第二節　熱塑性復合材料應用

一、概述

熱塑性復合材料可以通過熱成型被塑造成各種形狀的零件成品，特別適用于航空航天領域零部件的制造。表1-1為企業在采購方面提供一些指導和幫助。

表1-1列出了供應商和一部分已經實現商業化生產的熱成型增強熱塑性復合材料（TPC）。供應商可以通過多種制備方法來達到用熱塑性聚合物浸潤纖維增強材料的目的。

二、玻璃纖維材料應用

（一）玻璃纖維的成分及性能

生產玻璃纖維用的玻璃不同于其他玻璃制品的玻璃。目前國際上已經商品化的纖維用的玻璃成分如下：

（1）E玻璃　亦稱無堿玻璃，系一種硼硅酸鹽玻璃。目前是應用最廣泛的一種玻璃纖維用玻璃成分，具有良好的電氣絕緣性及力學性能，廣泛用于生產電絕緣用玻璃纖維，也大量用于生產玻璃鋼用玻璃纖維，它的缺點是易被無機酸侵蝕，故不適于用在酸性環境中。

（2）C玻璃　亦稱中堿玻璃，其特點是耐化學性特別是耐酸性優于無堿玻璃，但電氣性能差，機械強度低于無堿玻璃纖維10%～20%。通常國外的中堿玻璃纖維含一定數量的三氧化二硼，而我國的中堿玻璃纖維則完全不含硼。在國外，中堿玻璃纖維只是用于生產耐腐蝕的玻璃纖維產品，如用于生產玻璃纖維表面氈等，也用于增強瀝青屋面材料，但在我國中堿玻璃纖維占據玻璃纖維產量的一大半（60%），廣泛用于玻璃鋼的增強以及過濾織物、包扎織物等的生產，因為其價格低于無堿玻璃纖維而有較強的競爭力。

（3）高強玻璃纖維　其特點是高強度、高模量，它的單纖維抗拉強度為2800MPa，比無堿玻纖抗拉強度高25%左右，彈性模量86000MPa，比E玻璃纖維的強度高。用它們生產的玻璃鋼制品多用于軍工、空間、防彈盔甲及運動器械。但是由于價格昂貴，目前在民用方面還不能得到推廣，全世界產量也就幾千噸左右。

（4）AR玻璃纖維　亦稱耐堿玻璃纖維，主要是為了增強水泥而研制的。

（5）A玻璃　亦稱高堿玻璃，是一種典型的鈉硅酸鹽玻璃，因耐水性很差，很少用于生產玻璃纖維。

（6）E-CR玻璃　是一種改進的無硼無堿玻璃，用于生產耐酸耐水性好的玻璃纖維，其耐水性比無堿玻纖改善7～8倍，耐酸性比中堿玻纖也優越不少，是專為地下管道、貯罐等開發的新品種。

（7）D玻璃　亦稱低介電玻璃，用于生產介電強度好的低介電玻璃纖維。

除了以上的玻璃纖維成分以外，近年來還出現了一種新的無堿玻璃纖維，它完全不含硼，從而可減輕對環境的污染，但其電絕緣性能及力學性能都與傳統的E玻璃相似。另外還有一種雙玻璃成分的玻璃纖維，已用在生產玻璃棉中，據稱在作玻璃鋼增強材料方面也有潛力。此外還有無氟玻璃纖維，是為環保要求而開發出來的改進型無堿玻璃纖維。

（二）玻璃纖維制品品種與用途

1.無捻粗紗

無捻粗紗是由平行原絲或平行單絲集束而成的。無捻粗紗按玻璃成分可劃分為：無堿玻璃無捻粗紗和中堿玻璃無捻粗紗。生產玻璃粗紗所用玻纖直徑為12～23μm。無捻粗紗的紗線密度為150～9600tex。無捻粗紗可直接用于某些復合材料工藝成型方法中，如纏繞、拉擠工藝，因其張力均勻，也可織成無捻粗紗織物，在某些用途中還將無捻粗紗進一步短切。

（1）噴射用無捻粗紗　適合于玻璃鋼噴射成型使用的無捻粗紗要具備如下性能：①良好的切割性，在連續高速切割時產生的靜電少；②切割后分散成原絲的效率要高，也即分束率高，通常要求90%以上；③短切后的原絲具有優良的覆模性，可覆蓋在模具的各個角落；④樹脂浸透快，易于被輥子輥平并易于驅趕氣泡；⑤原絲筒退解性能好，粗紗線密度均勻，適合于各種噴槍及纖維輸送系統。噴射用無捻粗紗都是由多股原絲制成，每股原絲含200根玻纖單絲。

（2）SMC用無捻粗紗　SMC即片狀模塑料，主要用于壓制汽車部件、浴缸、水箱板、凈化槽、各種座椅等。SMC用無捻粗紗在制造SMC片材時要切成25mm的長度，分散在樹脂糊中，因此對SMC用無捻粗紗的要求是：短切性好，毛絲少，抗靜電性優良，在切割時短切絲不會黏附在刀輥上。對著色的SMC而言，無捻粗紗要在高顏料含量的樹脂糊中被樹脂浸透。通常SMC無捻粗紗一般為2400tex，少數情況下也有用4800tex的。

（3）纏繞用無捻粗紗　纏繞法用于制造各種口徑的玻璃鋼管、貯罐等。纏繞用無捻粗紗的號數從1200tex到9600tex，纏繞大型管道及貯罐多傾向于直接無捻粗紗，如4800tex的直接無捻粗紗。對纏繞用無捻粗紗的要求如下：①成帶性好，呈扁帶狀；②無捻粗紗退解性好，在從紗筒退解時不脫圈，不形成“鳥巢”狀亂絲；③張力均勻，無懸垂現象；④線密度均勻，一般須小于±7%；⑤無捻粗紗浸透性好，從樹脂槽通過時易為樹脂潤濕及浸透。

（4）拉擠用無捻粗紗　拉擠工藝用于制造斷面一致的各種型材，其特點是玻纖含量高，單向強度大。拉擠用無捻粗紗可以是多股原絲并合的也可以是直接的無捻粗紗，其線密度范圍為1100～4400tex。各種性能要求與纏繞無捻粗紗大體相同。

（5）織造用無捻粗紗　無捻粗紗的一個重要用途是織造各種厚度的方格布或單向無捻粗紗織物，它們大多用于手糊玻璃鋼成型工藝中。對織造用無捻粗紗有如下要求：①良好的耐磨性；②良好的成帶性；③織造用無捻粗紗在織造前需經強制烘干；④張力均勻，懸垂度應符合一定標準；⑤退解性好；⑥浸透性好。

（6）預型體用無捻粗紗　在預型體工藝中，無捻粗紗被短切并噴附在預定形狀的網上，同時噴少量樹脂使纖維網固定成型，然后將成型的纖維網片移入金屬模具中，注入樹脂熱壓成型，即得制品。對于這種工藝的無捻粗紗的性能要求與對噴射無捻粗紗的要求基本相同。

2.無捻粗紗織物（方格布）

方格布是無捻粗紗平紋織物，是手糊玻璃鋼重要基材。方格布的強度主要在織物的經緯方向上，對于要求經向或緯向強度高的場合，也可以織成單向方格布，它可以在經向或緯向布置較多的無捻粗紗。

對方格布的質量要求如下：①織物均勻，布邊平直，布面平整呈席狀，無污漬、起毛、折痕、皺紋等；②經、緯密度、單位面積質量、布幅及卷長均符合標準；③卷繞在牢固的紙芯上，卷繞整齊；④有迅速、良好的樹脂透性；⑤織物制成的層合材料的干、濕態機械強度均應達到要求。

用方格布鋪敷成型的復合材料其特點是層間剪切強度低，耐壓和疲勞強度差。

3.玻璃纖維氈片

（1）短切原絲氈　將玻璃原絲（有時也用無捻粗紗）切割成50mm長，將其隨機但均勻地鋪陳在網帶上，隨后施以乳液黏結劑或撒布上粉末黏結劑經加熱固化后黏結成短切原絲氈。短切氈主要用于手糊、連續制板、對模模壓和SMC工藝中。對短切原絲氈的質量要求如下：①沿寬度方向面積質量均勻；②短切原絲在氈面中分布均勻，無大孔眼形成，黏結劑分布均勻；③具有適中的干氈強度；④優良的樹脂浸潤及浸透性。

（2）連續原絲氈　將拉絲過程中形成的玻璃原絲或從原絲筒中退解出來的連續原絲呈8字形鋪敷在連續移動網帶上，經粉末黏結劑黏合而成。連續玻纖原絲氈中纖維是連續的，故其對復合材料的增強效果較短切氈好。主要用在拉擠法、樹脂傳遞膜塑（RTM）、壓力袋法及玻璃氈增強熱塑料（GMT）等工藝中。

（3）表面氈　玻璃鋼制品通常需要形成富樹脂層，這一般是用中堿玻璃表面氈來實現。這類氈由于采用中堿玻璃（C）制成，故賦予玻璃鋼耐化學性特別是耐酸性。同時因為氈薄、玻纖直徑較細之故，還可吸收較多樹脂形成富樹脂層，遮住了玻璃纖維增強材料（如方格布）的紋路，起到表面修飾作用。

（4）針刺氈　針刺氈分為短切纖維針刺氈和連續原絲針刺氈。短切纖維針刺氈是將玻纖粗紗短切成50mm，隨機鋪放在預先放置于傳送帶上的底材上，然后用帶倒鉤的針進行針刺，針將短切纖維刺進底材中，而鉤針又將一些纖維向上帶起形成三維結構。所用底材可以是玻璃纖維或其他纖維的稀織物。這種針刺氈有絨毛感，其主要用途包括用作隔熱隔聲材料、襯熱材料、過濾材料，也可用在玻璃鋼生產中，但所制玻璃鋼強度較低，使用范圍有限。另一類連續原絲針刺氈，是將連續玻璃原絲用拋絲裝置隨機拋在連續網帶上，經針板針刺，形成纖維相互勾連的三維結構的氈。這種氈主要用于玻璃纖維增強熱塑料可沖壓片材的生產。

（5）縫合氈　短切玻璃纖維從50mm至60cm長均可用縫編機將其縫合成短切纖維或長纖維氈，前者可在若干用途方面代替傳統的黏結劑黏結的短切氈，后者則在一定程度上代替連續原絲氈。它們的共同優點是不含黏結劑，避免了生產過程的污染，同時浸透性能好，價格較低。

4.短切原絲和磨碎纖維

（1）短切原絲　短切原絲分干法短切原絲及濕法短切原絲。前者用在增強塑料生產中，而后者則用于造紙。用于玻璃鋼的短切原絲又分為增強熱固性樹脂（BMC）用短切原絲和增強熱塑性樹脂用短切原絲兩大類。對增強熱塑性樹脂用短切原絲的要求是用無堿玻璃纖維，強度高及電絕緣性好，短切原絲集束性好、流動性好、白度較高。增強熱固性樹脂用短切原絲要求集束性好，易被樹脂很快浸透，具有很好的機械強度及電氣性能。

（2）磨碎纖維　磨碎纖維系由錘磨機或球磨機將短切纖維磨碎而成。磨碎纖維主要在增強反應注射工藝（RRIM）中用作增強材料，在制造澆鑄制品、模具等制品時用作樹脂的填料，用以改善表面裂紋現象，降低模塑收縮率，也可用作增強材料。

5.玻璃纖維織物

以下介紹的是以玻璃纖維紗線織造的各種玻璃纖維織物。

（1）玻璃布　我國生產的玻璃布，分為無堿和中堿兩類，國外大多數是無堿玻璃布。無堿玻璃布主要用于生產各種電絕緣層壓板、印制電路板、各種車輛車體、貯罐、船艇、模具等。中堿玻璃布主要用于生產涂塑包裝布，以及用于耐腐蝕場合。織物的特性由纖維性能、經緯密度、紗線結構和織紋所決定。有五種基本的織紋：平紋、斜紋、緞紋、羅紋和席紋。

（2）玻璃帶　玻璃帶分為有織邊帶和無織邊帶（毛邊帶）兩種，主要織紋是平紋。玻璃帶常用于制造高強度、介電性能好的電氣設備零部件。

（3）單向織物　單向織物是一種粗經紗和細緯紗織成的四經破緞紋或長軸緞紋織物。其特點是在經紗主向上具有高強度。

（4）立體織物　立體織物是相對平面織物而言，其結構特征從一維二維發展到了三維，從而使以此為增強體的復合材料具有良好的整體性和仿形性，大大提高了復合材料的層間剪切強度和抗損傷容限。它是隨著航天、航空、兵器、船舶等部門的特殊需求發展起來的，目前其應用已拓展至汽車、體育運動器材、醫療器械等部門。主要有五類：機織三維織物、針織三維織物、正交及非正交非織造三維織物、三維編織織物和其他形式的三維織物。立體織物的形狀有塊狀、柱狀、管狀、空心截錐體及變厚度異形截面等。

（5）異形織物　異形織物的形狀和它所要增強的制品的形狀非常相似，必須在專用的織機上織造。對稱形狀的異形織物有：圓蓋、錐體、帽、啞鈴形織物等，還可以制成箱、船殼等不對稱形狀。

（6）槽芯織物　槽芯織物是由兩層平行的織物，用縱向的豎條連接起來所組成的織物，其橫截面形狀可以是三角形或矩形。

（7）玻璃纖維縫編織物　亦稱為針織氈或編織氈，它既不同于普通的織物，也不同于通常意義的氈。最典型的縫編織物是一層經紗與一層緯紗重疊在一起，通過縫編將經紗與緯紗編織在一起成為織物。縫編織物的優點如下：①它可以增加玻璃鋼層合制品的極限抗張強度，張力下的抗脫層強度以及抗彎強度；②減輕玻璃鋼制品的重量；③表面平整使玻璃鋼表面光滑；④簡化手糊操作，提高勞動生產率。這種增強材料可以在拉擠法玻璃鋼及RTM中代替連續原絲氈，還可以在離心法玻璃鋼管生產中取代方格布。

6.組合玻璃纖維增強材料

20世紀70年代以來，出現了把短切原絲氈、連續原絲氈、無捻粗紗織物和無捻粗紗等，按一定的順序組合起來的增強材料，大體有以下幾種：短切原絲氈+無捻粗紗織物；短切原絲氈+無捻粗紗布+短切原絲氈；短切原絲氈+連續原絲氈+短切原絲氈；短切原比氈+隨機無捻粗紗；短切原絲氈或布+單向碳纖維；短切原絲+表面氈；玻璃布+單向無捻粗紗或玻璃細棒+玻璃布。

三、碳纖維材料應用

1.碳纖維的成分及性能

碳纖維是由有機纖維或低分子烴氣體原料加熱至1500℃所形成的纖維狀碳材料，其碳含量在90%以上。

碳（石墨）纖維具有低密度、高強度、高模量、耐高溫、抗化學腐蝕、低電阻、高熱導、低熱膨脹等優良特性，此外，還具有纖維的柔曲性和可編性，比強度和比模量優于其他纖維增強體。

2.碳（石墨）纖維的主要用途

（1）航天工業　用作導彈防熱及結構材料，如用于制造火箭噴管、鼻錐、大面積防熱層，衛星構架、天線、太陽能翼片底板、衛星-火箭結合部件，航天飛機機頭、機翼前緣和艙門等制件，哈勃太空望遠鏡的測量構架，太陽能電池板和無線電天線。

（2）航空工業　用作主承力結構材料，如主翼、尾翼和機體；用于制造次承力構件，如方向舵、起落架、副翼、擾流板、發動機艙、整流罩及座板等，此外還有C/C剎車片。

（3）交通運輸　汽車工業中用于制造汽車傳動軸、板簧、構架和剎車片等制件；船舶和海洋工業中用于制造漁船、魚雷快艇、快艇和巡邏艇，賽艇的桅桿、航桿、殼體、劃水漿，海底電纜、潛水艇、雷達罩、深海油田的升降器和管道。

（4）運動器材　用于制造網球、羽毛球和壁球拍及桿，棒球、曲棍球和高爾夫球桿，自行車、賽艇、釣竿、滑雪板、雪車等。

（5）土木建筑　用于制造幕墻、嵌板、間隔壁板、橋梁、架設跨度大的管線、海水和水輪結構的增強筋、地板、窗框、管道、海洋浮桿、面狀發熱嵌板，用作抗震救災用補強材料。

（6）其他工業　用于制造化工用的防腐泵、閥、槽、罐；催化劑、吸附劑和密封制品等；生體和醫療器材如人造骨骼、牙齒、韌帶、X光機的床板和膠卷盒；編織機用的劍竿頭和劍竿防靜電刷，其他還應用于電磁屏蔽、電極、音響、減磨、儲能及防靜電等領域。

四、芳綸纖維材料應用

（一）芳綸纖維的構成、分類與性能

凡聚合物大分子的主鏈由芳香環和酰氨基構成，且其中至少85%的酰氨基直接鍵合在芳香環上，每個重復單元的酰氨基中的氮原子均直接與芳香環中的碳原子相連接并置換其中的一個氫原子的聚合物，稱為芳香族聚酰胺纖維，我國定名為芳綸纖維。

芳綸纖維有兩大類：全芳族聚酰胺纖維和雜環芳族聚酰胺纖維。全芳族聚酰胺纖維主要包括對位的聚對苯二甲酰對苯二胺和聚對苯甲酰胺纖維、間位的聚間苯二甲酰間苯二胺和聚間苯甲酰胺纖維、共聚芳酰胺纖維，以及如引入折疊基、巨型側基的其他芳族聚酰胺纖維。雜環芳族聚酰胺纖維是指含有氮、氧、硫等雜質原子的二胺和二酰氯縮聚而成的芳綸纖維，如有序結構的雜環聚酰胺纖維等。

1.聚對苯二甲酰對苯二胺（PPTA）纖維

PPTA纖維是芳綸在復合材料中應用最為普遍的一個品種。中國于20世紀80年代中期試生產此纖維，定名為芳綸1414（芳綸II）。芳綸纖維具有優異的力學、化學、熱學、電學等性能。PPTA纖維具有高拉伸強度、高拉伸模量、低密度、優良吸能性和減震、耐磨、耐沖擊、抗疲勞、尺寸穩定等優異的力學和動態性能；具有良好的耐化學腐蝕性；具有高耐熱、低膨脹、低導熱、不燃、不熔等突出的熱性能以及優良的介電性能。

2.聚對苯甲酰胺（PBA）纖維

中國于20世紀80年代初期曾試生產此纖維，定名為芳綸14（芳綸I）。芳綸I的拉伸強度比芳綸II低約20%，但拉伸模量卻高出50%以上。芳綸I熱老化性能好，這些性能用作某些復合材料的增強劑是很有利的。

3.芳綸共聚纖維

采用新的二胺或第三單體合成新的芳綸是提高芳綸纖維性能的重要途徑。

（1）對位芳酰胺共聚纖維　它是由對苯二甲酰氯與對苯二胺及第三單體3，4'-二氨基二苯醚在N，N'-二甲基乙酰胺等溶劑中低溫縮聚而成的。共聚物溶液中和后直接進行濕法紡絲和后處理而制得各種產品。

（2）聚對芳酰胺苯并咪唑纖維　一般認為它們是在原PPTA的基礎上引入對亞苯基苯并咪唑類雜環二胺，經低溫縮聚而成的三元共聚芳酰胺體系，紡絲后再經高溫熱拉伸而成。

（二）芳綸纖維的應用

①先進復合材料：航空航天領域、艦船中的應用、汽車工業。

②防彈制品：硬質防彈裝甲板、軟質防彈背心。

③纜繩方面的應用。

④基礎設施和建材方面：芳綸增強混凝土、芳綸增強木材。

⑤應用于傳送帶。

⑥應用于特種防護服裝。

⑦體育運動器材方面的應用。

⑧電子設備方面的應用。

五、高性能的超高分子量聚乙烯纖維應用

超高分子量聚乙烯纖維（ultra high molecular weight polyethylene fiber，簡稱UHMW-PE纖維）是采用凍膠紡絲方法——超倍熱拉伸技術（gel spinning method-ultra drawingtechnology）制得的。由于該纖維相對密度低（0.97）、比強度高、比模量高等眾多優異特性，它正在許多高性能纖維市場上，包括從海上油田的系泊繩到高性能輕質復合材料方面均顯示出極大的優勢，在現代化戰爭和航空、航天、海域防御裝備等領域發揮著舉足輕重的作用。除此之外，該纖維在汽車制造、船舶制造、醫療器械、體育運動器材等領域亦有廣闊的應用前景。

六、熱塑性復合材料應用研發方向轉換

歐洲第二屆汽車熱塑性復合材料會議于2016年7月5日～6日在德國杜塞爾多夫舉行。這次會議使得汽車生產過程中復合材料應用研發方向轉換產生一個高潮。會議中許多領先企業代表進行了熱塑性復合材料的新興市場和發展趨勢演講，比如關于纖維增強材料將廣泛用于強量化汽車的生產，顯著降低成本并更具再循環能力。

例如來自一家碳纖維增強塑料供應商SGL Carbon的Andreas Erber分享其在汽車公司工作了兩年的工作經驗。來自于Ernst & Young的Peter Fuss和來自于Kiska的AlexandreRossier介紹了未來汽車內飾的發展趨勢，以及用戶的關注點將如何影響汽車制造商對于材料的選擇。他們認為塑料和復合材料將在車艙內加大應用。