高性能纤维复合材料的组成分析

  复合材料是两种或两种以上不同材料通过一种复合工艺组合而成的一种新型固体材料,各组成材料之间有较为明确的界面,而且组成材料还可以保持自身原有的性质不被破坏,并通过材料设计使组成材料充分发挥到自身的优势,这样可以更好地得到单一材料的综合性所不能相比的质量。一般高性能纤维复合材料以高性能纤维增强材料为基础,以适合的聚合物(最常用的树脂)为基体的一种复合材料,具有高强度、高模量、耐疲劳、耐腐蚀等特点。

  1.高性能纤维

  高性能纤维一般情况下也可以叫做特种纤维,它有一种很特殊的物理以及化学结构、性能和用途的化学纤维,一般表现为质量较轻、高强度、高模量、耐冲击、耐腐蚀、耐高温等优良性能。高性能纤维通常按照结构可分为有机纤维和无机纤维这两种,有机纤维包括:芳香族聚酞胺纤维(这也是我们俗称的芳纶,包括间位芳纶、对位芳纶和杂环芳纶),超高分子量聚己烯纤维(也称高强聚乙烯纤维),聚苯硫醚纤维等;无机纤维要包括:碳纤维、硼纤维等。最常用的三大高性能纤维是碳纤维、芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维。

  2.树脂基体

  树脂基体的主要作用是可以传递纤维之间具有的一定的应力,同时还可以降低、减缓外力对复合材料的压迫,这样可以在一定程度上保证纤维不受其它外力的摩擦损耗。目前,应用较多的热固性树脂主要有环氧树脂、酚醛树脂和不饱和聚醋树脂等。环氧树脂是指分子中含有2个或2个以上环氧基团的一类有机高分子化合物。由于环氧基的化学活性,可用多种含有活泼氢的化合物使其开环,固化交联生成网状结构。环氧树脂种类很多,其中双酚A环氧树脂应用最多、最广。

  酚醛树脂主要是由苯酚和甲醛通过催化剂进行缩聚从而形成树脂,具有良好的耐热性、耐酸性和力学性能、生产设备及工艺简单等优点。

  不饱和聚醋树脂也是一种常见的热固性树脂,主要由饱和二元酸、不饱和二元酸和二元醇缩聚从而形成的一种线形聚合物。不饱和聚醋树脂通常具有优良的工艺性能,而且还可以在室温条件下进行固化,但固化后的力学性能一般比环氧树脂低。除上述树脂外,新兴的热塑性树脂(聚烯烃树脂、聚酞胺树脂、聚碳酸醋树脂等)或者高性能树脂(聚酞亚胺树脂、聚苯硫醚树脂)逐渐在复合材料中得到应用。

  3.复合材料的界面

  复合材料的界面是指基体与增强相之间化学成分有显著变化的、偶成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。复合材料界面的主要作用是在复合材料受到载荷时把基体上的应力传到增强相上,因此界面的结合状态和强度对复合材料综合性能起着至关重要的作用。界面结合过差或过强都会降低复合材料的综合性能,因此在研究和设计界面时,不应盲目追求界面结合效果而应考虑最优化处理,寻找界面的最佳状态,使复合材料达到最好的综合性能,从而提高复合材料的应用效果和应用范围,促进复合材料的进一步发展。