纤维增强树脂基复合材料研究进展

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摘要：纤维增强树脂基复合材料由于其优异的力学性能和较低的密度，作为一种高新材料被广泛应用于汽车、航天等领域。本文简单介绍了复合材料的增强机理与几种纤维复合材料、并对纳米纤维复合材料的发展做了简要叙述，对复合材料的发展趋势进行了展望。

关键词：纤维增强；树脂基复合材料；纳米纤维

经过纤维增强后的材料与原纯树脂材料其模量、耐冲击性、耐腐蚀、隔热等优点有了明显地提高，常用的基体树脂包括热固性树脂如环氧类聚合物、酚醛树脂以及不饱和聚合物等，热塑性树脂聚丙烯腈、聚丙烯等。

近来兴起的纳米纤维由于纤维尺寸进入纳米级以后所具有的独特的小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应而使复合材料在结构参数（符合度、联接型、标度等）与常规纤维相比有很大的改变，通过改变纳米材料的聚集结构、高聚物基体的结构性能、粒子与基体的界面结构以及加工复合工艺1等，可以大幅度改变复合材料性能。

1.增强机理

复合材料是由两种或者多种性质不同的材料通过物理或者化学复合，组成具有两个或者两个以上相态结构的材料，在纤维增强材料中有，基体通过界面将载荷有效地传递到增强相当中，纤维是承受由基体传递来的有效载荷，是主承力相2。各相之间的接触面即界面是复合材料中最为重要的微结构，对复合材料的性能影响极大。基体材料与复合材料之间相互接触发成界面反应，形成一个小尺寸界面，并在此界面上产生界面效应例如阻止裂纹的进一步扩展。两相之间相互作用力的强弱取决于相表面的形态包括增强相表面的粗糙程度、偶联剂的使用、界面的浸湿、化学键的形成等。

复合材料的复合效应3是其他所有材料所不具备的，包括线性效应比如协同、加和，非线性效应比如系统效应、混合效应等。正是由于这些效应使得复合材料在力学性能或其它光学磁学等性能上优于其他材料，有人预计21世纪是人类从钢铁材料走向复合材料的一个新世纪。

2.纤维增强

2.1天然纤维增强

复合材料中的天然纤维多指纤维素，也有壳聚糖纤维等其它天然纤维。天然纤维具有可再生，无生物毒性、易分解等优点。有研究指出经黄麻纤维4、苎麻纤维5经过涂布法或者热压成型法成型，并对纤维的捻度、长径分布进行讨论，测得不同条件下纤维的拉伸强度可以得出纤维增强后的热固性树脂力学性能有极大提高。天然纤维大多数是以葡萄糖为单体单元，由于其多羟基结构使得它具有很强的亲水性。它与聚合物的相容性、复合材料的吸水速率会影响到复合材料的力学性能，可以加入助剂比如硅烷乙酰类，酸类相容剂，或者对纤维的表面进行处理，使得相容性提高，吸水率降低。M.boopalan6将黄麻纤维和剑麻纤维经过酸处理酯化后与环氧树脂进行原位复合，并用FTIR进行表征，在1239cm-1出检测到有峰出现，表明苯环C与羟基相连，得到了很好的相容性增强。

2.2人造纤维增强

人造纤维包括有机合成纤维如高聚物纤维如涤纶氯纶等和无机纤维如玻璃纤维、碳纤维等。玻璃纤维与碳纤维复合材料相比玻璃纤维与树脂基复合材料的结合界面力不够强，通过破坏性试验研究断面的SEM图可以发现玻璃纤维的断裂发生在界面上，而碳纤维的断裂发生在树脂内部7。可以使用偶联剂、浸润剂、等离子体等处理方法对玻璃纤维进行改性8。碳纤维的表面活性官能团较少，表面能低，呈现出表面化学惰性，与聚合物进行复合是很难形成稳定的界面相，结合力较弱,可以通过气相氧化法、阳极氧化法、电聚合表面涂层法、液相氧化法及等离子氧化法等9改善其表面性质。

碳纳米管是近来出现的一个热门领域，由于其独特的纳米尺寸使得它表面原子比例、表面能和活性增大,从而产生了小尺寸效应、表面或界面效应、量子尺寸效应等,在化学、物理性质方面表现出特异性，是复合材料目前在理论上最理想的材料。现在多用原位聚合法制备碳纳米管复合材料，Qian10等用TEM观察原位聚合法复合材料的形变机理和载荷转移发现开裂不会再裂缝中而不是PS机体内，说明载荷被有效地专业到了纳米管上。碳纳米管的研究尚处于起步阶段，许多理论问题有待发展和完善。预计今后的研究方向包括碳纳米管和聚合物两相之间相容性，两相之间界面作用的表征和研究，提高碳纳米管的分散和在聚合物中的取向的方法研究，碳纳米管的加入对聚合物结构性能的影响等。（作者单位：郑州大学 材料科学与工程学院）

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