芳纶树脂基复合材料的应用与发展

赵浩

1 概述

芳纶树脂基复合材料是以合成树脂为基体，以芳纶为增强材料经复合而制成的一种新型工程材料。芳纶具有低密度、高比强度、高比模量、耐冲击、耐腐蚀、阻燃等优异性能，是理想的有机纤维增强材料。芳纶主要分为3类：对位芳纶、间位芳纶和芳纶Ⅲ。对位芳纶是对位芳香族聚酰胺纤维的简称，即聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA）纤维，国内称其为芳纶1414；间位芳纶为聚间苯二甲酰间苯二胺（PMIA）纤维的简称，国内称其为芳纶1313；芳纶Ⅲ，也称杂环芳纶，指杂环芳香族聚酰胺纤维。芳纶由美国杜邦公司率先研制开发成功，并将对位芳纶商品命名为Kevlar，间位芳纶的商品名命名为Nomex。芳纶纤维的形态有：无捻粗纱及有捻纱、织物、带、毡及短切原丝等。芳纶纸大多以芳纶短切纤维和芳纶沉析纤维（简称“芳纶浆粕”）按一定比例制成[1]。芳纶纸蜂窝芯材是由芳纶纸经过涂胶条、叠合、蜂窝叠块的压制固化、切割、拉伸与浸胶等一系列复杂工艺制作而成[2]。芳纶蜂窝夹层结构复合材料一般是由上、下薄面板（蒙皮）与中间芳纶纸蜂窝芯胶粘后构成。芳纶树脂基复合材料常用的基体树脂有酚醛树脂、环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、聚乙烯等。

采用玻璃钢的制备工艺（如缠绕、手糊、真空袋压、热压罐、模压及RTM等）可将芳纶与树脂基体复合为构件。芳纶树脂基复合材料（AFRP）具有低密度、耐冲击、高比强度、高比模量、电绝缘以及优异的热稳定性，广泛应用于航空航天、电力、电子、防护、交通、体育器材等领域中。

目前国内外用于防护领域的芳纶树脂基复合材料已产业化，其主要生产企业有：美国杜邦公司、日本帝人株式会社、山东非金属材料研究所、河北普凡新材料有限公司、中蓝晨光化工研究设计院有限公司等；用于其他领域的芳纶树脂基复合材料，美国、日本、法国等发达国家已达实用化水平，而我国仍处于技术开发阶段，国内外从事其研制生产的主要企业有：美国杜邦公司、北京卫星制造厂、中国航天科技集团公司第四研究院、中航复合材料有限责任公司、平高集团有限公司等。天津大学、哈尔滨工业大学、苏州大學、大连理工大学、海南大学等多家高校对芳纶树脂基复合材料进行了基础性研究工作，并发表了数篇研究论文。

2 应用

2.1 电子领域

现在雷达罩选材多趋向于纤维增强树脂基复合材料和夹层材料[3]。譬如美国塞斯纳飞机公司与加拿大飞机制造公司，所制造的雷达罩都是用的纤维增强树脂基符合材料。温磊等[4]以环氧/芳纶布预浸料为原料，采用热压罐成型工艺，成功制备出了双频段天线罩。张醒等[5]采用高强玻璃纤维面板—芳纶纸蜂窝夹层结构制备了全透波卫星整流罩，经试验验证，实现了全向平均90%的透波率并质量减轻超20%。南博华等[6]成功地研制出了冯·卡门外形纸蜂窝夹层结构CZ-6运载火箭整流罩。中国专利CN106450742A公开了一种采用PE材料和芳纶混纺结构的天线罩制造方法。该发明把多层混纺布逐层胶粘制作于天线罩模具上并采用真空负压成型得到天线罩[7]。日本帝人株式会社将芳纶增强环氧树脂制成电子工业表面安装技术（SMT）用的印刷线路板，其线膨胀系数约为（6～7）×10-6/℃，此类导电常数为3.5适合用作高速传输线路上，性能稳定性很好。

2.2 航空航天

芳纶树脂基复合材料已成功地应用于波音B757、B767飞机的壳体、起落架舱门、货舱、内部装饰件及座椅等，减重30%。芳纶树脂基复合材料在S-76商用直升飞机外表面的使用量达50%。国产的直-9飞机上有280多个芳纶NOMEX 蜂窝组成的夹层结构部件，单机NOMEX蜂窝的使用量高达260m2，占整个飞机覆盖面积的80%左右[9]。乌云其其格等[10]将3233环氧树脂/044B杂环芳纶布复合材料成功应用于直升机次承力夹层结构件。

在航天领域，芳纶树脂基复合材料可用于制作固体发动机壳体。美国的MX陆基机动洲际导弹的3级发动机、法国的M4导弹的402K发动机以及西欧的“MAGE-Ⅰ”等洲际导弹均采用了芳纶树脂基复合材料作壳体。芳纶Ⅲ树脂基复合材料应用于我国固体火箭发动机壳体，较芳纶1414树脂基复合材料能大幅度提高容器特性系数[8]（容器特性系数=PV/W，其中P是爆破压强，V是壳体容积，W是壳体质量）。

2.3 防护防弹

2.3.1 防弹头盔

芳纶头盔是以芳纶布及树脂为原料，经热压成型的复合材料。目前芳纶Ⅲ防弹头盔已经研发成功，较相同防弹性能的芳纶II防弹头盔减重20%～30%。该防弹头盔具有很高的V50值（即在规定弹速范围内，对受试样品形成穿透概率为50%的极限速度V50>650m/s），弹坑平均凹陷深度浅。

2.3.2 防弹装甲

芳纶防弹装甲满足装甲轻量化的需求，能广泛应用于武装直升机、武装运输机、装甲车、防弹车、舰艇等兵器。美国陆军采用芳纶树脂基复合材料制造的防弹衬层，能够有效的阻挡住穿甲弹、破甲弹以及杀伤弹的冲击侵彻，能够起到有效的装甲防护作用，曾装备在M—ll3 A3 两栖作战人员装甲输送车内部[11]。美国“宙斯盾”防御体系的DDG“伯克”级驱逐舰使用了近70t 芳纶树脂基复合材料用于装甲防护。法国航母“戴高乐”号的关键部位、丹麦的SF300 多功能舰艇也敷设了芳纶树脂基复合装甲材料。郭泓等[12]以芳纶织物及改性酚醛树脂为原料，采用热压罐工艺成功地制备出了芳纶复合装甲靶板。

2.3.3 方舱

方舱是一种具有一定的刚度、强度，为人和物提供合适空间，便于运输的独立舱室[13]。目前芳纶纤维增强环氧树脂基复合材料已成功地应用于防弹防爆方舱上。

美军采用以9层0.23Kg/m2 Kevlar 49纤维和环氧树脂为原料，采用层压工艺制备了芳纶/环氧树脂复合材料，并用铝蜂窝材料和芳纶/环氧树脂基复合材料成功地制作了S-280电子设备方舱舱体[14]。

2.4 电力

2.4.1 横担

芳论树脂基复合材料横担可应用于受力杆塔上，在满足其力学性能要求的同时，实现质量轻和利于开展带电作业。通过安装芳纶树脂基复合材料横担，可提高配电线路上的绝缘水平，减少配电线路常态性故障。

2.4.2 绝缘拉杆

在GIS开关设备中，绝缘拉杆被广泛应用着，其中以SF6气体为绝缘介质，电压等级在110 kV及以上的GIS大多数采用芳纶树脂基复合材料绝缘拉杆。陈燕梅等选用芳纶Kevlar49为增强材料，以芳纶/聚酯编织布增强环氧树脂基复合材料为主，内层防腐层则采用增强环氧树脂胶层，毡在聚酯的表面，以现有的树脂传递模塑工艺进行加工处理，能够获得具有良好热性能、电性能、力学性能的优异绝缘拉杆。

2.5 交通工具

芳纶树脂基复合材料在高速列车的电机、变压器、列车车体等部件上获得了广泛应用。将碳纤维面板、铝板以及玻璃纤维面板等等贴合到芳纶蜂窝的表面层，从而制作出芳纶蜂窝夹层材料。这种材料结构已经被广泛的应用在了磁悬浮列车领域，如美国的bart地铁，德国的thyseen以及意大利的etr-500。

芳纶酚醛树脂复合材料被用来做汽车制动摩擦的部件，譬如汽车刹车制动片与离合器衬垫等，而芳纶蜂窝夹层结构复合材料则可以替代钢板，可以用作汽车桌椅骨架以及汽车底板非承重部位，能够减轻3%左右的质量。

采用芳纶树脂基复合材料造船，其船身质量与玻璃钢、碳纤维树脂基复合材料的相比均较轻，可相应增加航程。由于其具有吸收振动及受连续冲击的能力，船航行平稳和安全。将芳纶树脂基复合材料用于造船，国内早有实践。

2.6 体育器材

芳纶/环氧树脂复合材料具有较好的冲击韧性，可吸收较大的冲击能量，耐疲劳性高于碳纤维、玻璃纤维，可用作高速冲击性运动（如摩托车、高山滑雪类）的防护护具。

采用芳纶—碳纤维混杂纤维树脂基复合材料制作的滑雪板，质量轻、刚性大、耐摩擦、吸能减震效果好、使用寿命长，在有角度滑行和越野滑雪比赛中不仅速度稳定，还省力、防滑。

3 问题

3.1 性能尚需提高

芳纶纤维与树脂的润湿性及粘结性较差，导致芳纶树脂基复合材料的剪切强度不高，限制其得到更广泛的应用，故研究基体对此复合材料性能的影响，开发制备适于芳纶纤维的基体树脂，进行改善芳纶表面活性的研究，攻克相关工艺技术难题，以提高芳纶树脂基复合材料综合性能，扩大其工程应用范围。

3.2 加工技术尚需突破

芳纶树脂基复合材料为典型的难加工材料，加工后常出现抽丝和拉毛缺陷，严重影响了材料加工后的形状规则和尺寸精度，制约了该复合材料的推广应用。为了满足其后续精确配合及连接的需要，拓展其应用，有必要对其加工工艺进行研究攻关，突破高效高精加工的关键技术。

4 结语

芳纶树脂基复合材料具有轻质、高强度、高模量、高绝缘、耐腐蚀、耐疲劳、抗冲击、阻燃、透波性良好等特点被广泛用作结构功能材料，应用前景广阔。研究表明，芳纶纤维增强热固性树脂复合材料较热固性玻璃钢的性能好，其耐冲击性比后者大25%～70%，质量约轻30%。芳纶Ⅲ树脂基复合材料具有超高强度、超高模量、抗冲击等优异特性，应用潜力巨大。

随着芳纶树脂基复合材料工程化关键技术的突破和产业化进程的不断推进，其使用范围及应用领域将获得更大的拓展。

参考文献

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