石英纖維增強(qiáng)復(fù)合材料現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)*

王立堯 王童 陳軼嵩 邱兆乾 羅耿

（長(zhǎng)安大學(xué)，汽車學(xué)院，西安710021）

主題詞：汽車 復(fù)合材料 石英纖維 發(fā)展趨勢(shì)

1 引言

石英纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是1種由石英纖維或其制品增強(qiáng)的復(fù)合材料。石英纖維是由高純度石英或天然晶體制成的直徑只有幾微米到幾十微米的無(wú)機(jī)纖維。該材料具有固態(tài)石英的部分特征和機(jī)械特性，常被用做先進(jìn)復(fù)合材料的增強(qiáng)相。

石英玻璃纖維SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近100%；其耐高溫性能高于高硅纖維，長(zhǎng)期使用溫度高達(dá)1 200℃，軟化點(diǎn)溫度達(dá)1 700℃，具有較高的電氣絕緣性能、介電性能、抗腐蝕性、抗熱震性，化學(xué)性能和穩(wěn)定性優(yōu)良。石英纖維增強(qiáng)復(fù)合材料不僅擁有原材料的物理化學(xué)特性，還結(jié)合了石英纖維帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)。汽車復(fù)合材料在汽車行業(yè)受到越來(lái)越多的關(guān)注和應(yīng)用，具有一定的市場(chǎng)發(fā)展價(jià)值。

目前，石英纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有很好的應(yīng)用前景，通過(guò)總結(jié)該領(lǐng)域有突出進(jìn)展的研究，現(xiàn)階段常用的石英纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有：石英纖維增強(qiáng)含硅芳炔樹(shù)脂復(fù)合材料、石英纖維增強(qiáng)二氧化硅復(fù)合材料和石英纖維增強(qiáng)聚酰亞胺復(fù)合材料。

2 不同石英纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究

2.1 石英纖維增強(qiáng)含硅芳炔樹(shù)脂復(fù)合材料

2.1.1 石英纖維增強(qiáng)含硅芳炔樹(shù)脂復(fù)合材料概述

含硅芳基乙炔樹(shù)脂是1種新型的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化材料。因引入硅元素，使樹(shù)脂具有優(yōu)良的耐高溫和耐燒蝕性，同時(shí)具有優(yōu)良的介電和化學(xué)性能。可用作高溫?zé)g隔熱材料，該復(fù)合材料在國(guó)內(nèi)外已實(shí)現(xiàn)小規(guī)模商用。

2.1.2 研究現(xiàn)狀

在20世紀(jì)80年代，Shim等通過(guò)對(duì)苯二乙炔鈉與二氯硅烷的縮合，制備了具有良好熱穩(wěn)定性且主鏈含有硅酞菁和二甲基硅的低維聚炔聚合物。在20世紀(jì)90年代，Corriu等和Itoh等合成了含硅芳香乙炔樹(shù)脂。Itoh課題組對(duì)合成的MSP含硅芳香乙炔樹(shù)脂及其復(fù)合材料的性能進(jìn)行了深入研究[1]。近年來(lái)，國(guó)際先進(jìn)復(fù)合材料低成本制造技術(shù)領(lǐng)域研發(fā)的主流是樹(shù)脂傳遞模塑（Resin Transfer Nolding,RTM）制造技術(shù)。采用TEOAS表面改性QF的共混PSA復(fù)合材料，提升了其儲(chǔ)能模量，加強(qiáng)了其彎曲性能和層間剪切強(qiáng)度（InterLaminar Shear Strength,ILSS）。

2.2 石英纖維增強(qiáng)二氧化硅復(fù)合材料

2.2.1 石英纖維增強(qiáng)二氧化硅復(fù)合材料概述

石英纖維是1種抗拉能力很強(qiáng)的無(wú)機(jī)纖維，由高純石英或天然晶體制成。它的化學(xué)穩(wěn)定性、抗燒蝕性強(qiáng)，同時(shí)具備較高的低線熱膨脹系數(shù)。連續(xù)石英纖維增強(qiáng)二氧化硅在保留了陶瓷基體特性的情況下，還可以增強(qiáng)原材料韌性，進(jìn)一步提高其強(qiáng)度。因此，連續(xù)石英纖維增強(qiáng)二氧化硅復(fù)合材料（SiO2f/SiO2）可實(shí)現(xiàn)較高頻波段傳輸、隔熱和承載的性能要求[2]，是當(dāng)前市面上的熱門新材料，SiO2f/SiO2復(fù)合材料介電性能如圖1所示。

圖1 SiO 2f/SiO 2復(fù)合材料介電性能

2.2.2 研究現(xiàn)狀

目前，溶膠-凝膠（sol-gel）方法被廣泛應(yīng)用于制備SiO2f／SiO2復(fù)合材料。該工藝是將硅溶膠真空浸入石英纖維織物中，然后通過(guò)干燥、固化、燒結(jié)等工藝將二氧化硅基體沉積在織物中。溶膠-凝膠法的優(yōu)點(diǎn)是硅溶膠粘度低，石英維能很好地滲透，結(jié)溫低，石英維損傷小[3]。

2.2.3 目前可優(yōu)化的問(wèn)題（尚未攻克的技術(shù)難點(diǎn)）

（1）從織物結(jié)構(gòu)、浸漬方法和有助于快速致密化的助劑等方面，對(duì)優(yōu)化浸漬工藝、提高致密化效率、縮短制備周期和減少密度分布不均勻性進(jìn)行深入研究。

（2）從石英纖維的表面處理及燒結(jié)工藝下手，通過(guò)降低制取過(guò)程中對(duì)纖維的損害，進(jìn)一步增強(qiáng)SiO2f/SO2復(fù)合材料的力學(xué)能力。

（3）根據(jù)復(fù)合材料的多孔特性，研制出固膜性好、分散均勻性好、可承受較高溫度、防潮性能強(qiáng)的涂料。

2.2.4 產(chǎn)業(yè)化分析

現(xiàn)階段石英陶瓷已被廣泛應(yīng)用于玻璃、化工、電子、航空等領(lǐng)域，但是由于石英陶瓷具有機(jī)械強(qiáng)度較低抗侵蝕能力差等缺陷，限制了其在汽車上的大規(guī)模應(yīng)用。目前，石英陶瓷僅作為汽車保護(hù)漆，尚不具備進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用以及大規(guī)模制備條件。

2.3 石英纖維增強(qiáng)聚酰亞胺復(fù)合材料

2.3.1 石英纖維增強(qiáng)聚酰亞胺復(fù)合材料概述

石英纖維增強(qiáng)聚酰亞胺復(fù)合材料是1種非均勻的各向異性材料，其機(jī)械性能優(yōu)良、耐高溫，理化性能穩(wěn)定，用途廣泛。石英纖維增強(qiáng)PI復(fù)合材料不僅能保持其原有的優(yōu)良性能，而且具有優(yōu)良的介電性能性能，在較寬的溫度和頻率范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。

2.3.2 研究現(xiàn)狀

目前，市場(chǎng)對(duì)石英纖維増強(qiáng)聚亞酸復(fù)合材料需求越來(lái)越多，該類材料的加工要求也隨之提高，但受限于該材料本身的性質(zhì)，傳統(tǒng)機(jī)械加工方式存在較大問(wèn)題。

為此，石英纖維增強(qiáng)聚酰亞胺復(fù)合材料的高效、優(yōu)質(zhì)、高精度加工成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。目前，在激光加工和電火花加工等在特殊加工方法的創(chuàng)新上有較大進(jìn)展，但由于他們的某些缺點(diǎn)無(wú)法切合于石英纖維增強(qiáng)聚亞復(fù)合材料的制備[4]。所以較為傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法仍然處于主要地位。因此，為了實(shí)現(xiàn)材料的高精度加工特點(diǎn)，以磨代鉆、以磨代銑等通過(guò)改變現(xiàn)有的加工方式和刀具模型的方法逐漸發(fā)展起來(lái)。為了突破切削液不能用于加工的限制，少數(shù)學(xué)者選擇液氮作為冷卻材料，研究復(fù)合材料的超低溫加工。

2.3.3 目前存在問(wèn)題（尚未攻克的技術(shù)難點(diǎn)）

（1）層間剪切強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度的復(fù)合材料含量較低；

（2）水溶性切削液很容易破碎，所以切削液無(wú)法對(duì)其進(jìn)行加工和冷卻；

（3）增強(qiáng)體在復(fù)合材料中具有較高的硬度和強(qiáng)度，這加劇了刀具的損耗[5]；

（4）加工效率低。

2.3.4 產(chǎn)業(yè)化分析

現(xiàn)階段石英纖維増強(qiáng)聚酰亞胺復(fù)合材料在市場(chǎng)中已有應(yīng)用。由于加工過(guò)程中存在刀具磨損嚴(yán)重、切削力大、加工效率低等問(wèn)題，不能廣泛應(yīng)用。但是，其成本較低，且性能優(yōu)異，若能改善其加工方法，隨著各類新型加工技術(shù)的發(fā)展，該材料未來(lái)發(fā)展前景廣闊。

3 具有發(fā)展?jié)摿Φ氖⒗w維增強(qiáng)復(fù)合材料

通過(guò)對(duì)比各種石英纖維增強(qiáng)復(fù)合材料優(yōu)劣，液氮低溫加工的石英纖維增強(qiáng)聚酰亞胺復(fù)合材料具有很廣闊的發(fā)展前景。這3種石英纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的特點(diǎn)如下：

（1）石英纖維增強(qiáng)含硅芳炔樹(shù)脂復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐高溫和耐燒蝕性能，以及優(yōu)異的力學(xué)性能，可作為高溫?zé)g和隔熱材料；

（2）石英纖維增強(qiáng)二氧化硅復(fù)合材料，可同時(shí)滿足透波、防熱、承載3方面的性能要求，但由于加工工藝問(wèn)題，其密度不均勻性較大，沒(méi)有合適的防潮涂層；

（3）石英纖維增強(qiáng)聚酰亞胺復(fù)合材料，該材料不僅可以保持其原有的優(yōu)異性能，還具有優(yōu)良的介電性能，在寬廣的溫度和頻率范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，但由于其加工要求較高，難以實(shí)現(xiàn)批量化。

在3種增強(qiáng)材料中，有關(guān)增強(qiáng)含硅芳炔樹(shù)脂復(fù)合材料研究也比較廣泛，然而因?yàn)槔w維和含硅芳炔樹(shù)脂之間的較差的粘合性，復(fù)合材料的力學(xué)性能難以滿足較高的工作壓力，需要更換增強(qiáng)體來(lái)提高其力學(xué)性能。而改進(jìn)加工方式后的石英纖維增強(qiáng)聚酰亞胺復(fù)合材料克服了純陶瓷材料脆性大、強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，同時(shí)兼具優(yōu)異的耐燒蝕性能、力學(xué)性能、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性好、抗燒蝕、易編織等優(yōu)點(diǎn)，極具廣闊應(yīng)用前景。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行綜述、分析，表明增強(qiáng)材料的不同使復(fù)合材料具有不同的特性。目前，研究熱點(diǎn)主要集中于以下3方面：

（1）如何提高復(fù)合材料的力學(xué)性能；

（2）如何降低制造成本；

（3）如何改善2種材料的親和性。

總體來(lái)說(shuō)，雖然國(guó)內(nèi)的車輛復(fù)合材料有一定市場(chǎng)，對(duì)于材料的制備也取得了一定成果，但是產(chǎn)品含金量同國(guó)外同類仍有很大差距，質(zhì)量是行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。在我國(guó)，要實(shí)現(xiàn)材料大規(guī)模應(yīng)用，仍需更多時(shí)間和更多的研究、應(yīng)用。