三大纤维增强复合材料简介

房庆超++巩康++秦福勇++周文静

[摘 要]继石器和钢铁等金属后，“第三代材料”纤维布的研发和生产具有重要的意义，是国家科技实力和军事实力的体现，也是近来维护国民安全的重要基础。纤维布材料的发展，已从单一防御功能向灵活性、多功能性和灵活性并存方向发展。从各类纤维材料的特点、纤维材料性能的测试研究进展和改善途径3个方面出发，叙述当代纤维材料的国内外研究进展，指出了其中存在的问题或不足，并预测了今后纤维材料的发展趋势。

[关键词]纤维材料 第三代材料 多功能 性能改善

中图分类号：TG161 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）21-0134-01

引言

伴随着人类面临的各种实际问题出现之后，譬如军事、航空航天、防御自然灾害、医疗等方面面临的对加固、结构抗震、补强、修复方面的应用得到迅速发展，纤维布已经可以替代传统金属材料和高分子材料满足现代日益极端工况下使用需求。高性能纤维复合材料能够很好地弥补传统材料不具备的性能，已成为材料发展趋势【1】。

纤维布与其它材料的复合化在很大程度上改善和提高其单一组成材料的力学性能和物理性能，适应极端条件下使用性能，是对国防科技需求而发展需求的补充和延伸。20世纪60—70年代玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维相继出现，使得复合材料综合性能提高，复合材料发展进入高速发展的阶段，极大地促进了复合材料的应用领域。纤维复合材料是一种可研究的复合物材料，由两种或者多种异质、异形、异性的纤维材料与其它材料复合而成的，可以对原料进行选择，多材料复合的设计使各种原材料的优点产生互补，从而使复合材料呈现出优异的综合性能。本文就国内外的发展趋势和研究现状，从纤维复合材料的分类、纤维复合材料性能的测试研究和纤维复合材料性能的改善途径三个方面，全面综述了现代纤维复合材料的研究进展。

1 纤维复合材料的主要类型

纤维复合材料有多种分类方法，由于原始增强材料不同，已有的纤维增强复合材料可以被

分为玻璃纤维增强复合材料（GFRP），碳纤维增强复合材料（CFRP）以及芳纶纤维增强复合材料（AFRP）。玻璃纤维增强复合材料具有比强度高，重量轻，耐腐蚀，传热慢，电绝缘性能好，热绝缘性好，尤其是玻璃钢产品在制作成型时的一次性，更是区别于金属材料的另一个显著的特点。可以避免金属材料的二次加工，从而减少了人力和物力的浪费。碳纤维增强复合材料（CFRP）特性主要表现在力学性能、热物理性能和热烧蚀性能三个方面。密度低、热膨胀系数小、比热容高、耐热烧蚀的性能好等特性使得它是抗热结构最轻的材料，而且有较高的断裂韧性，抗疲劳性和抗蠕变性和非常强的热烧蚀性能即通过表层材料的烧蚀带走大量的热量，可阻止热流入材料内部。芳纶纤维增强复合材料（AFRP）特性主要表现良好的机械特性、优异的阻燃、耐热性能、稳定的化学性质、耐辐射性、耐久性等特点。因此Kevlar纤维为代表的芳纶纤维复合材料不仅大量应用于柔软轻便、舒适耐用的纤维衣的生产，还可以用于制作武装直升机和装甲战车的内壁衬层，防护效果极佳。

2 纤维材料性能的测试研究实验研究现状

国内关于纤维材料性能的测试研究主要有南京航空航天大学顾冰芳等人研究了纤维复合材料受冲击时的损伤机理以及纤维性能受冲击的影响规律【2】。还有熊杰，王善元等人研究芳纶纤维复合材料中所含有的纤维织物与树脂含量的复合方式，提出芳纶纤维层压复合材料的原理进一步研究树脂含量对复合材料纤维性能的影响【3】。何可馨，郭伟国，张晓琼研究了玻璃纤维编织层板与碳纤维复合材料层板，发现大面积的损伤往往发生在中间层，而且以不同比例组成的功能梯度板的吸能性能可以分别用于纤维装甲板材和人体防护板。【4】。通过运用纤维机理、混杂技术等手段制备出的各种类型复合纤维材料目前已应用于各个方面，玻璃纤维复合材料制品主要用于直升飞机机翼、预警机雷达罩、各种高压压力容器、民用飞机直板、体育用品、各类耐高温制品以及近期报道的性能优异的轮胎帘子线等。碳纤维复合材料制品主要在航空航天领域得到广泛应用。而芳纶纤维复合材料则主要应用在了防弹领域和航空航天领域的高性能复合材料零部件等。

3 纤维材料的性能改善

现今在纤维材料的发展领域中复合材料已占有不可替代的重要地位，近期预测看来纤维类材料的增强改性研究应该主要集中以下几个方面：

1. 伴随着计算机技术的发展，利用模拟软件进行数值模拟研究将成为一个重要的研究工具，根据材料或者结构的本构方程设定初始条件，然后经过汁算得到最终结果。这种方式可以得到纤维材料承受载荷的各种信息，费用较少

2.另外一个主要方法就是对纤维材料的组成与配比进行优化是制备性能完善的纤维材料的基础。设计材料时加入多种填料，通过调节添加物种类和添加量来达到最佳增强效果。

3.纤维复合材料的结构最优化设计。主要是指对纤维材料层厚度的控制、材料组成次序和连接方式的设计等。通过改善材料结构或改进生产工艺以达到改善纤维复合材料性能是推进纤维材料高性能化飞速发展且简便经济的最佳途径。

4.最后重点要加强材料行业的工程管理和出台新的方案、标准、规范等进一步开发纤维复合材料的数据库平台进行这些方面的人员培训，使将纤维复合材料的研发、设计、生产、实用贯穿于管理上。

4 结束语

总起来看中国的碳纤维总体水平还比较低，虽然我国的纤维复合材料研究落后，但是在过去的一段时间也为我国现代化事业发展做出了应有的贡献，未来的研究主要目标应该从单一防御功能向灵活性、多功能性和灵活性并存方向发展。实现纤维材料多功能统一，伴随着制造工艺的进步与新材料的研制，未来必将会有更多实用耐用且功能强大的纤维材料出现。

参考文献

[1]芦长椿 .从战略性新兴产业看纤维产业的发展（三）：高性能纤维材料在航空航天领域的应用[J].纺织导报 2012 （7） TQ342.8

[2]顾冰芳，龚烈航，徐国跃.基于神经网络的UHMWPE复合材料防弹性能研究[J]兵器材料科学与工程，2006，29（6）.

[3]熊杰，顾伯洪，周国泰等.15方弹层压复合材料防弹性能的实验研究[J].纺织学报，2003，24（6）：47—49.

[4]何可馨，郭伟国，张晓琼等.编织玻璃纤维与碳纤维铺层功能梯度板吸能特性研究[J].航空工程进展，20ll（3）：276.28 1.