纤维增强环氧树脂复合材料性能研究进展

秦小山，冯 静，王仁舒，张晓青

(六盘水师范学院化学与材料工程学院，贵州六盘水 553004)

环氧树脂(EP)是一类分子结构中含有两个或多个环氧基团的高分子有机化合物，因其良好粘附力在复合材料中作为基体树脂被广泛的应用，是一种综合性能十分优异的热固性聚合物。具有粘附力强、收缩性低，机械性能、化学稳定性、尺寸稳定性优良等特点［1－3］，在胶粘剂、仪表、轻工、建筑、机械、电子电气、涂料、航天及先进复合材料等领域也被广泛应用。然而由于EP固化后存在质脆、耐冲击性差、容易开裂、韧性较差、强度有待提高等缺陷，又限制了EP的应用范围。

为了改进EP的性能，业内研究人员提出增韧改性EP方法有:加入橡胶类弹性体［4］、使用含有柔软分子结构的材料［5］等。但这类方法存在着不足:在改良EP韧性的同时通常会影响其耐热性等其它性能。近年来又提出改性方法还包括化学共聚法、热敏液晶聚合物结构增韧法、纳米材料改性法［6－9］、纤维改性法等。其中，用纤维对EP进行改性的研究成为当前的研究焦点。

1 玄武岩纤维

玄武岩连续纤维原料为玄武岩矿石，将其破碎后加入熔窖，在1450～1500℃的高温状态下熔融后，经过铂铑合金漏板拉伸等工序而形成［10］。具有力学强度高、耐腐蚀性好、价格低廉、原料易得、低导热性等多重优良性能［11］，制造过程无危害，能直接降解为泥土，是21世纪的“绿色工业材料”。

刘建［12］等以EP为基体、玄武岩短纤维为增强材料，研究了几种不同玄武岩短纤维含量对复合材料拉伸强度和耐磨性能的影响。得出结论，玄武岩短纤维/环氧树脂复合材料的抗拉强度和时磨性能与纯环氧树脂相比均得到了改善，当玄武岩短纤维的含量为8%时，复合材料的拉伸强度最大;当玄武岩短纤维的含量为6%时，磨损率最小。徐茂伟用20%重铬酸钾、30%浓硫酸将聚丙烯腊基连续碳纤维在100℃下氧化处理15 min后与环氧树脂作用制成复合材料，测得其冲击强度为72．05 kJ/m2，与未改性处理碳纤维填充的复合材料相比提升了101．93%［13］。

2 碳纤维

碳纤维是由黏胶、沥青或聚丙烯腈等有机纤维在N2、稀有气体等惰性气体中经1500℃高温碳化所形成的纤维状聚合物碳，其含碳量大于90%(质量分数)。质量轻、比强度高、比模量高(抗拉、抗弯、抗扭)、电、传热、耐疲劳等是碳纤维的优异性能，同时拥有超强适应环境能力和较强的抗化学药剂腐蚀能力，被称谓为“21世纪最有生命力新型材料”［14］。

葛铁军［15］等以不同含量的二乙烯三胺固化的EP为基体，制备了碳纤维增强树脂基复合材料。结果表明;碳纤维增强树脂基复合材料具有良好的耐候性、力学性能、而且还具有质量轻、高比强度等一系列优异的性能。蓝承东［16］等采用硅烷偶联剂KH－560改性短切碳纤维(CF)，并将其与聚氨酯增韧剂以及环氧树脂复合制备了CF增强环氧基形状记忆复合材料。结果表明:改性CF的加入提高了体系的拉伸强度和冲击强度，且与CF的用量有关。钱鑫［17］等采用阳极氧化法对炭纤维的表面进行处理，通过改变氧化程度制备具有不同表面化学结构的炭纤维，并将其作为增强体再制备成复合材料。研究了炭纤维表面化学结构对其增强EP基复合材料性能的影响。结果表明，阳极氧化处理后炭纤维表面活性大幅提高，O、N元素含量分别由处理前的 3．10%，1．12%提高到处理后的 13．07%，5．96%。

3 玻璃纤维

玻璃纤维增强EP复合材料是国防科技、航天航空、建筑、交通及智能电网自动化等领域的重要材料，具有抗疲劳性能、耐久性能、绝缘性能好和轻质高强等特点。

张海宽［18］等以双酚A型环氧树脂E51、长链聚醚胺固化剂D400和EWR200型玻璃纤维布制备玻璃钢板，利用隔声室测试隔声性能，考察玻璃纤维布层数对隔声性能的影响规律，实验研究显示:随着玻璃纤维布层数的增加，隔声性能不断提高，变化规律复合单层均质材料的隔声特性曲线，吻合效应向低频移动，同时减弱了阻尼控制区的共振。

以EP为基体，以玻璃纤维(GF)为增强体的复合料以不同的配比，分别进行了不同温度准静态载荷下及常温动态载荷下的压缩试验。结果表明:在准静态载荷下，温度越高，试件的屈服强度越低，试件的弹性模量和屈服强度具有明显的温度依赖性;GF含量的增加，在一定程度上增大了试件的韧性［19］。

4 其他纤维

除了上述几种纤维外，其他如菠萝纤维、玉米秸秆纤维［20］、竹纤维［21］、香蕉纤维等天然纤维均能改性环氧树脂，其中利用改性香蕉天然纤维制与环氧树脂作用制备新型复合材料，与未改性的香蕉纤维相比，复合材料的拉伸强度、弯曲强度、压缩强度分别提高了 1．8、1．0、2．6 倍［22］。此外，芳纶纤维/环氧树脂复合材料以其高的比强度和比模量成为航空航天领域被广泛应用的先进复合材料。郭明映［23］国等也对紫外老化对芳纶纤维/环氧树脂复合材料性能的影响做了研究。结果表明:在经过紫外老化后，复合材料的拉伸强度出现变化。

5 结语

随着高新技术的发展，纤维改性环氧树脂复合材料的研究日益深入，在使用纤维改性后，环氧树脂的强度、抗拉伸、耐磨性等都得到了提高。但是，由于纤维材料本身的结构状态、物化性质等影响了与树脂基体兼容性，使得纤维与环氧树脂复合材料仍存在许多缺陷。为使纤维材料与树脂基体能够很好相容以及在环氧树脂中均匀地分布，还需要探索适当的方法对纤维材料本身进行有机化改性。同时从纤维材料与树脂基体相互作用的机理以及开发新型纤维都是今后纤维改性环氧树脂的研究重点。