长纤维增强热塑性复合材料的研究进展

      纤维增强聚合物复合材料的强度、刚度和尺寸稳定性等均优于未增强的聚合物基体材料。近年来，以玻璃纤维（GF）、碳纤维（CF）和芳纶纤维为增强材料的长纤维增强热塑性复合材料已应用于汽车、航空航天、电子电气、机械等领域。其强度高、密度小、价格低、易于回收利用，被认为是可替代钢材而使汽车轻量化的理想材料，加快了高性能塑料替代金属材料的步伐[1]。
　　当今，随着汽车数量持续增加，降低汽车油耗、减少尾气排放、保护大气环境已成为全球最为关注的问题。汽车轻量化设计可以降低油耗，而采用高性能的汽车轻量化材料制作汽车零部件可作为最有效的手段之一。另外，航天航空等对先进、高性能材料的需求的也日益增加。因此，长纤维增强热塑性复合材料研究开发引起了复合材料界的高度重视，并且近年来已成为一类迅速发展的高性能复合材料。目前，长纤维增强热塑性复合材料在工业发达国家（美国、法国、日本等）发展和应用较快，并走在世界的前列。我国长纤维增强热塑性复合材料的研制工作起步较晚，长纤维增强热塑性复合材料在国内汽车零配部件上的开发、设计与应用也只有少量制品，总体上还处于刚起步阶段。
　　1 长纤维增强热塑性复合材料的特点
　　与传统的短纤维增强粒料相比，长纤维增强热塑性复合材料在结构上有着显著不同：长纤维粒料中，纤维在树脂基体中沿轴向平行排列和分散，纤维长度等于粒料长度，且被树脂充分浸渍；而在短纤维粒料内，纤维无序地分散于基体当中，其长度远小于粒料的长度且不均匀。
　　短纤维与长纤维粒料结构上的不同主要取决于制备工艺的不同：后者在制备过程中纤维一直处于连续状态，经切粒后得到固定的长度；而前者在制备之前要先进行粉碎，然后再与树脂基体通过螺杆挤出机挤出后造粒制得，或者是连续纤维与树脂基体经螺杆挤出机共同挤出后造粒制得。可见，短纤维粒料的在制备过程中都要经过螺杆挤出机的挤出工序，而在这个过程中因为受到螺杆和熔体的剪切力作用，大部分纤维被严重损坏，纤维长度大大减小。
　　短纤维与长纤维粒料结构的不同导致了两者在性能上也存在明显差异。与短纤维增强热塑性复合材料相比，长纤维增强热塑性复合材料具有以下优点。
　 （1）长纤维增强热塑性复合材料的纤维长度较长，而且纤维分散较为均匀，可以显著提高复合材料的力学性能，如拉伸、弯曲、冲击性能等。
　 （2）比刚度和比强度高，抗冲击性能好，更适用于制作汽车部件。
　 （3）耐蠕变性能高，尺寸稳定性好，可以提高制件的精度。
　 （4）耐疲劳性能优良，在高温和潮湿的环境中稳定性更好。
　　2 长纤维增强热塑性复合材料的性能影响因素
　　长纤维增强热塑性复合材料的性能主要由纤维含量、纤维长度、界面状态以及注塑过程中纤维的取向等因素决定[2]。
　　2.1 纤维含量
　　一般来讲，随纤维含量增加复合材料的力学性能和尺寸稳定性增强，但纤维含量高时，在加工过程中熔体的流动性变差，纤维分布不均匀，从而导致其力学性能随纤维含量继续增加而增加的幅度下降，甚至有些性能反而会下降。
　　2.2 纤维长度
　　纤维长度对复合材料的力学性能影响很大，在一定长度范围内，其力学性能随纤维长度增加而提高。由于纤维增强材料受到外力作用时，纤维在界面剪切力的作用下拨出和断裂，吸收能量越多材料力学性能越好。当纤维长度大时，纤维的拨出和断裂可吸收较多能量；当纤维长度小时，纤维未断裂之前，就与基体分离，纤维未能充分发挥其增强作用，甚至只起填充材料作用。长纤维复合材料经过加工制件后，其纤维长度虽有破坏，但保留长度仍远大于短玻璃纤维增强产品，所以其综合性能优于短纤维增强复合材料。但当纤维长度达到一定数值后，随纤维长度的增加，复合材料力学性能提高效果不明显，甚至一些性能会下降。这是因为纤维长度很长时，纤维在复合材料中弯曲、缠结，纤维承力的有效长度没有变大。
　　2.3 界面状态
　　界面存在于纤维和树脂基体之间，其功能作用为传递载荷。而纤维增强复合材料的界面面积很大，因此对复合材料性能影响很大。均匀、恒定、适当强度大小的界面可以抵抗多种热应力和变形应力，以保证把树脂基体受到的载荷有效地传递给纤维。
　　2.4 纤维取向
　　纤维增强复合材料性能直接与纤维分布取向相关联，在纤维取向方向上复合材料具有更高强度和刚度。因此，复合材料中纤维取向性越小，其分布越均匀，制品的各向异性越小。
　　3 长纤维增强热塑性复合材料的发展趋势及展望
　　长纤维增强热塑性复合材料具有高强度、高抗冲击性能、耐蠕变性能和好的尺寸稳定性等优点，广泛应用于汽车、航天航空、建筑、机械、体育器械、电子/电气、包装等行业。其中，长玻璃纤维增强热塑性复合材料在汽车制造的应用最为广泛，因为它们出众的强度和模量可以大量的减轻重量，并且相对的易于制造和加工。车辆重量的减轻总的来说是提高燃料的利用率，在这方面降低生产成本实质上是获得了环境和经济效益。通常，长玻璃纤维增强热塑性复合材的一些优点甚至超过了金属，包括高的抗冲击性能、好的韧性、改善阻尼和抗腐蚀性，并且易于成型和循环利用。因此，长玻璃纤维增强热塑性复合材已经被用于设计和制造各种各样的组件，包括汽车等的仪表盘、车座壳体、电池壳、备用轮胎仓等[3]。
　　长纤维增强热塑性复合材料已广泛用于汽车、建材、电子电器、机械等行业。我国汽车、建材等行业正处于快速发展阶段。而目前我国各行业所用的长纤维增强热塑性复合材料主要是靠进口。因此，如何在已有研究的基础上，自主研究开发高性能的长纤维增强热塑性复合材料，加快推动其产业化进程，将有利于降低能耗、节约资源和减少污染。这符合我国建设节约型社会及可持续发展的原则，是目前复合材料领域面临的一项重要任务。