摘要
用湿法缠绕法制备了芳纶Ⅲ-环氧树脂单向复合材料，对其拉伸性能、压缩性能、弯曲性能及层间剪切性能进行了研究，并对比了Kelvar-49、芳纶1414单向复合材料的相关性能。试验结果表明：含有杂环结构的芳纶Ⅲ不仅基本力学性能较优，其单向复合材料的拉伸性能、压缩性能、层间剪切性能都优于不含有杂环结构的Kelvar-49和芳纶1414，尤其体现在拉伸性能上。
芳纶Ⅲ是近年来实现产业化的三元共聚型芳香族聚酰胺纤维，由于在聚对苯二甲酰对苯二胺分子链上引入5(6)-胺基-2-(4-胺基苯基)苯并咪唑结构的第三单体，其强度和模量较芳纶1414有大幅度提高，综合性能优于Kelvar，可广泛用作航空航天复合材料的增强纤维，具有优异的力学性能、透波性能、电绝缘性能，是目前规模化生产的对位芳族聚酰胺纤维中力学性能最好的品种。复合材料是将两种或两种以上不同品质的材料通过专门的成型工艺和制造方法复合而成的一种高性能新材料，按使用要求可分为结构复合材料和功能复合材料。
到目前为止，主要的发展方向是结构复合材料，但现在也正在发展集结构和功能一体化的复合材料。对结构复合材料而言，组分材料包括基体和增强体，基体是复合材料中的连续相，其作用是将增强体固结在一起并在增强体之间传递载荷；增强体是复合材料中承载的主体，包括纤维、颗粒、晶须或片状物等的增强体，其中纤维可分为连续纤维、长纤维和短切纤维。按纤维材料又可分为金属纤维、陶瓷纤维和聚合物纤维。
芳纶Ⅲ以其长丝、织物等形式制成的防弹复合材料、结构复合材料、透波复合材料等高性能或功能性复合材料被广泛应用于国防军工、航天航空、核电及防弹等尖端领域。复合材料树脂基体主要有环氧树脂体系、酚醛树脂体系、脲醛树脂体系、双马来酸酐体系等，其成型工艺主要有湿法缠绕、热压成型等形式，所用树脂基体根据用途及性能设计主要有热固性和热塑性。
近年来发达国家大力发展高端复合材料的开发应用，据报道，A-320、A-340机型中复合材料的应用比例尚不到20%，而B-787、A350XWB机型中复合材料的应用比例已达到50%，预计B-737及A-320后续机型的复合材料应用比例会超过60%，甚至达到80%。这将极大地减轻飞机自身质量，提高运载能力，显著降低能耗，提升运营经济性。
本试验主要研究了国产芳纶Ⅲ-环氧树脂单向缠绕复合材料的拉伸性能、压缩性能、弯曲性能及层间剪切性能。
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试验部分
1.1 纤维样品
芳纶Ⅲ，StaramidF-358， 中蓝晨光化工研究设计院有限公司生产，358代表高模级牌号。
Kelvar-49， 杜邦市售商品。
芳纶1414， 蓝星(成都)新材料有限公司市售商品。
1.2 树脂体系
618(E-51)环氧树脂 (天津燕海化学有限公司产)，
4,4-二氨基二苯甲烷 (分析纯，上海科帆化工科技有限公司产)，
丙酮 (分析纯，洛阳昊华化工有限公司产)，
Frekote770-NC (汉高乐泰，复合材料脱模剂)。
1.3 主要试验器材和测试仪器
三维数控缠绕机，NOL环模具(自制)，单向板模具(自制)，CTC张力仪，烘箱，CMT6503型电子万能试验机。
1.4 单向复合材料制备
1.4.1 单向复合材料平板的制备
制备工艺流程简图见图1。拉伸、压缩、弯曲性能测试样条见图2。
1.4.2 NOL环的制备
同1.4.1的步骤和方法，NOL环层间剪切性能检测样条见图3。
1.5 测试方法
拉伸性能测试按照GB/T3354—1999的要求进行，压缩性能测试按照GB/T3856—2005的要求进行，弯曲性能测试按照GB/T3356—1999的要求进行，层间剪切性能测试按照GB/T1458—2008的要求进行。
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结果与讨论
芳纶Ⅲ、Kelvar-49、芳纶1414的基本力学性能对比见表1。
芳纶Ⅲ单向复合材料、Kelvar-49单向复合材料和芳纶1414单向复合材料的拉伸性能、压缩性能、弯曲性能和层间剪切性能测试结果见表2~表5。
由表2~表5可知：芳纶Ⅲ单向复合材料的拉伸强度和拉伸模量高于Kelvar-49以及芳纶1414单向复合材料；其0°压缩强度和0°压缩模量比Kelvar-49以及芳纶1414单向复合材料的略高；其层间剪切强度处于Kelvar-49单向复合材料的高端水平，明显优于芳纶1414单向复合材料。以上根本原因在于芳纶Ⅲ分子链上引入了杂环结构，使规整的分子链结构变得更复杂，显著地提高了纤维的基本力学性能(见表1)，同时增加了分子链表面的极性基团，改善了表面性能。综上所述，芳纶Ⅲ单向复合材料的总体性能在有机纤维复合材料领域处于领先地位。
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结语
芳纶Ⅲ单向复合材料具有轻质、高强等优异的力学性能，在现已产业化的有机纤维复合材料领域，其力学性能处于领先地位，且其具有绝缘、透波、隐身、抗弹等功能性特点，在功能性复合材料领域有巨大的潜力。发达国家非常重视高端复合材料的研究及开发，已批量应用于航空航天等领域。因此，我们应该积极开发相应的功能性复合材料和高性能复合材料，拓展芳纶Ⅲ复合材料的应用领域，促进材料的升级及装备的更新换代，缩小与发达国家在此领域的差距。
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来源：合成纤维
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