的重要材料，可用于防弹头盔、防弹服、直 升机机翼、 预警机雷达罩、 高压容器、 民用机直 板、体育用品、各类耐高温制品等。 ［6 ］ 廖子龙 等采用自制的 EP 浸渍玻璃纤维布， 制备了复合材料层压板。研究发现该复合材料在湿 热条件下具有较高的力学性能保持率 ，其耐湿热性 能良好。扫描电镜分析发现该复合材料界面粘接状 况较好，已用于直升机的结构件。 陈晓东 等对真空袋 － 热压罐法成型的单向 GF / EP 复合材料的微观结构进行分析， 建立了蜂 窝状排列的正六棱柱单元晶胞模型。 以此模型模 拟，通过有限元法得到纵向的工程常数 ，并且与拉 伸实验结果比较： 采用有限元法对正六面体单胞模 型的弹性常数的预测和实验测得的数值非常接近 ， 说明此模型可用于工程分析， 从而减少实验的工 作量。 纤维与基体之间的界面是纤维复合材料中的关 ［8 ］ 键组分之一。 孙丽莉 等用自组装疏水膜进行表 面改性的 GF 与环氧树脂基体复合得到不同界面强 度的复合材料。用带偏光显微镜的拉伸仪，研究在 不同界面强度下 GF / EP 复合材料的破坏过程及力 学性能。结果表明，纤维表面改性前，纤维与基体 之间为强界面结合； 纤维表面改性后，纤维与基体 之间为弱界面结合。复合材料在强界面情况下发生 脆性破坏， 在弱界面情况下发生韧性破坏。 Shinji Ogihara［9］等研究了在复杂应力状态下 GF / EP 复合 材料界面的破坏。通过测试界面脱粘应力以及有限 元分析来确定界面破坏的初始位置 。研究发现，对 于所有的实验制件， 其界面的破坏都是从 θ = 90 ° 纤维的界面处开始 （ θ 是指纤维铺层方向与制件受 力方向的夹角） ，并且界面的剪切强度均要高于其 横向拉伸强度。 王春齐 等研究了温度、 压力对浸泡在水中 的 GF / E － 51 复合材料的吸湿性及力学性能的影 响。研究发现： 温度对复合材料的吸湿影响较大， 压力对复合材料吸湿及吸湿后材料的剪切强度有明 显的影响，且吸湿后剪切强度下降的主要原因是复 合材料的界面脱粘。 ［11 ］ 尹志娟 等用 S 玻璃纤维和 E 玻璃纤维制备 GF / EP 复合 材 料， 研 究 其 低 温 性 能。 研 究 发 现， 当温度降到 76 K 时材料的强度达到最高值， S 玻 纤 / EP 复合材料的拉伸强度最高值可达 2. 1 GPa； E 玻纤 / EP 复合材料的最大拉伸强度可达 1. 4 GPa。 由于低温下玻璃纤维 的 横 向 收 缩 比 EP 树 脂 基 体 小，因而界面摩擦力得到增强，从而获得较高的界
比模量、耐疲劳强度以及耐烧蚀性能好等一系列优 ［13 ， 14 ］ 。它还具有密度小、 热膨胀系数小、 耐腐 点 蚀和抗蠕变性能优异及整体性好 、抗分层、抗冲击 ［15 ， 16 ］ 。 CF / EP 复合材料己广泛应用于制作 等特点 火箭喷管、导弹头部鼻锥、飞机和人造卫星结构件 及文体用品，可以作为医用材料、密封材料、制动 材料、电磁屏蔽材料和防热材料等。 ［17 ］ 谢小林 等利用超声 F 扫描检测了经不同能 量冲击后的 CF / EP 复合材料层合板， 从而测量复 合材料受冲击前后的电阻。 结果表明， 超声 F 扫 描可确定复合材料损伤的大小、 位置， 能够确定 EP / CF 复合材料冲击损伤的能量阈值， 提高了基 于电阻变化判断复合材料损伤的准确性 ，为利用电 阻法对力学性能进行诊断提供了依据 。 等对 CF / EP 单向复合材料在湿热环 境下的吸湿残余应力进行研究。研究表明，树脂基 体长时间吸湿导致的残余应力能够达到较高水平 （ 30 MPa 以上） ，其中纤维间距较小的基体区域以 及基体和纤维界面处的应力水平明显高于其他区 域，且在界面处应力值为最高。 通过微 Raman 光 谱仪对 CF / EP 单向复合材料的湿热残余应力进行 研究，可以给出细观尺度上的湿热应力分布 ，得到 18］ 与参考文献［ 相似的结果。 等通过酸化处理在纳米 CF 表面引入 了羟基和羧基等， 能参与 EP 固化反应的官能团。 酸化处理提高了复合材料流体的流动性 ，并且能有 效改善纤维与树脂的界面结合状况 ，提高复合材料 的断裂韧性。结果显示， 当酸化纳米 CF 质量分数 为 0. 5% 时，所得纳米复合材料的断裂韧性较纯环 氧树脂浇注体提高了 27. 7 % ，比未表面处理的纳 米 CF / EP 复合材料提高了 10. 7 % ， 且弯曲模量也 有所增加。
（ 西北工业大学理学院应用化学系，陕西西安 710129 ）
摘
要： 综述了纤维增强环氧树脂基复合材料的应用及研究进展 ，其中包括玻璃纤维（ GF） 增强、碳纤维 （ CF ） 增
强，芳纶纤维，混杂纤维及植物纤维增强等 。 关键词： 环氧树脂； 纤维增强复合材料； 玻璃纤维； 碳纤维； 芳纶纤维； 混杂纤维； 植物纤维 中图分类号： TQ323. 5 文献标识码： A 文章编号： 1002 － 7432 （ 2011 ） 04 － 0054 － 04
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磨粒磨损为主，混杂复合材料的磨损机制主要取决 于 CF 与 UHMWPE 纤 维 的 相 对 含 量， 通 过 调 节 UHMWPE 和 CF 的体积比，可实现对复合材料摩擦 磨损性能的有效调控研究。研究表明，在纤维总体 积分数为 36% 时， 随着 UHMWPE / CF 混杂比的减 小，复合材料的弯曲强度、弯曲模量及压缩强度增 大，而其纵向剪切强度及冲击韧性降低 。 由于人们对环境问题重视， 在过去 10 年中， ［28 ］ 可降解生物复合材料受到了更多的关注 。 生物 复合材料是指复合材料中的一相至少是来源于生 物。这些复合材料一般都是由植物纤维增强 （ 如亚 麻、竹子） 或 动 物 纤 维 增 强 （ 如 羽 毛 ） 组 成。 张 定 ［29 ］ 军 等制备了玉米秸秆纤维 / EP 复合材料， 并研 究了其性能。 研究表明， 当 EP 质量分数为 15% ， 作为相容剂 m（ 多异氰酸酯 ） ∶ m （ 秸秆纤维 ） 为 1 ∶ 3 时所制备的复合材料具有良好的力学性能 ，弹性模 量可达 72. 7 GPa， 溶胀率和吸水率均较低， 是一 种较 为 优 良 的 新 型 环 保 型 复 合 材 料。 Mingjiang Zhan 等用鸡毛纤维（ CFF） 制备了 EP 复合材料， 并 研究了其电性能。研究发现 CFF / EP 复合材料的电 阻率要比 GF / EP 复合材料高 2 ～ 4 个数量级。 CFF 与 GF 共用的混杂纤维复合材料的介电常数为 4. 1 和介电损耗为 0. 027 ，这与印制电路板 PCB 材料相 近，说明 CFF / EP 复合材料可被应用于 PCB 行业。 而混杂纤维复合材料在保证了材料性能的同时降低 ［30 ］ 了成本，并且更加环保。Igor Maria De Rosa 等研 究了新西兰麻纤维增强 EP 复合材料的力学性能及 热性能。 研 究 发 现， 当 纤 维 质 量 分 数 为 20% 时， 麻单向纤维复合材料与纯的环氧树脂浇注体相比表 现出更高的拉伸强度及模量以及弯曲强度及模量 。 而新西兰麻的短纤维复合材料与纯的环氧树脂浇注 体相比虽然也表现出更高的拉伸及弯曲模量 ，但是 强度却有不同程度的下降， 尤其是拉伸强度。 用 TGA 显示，复合材料的耐热性要优于新西兰麻纤 维及纯的环氧树脂浇注体。 聚对苯撑苯并双恶唑 （ PBO ） 纤维是由 PBO 经 过液晶纺丝技术制得的高性能纤维 ，它是目前综合 性能最优异的一种有机纤维。 因此， PBO 纤维被 用于航空航天及民用先进复合材料的增强材料 。但 是由于 PBO 分子规则有序的取向结构使得纤维表 面非常光滑，而且纤维表面极性也很小，因而在应 用中需对 PBO 纤维表面进行改性。 王飞 等通过 自制的 专 用 处 理 剂 处 理 PBO 纤 维 表 面， 制 备 了 PBO / EP 复合材料， 并对纤维表面状态进行分析。 结果表明，经过专用处理剂处理后的 PBO 纤维表
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面粘接强度。 Lars Bger［12］ 等 人 通 过 填 加 纳 米 颗 粒 改 进 了 GF / EP 复合材料的耐疲劳性能。 研究发现， 通过 向 EP / GF 复合材料中填加纳米级的多壁碳纳米管 以及气相二氧化硅，能够显著提升复合材料的耐疲 劳性能，其断裂强度提高了 16% ， 拉伸和压缩的 交替载荷下的破坏周期的提高更为显著 。同时发现 裂纹的扩展会引起材料电阻的升高 ，从而可以通过 电阻变化来预测复合材料的损伤 。 2. 2 碳纤维增强环氧复合材料 碳纤维（ CF） / EP 复合材料具有较高的比强度、
【收稿日期】 2010 － 12 － 26 ； 【修回日期】 2011 － 01 － 18 【作者简介 】 苏 航 （ 1984 —） ， 男， 陕西汉中人， 硕士研究生在 读，研究方向为高分子材料改性。 * 通讯联系人，Email： zhengsr@ nwpu. edu. cn
第4 期
苏
航等： 纤维增强环氧树脂基复合材料的研究进展
Research progress of fiber reinforced epoxy resin composites
SU Hang，ZHENG Shui － rong * ，SUN Man － ling，CHEN Xiao － ming，FAN Yong － li （ Department of Applied Chemistry，School of Science，Northwestern Polytechnical University，Xi＇an 710129 ，China） Abstract： The applications and research progress of fiber reinforced epoxy composite were reviewed． The glass fiber （ GF） ，carbon fiber （ CF） ，aramid fiber，hybrid fiber and plant fiber reinforced composite were included. Key words： epoxy resin ； fiber reinforced composites； glass fiber ； carbon fiber ； aramid fiber ； hybrid fiber ； plant fiber