纤维形态结构与纤维强热塑性复合材料性能的关系研究综述

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　　摘   要：纤维增强热塑性复合材料有较高的强度、模量、韧性以及更好的耐低温、抗疲劳等性能，被广泛应用于交通、化工、建筑电气以及航空等领域。本文主要阐述了国内外对于纤维形态结构与纤维增强热塑性复合材料力学性能的研究进展，包括：纤维质量分数、纤维长度、纤维分散和取向与复合材料性能的关系，并对此作了总结。
　　关键词：纤维增强热塑性复合材料;形态结构;纤维质量分数;纤维长度
　　近年来，纤维增强复合材料已经取得了长足的发展，目前最具创新性的是长纤维增强热塑性（LFT）复合材料[1-3]，这种材料具有强度高、尺寸相对稳定以及刚度较强等优势。长纤维增强热塑性复合材料由于使用寿命长，能够有效取代传统的短纤维增强热塑性塑料（SFT）的各种缺陷和不足。这种材料已经在材料理论的发展中为许多专家学者所广泛研究，在材料工业方面得到了普遍的应用，而且成为改进工程塑料性能的必要技术之一。LFT的增强纤维有多种类型，主要包括玻璃纤维、碳纤维、植物纤维、芳纶纤维等，其中，玻璃纤维增强热塑性复合材料应用最广泛。LFT的力学性能除了受纤维性能和树脂性能的影响外，复合材料中纤维的形态结构对其力学性能也有较大的影响。目前，国内外对纤维形态结构与纤维增强热塑性复合材料力学性能关系的研究主要有以下几方面。
　　1    纤维质量分数
　　影响LFT力学性能的一个最基本的要素就是关于纤维的质量分数问题。一般来说，纤维质量分数的高低对复合材料的力学性能的影响成正相关关系，但是就LFT来说，纤维质量分数的增加会使得材料的孔隙率加大，一定程度上会影响原有的力学性能。与力学性能的影响关系不同的是，纤维质量分數的提高与机械性能是正相关的关系，而并非直线性关系。
　　Thomason等研究了纤维质量分数对玻璃纤维增强聚丙烯的力学性能的影响，发现纤维质量分数低于40%时，纤维质量分数的增加会对复合材料的模量CHANS产生呈直线上升趋势的影响，而当纤维质量分数达到40%临界值或者更高，那么模量的增长将会趋于平缓;随着纤维质量分数的增加而强度增大的属性有拉伸强度、弯曲强度以及冲击强度等。
　　崔峰波等[2]对比研究了在一定温度下的不同复合材料的弯曲性能与热性能。随着玻璃纤维质量分数的增加，长纤维与短纤维增强塑料的弯曲强度均随之增大，在80 ℃的情况下，20%～30%玻璃纤维质量分数的长纤维增强PP的弯曲强度比同等质量质量分数的短纤维增强PP提高40%以上。在纤维质量分数达到40%以上时，强度提高到了65%以上。长纤维与短纤维增强PP热变形温度均随着玻璃纤维质量分数的增加而变高。
　　王秋峰等[3]研究长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的力学性能，研究方法主要为熔体包覆法。随着玻纤质量分数的增加，力学性能增加是相当显著的。当纤维质量分数超过40%，各项力学性能呈下降的趋势。
　　何巧玲等[4]主要对LFT-PP的力学性能进行深入的研究与分析，LFT-PP的拉伸负荷、强度以及弯曲程度的玻璃纤维质量分数在4%～40%范围内都处于上升状态，GF质量分数达到50%，会使其拉伸性能存在下降趋势。复合材料承载的冲击能力在GF为4%～36%时会呈现一定的上升趋势，而GF质量分数过高则会对冲击强度形成一定的抑制作用。
　　绝大多数专家学者在讨论纤维增强热塑性复合材料力学性能时，认为其与纤维质量分数有着密切的关系。也就是说，纤维质量分数越增加，会使得复合材料的力学性能得到相应的提升。但并不是一味地提升纤维质量分数的具体值，材料的力学性能就会呈现越好的层次[5]。现实情况是，只要纤维质量分数达到某一个值之后，复合材料的力学性能就会呈现相对下降的趋势，此类现象发生的主要原因在于以下几点。
　　（1）纤维质量分数过高导致纤维的浸渍变差，内部纤维和纤维之间无树脂，导致基体受力时内部纤维之间易发生剥离、脱粘。（2）纤维质量分数过高时，在二次成型过程中纤维间易发生干摩擦，导致纤维损伤，长度下降，最终影响复合材料的力学性能。（3）较高的纤维质量分数使复合材料中存在较多的纤维端点，而这些端点容易成为应力集中点而最先遭到破坏[6-8]。
　　2    纤维长度
　　纤维长度是决定复合材料性能关键的因素，为了更好地发挥纤维的增强作用，则要求塑料中所含的纤维长度必须要大于临界长度，在这与塑料的种类存在着一定的紧密关系。假如纤维的长度小于临界长度的取值，增强效果则会不太明显，也就是说与一般粉末的填充材料区别并不是很大。
　　Thomason等从纤维长度变化这一属性来研究其对纤维增强热塑性复合材料的力学性能的具体影响角度。总体而言，纤维长度越长会更加有益于材料性能的提升，当纤维长度高于0.5 mm，就会导致纤维的长度与材料的模量之间关系较小;当纤维长度处于3～6 mm时，拉伸强度则与纤维长度的相关性就更弱;当纤维长度高于6 mm，纤维长度对于复合材料的冲击性能非常小。
　　庄辉等[6]研究了纤维长度与复合材料的韧性的关系，认为虽然基体韧性对于LFT-PP韧性有贡献，但韧性的增强主要源于GF作用。GF 长度也对复合材料的韧性有显著的影响，由于GF长度增加造成的LFT-PP韧性增加，主要归结于GF拔出长度的增加。又认为GF-PP的强度性能与纤维长度有着密切的关系，纤维长度的增加一般也会造成强度性能逐渐增强，SGF-PP、LFT-PP和GMT-PP之间的拉伸强度呈现依次增加的状态，而在弯曲强度这个属性方面，GMT-PP的层间缺失以及纤维浸渍不良等问题，从而弯曲强度就会呈现较弱的状态，最终导致的结果就是它的弯曲强度在二者之间。
　　Oelgarth等根据熔体包覆这个工艺对长玻璃纤维的PP性实现一定程度的增强，从而进一步探讨了复合材料的力学性能与纤维长度之间的重要关系，从而可以得到通过增加玻璃纤维长度对复合材料的力学性能的提升有着显著的效果的结论。 　　庄辉等[6]创新性地研发出了一种能够直接研究GF的长度对LFT-PP力学性能之间关系的在线混合的生产器械，也就是说随着纤维长度的增加对LFT-PP的弯曲强度有着重要的影响。如果LFT-PP的弯曲模量的变化不太明显的情况下，就可以表明其自身受到的关于纤维长度的影响也是较小的，从而就会导致LFT-PP的冲击性能的持续性增加。
　　宋玉兴等[9]探索了制备与注塑成型过程中影响长玻纤增强聚丙烯冲击性能的因素，发现玻纤在长玻纤增强聚丙烯制件中的保留长度会直接影响材料的冲击性能，玻纤在制件中的长度越长，冲击强度越高。
　　纤维长度对于复合材料的性能影响很大，基本上是纤维长度越长，越有利于材料性能的提高，纤维长度对复合材料强度的贡献可以从两个方面来理解：一方面是在小于临界长度情况下，随着纤维长度的增加，其与树脂的界面面积增大，复合材料断裂时，纤维从树脂中抽出的阻力增大，从而提高了承受载荷的能力;另一方面是在部分纤维长度达到临界长度情况下，当复合材料断裂时伴随着更多纤维的断裂，同样使承受载荷的能力提高。
　　3    纤维分散度
　　影响复合材料的又一重要因素在于纤维束的存在，纤维束对材料性能的影响主要体现在纤维难以使树脂充分地浸渍，使得纤维与树脂之间的结合强度呈现一定程度的降低和损耗。
　　沈春银等[1]针对GMT制备过程中的纤维浸渍的问题展开了讨论，也就是说纤维分散与力学性能之间的重要关系，从而可以得出结论有：良好的纤维分散对玻璃纤维的改善有着一定的促进作用，当然这对提高GMT的力学性能也是有着积极的影响。
　　庄辉等[7]则针对纤维分散的变化对于复合材料的各种性质的改变进行研究，强度和韧性这两个属性受到的影响较小，而纤维的分散变化对材料的刚性存在着非常大的影响。一定程度上纤维的分散能够提高拉伸模量和弯曲模量两个重要属性。
　　4    纤维取向
　　为了准确地研究纤维取向和机械性能的关系，需要用到模压成型去制备复合材料试样，在这个试样中，纤维的取向是可以控制的。例如：McNally通过挤出30%填充的PET来得到高度取向的试样，通过SEM确定试样中的纤维高度取向后，通过模压制成板。在与纤维取向成0°，22.5°，45°，67.5°和90°这5个方向上分别取样来测定拉伸性能的变化，在沿90°这个方向上，拉伸强度，拉伸模量，弯曲强度和弯曲模量都减小了大约一半。纤维的取向对于冲击强度影响更大，当纤维取向角为0°时，缺口冲击强度为265 J/m ，而当取向角为90°时，缺口冲击强度只有99.8 J/m。
　　Blumentritt等也通过模压的方式，对比研究了随机取向和单轴取向试样。研究发现，随机取向的拉伸性能明显偏低，但是下降的范围随着树脂类型而改变。例如，对于填充有20t%玻璃纤维的HDPE来说，其单向拉伸强度为142.7 MPa，而随机取向只有42.13 MPa;而对于有相同质量分数填充的PC来说，其拉伸强度由114.4 MPa变化到61.36 MPa。这也就指出纤维取向并不是影响材料性能的唯一因素，界面结合强度也对材料的性能影响很大。
　　5    结语
　　从国内外长纤维增强热塑性复合材料的研究表明，纤维质量分数、长度对复合材料的力学性能影响较大，而纤维分散度和纤维取向的影响则处于较低影响的位置。纤维质量分数和长度在临界值下，力学性能随质量分数和长度的增加而增大;而纖维的分散度对复合材料的刚度影响较大;纤维的取向则更多地影响复合材料冲击强度。
　　[参考文献]
　　[1]沈春银，张广平，潘 敏，等.GMT片材的制造与应用技术—Ⅱ GMT片材的力学性能[J].玻璃钢，2005（3）：1-6
　　[2]崔峰波，曹国荣.玻璃纤维增强聚丙烯的性能研究[J].技术开发，2011（1）：9-11.
　　[3]王秋峰，翟 欢，侯静强，等.熔体包覆法长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的力学性能[J].高分子材料科学与工程，2007（5）：230-233.
　　[4]何巧玲，阮金刚.长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料力学性能的研究[C].张家界：中国工程塑料复合材料技术研讨会，2009：147-150.
　　[5]CHIU W Y，SHYU G D.The study on die swell， fiber length distribution and crystallinity of PP composite through extrusion[J].Applied Polymer Science，2010（4）：1493-1501.
　　[6]庄 辉，刘学习，任 璞，等. 长玻纤增强聚丙烯复合材料的力学性能比较[J].塑料工业，2007（4）：24-26.
　　[7]庄 辉，刘学习，程勇锋，等.长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的韧性[J].合成树脂及塑料，2006，23（6） ：53-55.
　　[8]庄 辉，刘学习，程勇峰，等.长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的力学性能[J].塑料科技，2007，35（5）：54-58.
　　[9]宋玉兴，方万漂，刁雪峰，等.长玻纤增强聚丙烯冲击强度的研究[C].温州：中国汽车工程学会汽车非金属材料分会年会，2008：42-46.
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