石英纖維增強復合材料現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢*

王立堯 王童 陳軼嵩 邱兆乾 羅耿

（長安大學，汽車學院，西安710021）

主題詞：汽車 復合材料 石英纖維 發(fā)展趨勢

1 引言

石英纖維增強復合材料是1種由石英纖維或其制品增強的復合材料。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機纖維。該材料具有固態(tài)石英的部分特征和機械特性，常被用做先進復合材料的增強相。

石英玻璃纖維SiO2的質(zhì)量分數(shù)接近100%；其耐高溫性能高于高硅纖維，長期使用溫度高達1 200℃，軟化點溫度達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，化學性能和穩(wěn)定性優(yōu)良。石英纖維增強復合材料不僅擁有原材料的物理化學特性，還結(jié)合了石英纖維帶來的優(yōu)點。汽車復合材料在汽車行業(yè)受到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用，具有一定的市場發(fā)展價值。

目前，石英纖維增強復合材料有很好的應(yīng)用前景，通過總結(jié)該領(lǐng)域有突出進展的研究，現(xiàn)階段常用的石英纖維增強復合材料有：石英纖維增強含硅芳炔樹脂復合材料、石英纖維增強二氧化硅復合材料和石英纖維增強聚酰亞胺復合材料。

2 不同石英纖維增強復合材料的研究

2.1 石英纖維增強含硅芳炔樹脂復合材料

2.1.1 石英纖維增強含硅芳炔樹脂復合材料概述

含硅芳基乙炔樹脂是1種新型的有機-無機雜化材料。因引入硅元素，使樹脂具有優(yōu)良的耐高溫和耐燒蝕性，同時具有優(yōu)良的介電和化學性能。可用作高溫燒蝕隔熱材料，該復合材料在國內(nèi)外已實現(xiàn)小規(guī)模商用。

2.1.2 研究現(xiàn)狀

在20世紀80年代，Shim等通過對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90年代，Corriu等和Itoh等合成了含硅芳香乙炔樹脂。Itoh課題組對合成的MSP含硅芳香乙炔樹脂及其復合材料的性能進行了深入研究[1]。近年來，國際先進復合材料低成本制造技術(shù)領(lǐng)域研發(fā)的主流是樹脂傳遞模塑（Resin Transfer Nolding,RTM）制造技術(shù)。采用TEOAS表面改性QF的共混PSA復合材料，提升了其儲能模量，加強了其彎曲性能和層間剪切強度（InterLaminar Shear Strength,ILSS）。

2.2 石英纖維增強二氧化硅復合材料

2.2.1 石英纖維增強二氧化硅復合材料概述

石英纖維是1種抗拉能力很強的無機纖維，由高純石英或天然晶體制成。它的化學穩(wěn)定性、抗燒蝕性強，同時具備較高的低線熱膨脹系數(shù)。連續(xù)石英纖維增強二氧化硅在保留了陶瓷基體特性的情況下，還可以增強原材料韌性，進一步提高其強度。因此，連續(xù)石英纖維增強二氧化硅復合材料（SiO2f/SiO2）可實現(xiàn)較高頻波段傳輸、隔熱和承載的性能要求[2]，是當前市面上的熱門新材料，SiO2f/SiO2復合材料介電性能如圖1所示。

圖1 SiO 2f/SiO 2復合材料介電性能

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)化的問題（尚未攻克的技術(shù)難點）

（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，通過降低制取過程中對纖維的損害，進一步增強SiO2f/SO2復合材料的力學能力。

（3）根據(jù)復合材料的多孔特性，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械強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漆，尚不具備進行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用以及大規(guī)模制備條件。

2.3 石英纖維增強聚酰亞胺復合材料

2.3.1 石英纖維增強聚酰亞胺復合材料概述

石英纖維增強聚酰亞胺復合材料是1種非均勻的各向異性材料，其機械性能優(yōu)良、耐高溫，理化性能穩(wěn)定，用途廣泛。石英纖維增強PI復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，市場對石英纖維増強聚亞酸復合材料需求越來越多，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)機械加工方式存在較大問題。

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

2.3.3 目前存在問題（尚未攻克的技術(shù)難點）

（1）層間剪切強度和拉伸強度的復合材料含量較低；

（2）水溶性切削液很容易破碎，所以切削液無法對其進行加工和冷卻；

（3）增強體在復合材料中具有較高的硬度和強度，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)階段石英纖維増強聚酰亞胺復合材料在市場中已有應(yīng)用。由于加工過程中存在刀具磨損嚴重、切削力大、加工效率低等問題，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，該材料未來發(fā)展前景廣闊。

3 具有發(fā)展?jié)摿Φ氖⒗w維增強復合材料

通過對比各種石英纖維增強復合材料優(yōu)劣，液氮低溫加工的石英纖維增強聚酰亞胺復合材料具有很廣闊的發(fā)展前景。這3種石英纖維增強復合材料的特點如下：

（1）石英纖維增強含硅芳炔樹脂復合材料具有優(yōu)異的耐高溫和耐燒蝕性能，以及優(yōu)異的力學性能，可作為高溫燒蝕和隔熱材料；

（2）石英纖維增強二氧化硅復合材料，可同時滿足透波、防熱、承載3方面的性能要求，但由于加工工藝問題，其密度不均勻性較大，沒有合適的防潮涂層；

（3）石英纖維增強聚酰亞胺復合材料，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，難以實現(xiàn)批量化。

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

4 結(jié)束語

通過對相關(guān)文獻進行綜述、分析，表明增強材料的不同使復合材料具有不同的特性。目前，研究熱點主要集中于以下3方面：

（1）如何提高復合材料的力學性能；

（2）如何降低制造成本；

（3）如何改善2種材料的親和性。

總體來說，雖然國內(nèi)的車輛復合材料有一定市場，對于材料的制備也取得了一定成果，但是產(chǎn)品含金量同國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，要實現(xiàn)材料大規(guī)模應(yīng)用，仍需更多時間和更多的研究、應(yīng)用。