黃有平

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

關鍵詞：纖維增強熱塑性復合材料;形態(tài)結(jié)構(gòu);纖維質(zhì)量分數(shù);纖維長度

近年來，纖維增強復合材料已經(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熱塑性（LFT）復合材料[1-3]，這種材料具有強度高、尺寸相對穩(wěn)定以及剛度較強等優(yōu)勢。長纖維增強熱塑性復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)展中為許多專家學者所廣泛研究，在材料工業(yè)方面得到了普遍的應用，而且成為改進工程塑料性能的必要技術之一。LFT的增強纖維有多種類型，主要包括玻璃纖維、碳纖維、植物纖維、芳綸纖維等，其中，玻璃纖維增強熱塑性復合材料應用最廣泛。LFT的力學性能除了受纖維性能和樹脂性能的影響外，復合材料中纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)對其力學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)與纖維增強熱塑性復合材料力學性能關系的研究主要有以下幾方面。

1? ? 纖維質(zhì)量分數(shù)

影響LFT力學性能的一個最基本的要素就是關于纖維的質(zhì)量分數(shù)問題。一般來說，纖維質(zhì)量分數(shù)的高低對復合材料的力學性能的影響成正相關關系，但是就LFT來說，纖維質(zhì)量分數(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性能。與力學性能的影響關系不同的是，纖維質(zhì)量分數(shù)的提高與機械性能是正相關的關系，而并非直線性關系。

Thomason等研究了纖維質(zhì)量分數(shù)對玻璃纖維增強聚丙烯的力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)纖維質(zhì)量分數(shù)低于40%時，纖維質(zhì)量分數(shù)的增加會對復合材料的模量CHANS產(chǎn)生呈直線上升趨勢的影響，而當纖維質(zhì)量分數(shù)達到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)量分數(shù)的增加而強度增大的屬性有拉伸強度、彎曲強度以及沖擊強度等。

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

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

何巧玲等[4]主要對LFT-PP的力學性能進行深入的研究與分析，LFT-PP的拉伸負荷、強度以及彎曲程度的玻璃纖維質(zhì)量分數(shù)在4%～40%范圍內(nèi)都處于上升狀態(tài)，GF質(zhì)量分數(shù)達到50%，會使其拉伸性能存在下降趨勢。復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)量分數(shù)過高則會對沖擊強度形成一定的抑制作用。

絕大多數(shù)專家學者在討論纖維增強熱塑性復合材料力學性能時，認為其與纖維質(zhì)量分數(shù)有著密切的關系。也就是說，纖維質(zhì)量分數(shù)越增加，會使得復合材料的力學性能得到相應的提升。但并不是一味地提升纖維質(zhì)量分數(shù)的具體值，材料的力學性能就會呈現(xiàn)越好的層次[5]?，F(xiàn)實情況是，只要纖維質(zhì)量分數(shù)達到某一個值之后，復合材料的力學性能就會呈現(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。

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

2? ? 纖維長度

纖維長度是決定復合材料性能關鍵的因素，為了更好地發(fā)揮纖維的增強作用，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系。假如纖維的長度小于臨界長度的取值，增強效果則會不太明顯，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熱塑性復合材料的力學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，當纖維長度高于0.5 mm，就會導致纖維的長度與材料的模量之間關系較小;當纖維長度處于3～6 mm時，拉伸強度則與纖維長度的相關性就更弱;當纖維長度高于6 mm，纖維長度對于復合材料的沖擊性能非常小。

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

Oelgarth等根據(jù)熔體包覆這個工藝對長玻璃纖維的PP性實現(xiàn)一定程度的增強，從而進一步探討了復合材料的力學性能與纖維長度之間的重要關系，從而可以得到通過增加玻璃纖維長度對復合材料的力學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力學性能之間關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于纖維長度的影響也是較小的，從而就會導致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聚丙烯沖擊性能的因素，發(fā)現(xiàn)玻纖在長玻纖增強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，沖擊強度越高。

纖維長度對于復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，纖維長度對復合材料強度的貢獻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到臨界長度情況下，當復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性能之間的重要關系，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作用，當然這對提高GMT的力學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合材料的各種性質(zhì)的改變進行研究，強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

為了準確地研究纖維取向和機械性能的關系，需要用到模壓成型去制備復合材料試樣，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，拉伸強度，拉伸模量，彎曲強度和彎曲模量都減小了大約一半。纖維的取向?qū)τ跊_擊強度影響更大，當纖維取向角為0°時，缺口沖擊強度為265 J/m ，而當取向角為90°時，缺口沖擊強度只有99.8 J/m。

Blumentritt等也通過模壓的方式，對比研究了隨機取向和單軸取向試樣。研究發(fā)現(xiàn)，隨機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，其單向拉伸強度為142.7 MPa，而隨機取向只有42.13 MPa;而對于有相同質(zhì)量分數(shù)填充的PC來說，其拉伸強度由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)外長纖維增強熱塑性復合材料的研究表明，纖維質(zhì)量分數(shù)、長度對復合材料的力學性能影響較大，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)量分數(shù)和長度在臨界值下，力學性能隨質(zhì)量分數(shù)和長度的增加而增大;而纖維的分散度對復合材料的剛度影響較大;纖維的取向則更多地影響復合材料沖擊強度。

[參考文獻]

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[3]王秋峰，翟 歡，侯靜強，等.熔體包覆法長玻璃纖維增強聚丙烯復合材料的力學性能[J].高分子材料科學與工程，2007（5）：230-233.

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