纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)與纖維強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料性能的關(guān)系研究綜述

黃有平

摘? ?要：纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料有較高的強(qiáng)度、模量、韌性以及更好的耐低溫、抗疲勞等性能，被廣泛應(yīng)用于交通、化工、建筑電氣以及航空等領(lǐng)域。本文主要闡述了國內(nèi)外對于纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)與纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料力學(xué)性能的研究進(jìn)展，包括：纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)、纖維長度、纖維分散和取向與復(fù)合材料性能的關(guān)系，并對此作了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料;形態(tài)結(jié)構(gòu);纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù);纖維長度

近年來，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，目前最具創(chuàng)新性的是長纖維增強(qiáng)熱塑性（LFT）復(fù)合材料[1-3]，這種材料具有強(qiáng)度高、尺寸相對穩(wěn)定以及剛度較強(qiáng)等優(yōu)勢。長纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料由于使用壽命長，能夠有效取代傳統(tǒng)的短纖維增強(qiáng)熱塑性塑料（SFT）的各種缺陷和不足。這種材料已經(jīng)在材料理論的發(fā)展中為許多專家學(xué)者所廣泛研究，在材料工業(yè)方面得到了普遍的應(yīng)用，而且成為改進(jìn)工程塑料性能的必要技術(shù)之一。LFT的增強(qiáng)纖維有多種類型，主要包括玻璃纖維、碳纖維、植物纖維、芳綸纖維等，其中，玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料應(yīng)用最廣泛。LFT的力學(xué)性能除了受纖維性能和樹脂性能的影響外，復(fù)合材料中纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)對其力學(xué)性能也有較大的影響。目前，國內(nèi)外對纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)與纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料力學(xué)性能關(guān)系的研究主要有以下幾方面。

1? ? 纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)

影響LFT力學(xué)性能的一個最基本的要素就是關(guān)于纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)問題。一般來說，纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高低對復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響成正相關(guān)關(guān)系，但是就LFT來說，纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加會使得材料的孔隙率加大，一定程度上會影響原有的力學(xué)性能。與力學(xué)性能的影響關(guān)系不同的是，纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高與機(jī)械性能是正相關(guān)的關(guān)系，而并非直線性關(guān)系。

Thomason等研究了纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯的力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于40%時，纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加會對復(fù)合材料的模量CHANS產(chǎn)生呈直線上升趨勢的影響，而當(dāng)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到40%臨界值或者更高，那么模量的增長將會趨于平緩;隨著纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而強(qiáng)度增大的屬性有拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度以及沖擊強(qiáng)度等。

崔峰波等[2]對比研究了在一定溫度下的不同復(fù)合材料的彎曲性能與熱性能。隨著玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，長纖維與短纖維增強(qiáng)塑料的彎曲強(qiáng)度均隨之增大，在80 ℃的情況下，20%～30%玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的長纖維增強(qiáng)PP的彎曲強(qiáng)度比同等質(zhì)量質(zhì)量分?jǐn)?shù)的短纖維增強(qiáng)PP提高40%以上。在纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到40%以上時，強(qiáng)度提高到了65%以上。長纖維與短纖維增強(qiáng)PP熱變形溫度均隨著玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而變高。

王秋峰等[3]研究長玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能，研究方法主要為熔體包覆法。隨著玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，力學(xué)性能增加是相當(dāng)顯著的。當(dāng)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過40%，各項力學(xué)性能呈下降的趨勢。

何巧玲等[4]主要對LFT-PP的力學(xué)性能進(jìn)行深入的研究與分析，LFT-PP的拉伸負(fù)荷、強(qiáng)度以及彎曲程度的玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4%～40%范圍內(nèi)都處于上升狀態(tài)，GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到50%，會使其拉伸性能存在下降趨勢。復(fù)合材料承載的沖擊能力在GF為4%～36%時會呈現(xiàn)一定的上升趨勢，而GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高則會對沖擊強(qiáng)度形成一定的抑制作用。

絕大多數(shù)專家學(xué)者在討論纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料力學(xué)性能時，認(rèn)為其與纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)有著密切的關(guān)系。也就是說，纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)越增加，會使得復(fù)合材料的力學(xué)性能得到相應(yīng)的提升。但并不是一味地提升纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的具體值，材料的力學(xué)性能就會呈現(xiàn)越好的層次[5]?，F(xiàn)實(shí)情況是，只要纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到某一個值之后，復(fù)合材料的力學(xué)性能就會呈現(xiàn)相對下降的趨勢，此類現(xiàn)象發(fā)生的主要原因在于以下幾點(diǎn)。

（1）纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高導(dǎo)致纖維的浸漬變差，內(nèi)部纖維和纖維之間無樹脂，導(dǎo)致基體受力時內(nèi)部纖維之間易發(fā)生剝離、脫粘。（2）纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高時，在二次成型過程中纖維間易發(fā)生干摩擦，導(dǎo)致纖維損傷，長度下降，最終影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。（3）較高的纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)使復(fù)合材料中存在較多的纖維端點(diǎn)，而這些端點(diǎn)容易成為應(yīng)力集中點(diǎn)而最先遭到破壞[6-8]。

2? ? 纖維長度

纖維長度是決定復(fù)合材料性能關(guān)鍵的因素，為了更好地發(fā)揮纖維的增強(qiáng)作用，則要求塑料中所含的纖維長度必須要大于臨界長度，在這與塑料的種類存在著一定的緊密關(guān)系。假如纖維的長度小于臨界長度的取值，增強(qiáng)效果則會不太明顯，也就是說與一般粉末的填充材料區(qū)別并不是很大。

Thomason等從纖維長度變化這一屬性來研究其對纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的力學(xué)性能的具體影響角度?？傮w而言，纖維長度越長會更加有益于材料性能的提升，當(dāng)纖維長度高于0.5 mm，就會導(dǎo)致纖維的長度與材料的模量之間關(guān)系較小;當(dāng)纖維長度處于3～6 mm時，拉伸強(qiáng)度則與纖維長度的相關(guān)性就更弱;當(dāng)纖維長度高于6 mm，纖維長度對于復(fù)合材料的沖擊性能非常小。

莊輝等[6]研究了纖維長度與復(fù)合材料的韌性的關(guān)系，認(rèn)為雖然基體韌性對于LFT-PP韌性有貢獻(xiàn)，但韌性的增強(qiáng)主要源于GF作用。GF 長度也對復(fù)合材料的韌性有顯著的影響，由于GF長度增加造成的LFT-PP韌性增加，主要?dú)w結(jié)于GF拔出長度的增加。又認(rèn)為GF-PP的強(qiáng)度性能與纖維長度有著密切的關(guān)系，纖維長度的增加一般也會造成強(qiáng)度性能逐漸增強(qiáng)，SGF-PP、LFT-PP和GMT-PP之間的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)依次增加的狀態(tài)，而在彎曲強(qiáng)度這個屬性方面，GMT-PP的層間缺失以及纖維浸漬不良等問題，從而彎曲強(qiáng)度就會呈現(xiàn)較弱的狀態(tài)，最終導(dǎo)致的結(jié)果就是它的彎曲強(qiáng)度在二者之間。

Oelgarth等根據(jù)熔體包覆這個工藝對長玻璃纖維的PP性實(shí)現(xiàn)一定程度的增強(qiáng)，從而進(jìn)一步探討了復(fù)合材料的力學(xué)性能與纖維長度之間的重要關(guān)系，從而可以得到通過增加玻璃纖維長度對復(fù)合材料的力學(xué)性能的提升有著顯著的效果的結(jié)論。

莊輝等[6]創(chuàng)新性地研發(fā)出了一種能夠直接研究GF的長度對LFT-PP力學(xué)性能之間關(guān)系的在線混合的生產(chǎn)器械，也就是說隨著纖維長度的增加對LFT-PP的彎曲強(qiáng)度有著重要的影響。如果LFT-PP的彎曲模量的變化不太明顯的情況下，就可以表明其自身受到的關(guān)于纖維長度的影響也是較小的，從而就會導(dǎo)致LFT-PP的沖擊性能的持續(xù)性增加。

宋玉興等[9]探索了制備與注塑成型過程中影響長玻纖增強(qiáng)聚丙烯沖擊性能的因素，發(fā)現(xiàn)玻纖在長玻纖增強(qiáng)聚丙烯制件中的保留長度會直接影響材料的沖擊性能，玻纖在制件中的長度越長，沖擊強(qiáng)度越高。

纖維長度對于復(fù)合材料的性能影響很大，基本上是纖維長度越長，越有利于材料性能的提高，纖維長度對復(fù)合材料強(qiáng)度的貢獻(xiàn)可以從兩個方面來理解：一方面是在小于臨界長度情況下，隨著纖維長度的增加，其與樹脂的界面面積增大，復(fù)合材料斷裂時，纖維從樹脂中抽出的阻力增大，從而提高了承受載荷的能力;另一方面是在部分纖維長度達(dá)到臨界長度情況下，當(dāng)復(fù)合材料斷裂時伴隨著更多纖維的斷裂，同樣使承受載荷的能力提高。

3? ? 纖維分散度

影響復(fù)合材料的又一重要因素在于纖維束的存在，纖維束對材料性能的影響主要體現(xiàn)在纖維難以使樹脂充分地浸漬，使得纖維與樹脂之間的結(jié)合強(qiáng)度呈現(xiàn)一定程度的降低和損耗。

沈春銀等[1]針對GMT制備過程中的纖維浸漬的問題展開了討論，也就是說纖維分散與力學(xué)性能之間的重要關(guān)系，從而可以得出結(jié)論有：良好的纖維分散對玻璃纖維的改善有著一定的促進(jìn)作用，當(dāng)然這對提高GMT的力學(xué)性能也是有著積極的影響。

莊輝等[7]則針對纖維分散的變化對于復(fù)合材料的各種性質(zhì)的改變進(jìn)行研究，強(qiáng)度和韌性這兩個屬性受到的影響較小，而纖維的分散變化對材料的剛性存在著非常大的影響。一定程度上纖維的分散能夠提高拉伸模量和彎曲模量兩個重要屬性。

4? ? 纖維取向

為了準(zhǔn)確地研究纖維取向和機(jī)械性能的關(guān)系，需要用到模壓成型去制備復(fù)合材料試樣，在這個試樣中，纖維的取向是可以控制的。例如：McNally通過擠出30%填充的PET來得到高度取向的試樣，通過SEM確定試樣中的纖維高度取向后，通過模壓制成板。在與纖維取向成0°，22.5°，45°，67.5°和90°這5個方向上分別取樣來測定拉伸性能的變化，在沿90°這個方向上，拉伸強(qiáng)度，拉伸模量，彎曲強(qiáng)度和彎曲模量都減小了大約一半。纖維的取向?qū)τ跊_擊強(qiáng)度影響更大，當(dāng)纖維取向角為0°時，缺口沖擊強(qiáng)度為265 J/m ，而當(dāng)取向角為90°時，缺口沖擊強(qiáng)度只有99.8 J/m。

Blumentritt等也通過模壓的方式，對比研究了隨機(jī)取向和單軸取向試樣。研究發(fā)現(xiàn)，隨機(jī)取向的拉伸性能明顯偏低，但是下降的范圍隨著樹脂類型而改變。例如，對于填充有20t%玻璃纖維的HDPE來說，其單向拉伸強(qiáng)度為142.7 MPa，而隨機(jī)取向只有42.13 MPa;而對于有相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)填充的PC來說，其拉伸強(qiáng)度由114.4 MPa變化到61.36 MPa。這也就指出纖維取向并不是影響材料性能的唯一因素，界面結(jié)合強(qiáng)度也對材料的性能影響很大。

5? ? 結(jié)語

從國內(nèi)外長纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的研究表明，纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)、長度對復(fù)合材料的力學(xué)性能影響較大，而纖維分散度和纖維取向的影響則處于較低影響的位置。纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)和長度在臨界值下，力學(xué)性能隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)和長度的增加而增大;而纖維的分散度對復(fù)合材料的剛度影響較大;纖維的取向則更多地影響復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度。

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