芳纶混杂复合材料研究进展

陈超峰，薛晴岚，肖顺波，彭开云，毛矛

(1.中蓝晨光化工研究设计院有限公司，成都 610041；2.中蓝晨光化工有限公司，成都 611430；3.高技术有机纤维四川省重点实验室，成都 610041)

0 引言

芳纶增强复合材料具有轻质、高强、抗冲、耐磨、透波等性能，同时芳纶产品形态多样，复合方式灵活且工艺适应性好，广泛应用于航空航天、个体防护、工业传输、车/船及轨道交通、电子信息、体育用品等领域。但因芳纶模量低、表面惰性、含水率高等问题导致其增强树脂基复合材料的刚性、层间性能、压缩性能和弯曲性能差，限制了其在复合材料相关领域的应用。通常的改善途径有两种：一种是对纤维或树脂进行改性，主要改善复合材料层间性能；另一种是与其他纤维进行混杂使用，通过不同纤维的优势互补来改善复合材料的多种性能。本文对芳纶混杂复合材料的研究进展进行综述，包括芳纶/碳纤维、芳纶/玻璃纤维、芳纶/玄武岩纤维、芳纶/超高分子量聚乙烯纤维、芳纶/陶瓷纤维、芳纶/麻等二元混杂及多元混杂体系。

1 芳纶/碳纤维混杂复合材料研究现状

天津工业大学[1-4]采用东丽T700(12K)级碳纤维和杜邦Kevlar 49(1420D)芳纶进行3D混编，并系统研究了3D混编结构对织物/环氧树脂复合材料性能的影响。试验显示，以碳纤维为轴纱的混杂织物复合材料的纵向拉伸性能和纵向弯曲性能均高于以芳纶为轴纱的混杂复合材料，3D六向结构的横向弯曲性能明显优于3D五向结构，其中以碳纤维为轴纱的3D六向结构的横向弯曲强度(439.24 MPa)和模量(28.45 GPa)最高[1]。编织结构和混杂结构对复合材料表面应变分布有显著影响，以芳纶为轴纱的混杂复合材料在拉伸载荷作用下表面变形较小，呈现脆性断裂；以碳纤维为轴纱的混杂复合材料表面变形较为明显，呈现韧性断裂[2]。以芳纶为编织纱、碳纤维为轴纱的3D五向结构混编复合材料的冲击后压缩强度最高(130.48 MPa)，与冲击前相比下降幅度最小(4.42%)[3]。孙颖等[4]在上述基础上引入T400碳纤维参与混杂。试验显示，经纬纱为碳纤维/Z向纱为芳纶的混杂复合材料拉伸强度和模量最高，分别为1 027.79 MPa和50.17 GPa；不同编织结构随着芳纶体积含量增加，复合材料的拉伸强度和模量降低，断裂伸长率增加。

Wan[5]等研究了碳纤维/对位芳纶3D编织环氧复合材料的摩擦学性能和磨损机理，发现混杂复合材料在磷酸盐缓冲溶液(PBS)润滑条件下的摩擦系数和比磨损率较在干摩擦条件下明显降低。在干摩擦条件下，混杂复合材料的摩擦系数均高于芳纶复合材料和碳纤维复合材料，而耐磨性介于芳纶复合材料和碳纤维复合材料之间，低于碳纤维复合材料但高于芳纶复合材料；碳纤维/芳纶体积比为3 ∶2时的摩擦系数最低，耐磨性最好。

田书全[6]研究了对位芳纶/碳纤维二维混编织物/环氧树脂复合材料的冲击后压缩和疲劳性能。测试数据显示，混编织物复合材料具有比碳纤维织物复合材料更高的抗冲击韧性和更小的凹坑深度，落锤冲击峰值载荷和弹性应变能最大分别提高14.4%和140.1%，凹坑深度最大降低86.3%。虽然碳纤维织物复合材料具有比混杂织物复合材料更高的压缩载荷，但冲击损伤对混编织物压缩性能影响较小。

Mahdi[7]等对芳纶和碳纤维蜂窝状复合材料结构的破碎行为进行研究。结果表明，内置6边形或8边形碳纤维/环氧树脂复合材料、外置芳纶/环氧树脂复合材料的蜂窝结构在破坏时呈现弹性、塑性形变而不发生脆性断裂，具有较外置碳纤维/环氧树脂复合材料更高的吸能能力，破碎试验后的结构完整性提高7%～29%。

阮芳涛[8]等采用杜邦1 110 dtex芳纶和东丽T300碳纤维互为经纬纱制备多种平纹混杂织物，织物经乙醇超声清洗、干燥后，以同向8层铺叠并采用RTM真空灌注环氧树脂制备复合材料，复合材料性能试验显示以碳纤维为经纱的混杂织物复合材料弯曲强度和弯曲模量明显较高，且都随经纱密度增加而增加，弯曲强度和弯曲模量在试验范围内最高分别达到604 MPa和71.5 GPa。

易凯[9]等研究了芳纶/环氧和T800级碳纤维/环氧层间混杂复合材料的抗弹冲击性能。试验显示，纯芳纶复合材料及混杂复合材料层板的钢弹冲击破坏均为表层剪切破坏、中间层分层破坏和背板层拉伸断裂破坏。以碳纤维层为着弹面的V50和贯穿比吸能值分别达到195.46 m/s和112 J·m2/kg，都高于同厚度的芳纶复合材料和以芳纶为着弹面的混杂复合材料。

Ma[10]等对碳纤维(T700SC-12000)/芳纶(Kevlar 29)混合增强环氧树脂复合材料管的准静态压缩性能和吸能能力进行研究。在纤维含量相同的情况下，三层(芳纶/碳纤维/芳纶)结构比五层(芳纶/碳纤维/芳纶/碳纤维/芳纶)结构具有更好的吸能能力。通过显微镜对复合材料横截面观察发现，复合材料破坏模式为弯曲、张开和屈曲的混合破坏，且3种破坏模式的能量吸收能力依次降低。

陈战辉[11]等采用真空辅助树脂渗透成形工艺制备了碳纤维复合材料和芳纶/碳纤维层间混杂复合材料，并对复合材料进行了冲击试验研究。试验表明，在碳纤维层合板表面铺覆芳纶，可以减小出射面的损伤面积和降低层合板结构的纤维断裂损伤范围，出射面损伤面积减幅为32%～76%；芳纶在入射面可以减小层合板的冲击损伤程度，在出射面会造成较大的混杂界面分层。

吴思保[12]等研究了热压罐法成型工艺对碳纤维和杂环芳纶混杂复合材料的变形影响。试验表明，降低复合温度和增加复合压力，采用二次胶接及芳纶复合材料预变形处理可以减小混杂结构复合材料的变形，其中温度变化的影响最明显，复合温度由 180 ℃降至120 ℃时，复层结构的变形减小了80%。

尹寒飞[13]等利用声发射(AE)和数字图像(DIC)相关方法互补技术研究了碳纤维/芳纶层内混杂复合材料在拉伸过程中的信号衰减、损伤演化等。结果表明，利用AE技术能有效区分混杂复合材料中芳纶和碳纤维的损伤破坏行为；结合DIC方法，能有效反映复合材料试件表面位移场的变化规律。

芳纶/碳纤维混杂复合材料的研究较多针对混杂方式、成型工艺等对复材力学性能、防弹性能等的影响进行研究。通过优化组合，可以提升纯芳纶复合材料的压缩、弯曲及界面性能，预计在结构材料、防弹材料等领域具有应用前景。

2 芳纶/玻璃纤维混杂复合材料研究现状

Valença[14]等采用Kevlar 49芳纶与S玻璃纤维制备了Kevlar49(经)/Kevlar 49(纬)、Kevlar 49(经)/S玻璃纤维(纬)和Kevlar 49(经)/Kevlar 49+S玻璃纤维(纬)三种斜纹结构的混编织物，并对织物/环氧树脂复合材料的性能进行试验研究。试验显示，几种织物复合材料的性能各有高低，与以Kevlar 49芳纶或S玻璃纤维为纬纱相比，以Kevlar 49+S玻璃纤维为纬纱的混杂复合材料在90 °方向的屈服强度(均值154.69 MPa)和弯曲强度(均值260.30 MPa)最高，0 °方向的冲击能量最高(均值216.27 kJ/m2)。

陈飞[15]等研究了声发射信号在玻璃纤维/芳纶混杂复合材料板中的传播衰减特性及波速规律。发现声发射信号在传播过程中，幅值随着传播距离成指数性衰减。当传播距离达到200 mm时，75 °传播方向上幅值衰减达到了90%。声发射信号在0 °～60 °传播方向上传播时，波速随角度增大而减小；在60 °～90 °传播方向上传播时，波速随角度增大而增大。

杨彦峰[16]等研究了芳纶、玻璃纤维及二者混杂增强酚醛泡沫的性能。试验显示，玻璃纤维、芳纶和混杂都能够大幅提高酚醛泡沫的压缩强度、弯曲强度和冲击强度。压缩强度随芳纶比例的增加而降低；当芳纶和玻璃纤维质量比为1 ∶1时的弯曲强度达到最大值0.42 MPa；冲击强度随芳纶比例的增加而明显增大，当加入6%的芳纶时，其冲击强度达到4.75 kJ/m，比纯酚醛泡沫提高了324%。

Imielinska[17]研究了玻璃纤维/芳纶层内混杂和层间混杂复合材料层合板浸水老化后的低速冲击性能。试验表明，干态和湿态条件下两种试样的低速冲击破坏模式都是纤维/基体脱粘和界面裂纹。层间混杂试样在湿态和干态条件下的抗压强度保留系数分别为0.77和0.63，都高于层内混杂试样。

张超[18]等研究了玻璃纤维/芳纶混杂增强丁腈橡胶改性酚醛树脂的摩擦性能。数据表明，添加混杂纤维能明显降低摩擦系数和磨损率；添加后的磨损机制为疲劳和塑性变形，未添加的主要表现为疲劳、犁沟以及少量黏着磨损。

徐鲁杰[19]等从混杂比、树脂配方及成型工艺三方面对芳纶(T750芳纶织物)与高强玻璃纤维(单向布或平纹布)层间混杂复合材料的抗穿燃弹(12.7 mm)性能进行研究分析。数据显示，单向靶板(T750芳纶织物+高强玻璃纤维单向布)的比吸能值(SAE)高于平纹靶板(T750芳纶织物+高强玻璃纤维平纹布)，SAE值最高为131.9 J·m2/kg。二者的动能消耗机理有所差异，单向靶板中纤维大片扯出吸收动能，平纹靶板逐层分层吸收动能。

Fidan[20]等采用显微断层扫描技术研究了玻璃纤维和玻璃纤维/芳纶混杂增强聚酯复合材料的内部冲击损伤。试验显示，芳纶的加入可以明显提高玻璃纤维增强复合材料在低速载荷下的冲击承载能力，其韧性阻碍了冲击载荷下裂纹的形成和裂纹的扩展，提高了抗冲击性能和穿孔阈值。

相关文献对芳纶/玻纤混杂体系进行优化研究及其破坏机理分析，结果显示混杂芳纶可以明显改善玻纤复合材料的冲击承载能力和耐磨性等，在耐磨、抗冲击等领域具有工业应用可能。

3 芳纶/玄武岩纤维混杂复合材料研究现状

Bandaru[21]等制备了两种玄武岩纤维/芳纶二维平纹杂化织物，并和聚丙烯复合制备了三种层合结构的复合材料，并研究了复合材料的拉伸性能和压缩性能。试验显示，混杂复合材料的拉伸强度较玄武岩纤维复合材料提高3.02%～16.42%；杨氏模量较芳纶复合材料和玄武岩纤维复合材料分别提高2.96%～13.77%和3.16%～14.75%；压缩强度、压缩模量和破坏应变都介于芳纶复合材料和玄武岩纤维复合材料之间。Bandaru[22]还研究了玄武岩纤维/芳纶三维混杂织物增强聚丙烯复合材料的拉伸和压缩性能。试验显示，三维混杂织物复合材料的经纬向拉伸强度、破坏应变都高于芳纶和玄武岩纤维复合材料，弹性模量和压缩模量介于芳纶和玄武岩纤维复合材料之间。

周冬春[23]等首先制备了Kevlar 129芳纶/玄武岩纤维的3D织物/环氧复合材料，并对两种混杂结构复合材料的拉伸和剪切性能进行研究。试验显示，层内混杂复合材料的径向拉伸强度和杨氏模量分别达到281.4 MPa和15.53 GPa，高于层间混杂的222 MPa和12.8 GPa。层内混杂复合材料的剪切强度和模量分别为122 MPa和3.97 GPa，较层间混杂分别高 19.61%和26.03%。Wang[24]等进一步对复合材料的低速冲击性能进行研究。结果表明，层间编织模式的复合材料表现出较高的韧性指数(8%～220%)、较低的峰值载荷(5%～45%)和较高的经纬向比能量吸收(9%～67%)。

Sarasini[25]等采用220 g/m2的玄武岩纤维织物和130g/m2的Twaron2200芳纶织物及环氧树脂制备了夹心(内部7层玄武纤维岩织物，外部各3层芳纶织物)和交替(7层芳纶织物和6层玄武岩纤维织物交替排列)两种结构的层间混杂复合材料，并对复合材料经不同能量冲击后的弯曲性能进行研究分析。试验显示，两种结构的冲击后弯曲强度都随冲击能量增加而单调降低，且夹心结构的冲击前后弯曲强度都明显高于交替结构。但交替结构具有更好的能量吸收能力，其通过交替层的多个小分层起到破环分散作用，呈现最有利的冲击后弯曲强度和损伤容限组合。

相关文献对芳纶/玄武岩纤维混杂方式及其对复合材料的性能进行研究，结果显示通过混杂可以改善芳纶复合材料和玄武岩复合材料的相关性能，层内混杂和夹心结构的混杂效应优于层间混杂和交替结构。

4 芳纶/其他纤维混杂复合材料研究现状

Yahaya[26-27]等对红麻/芳纶(Kevlar 129)混杂环氧复合材料的性能进行研究。结果表明，红麻机织布混杂复合材料的拉伸强度为145.8 MPa，分别比红麻单向布和非织造混杂复合材料高20.78%和43.55%；夏比冲击(Charpy impact)强度为51.41 kJ/m2，分别比红麻单向布和非织造混杂复合材料高19.78%和52.07%。弹道冲击结果显示,随着红麻含量的增加，混杂复合材料的弹道性能呈降低趋势。双层红麻和14层芳纶布混杂复合材料的V50(452 m/s)和吸能值最高。

肖文莹[28]等研究了对位芳纶和超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPEF)单向布层间混杂复合材料靶板的防弹性能。试验显示，以芳纶为迎弹面和提高UHMWPEF混杂比都能够提升抗弹性能；迎弹面选用抗压缩剪切性能好的纤维材料，背弹面选强度高、断裂伸长率大的纤维材料，可以提高比吸能值。当芳纶和UHMWPEF混杂比为1 ∶2，且芳纶为迎弹面时的比吸能值可达56.46 J·m2/kg。

Patnaika[29]等研究了Twaron芳纶浆粕和硅酸铝基陶瓷纤维混杂改性酚醛复合材料的摩擦性能。结果显示，摩擦磨损随陶瓷纤维含量降低而持续降低，摩擦波动随芳纶含量的增加而减小，在陶瓷纤维和芳纶为5 ∶1时整体性能最佳。

孙颖[30]等采用树脂传递模塑(RTM)工艺制备了Kevlar 49芳纶、UHMWPEF和环氧树脂的两种层间混杂、两种夹芯混杂和层内混杂共5种混杂结构复合材料层板(都为5层织物)，并通过落锤冲击试验研究了混杂结构、纤维含量对抗冲击性能的影响。结果表明，混杂复合材料载荷峰值大于单一纤维复合材料，冲击正面与背面都为芳纶的层间混杂方式冲击载荷峰值最大可达到3.11 kN；当UHMWPEF含量为40%时，在冲击能量相近的情况下，层内混杂方式的冲击后损伤区域最小。

Zheng[31]等采用外径24 mm的特殊烧结金刚石取芯钻头对陶瓷/芳纶双层复合材料装甲的钻削进行了试验研究。结果发现，从芳纶复合材料背板钻入能获得较为圆滑的钻孔，随着壁厚增加，加工效率降低；主轴转速在2 600 r/min之前，钻孔效率随着转速增加而增加；在2 600～3 200 r/min范围内，钻孔效率随转速增加而降低。

王春红[32]等研究了洋麻/对位芳纶混纺织物的环氧复合材料性能。结果显示，混杂复合材料的拉伸、弯曲和剪切性能大多较纯芳纶复合材料有所提高，尤其是剪切性能提升明显，其中20%洋麻/80%芳纶混纺织物复合材料剪切强度比纯芳纶织物增强复合材料提高18.6%。

芳纶与其他纤维混杂的研究结果也显示，通过混杂可以不同程度地改善单一纤维的相关性能，尤其芳纶与UHMWPEF混杂在防弹方面起到明显的提升作用。

5 芳纶/多纤维混杂复合材料研究现状

Li[33]等首先采用Kevlar回收短纤维、锦纶短纤维和低熔点聚酯短纤维制备混合非织造布(CF)，再将两层混合非织造布和1层芳纶织物(K)或1层玻璃纤维织物(G)制成两种夹心材料(K-CF和G-CF)，再将两种夹心材料通过针刺、热粘合制备多种组合的复合织物材料(5层K-CF、5层G-CF和1层K-CF与4层G-CF的多种组合)，并对织物复合材料的静态和动态穿刺性能进行研究。静态和动态穿刺试验结果均显示5层都为K-CF材料的抗穿刺值最高，分别达到1 000 N/(g/cm3)和1 600 N/(g/cm3)以上。

卫军[34]等研究了多纤维层间混杂组合对钢筋混凝土梁延性的影响。结果表明，芳纶/玄武岩纤维/碳纤维组合方式能大幅度提高延性，同时保证受弯构件具有较高的极限承载力和刚度。芳纶/玄武岩纤维/碳纤维混杂模式中，芳纶和玄武岩纤维共同作用下的应力平稳转移使多纤维混杂的断裂延伸率比碳纤维复合材料提高了70.2%，极限位移提高了50.8%。

张超[35]等研究了芳纶/玻璃纤维/钢纤维/铜纤维不同混杂组合对增强丁腈橡胶改性酚醛树脂基体的摩擦性能影响。结果显示，混杂纤维的加入明显提高了摩擦系数和抗剪切能力，降低了磨损率。摩擦机理试验显示，芳纶/玻璃纤维/钢纤维/铜纤维混杂组合材料的磨损形式为犁沟和塑性变形；芳纶/玻璃纤维混杂组合的材料磨损形式主要为黏着磨损。

柴晓明[36]等研究了Kevlar 129平纹织物、S玻璃纤维平纹织物和T300级碳纤维平纹织物单一组分或多组分混杂热塑性复合材料对弹体的动能吸收能力。试验显示，复合材料树脂质量分数为20%时的弹道性能最佳，按碳纤维织物/玻璃纤维织物/芳纶织物顺序复合的V50和比吸能值分别达到257.3 m/s和85.7 J·m2/kg，显示了最优的防弹性能。

通过多纤维混杂，发挥不同纤维的性能优势，可以形成互补协同效应，后续应深入研究多纤维协同作用机理。

6 结语

目前的研究结果显示通过混杂可以实现芳纶复合材料相关性能的改善提升，尤其在抗冲击、耐磨和防弹等方面提升效果明显，纤维类型、混杂方式、固化工艺等都会对最终复合材料的性能造成影响。根据不同的应用需求，纤维类型搭配和混杂方式的可选择性多样，具有很强的可设计性、可实现性和可优化性，预期未来混杂复合材料在多领域具有应用前景。后续应加强芳纶混杂复合材料的老化性能及综合工况下的服役性能等评价研究，同时形成系列标准产品及数据手册，为芳纶混杂复合材料的工业应用提供设计依据和参考。