摘 要：綜述了長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的研究進(jìn)展，詳細(xì)介紹了長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料性能的影響因素，包括纖維含量、纖維長(zhǎng)度、界面狀態(tài)以及注塑過(guò)程中纖維的取向等，最后對(duì)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的發(fā)展做出了展望。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)纖維 熱塑性 復(fù)合材料

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）11（a）-0076-01

纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛度和尺寸穩(wěn)定性等均優(yōu)于未增強(qiáng)的聚合物基體材料。近年來(lái)，以玻璃纖維（GF）、碳纖維（CF）和芳綸纖維為增強(qiáng)材料的長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料已應(yīng)用于汽車(chē)、航空航天、電子電氣、機(jī)械等領(lǐng)域。其強(qiáng)度高、密度小、價(jià)格低、易于回收利用，被認(rèn)為是可替代鋼材而使汽車(chē)輕量化的理想材料，加快了高性能塑料替代金屬材料的步伐[1]。

當(dāng)今，隨著汽車(chē)數(shù)量持續(xù)增加，降低汽車(chē)油耗、減少尾氣排放、保護(hù)大氣環(huán)境已成為全球最為關(guān)注的問(wèn)題。汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)可以降低油耗，而采用高性能的汽車(chē)輕量化材料制作汽車(chē)零部件可作為最有效的手段之一。另外，航天航空等對(duì)先進(jìn)、高性能材料的需求的也日益增加。因此，長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料研究開(kāi)發(fā)引起了復(fù)合材料界的高度重視，并且近年來(lái)已成為一類(lèi)迅速發(fā)展的高性能復(fù)合材料。目前，長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家（美國(guó)、法國(guó)、日本等）發(fā)展和應(yīng)用較快，并走在世界的前列。我國(guó)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的研制工作起步較晚，長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料在國(guó)內(nèi)汽車(chē)零配部件上的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)與應(yīng)用也只有少量制品，總體上還處于剛起步階段。

1 長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的短纖維增強(qiáng)粒料相比，長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)上有著顯著不同：長(zhǎng)纖維粒料中，纖維在樹(shù)脂基體中沿軸向平行排列和分散，纖維長(zhǎng)度等于粒料長(zhǎng)度，且被樹(shù)脂充分浸漬；而在短纖維粒料內(nèi)，纖維無(wú)序地分散于基體當(dāng)中，其長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于粒料的長(zhǎng)度且不均勻。

短纖維與長(zhǎng)纖維粒料結(jié)構(gòu)上的不同主要取決于制備工藝的不同：后者在制備過(guò)程中纖維一直處于連續(xù)狀態(tài)，經(jīng)切粒后得到固定的長(zhǎng)度；而前者在制備之前要先進(jìn)行粉碎，然后再與樹(shù)脂基體通過(guò)螺桿擠出機(jī)擠出后造粒制得，或者是連續(xù)纖維與樹(shù)脂基體經(jīng)螺桿擠出機(jī)共同擠出后造粒制得。可見(jiàn)，短纖維粒料的在制備過(guò)程中都要經(jīng)過(guò)螺桿擠出機(jī)的擠出工序，而在這個(gè)過(guò)程中因?yàn)槭艿铰輻U和熔體的剪切力作用，大部分纖維被嚴(yán)重?fù)p壞，纖維長(zhǎng)度大大減小。

短纖維與長(zhǎng)纖維粒料結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致了兩者在性能上也存在明顯差異。與短纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料相比，長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的纖維長(zhǎng)度較長(zhǎng)，而且纖維分散較為均勻，可以顯著提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，如拉伸、彎曲、沖擊性能等。

（2）比剛度和比強(qiáng)度高，抗沖擊性能好，更適用于制作汽車(chē)部件。

（3）耐蠕變性能高，尺寸穩(wěn)定性好，可以提高制件的精度。

（4）耐疲勞性能優(yōu)良，在高溫和潮濕的環(huán)境中穩(wěn)定性更好。

2 長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的性能影響因素

長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的性能主要由纖維含量、纖維長(zhǎng)度、界面狀態(tài)以及注塑過(guò)程中纖維的取向等因素決定[2]。

2.1 纖維含量

一般來(lái)講，隨纖維含量增加復(fù)合材料的力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性增強(qiáng)，但纖維含量高時(shí)，在加工過(guò)程中熔體的流動(dòng)性變差，纖維分布不均勻，從而導(dǎo)致其力學(xué)性能隨纖維含量繼續(xù)增加而增加的幅度下降，甚至有些性能反而會(huì)下降。

2.2 纖維長(zhǎng)度

纖維長(zhǎng)度對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能影響很大，在一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)，其力學(xué)性能隨纖維長(zhǎng)度增加而提高。由于纖維增強(qiáng)材料受到外力作用時(shí)，纖維在界面剪切力的作用下?lián)艹龊蛿嗔?，吸收能量越多材料力學(xué)性能越好。當(dāng)纖維長(zhǎng)度大時(shí)，纖維的撥出和斷裂可吸收較多能量；當(dāng)纖維長(zhǎng)度小時(shí)，纖維未斷裂之前，就與基體分離，纖維未能充分發(fā)揮其增強(qiáng)作用，甚至只起填充材料作用。長(zhǎng)纖維復(fù)合材料經(jīng)過(guò)加工制件后，其纖維長(zhǎng)度雖有破壞，但保留長(zhǎng)度仍遠(yuǎn)大于短玻璃纖維增強(qiáng)產(chǎn)品，所以其綜合性能優(yōu)于短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。但當(dāng)纖維長(zhǎng)度達(dá)到一定數(shù)值后，隨纖維長(zhǎng)度的增加，復(fù)合材料力學(xué)性能提高效果不明顯，甚至一些性能會(huì)下降。這是因?yàn)槔w維長(zhǎng)度很長(zhǎng)時(shí)，纖維在復(fù)合材料中彎曲、纏結(jié)，纖維承力的有效長(zhǎng)度沒(méi)有變大。

2.3 界面狀態(tài)

界面存在于纖維和樹(shù)脂基體之間，其功能作用為傳遞載荷。而纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的界面面積很大，因此對(duì)復(fù)合材料性能影響很大。均勻、恒定、適當(dāng)強(qiáng)度大小的界面可以抵抗多種熱應(yīng)力和變形應(yīng)力，以保證把樹(shù)脂基體受到的載荷有效地傳遞給纖維。

2.4 纖維取向

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能直接與纖維分布取向相關(guān)聯(lián)，在纖維取向方向上復(fù)合材料具有更高強(qiáng)度和剛度。因此，復(fù)合材料中纖維取向性越小，其分布越均勻，制品的各向異性越小。

3 長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)及展望

長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高抗沖擊性能、耐蠕變性能和好的尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航天航空、建筑、機(jī)械、體育器械、電子/電氣、包裝等行業(yè)。其中，長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料在汽車(chē)制造的應(yīng)用最為廣泛，因?yàn)樗鼈兂霰姷膹?qiáng)度和模量可以大量的減輕重量，并且相對(duì)的易于制造和加工。車(chē)輛重量的減輕總的來(lái)說(shuō)是提高燃料的利用率，在這方面降低生產(chǎn)成本實(shí)質(zhì)上是獲得了環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。通常，長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材的一些優(yōu)點(diǎn)甚至超過(guò)了金屬，包括高的抗沖擊性能、好的韌性、改善阻尼和抗腐蝕性，并且易于成型和循環(huán)利用。因此，長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材已經(jīng)被用于設(shè)計(jì)和制造各種各樣的組件，包括汽車(chē)等的儀表盤(pán)、車(chē)座殼體、電池殼、備用輪胎倉(cāng)等[3]。

長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料已廣泛用于汽車(chē)、建材、電子電器、機(jī)械等行業(yè)。我國(guó)汽車(chē)、建材等行業(yè)正處于快速發(fā)展階段。而目前我國(guó)各行業(yè)所用的長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料主要是靠進(jìn)口。因此，如何在已有研究的基礎(chǔ)上，自主研究開(kāi)發(fā)高性能的長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，加快推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，將有利于降低能耗、節(jié)約資源和減少污染。這符合我國(guó)建設(shè)節(jié)約型社會(huì)及可持續(xù)發(fā)展的原則，是目前復(fù)合材料領(lǐng)域面臨的一項(xiàng)重要任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 曾天卷.玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料—— 短纖維粒料和長(zhǎng)纖維粒料[J].玻璃纖維，2008.