第二节　热塑性复合材料应用

一、概述

热塑性复合材料可以通过热成型被塑造成各种形状的零件成品，特别适用于航空航天领域零部件的制造。表1-1为企业在采购方面提供一些指导和帮助。

表1-1列出了供应商和一部分已经实现商业化生产的热成型增强热塑性复合材料（TPC）。供应商可以通过多种制备方法来达到用热塑性聚合物浸润纤维增强材料的目的。

二、玻璃纤维材料应用

（一）玻璃纤维的成分及性能

生产玻璃纤维用的玻璃不同于其他玻璃制品的玻璃。目前国际上已经商品化的纤维用的玻璃成分如下：

（1）E玻璃　亦称无碱玻璃，系一种硼硅酸盐玻璃。目前是应用最广泛的一种玻璃纤维用玻璃成分，具有良好的电气绝缘性及力学性能，广泛用于生产电绝缘用玻璃纤维，也大量用于生产玻璃钢用玻璃纤维，它的缺点是易被无机酸侵蚀，故不适于用在酸性环境中。

（2）C玻璃　亦称中碱玻璃，其特点是耐化学性特别是耐酸性优于无碱玻璃，但电气性能差，机械强度低于无碱玻璃纤维10%～20%。通常国外的中碱玻璃纤维含一定数量的三氧化二硼，而我国的中碱玻璃纤维则完全不含硼。在国外，中碱玻璃纤维只是用于生产耐腐蚀的玻璃纤维产品，如用于生产玻璃纤维表面毡等，也用于增强沥青屋面材料，但在我国中碱玻璃纤维占据玻璃纤维产量的一大半（60%），广泛用于玻璃钢的增强以及过滤织物、包扎织物等的生产，因为其价格低于无碱玻璃纤维而有较强的竞争力。

（3）高强玻璃纤维　其特点是高强度、高模量，它的单纤维抗拉强度为2800MPa，比无碱玻纤抗拉强度高25%左右，弹性模量86000MPa，比E玻璃纤维的强度高。用它们生产的玻璃钢制品多用于军工、空间、防弹盔甲及运动器械。但是由于价格昂贵，目前在民用方面还不能得到推广，全世界产量也就几千吨左右。

（4）AR玻璃纤维　亦称耐碱玻璃纤维，主要是为了增强水泥而研制的。

（5）A玻璃　亦称高碱玻璃，是一种典型的钠硅酸盐玻璃，因耐水性很差，很少用于生产玻璃纤维。

（6）E-CR玻璃　是一种改进的无硼无碱玻璃，用于生产耐酸耐水性好的玻璃纤维，其耐水性比无碱玻纤改善7～8倍，耐酸性比中碱玻纤也优越不少，是专为地下管道、贮罐等开发的新品种。

（7）D玻璃　亦称低介电玻璃，用于生产介电强度好的低介电玻璃纤维。

除了以上的玻璃纤维成分以外，近年来还出现了一种新的无碱玻璃纤维，它完全不含硼，从而可减轻对环境的污染，但其电绝缘性能及力学性能都与传统的E玻璃相似。另外还有一种双玻璃成分的玻璃纤维，已用在生产玻璃棉中，据称在作玻璃钢增强材料方面也有潜力。此外还有无氟玻璃纤维，是为环保要求而开发出来的改进型无碱玻璃纤维。

（二）玻璃纤维制品品种与用途

1.无捻粗纱

无捻粗纱是由平行原丝或平行单丝集束而成的。无捻粗纱按玻璃成分可划分为：无碱玻璃无捻粗纱和中碱玻璃无捻粗纱。生产玻璃粗纱所用玻纤直径为12～23μm。无捻粗纱的纱线密度为150～9600tex。无捻粗纱可直接用于某些复合材料工艺成型方法中，如缠绕、拉挤工艺，因其张力均匀，也可织成无捻粗纱织物，在某些用途中还将无捻粗纱进一步短切。

（1）喷射用无捻粗纱　适合于玻璃钢喷射成型使用的无捻粗纱要具备如下性能：①良好的切割性，在连续高速切割时产生的静电少；②切割后分散成原丝的效率要高，也即分束率高，通常要求90%以上；③短切后的原丝具有优良的覆模性，可覆盖在模具的各个角落；④树脂浸透快，易于被辊子辊平并易于驱赶气泡；⑤原丝筒退解性能好，粗纱线密度均匀，适合于各种喷枪及纤维输送系统。喷射用无捻粗纱都是由多股原丝制成，每股原丝含200根玻纤单丝。

（2）SMC用无捻粗纱　SMC即片状模塑料，主要用于压制汽车部件、浴缸、水箱板、净化槽、各种座椅等。SMC用无捻粗纱在制造SMC片材时要切成25mm的长度，分散在树脂糊中，因此对SMC用无捻粗纱的要求是：短切性好，毛丝少，抗静电性优良，在切割时短切丝不会黏附在刀辊上。对着色的SMC而言，无捻粗纱要在高颜料含量的树脂糊中被树脂浸透。通常SMC无捻粗纱一般为2400tex，少数情况下也有用4800tex的。

（3）缠绕用无捻粗纱　缠绕法用于制造各种口径的玻璃钢管、贮罐等。缠绕用无捻粗纱的号数从1200tex到9600tex，缠绕大型管道及贮罐多倾向于直接无捻粗纱，如4800tex的直接无捻粗纱。对缠绕用无捻粗纱的要求如下：①成带性好，呈扁带状；②无捻粗纱退解性好，在从纱筒退解时不脱圈，不形成“鸟巢”状乱丝；③张力均匀，无悬垂现象；④线密度均匀，一般须小于±7%；⑤无捻粗纱浸透性好，从树脂槽通过时易为树脂润湿及浸透。

（4）拉挤用无捻粗纱　拉挤工艺用于制造断面一致的各种型材，其特点是玻纤含量高，单向强度大。拉挤用无捻粗纱可以是多股原丝并合的也可以是直接的无捻粗纱，其线密度范围为1100～4400tex。各种性能要求与缠绕无捻粗纱大体相同。

（5）织造用无捻粗纱　无捻粗纱的一个重要用途是织造各种厚度的方格布或单向无捻粗纱织物，它们大多用于手糊玻璃钢成型工艺中。对织造用无捻粗纱有如下要求：①良好的耐磨性；②良好的成带性；③织造用无捻粗纱在织造前需经强制烘干；④张力均匀，悬垂度应符合一定标准；⑤退解性好；⑥浸透性好。

（6）预型体用无捻粗纱　在预型体工艺中，无捻粗纱被短切并喷附在预定形状的网上，同时喷少量树脂使纤维网固定成型，然后将成型的纤维网片移入金属模具中，注入树脂热压成型，即得制品。对于这种工艺的无捻粗纱的性能要求与对喷射无捻粗纱的要求基本相同。

2.无捻粗纱织物（方格布）

方格布是无捻粗纱平纹织物，是手糊玻璃钢重要基材。方格布的强度主要在织物的经纬方向上，对于要求经向或纬向强度高的场合，也可以织成单向方格布，它可以在经向或纬向布置较多的无捻粗纱。

对方格布的质量要求如下：①织物均匀，布边平直，布面平整呈席状，无污渍、起毛、折痕、皱纹等；②经、纬密度、单位面积质量、布幅及卷长均符合标准；③卷绕在牢固的纸芯上，卷绕整齐；④有迅速、良好的树脂透性；⑤织物制成的层合材料的干、湿态机械强度均应达到要求。

用方格布铺敷成型的复合材料其特点是层间剪切强度低，耐压和疲劳强度差。

3.玻璃纤维毡片

（1）短切原丝毡　将玻璃原丝（有时也用无捻粗纱）切割成50mm长，将其随机但均匀地铺陈在网带上，随后施以乳液黏结剂或撒布上粉末黏结剂经加热固化后黏结成短切原丝毡。短切毡主要用于手糊、连续制板、对模模压和SMC工艺中。对短切原丝毡的质量要求如下：①沿宽度方向面积质量均匀；②短切原丝在毡面中分布均匀，无大孔眼形成，黏结剂分布均匀；③具有适中的干毡强度；④优良的树脂浸润及浸透性。

（2）连续原丝毡　将拉丝过程中形成的玻璃原丝或从原丝筒中退解出来的连续原丝呈8字形铺敷在连续移动网带上，经粉末黏结剂黏合而成。连续玻纤原丝毡中纤维是连续的，故其对复合材料的增强效果较短切毡好。主要用在拉挤法、树脂传递膜塑（RTM）、压力袋法及玻璃毡增强热塑料（GMT）等工艺中。

（3）表面毡　玻璃钢制品通常需要形成富树脂层，这一般是用中碱玻璃表面毡来实现。这类毡由于采用中碱玻璃（C）制成，故赋予玻璃钢耐化学性特别是耐酸性。同时因为毡薄、玻纤直径较细之故，还可吸收较多树脂形成富树脂层，遮住了玻璃纤维增强材料（如方格布）的纹路，起到表面修饰作用。

（4）针刺毡　针刺毡分为短切纤维针刺毡和连续原丝针刺毡。短切纤维针刺毡是将玻纤粗纱短切成50mm，随机铺放在预先放置于传送带上的底材上，然后用带倒钩的针进行针刺，针将短切纤维刺进底材中，而钩针又将一些纤维向上带起形成三维结构。所用底材可以是玻璃纤维或其他纤维的稀织物。这种针刺毡有绒毛感，其主要用途包括用作隔热隔声材料、衬热材料、过滤材料，也可用在玻璃钢生产中，但所制玻璃钢强度较低，使用范围有限。另一类连续原丝针刺毡，是将连续玻璃原丝用抛丝装置随机抛在连续网带上，经针板针刺，形成纤维相互勾连的三维结构的毡。这种毡主要用于玻璃纤维增强热塑料可冲压片材的生产。

（5）缝合毡　短切玻璃纤维从50mm至60cm长均可用缝编机将其缝合成短切纤维或长纤维毡，前者可在若干用途方面代替传统的黏结剂黏结的短切毡，后者则在一定程度上代替连续原丝毡。它们的共同优点是不含黏结剂，避免了生产过程的污染，同时浸透性能好，价格较低。

4.短切原丝和磨碎纤维

（1）短切原丝　短切原丝分干法短切原丝及湿法短切原丝。前者用在增强塑料生产中，而后者则用于造纸。用于玻璃钢的短切原丝又分为增强热固性树脂（BMC）用短切原丝和增强热塑性树脂用短切原丝两大类。对增强热塑性树脂用短切原丝的要求是用无碱玻璃纤维，强度高及电绝缘性好，短切原丝集束性好、流动性好、白度较高。增强热固性树脂用短切原丝要求集束性好，易被树脂很快浸透，具有很好的机械强度及电气性能。

（2）磨碎纤维　磨碎纤维系由锤磨机或球磨机将短切纤维磨碎而成。磨碎纤维主要在增强反应注射工艺（RRIM）中用作增强材料，在制造浇铸制品、模具等制品时用作树脂的填料，用以改善表面裂纹现象，降低模塑收缩率，也可用作增强材料。

5.玻璃纤维织物

以下介绍的是以玻璃纤维纱线织造的各种玻璃纤维织物。

（1）玻璃布　我国生产的玻璃布，分为无碱和中碱两类，国外大多数是无碱玻璃布。无碱玻璃布主要用于生产各种电绝缘层压板、印制电路板、各种车辆车体、贮罐、船艇、模具等。中碱玻璃布主要用于生产涂塑包装布，以及用于耐腐蚀场合。织物的特性由纤维性能、经纬密度、纱线结构和织纹所决定。有五种基本的织纹：平纹、斜纹、缎纹、罗纹和席纹。

（2）玻璃带　玻璃带分为有织边带和无织边带（毛边带）两种，主要织纹是平纹。玻璃带常用于制造高强度、介电性能好的电气设备零部件。

（3）单向织物　单向织物是一种粗经纱和细纬纱织成的四经破缎纹或长轴缎纹织物。其特点是在经纱主向上具有高强度。

（4）立体织物　立体织物是相对平面织物而言，其结构特征从一维二维发展到了三维，从而使以此为增强体的复合材料具有良好的整体性和仿形性，大大提高了复合材料的层间剪切强度和抗损伤容限。它是随着航天、航空、兵器、船舶等部门的特殊需求发展起来的，目前其应用已拓展至汽车、体育运动器材、医疗器械等部门。主要有五类：机织三维织物、针织三维织物、正交及非正交非织造三维织物、三维编织织物和其他形式的三维织物。立体织物的形状有块状、柱状、管状、空心截锥体及变厚度异形截面等。

（5）异形织物　异形织物的形状和它所要增强的制品的形状非常相似，必须在专用的织机上织造。对称形状的异形织物有：圆盖、锥体、帽、哑铃形织物等，还可以制成箱、船壳等不对称形状。

（6）槽芯织物　槽芯织物是由两层平行的织物，用纵向的竖条连接起来所组成的织物，其横截面形状可以是三角形或矩形。

（7）玻璃纤维缝编织物　亦称为针织毡或编织毡，它既不同于普通的织物，也不同于通常意义的毡。最典型的缝编织物是一层经纱与一层纬纱重叠在一起，通过缝编将经纱与纬纱编织在一起成为织物。缝编织物的优点如下：①它可以增加玻璃钢层合制品的极限抗张强度，张力下的抗脱层强度以及抗弯强度；②减轻玻璃钢制品的重量；③表面平整使玻璃钢表面光滑；④简化手糊操作，提高劳动生产率。这种增强材料可以在拉挤法玻璃钢及RTM中代替连续原丝毡，还可以在离心法玻璃钢管生产中取代方格布。

6.组合玻璃纤维增强材料

20世纪70年代以来，出现了把短切原丝毡、连续原丝毡、无捻粗纱织物和无捻粗纱等，按一定的顺序组合起来的增强材料，大体有以下几种：短切原丝毡+无捻粗纱织物；短切原丝毡+无捻粗纱布+短切原丝毡；短切原丝毡+连续原丝毡+短切原丝毡；短切原比毡+随机无捻粗纱；短切原丝毡或布+单向碳纤维；短切原丝+表面毡；玻璃布+单向无捻粗纱或玻璃细棒+玻璃布。

三、碳纤维材料应用

1.碳纤维的成分及性能

碳纤维是由有机纤维或低分子烃气体原料加热至1500℃所形成的纤维状碳材料，其碳含量在90%以上。

碳（石墨）纤维具有低密度、高强度、高模量、耐高温、抗化学腐蚀、低电阻、高热导、低热膨胀等优良特性，此外，还具有纤维的柔曲性和可编性，比强度和比模量优于其他纤维增强体。

2.碳（石墨）纤维的主要用途

（1）航天工业　用作导弹防热及结构材料，如用于制造火箭喷管、鼻锥、大面积防热层，卫星构架、天线、太阳能翼片底板、卫星-火箭结合部件，航天飞机机头、机翼前缘和舱门等制件，哈勃太空望远镜的测量构架，太阳能电池板和无线电天线。

（2）航空工业　用作主承力结构材料，如主翼、尾翼和机体；用于制造次承力构件，如方向舵、起落架、副翼、扰流板、发动机舱、整流罩及座板等，此外还有C/C刹车片。

（3）交通运输　汽车工业中用于制造汽车传动轴、板簧、构架和刹车片等制件；船舶和海洋工业中用于制造渔船、鱼雷快艇、快艇和巡逻艇，赛艇的桅杆、航杆、壳体、划水浆，海底电缆、潜水艇、雷达罩、深海油田的升降器和管道。

（4）运动器材　用于制造网球、羽毛球和壁球拍及杆，棒球、曲棍球和高尔夫球杆，自行车、赛艇、钓竿、滑雪板、雪车等。

（5）土木建筑　用于制造幕墙、嵌板、间隔壁板、桥梁、架设跨度大的管线、海水和水轮结构的增强筋、地板、窗框、管道、海洋浮杆、面状发热嵌板，用作抗震救灾用补强材料。

（6）其他工业　用于制造化工用的防腐泵、阀、槽、罐；催化剂、吸附剂和密封制品等；生体和医疗器材如人造骨骼、牙齿、韧带、X光机的床板和胶卷盒；编织机用的剑竿头和剑竿防静电刷，其他还应用于电磁屏蔽、电极、音响、减磨、储能及防静电等领域。

四、芳纶纤维材料应用

（一）芳纶纤维的构成、分类与性能

凡聚合物大分子的主链由芳香环和酰氨基构成，且其中至少85%的酰氨基直接键合在芳香环上，每个重复单元的酰氨基中的氮原子均直接与芳香环中的碳原子相连接并置换其中的一个氢原子的聚合物，称为芳香族聚酰胺纤维，我国定名为芳纶纤维。

芳纶纤维有两大类：全芳族聚酰胺纤维和杂环芳族聚酰胺纤维。全芳族聚酰胺纤维主要包括对位的聚对苯二甲酰对苯二胺和聚对苯甲酰胺纤维、间位的聚间苯二甲酰间苯二胺和聚间苯甲酰胺纤维、共聚芳酰胺纤维，以及如引入折叠基、巨型侧基的其他芳族聚酰胺纤维。杂环芳族聚酰胺纤维是指含有氮、氧、硫等杂质原子的二胺和二酰氯缩聚而成的芳纶纤维，如有序结构的杂环聚酰胺纤维等。

1.聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA）纤维

PPTA纤维是芳纶在复合材料中应用最为普遍的一个品种。中国于20世纪80年代中期试生产此纤维，定名为芳纶1414（芳纶II）。芳纶纤维具有优异的力学、化学、热学、电学等性能。PPTA纤维具有高拉伸强度、高拉伸模量、低密度、优良吸能性和减震、耐磨、耐冲击、抗疲劳、尺寸稳定等优异的力学和动态性能；具有良好的耐化学腐蚀性；具有高耐热、低膨胀、低导热、不燃、不熔等突出的热性能以及优良的介电性能。

2.聚对苯甲酰胺（PBA）纤维

中国于20世纪80年代初期曾试生产此纤维，定名为芳纶14（芳纶I）。芳纶I的拉伸强度比芳纶II低约20%，但拉伸模量却高出50%以上。芳纶I热老化性能好，这些性能用作某些复合材料的增强剂是很有利的。

3.芳纶共聚纤维

采用新的二胺或第三单体合成新的芳纶是提高芳纶纤维性能的重要途径。

（1）对位芳酰胺共聚纤维　它是由对苯二甲酰氯与对苯二胺及第三单体3，4'-二氨基二苯醚在N，N'-二甲基乙酰胺等溶剂中低温缩聚而成的。共聚物溶液中和后直接进行湿法纺丝和后处理而制得各种产品。

（2）聚对芳酰胺苯并咪唑纤维　一般认为它们是在原PPTA的基础上引入对亚苯基苯并咪唑类杂环二胺，经低温缩聚而成的三元共聚芳酰胺体系，纺丝后再经高温热拉伸而成。

（二）芳纶纤维的应用

①先进复合材料：航空航天领域、舰船中的应用、汽车工业。

②防弹制品：硬质防弹装甲板、软质防弹背心。

③缆绳方面的应用。

④基础设施和建材方面：芳纶增强混凝土、芳纶增强木材。

⑤应用于传送带。

⑥应用于特种防护服装。

⑦体育运动器材方面的应用。

⑧电子设备方面的应用。

五、高性能的超高分子量聚乙烯纤维应用

超高分子量聚乙烯纤维（ultra high molecular weight polyethylene fiber，简称UHMW-PE纤维）是采用冻胶纺丝方法——超倍热拉伸技术（gel spinning method-ultra drawingtechnology）制得的。由于该纤维相对密度低（0.97）、比强度高、比模量高等众多优异特性，它正在许多高性能纤维市场上，包括从海上油田的系泊绳到高性能轻质复合材料方面均显示出极大的优势，在现代化战争和航空、航天、海域防御装备等领域发挥着举足轻重的作用。除此之外，该纤维在汽车制造、船舶制造、医疗器械、体育运动器材等领域亦有广阔的应用前景。

六、热塑性复合材料应用研发方向转换

欧洲第二届汽车热塑性复合材料会议于2016年7月5日～6日在德国杜塞尔多夫举行。这次会议使得汽车生产过程中复合材料应用研发方向转换产生一个高潮。会议中许多领先企业代表进行了热塑性复合材料的新兴市场和发展趋势演讲，比如关于纤维增强材料将广泛用于强量化汽车的生产，显著降低成本并更具再循环能力。

例如来自一家碳纤维增强塑料供应商SGL Carbon的Andreas Erber分享其在汽车公司工作了两年的工作经验。来自于Ernst & Young的Peter Fuss和来自于Kiska的AlexandreRossier介绍了未来汽车内饰的发展趋势，以及用户的关注点将如何影响汽车制造商对于材料的选择。他们认为塑料和复合材料将在车舱内加大应用。