开发高性能复合材料中使用的新型纤维材料

５． １７ｍ， ０８－Ｘ ｃ 天线反射面为椭圆形偏置抛物面，Ｆ Ｐ火层 ｃ ２ ＫＲ 结构， 反射面背面支撑结构用Ｋ Ｆ织物增强复合材料制造 美国
Ｒ Ａ公司为多颗卫星研制的多部抛物面天线， Ｃ 其反射面均采用 Ｋ Ｆ织物增强复合材料制造［ ｕ Ｗ
为发挥Ｋ Ｆ拉伸强度高的特性， 常用Ｋ Ｆ编织各种绳索双
ｎｗ ｅｔ ｎ ｏ ｄｖｌ ｍ ｎ ｉ ｔｉａ ａ ｅ ｄ ｃｏｓ ｅｅ ｐ ｅｔ ｈ ｒ ． ｉ ｉ ｆ ｏ ｒ ｎ ｓ ｅ
Ｋｅ ｗ ｒ ｐｓｅ ｅａ ｆｒ ｈｂ ｄ ｓ ｃｍ ｏｉ ｍ ｔ ｉ， ， ｉ ｙ ｄ ｏ ｏ ｔ ａ ｒｌｉ ｅ ｙｒ ｂ
０ 前吉
所谓复合材料川 两种或两种以 是由 上物理和化学性质不同 的物质组合而成的一种多相固体材料 在复合材料中， 通常有一 相为连续相， 称为墓体； 另一相为分散相， 称为增强材料。 分散相 可以是增强纤维， 也可以是颖粒状或弥散的填料。 由于复合材料 各组分之间“ 取长补短”“ 、协同作用”使其既可保持原材料的某 ， 些特点， 又能发挥组合后的新特征． 产生单一材料所不具有的性 能， 而最重要的是复合材料可按对材料性能的需要进行设计和 制造， 即性能的可设计性Ｉ 幻 ， 。 一 增强体是高性能复合材料的关键组分， 在复合材料中起着 增加强度、 改善性能的作用。虽然可用作增强体的材料品目 萦 多， 但是先进（ 高性能） 复合材料必须用高性能纤维以及用这些 纤维制成的二维、 三维织物作为增强体川 纤维不仅能使材料显 示出较高的抗张强度和刚度， 而且能减少收缩， 提高热变形温度 和低温冲击强度等．复合材料的性能在很大程度上 取决于纤维 的性能、 含量及使用状态。所以为了满足航空、 航天等领域对先 进复合材料的需求， 开发高性能纤维材料就显得尤为重要。 本文 主要介绍了几种在开发研制高性能聚合物基复合材料中使用的 新型纤维材料， 以及它们的性能、 应用与开发动向。
１ 新型纤维材料
１１ 碳纤维 ．
碳纤维（Ｆ是先进复合材料（Ｃ 最常用的也是最重要 ） Ｃ Ａ Ｍ）
的增强体ｏ 。 ． 它是由有机纤维经固 ｚ 相反应转变而成的纤维状聚 合物碳， 是一种新型无机非金属材料。 现在应用的有机纤维主要 有聚丙 烯腊（Ａ ） Ｐ Ｎ 纤维、 人造丝（ 粘胶纤维） 和沥青纤维Ｐ７ ． ｓ 等 而目前世界各国发展的主要是Ｐ Ｎ基碳纤维和沥青基碳纤 Ａ 维。 Ａ Ｐ Ｎ基碳纤维是现在和未来发展高性能碳纤维的主要品
英军士兵所装备的防弹头盔就是用Ｋ ｖ ｒ 制成的 ｅｌ １９ ａ ２
Ｋ Ｆ既具有高强度、 高模量和低密度的特点， 良好的介 又是 电材料， 能透过电磁波， 耐腐蚀性和耐紫外线性能良好， 是制造
日本三菱化学公司用碳纤维片材“ Ｅ Ｌ Ｒ ” Ｒ Ｐ Ａ Ｋ 补强桥梁、
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烟囱、 隧道和建筑ｒ ｊ己用 Ｒ Ｐ Ａ Ｋ修复补强 ｆ －Ｉ ． ＥＬ Ｒ 几百个项 日， 其中 １９ ９８年完成的位于日本东京以西约 １０ｎ处的 ０ｋ Ｓ Ｋ ＷＡ桥 ｍ是一个最大 ＡＡ 的地爽后修复的项日 美国， 加拿人
维还有良 好的耐低温性能， 如在液氮温度下也不脆化川 但是碳 纤维性脆、 抗冲击性和高温抗氧化性较差。碳纤维主要用作树 脂、 金属、 碳、 陶瓷、 水泥基复合材料的增强体， 由它增强的复合 材料是一种目 前最受重视的高性能材料之一， 己广泛用于航空、 航天、 军事、 工业、 体育器材等许多领域［ ， Ｉ 日 ２ 本的Ｈ Ａ火箭的一级和二级连接部， － 用复合材料代替 了铝合金， 过去用约 １０ 个铝合金部件组装， ２０ 现用碳纤维增强 聚合物基复合材料（Ｆ Ｐ 的夹芯结构， ＣＲ ） 仅濡不到 ２０ ０ 个部件， 降低了部件制造费用及组装费用， 大幅度降低了成本。 富士重工 用碳纤维复合材料制造了直升飞机的无轴承叶轮装置（ 通称 ＦＲ ， Ｂ ）飞行中具有低噪音、 低振动、 高速化的效果 ＣＲ Ｐ Ｐ加固修复钢筋混凝土结构技术是一种用树脂类材料 把碳纤维粘贴于结构或构件表面， 形成复合材料体Ｃ Ｒ ． Ｆ Ｐ 通过 其与结构或构件的协同工作， 达到对结构构件补强加固及改善 受力性能的目的［的技术。 ａ ｎ 等［使用Ｃ ｓ ］ Ｒ ｊ Ｓｎ ？ ｏ ｅ ］ Ｆ增强环氧树 脂层压材料修复补强桥梁， 研究表明桥梁的强度大大提高、 弹性 响应略有增加， 并通过实验确定了该方案的可行性。 而且Ｒｊ ａｎ ｏ Ｓｎ ｅ 等也通过非线性有限元分析得到了与实验一致的结果， 在 理论上论证了Ｃ Ｆ增强聚合物层压材料加固修复钢筋混凝土桥 梁的可行性 Ｅ Ｃｓｎａ ｎ ． ｚ 等ｆ分析了评估发展长螺纹纤维增强 ｏｅ ） 聚合物基复合材料ＣＲ ） Ｆ Ｐ 加固钢筋混凝十中存在的问题， 提出 分析配方的新方法； 并采用将Ｆ Ｙ钢筋植入混凝上中， Ｒ 然后通
Ａ ｓ ａｔ Ｔ ｅ ｐｒｅ ｏ ｃ ｐｓｅ ｅａ ａ ｇｅｔ ｄｔ ｍｎｄ ｉｅｓｙ ｇ ｅ ａｄ ｐｒ ｒ ｂｔ ｃ ｒ ｈ ｐｏｅｔｓ ｏ ｏｉ ｍ ｔ ｉｓ ｒ ｌ ｅ ｒ ｉ ｂ ｎ ｎｉｉ ｆｒ， ｉ ｅｆ ｒ ｉ ｆ ｍ ｔ ａ ｒ ｌ ｒ ａｙ ｅ ｅ ｙ ｆｎ ｉ ｅ ｔ ｂ ｎ ｔ ｏ ｓ ｍ ｎｅ， ｔ ｔ ｕｅ ｔ ． ｉｐｐｒ ｃｂｓ ｅａｎｗ ｒ ｍ ｔ ｉｓ ｉ ａｅ ｄ ｄａｃｄ ｐｓ ａｃ ｃｎ ｎ ａｄ ｓ ｅ Ｔ ｓ ｅｄｓ ｉ ｓ ｒ ｅ ｆ ｅ ｅａ ｗ ｃ ｒｕｅ ｉａｖｎｅ ｃｍ ｏ ｓ ｏ ｅ ｎ ｓ ｔ ｓ ｈ ａ ｅ ｒ ｅ ｅ ｌ ｉ ａ ｒｌ ｈ ｈ ｓ ｎ ａ ｖ ｂ ｏ ｉ ｍ ｔ ｉｓ ｈ ｕ ｏ ｔｅ ｐｏｅｔｓ ａｐｃ ｉ ｓ ｄｖｌ ｍ ｎ． ｌ ｓｍ ａｓ ｅｉｉ ｐｏｌ ｓ ｔ ａ ｒｌｗｔ ｆ ｓ ｈｉ ｒｐｒｅ， ｌａｏ ａｄ ｅ ｐ ｅｔ Ｉａ ｏ ｍ ｒｅ ｘ ｔ ｇ ｂ ｍ ａｄ ｅ ｅａ ｉ ｏ ｎ ｒ ｃ ｉ ｐ ｉｔ ｎ ｎ ｅ ｏ ｔ ｕ ｓ ｉｓ ｓｎ ｒ ｅ ｎ
近 开发出 一 种预制Ｃ Ｒ ＇ 形角片。 Ｆ Ｐ 飞” 用于抗剪加固。荷兰 Ｎ Ｄ Ｉ ｎｔ ｌ Ｅ Ｒ Ｓａｓ ａ开发出一种称为“ ｐ ａ 碳拉力”ｃ ｂｎ ｅｓ线 （ ｒｏ ｓ ｓ） ａ ｔ ｒ
的产品， 这此复合材料线由碳纤维组成， 直径为 ５３ ｍ 碳拉力 ．． 线的使用可以避免由于水的涡流作用而使预应力钢筋在铁轨附 近的桥墩处发生腐蚀 ，。 ２ ］
天线罩的理想增强材料之一 因此国内外竞相开展ｒ Ｆ及 用Ｋ 其织物增强树脂基复合材料研制雷达罩的工作．如美国贡斯飞 机公司的桨状飞机雷达罩， 加拿大 飞 机制造公司的挑战者 飞 机 雷达罩都采用Ｋ Ｒ Ｆ Ｐ制造． Ｆ Ｐ还被用来制造雷达整机中的 ＫＲ
结构件， 以及机壳、 机架等。由于结构件轻、 谐振频率高、 特别适 丁制作机载、 星载天线结构 比如， 本的广播卫星天线 ， 日 口径为
芳纶纤维（ Ｆ ， Ｋ ）其化学名称为聚对苯二甲酞对苯 一胺
高， 耐冲击 性和耐药品 性优良。 ｙｅ ａ Ｄｎｅ 制成的单向（Ｄ 防弹 ｍ Ｕ） 板己应用于人体防步枪的胸插垫板， 轻型装甲材料、 防弹运钞 车、 高级警车、 坦克、 轻型装甲车和运兵车等， 能有效地防御刚性 弹 射击， 防 板相比， 等的 与 弹钢 其质量几乎减轻５％ｅ １ ０ ２ 年， ０ ０ 美国联信公司使用其商品名为“ｏ Ｓｉｄ Ｒ ＂ Ｓｅｒ Ｇ ｌ ｈｌＰ Ｃ 和＂ｐ ｔ ｄ ｅ－ ｃａ ＳｉｄＰ Ｒ 的Ｕ ＭＷＰ ｈｌ Ｖ ” Ｈ ｅ－ Ｅ纤维无纺布增强的复合材料制成目
开发高性能复合材料中使用的新型纤维材料／ 颜录科等
・６ ・ Ｉ
开发高性能复合材料中使用的新型纤维材料
颜 录科 寇开 昌 哈恩华 颜海燕
（ 西北工业大学化学工程系， ７０７） 西安 １０２
摘要 复合材料 的性 能在 很 大程度 上取 决于增 强体 — 纤维 的性 能、 含蚤及使 用状 态。 主妥介绍 了几种在 开发
Ｙ Ｎ ｋ Ｋ Ｕ ａ ｈｎ Ｈ Ｅ ｈ ａ Ａ Ｈ ｉ ｎ Ａ Ｌ ｅ Ｏ Ｋ ｉ ａｇ Ａ ｕ Ｙ Ｎ ａ ａ ｕ ｃ ｎ ｙ
（ｈｍｓ ｙ ｇ ｅ ｉ Ｄ ｐｒ ｅｔ ｏｔｗ ｓ ｒ Ｐ ｌ ｅ ｎ ａＵ ｉ ｒｔ， ａ ７０７ ， ｎ） Ｃ ｅ ｉｒ Ｅ ｉ ｅ ｎ ｅａ ｍ ｎ ｏ Ｎ ｒ ｅ ｅ ｏ ｔ ｈｉ ｌ ｖ ｓｙ Ｖ ｎ ０２ Ｃ ｉ ｔ ｎ ｎ ｒ ｇ ｔ ｆ ｈ ｔ ｎ ｙ ｃ ｃ ｎ ｅ ｉ １ ｈａ
在许多领域的应用。 此外， 在高强纤维中其耐疲劳性和耐磨性最
术在国内港口工程领域内的应用打下了良好的墓础〕 。 二 但由于 我国Ｃ Ｒ 在基础设施应用方面起步较晚， ＦＰ 与世界发达国家还 有一定的差距， 在顶层设计、 研究规划、 开发计划、 质量控制、 标
准制订等各方面都有待建立、 加强与完善
１ 芳纶纤维 ． ２
研制 高性能复合材料 中侠用的新型纤雄材料 ， 以及它们 的性 能、 用与开发动向 应
关键词 复 合材料 纤维 混杂
丁３ 八 Ｂ ｉ
Ｎｅ Ｆｉ ｒ Ｍ ａ ｅ ｉ ｌ ｅ ｉ Ａｄ ａ ｃｄ ｍｐ ｓ ｅ ｔｒ ｌ ｗ ｂ ｅ ｔ ｒａ Ｕｓ ｄ ｎ ｖｎ ｅ Ｃ ｏ ｏｉ Ｍａｅｉ ｔ ａ
和欧洲已进礼了许多使用 Ｆ １进行建筑物修复 与加固的研究 Ｒ， 开发与应用工作， 其中有着许 多困难但同时也积累了不少成功 的经验， 为今后在桥梁设训和维修， 以及在结构上采用复合材料 奠定了基础。瑞十 Ｓ ａ一直致力丁Ｆ Ｐ板材加固， ｉ ｋ Ｒ 仅在瑞十，
它们的研究就引发 了１０ 种 Ｃ Ｒ ００ Ｆ Ｐ板材加固的应用 该公司新
桥［ 的加固修复是比 ’ ‘ 较成功的一例。１ ２ 世纪初我国采用Ｃ Ｒ ＦＰ
加固技术对丹东港大东港区码头进行加固修复， 井取得成功， 为 今后的码头维修加固提供了 ， 条新的思路和方法， 也为该项技
Ｕ Ｍ Ｅ是目前比强度最高的有机纤维， Ｈ ＷＰ 但其极限使用 温度只有 １０ ３ ＇（ ０－１０Ｃ 熔点 １０ ， ５ Ｔ）蠕变较大， 因此限制了其
１３ 超高分子ｆ ． Ｒ乙烯纤维
超高分子量聚乙烯ｒ（Ｈ Ｐ ） ， Ｕ ＭＷ Ｅ纤维是由荷兰Ｄ Ｍ公 ＇ Ｓ 司发明的， 随后日本东洋纺、 美国联合信号公司等分别与Ｄ Ｍ Ｓ
合作， 使纤维的强度不断提高。口本三井石化、 东索公司以及我 国台湾的工业院在这方面也都做了不同的改进工作， 各有特点
种， 沥青基碳纤维虽在强度方面无法与Ｐ Ｎ基碳纤维竞争， Ａ 但 由于其炭化吸收率高于 ８％且原料便宜， ５ 有利于降低成本， 所 以可望通过进一步改进制备技术， 大ｔ应用于汽车和建筑等民
用领域
碳纤维具有低密度、 高强度、 高摸ｔ， 耐高温、 化学稳定性好 等许多特性， 强度和比 ｔ 比 模ｉ均优于其他无机纤维的． 另外碳纤
缝线， 在星载可展开式天线中用作天线反射而固定拉绳 信息产 业部电子第 ２ 研究所在轻型高架天线中采用 Ｋ ０ Ｆ绳作为天线
可用十土木建筑结构加固修复的Ｃ Ｒ Ｆ Ｐ材料形式主要是长
纤维， 其中包括片材， 棒材、 型材及特殊构造用材料 从国际上
拉索， 应用效果良 Ｅ 好［ ｘ
看， 在长纤维的Ｃ Ｒ Ｆ Ｐ中， 使用最多的材料形式是片材， 而布状 材料使用量最大， 每年达２０ ＇ ０ 万ｍ ， 折合碳纤维约５ １１ ｘ ｘ －６ ０ １＇ ， ０ ｇ且技术最成熟． ｋ 板材使用量较小， 于该形式的Ｃ Ｒ 但由 ＦＰ 利用效率高， 近年来使用量增长很快［７ ｔ ． 我国是在 ９７ １９ 年正式开始对Ｃ Ｒ Ｆ Ｐ加固修复土木建筑结 构进行研究的， １９ 年开始 厂 并在 ９８ 实际的工程应用， 对龙母大
过拉力从自由端将其拉出的方法有效地估计了发展可以避免快
ｌａ ｏ 颜录科 联系人， 西安市劳动南路８Ｕ ８ １ Ｅ园大学生公离２１３ 号（１０８ Ｅｍａ ！ ｌ＿ ９ ｏ ｕｃｍ －５０ ７０６） － ｉｙｎｋ ７＠ｓｈ ．
万方数据
。一
速失效的Ｆ Ｐ Ｒ 钢筋的确切民度。
材料 导报
２０ ０ ４年 ３月第 １ ８卷第 ３期