摘 要：在纤维增强复合材料表面涂覆一层防护涂层，可赋予其优异的综合性能，提高其使用效率并延长服役寿命。文中首先介绍了纤维增强复合材料的分类、应用和发展方向，轻量、环保、智能化是未来的发展趋势。随后，讨论了纤维增强复合材料表面防护涂层的分类，重点论述了其表面防护涂层的附着力增强策略和方法。进一步论述了交通运输、能源装备等领域中纤维增强复合材料表面防护涂层的开发策略和应用研究现状。最后，针对存在的问题进行总结与展望，明确表面防护涂层的水性化是大势所趋，且涂层的开发将紧密结合性能、成本及环保等指标。

 

关键词：玻璃纤维；碳纤维；复合材料；涂层；表面防护

 

纤维增强复合材料是一类以玻璃纤维等材料为增强体，与热固性、热塑性等高分子材料相结合的复合材料。其具有轻质、高强度、耐湿热、耐腐蚀、低成本等诸多优势，在国防、军工、工业、民用等领域蓬勃发展[1-2]。随着应用领域的不断拓展，其所面临的环境也更加复杂和苛刻，这将造成腐蚀、磨损、开裂等表面损伤，严重时会导致巨大的安全问题和经济损失。因此，必须针对纤维复合材料的应用场景开发表面防护涂层，以确保其能够长期高效地服役。

 

本文首先分类介绍了纤维增强复合材料的组成和应用，阐述了玻璃、碳、玄武岩和芳纶纤维增强复合材料的功能特性和应用领域。随后，结合各类纤维增强复合材料的应用场景，讨论总结了其表面防护涂层的类型、附着力增强及开发策略。本文还重点阐述了纤维增强复合材料表面防护涂层在交通运输、能源装备等领域的应用研究现状，总结得出现有表面防护涂层已基本实现在工业、民用领域中的应用，后续相关研究将持续围绕表面防护涂层的水性化工作开展。最后分析总结了现存问题，对后续研究方向进行了展望。

 

01 纤维增强复合材料的分类和应用

 

1.1 玻璃纤维增强复合材料

 

玻璃纤维增强复合材料，俗称玻璃钢，其是以玻璃纤维增强环氧树脂等聚合物的复合材料。作为增强体，玻璃纤维具有高强度、耐热性和耐腐蚀性等良好性能[3]。在此基础上，玻璃纤维增强复合材料结合了聚合物和玻璃纤维的优势特性，使其强度高于铝，密度仅是钢的四分之一[2]。该复合材料具有高刚性强度、优异的环境耐久性、较低的成本、优异的电绝缘和绝热性能，已成熟应用于国防军工、航空航天、轨道交通、民用产品等领域，是如今应用最为广泛的纤维增强复合材料[2，4-5]。目前，玻璃纤维增强复合材料尚缺乏大规模高效低成本的成套工艺和装备，且该复合材料的回收再利用技术亟待开发，以减少环境污染，提高资源利用率。

 

1.2 碳纤维增强复合材料

 

碳纤维是以聚丙烯腈等为原料，经高温碳化等工序而成的新一代纤维材料，具有质量轻、强度高、导电/导热、耐腐蚀、电磁屏蔽等性能，尤其耐高温，是其他纤维材料难以替代的战略性材料[6-7]。将碳纤维作为增强体，以环氧树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂、聚醚醚酮等为树脂基质，可制备碳纤维增强复合材料，实现广泛应用[7-8]。例如，在航空航天领域，其可作为火箭、卫星、战斗机的壳体材料；在高铁、赛车和高级汽车上可作为结构材料和刹车件，在确保强度的同时大幅度降低车身质量；在医用器材、文体用品和建筑材料中也展现出独特优势[9]。

 

当前，碳纤维增强复合材料仍应注重抗氧化性能的增强，如可在浸渍树脂的过程中引入抗氧化剂等[9]。碳纤维增强复合材料的生产成本较高，其加工周期长、可塑性较差，因此更具规模化和成本效益的生产技术仍待开发。此外，碳纤维增强复合材料的报废品对于环境的不利影响也不容忽视，应加大对于物理分离、热分解、流化床氧化、流体法等回收技术的开发，加快发展碳纤维复合材料的再利用技术[10]。

 

1.3 其他纤维增强复合材料

 

除广泛应用的玻璃纤维和碳纤维以外，玄武岩纤维因具有优异的机械强度、无毒环保、成本低廉、易于加工和耐紫外降解等特性，近年来在基础研究和应用研究中取得了较多进展。目前，玄武岩纤维增强复合材料中应用最广泛的是玄武岩纤维/环氧树脂复合材料，其具有轻质、高强度、低成本等优势，已在民用设施、轨道交通和国防军工领域展现出极大潜力[11]。

 

另一类纤维增强复合材料是芳纶纤维增强复合材料，芳纶纤维是一种耐热、绝缘、阻燃、耐腐蚀的纤维增强体[12]。得益于其优异的综合性能，芳纶纤维增强复合材料可用于轨道交通领域中的列车行李架、航天领域中的承载件，以及军工领域的防弹头盔和各类零部件中，成为纤维增强复合材料中的重要一员[13-14]。

 

1.4 纤维增强复合材料的未来发展方向

 

纤维增强复合材料种类丰富、性能优异、应用广泛，现已在诸多领域得到蓬勃发展。在未来，轻量化、环保化、智能化和节能化发展是大势所趋。在轻量化发展中，碳纤维增强复合材料的优势明显，其轻质、高强度和高吸能特性，成为汽车构件等轨道交通行业实现轻量化的关键材料，在汽车顶盖、防撞梁、轮毂、电池箱等部件中均有所应用[15]。此外，碳纤维增强复合材料可用于航天航空领域中火箭、飞机等，显著降低航天器质量，减少能耗，提高效率[16]。纤维增强复合材料的环保化也是不容忽视的发展方向，在材料的制备上，可开发环保纤维材料和环保聚合物。如采用可再生、可回收、可生物降解的天然纤维代替现有的石油基纤维材料，或采用生物基（如木质素及其衍生物）环氧树脂等代替以双酚A 为原料的环氧树脂，均是实现环保化的可行方案[17-18]。此外，纤维增强复合材料废弃物的回收和再利用技术也是其环保化的研究重点[10]。纤维增强复合材料的节能化主要体现在节能领域的应用，如气凝胶纤维增强复合材料可应用于建筑管道、墙体等实现保温功能，进而降低材料成本，减少建筑能耗[19]。纤维增强复合材料的节能化也是其环保化的关键一环。近年来，纤维增强复合材料及其智能化也备受关注。以形状记忆聚合物为例，其作为典型的智能材料，在热、光、电等环境下具有独特的响应性。纤维增强形状记忆聚合物复合材料可在温度刺激下调控其弹性模量，在光驱动下实现光热转化，在导电纤维材料引入后显著提升导电性和电响应能力，进一步拓展了纤维增强复合材料在生物医学、软机器人、航空航天、纺织服装等领域的应用[20]。

 

02纤维增强复合材料表面防护涂层技术

 

随着纤维增强复合材料在各个领域的应用和发展，其服役环境日渐丰富，随之而来的便是磨损、老化、腐蚀、冲击等损伤，且纤维增强复合材料通常也存在自身的表面缺陷。近年来，复合材料表面防护涂层技术得到大力发展，涌现出诸多功能材料、表面处理工艺和涂层技术，为纤维增强复合材料的实际应用提供了有力支撑。

 

2.1 表面防护涂层分类

 

纤维增强复合材料的表面防护涂层可分为2类：装饰性涂层和功能性涂层。装饰性涂层主要提供颜色、光泽和纹理等效果，用于改善纤维增强复合材料的外观。装饰性表面防护涂层目前主要在电子器件、汽车内饰、文体用品等领域应用[21]。功能性表面防护涂层则根据应用领域和服役场景而定。以轨道交通领域中动车组复合材料表面防护涂层为例，因动车运行时外部会遭遇风沙刮擦、紫外线辐射、冷热交替和酸雨侵蚀等苛刻环境，以及动车内部人流密集和内饰触碰密集等因素，需要耐磨、防污、防腐、耐温、耐候的功能性表面防护涂层[22-23]。

 

2.2 表面防护涂层组成及附着力增强策略

2.2.1 表面防护涂层组成

 

纤维增强复合材料的表面防护涂层通常包含底漆和面漆，同时也依据具体需求选择中间漆等其他功能层，以形成配套涂层。以轨道交通行业中的高铁车辆为例，其涂层系统一般由四层结构组成，即环氧底漆、不饱和聚酯腻子、聚氨酯中间漆和聚氨酯面漆[24]。底漆提供和底材之间优异的附着力和屏蔽性能；腻子层可填充局部缺陷；中间漆和面漆则提供装饰性、耐紫外和耐磨性等功能特性，以抵御外部环境对配套涂层以及车辆的损伤，各层结构之间各司其职，共同提供表面装饰和功能性防护。

 

2.2.2 表面防护涂层附着力增强策略

 

需要注意的是，不论是表面装饰还是功能性防护涂层，其在纤维增强复合材料表面的附着力都是涂层发挥自身功能的前提。然而，纤维增强复合材料体系多采用极性小且表面能低的惰性高分子材料（如脱模剂等），常规涂料无法直接有效地润湿其表面，从而附着力较弱[25-26]。此外，纤维增强复合材料的表面防护涂层在经历如雨水、紫外线、氧气等环境影响后，可能会导致其附着力减弱，进而发生涂层起泡和剥离问题[8]。因此，科研人员研究并提出了增强表面防护涂层附着力的策略：去除纤维增强复合材料表面的氧化层和污染物、改善表面润湿性、表面化学改性以及增加表面粗糙度等。

 

基于上述策略，近年来已取得诸多进展[8，25，27]。于全蕾等[25]探究了玻璃纤维和碳纤维增强复合材料表面处理工艺对附着力的影响，当采用“打磨+清洗+底涂”工艺时，底涂剂与复合材料之间形成极强的分子间作用力，大幅度提升了涂层附着力。Li 等[8]利用氨基化改性的微米二氧化硅颗粒过渡层改善了碳纤维增强复合材料与水性环氧树脂之间的界面结合力，该过渡层不仅提高了表面粗糙度，还提供了亲水性和反应性的氨基官能团，将水性环氧涂层的附着力由原始的2.45 MPa 提升至5.48 MPa。因此，表面处理工艺在提升防护涂层的附着力方面体现出至关重要的作用，是防护涂层发挥自身特性的基础[28]。

 

2.3 表面防护涂层的新兴技术

 

近年来，为防护纤维增强复合材料的表面，延长其使用寿命，拓展应用领域，其表面防护涂层的相关新兴技术也得到发展。如激光和常压空气等离子体表面处理策略，可通过增大表面粗糙度和调控固体表面能的方式实现表面防护涂层附着力的增强[29-30]。此外，国内外研究者还致力于开发热喷涂（火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂）、冷喷涂、溶胶-凝胶法等纤维增强复合材料表面涂覆技术，这些技术各有优劣，选择合适的涂层技术十分关键[31]。

 

03纤维增强复合材料表面防护涂层的应用研究

 

随着纤维增强复合材料在工业和民用领域应用的不断拓展，对其表面防护涂层的性能需求也日趋多样，这就需要研究人员针对具体的应用领域开发符合实际需求的表面防护涂层。例如，轨道交通领域对外观装饰性、耐候性的要求较高，因而所使用的纤维增强复合材料表面防护涂层通常由多道涂层组成。能源装备领域中，纤维增强复合材料以风机叶片为典型，其长期在户外使用，对于表面的耐腐蚀、耐冲击性具有高要求，则其底漆通常提供优异的耐腐蚀性，面漆提供耐磨、耐候、防污性能等。对于军工领域，纤维增强复合材料表面防护涂层还需要具有电磁屏蔽、雷达隐身等特殊功能。在民用领域，因对涂层防护性能要求相对较低，水性涂层的开发也是热点趋势。

 

3.1 交通运输领域

 

纤维增强复合材料在轨道交通、船舶舰艇、乘用汽车等交通运输领域有着广泛和成熟的应用[23，32-34]。因此，相应的表面防护涂层也取得了不错的应用进展。溶剂型涂料已在轨道交通车辆行业成熟应用，但随着对绿色可持续发展的普遍共识的达成，低VOC 的水性涂料开始逐渐替代溶剂型涂料，在轨道交通领域发挥重要作用。例如，许瑾等[22]开发了适用于轨道交通碳纤维增强复合材料的水性涂层体系，由水性环氧底漆+透明腻子+水性聚氨酯中间漆+水性聚氨酯面漆组成，该配套涂层经过强化涂层的界面实现6.9 MPa 的高附着力。邹启强等[32]为轨道车辆研制了水性配套涂料，该配套涂料VOC 含量低，已在轨道车辆零部件上应用。当前，水性涂料虽已在轨道交通领域广泛应用，但仍面临高湿度环境下难以固化和防腐性能不足等问题。可通过研究水性涂料的固化机制和开发新型微纳米防腐填料改善涂层综合性能，指导潮湿环境下可固化及具有长效防腐性能的水性涂料的开发和应用。

 

3.2 能源装备领域

 

纤维增强复合材料在能源装备中主要应用于大型风力发电机叶片、输/配电杆塔、光伏支架、储氢容器等。其中，在风机叶片中的应用尤为广泛，本节以风机叶片表面防护涂层为例，对其研究现状展开论述。作为风力发电核心构件的风机叶片，其长期在户外运行，面临复杂且苛刻的环境影响。因此，风机叶片表面防护涂层需具备抵抗风沙剐蹭、冰雹和飞鸟的冲击、严酷的紫外线、低温覆冰的能力。目前在风机叶片上常用的涂层材料是聚氨酯、丙烯酸树脂、含氟树脂和有机硅树脂[35]。随着涂料的环保化发展，当前无溶剂涂料（固含量＞95%）和水性涂料已经占到风机叶片涂料总量的60%，成为该行业的主流方向[36]。此外，风机叶片涂料中的功能材料也不断推陈出新，如可常温固化和表面自清洁的氟碳涂料、有机硅改性聚氨酯涂料，以及用于长效防腐的石墨烯富锌底漆、用于延迟结冰和防覆冰的超疏水涂料等。采用含氟树脂等低表面能聚合物，以二氧化硅、二氧化钛等纳米材料为功能填料，所制备的超疏水涂层可显著延迟风机叶片的结冰时间[37]。尽管风机叶片涂料已取得诸多进展，在风机设备装机量快速增加、叶片尺寸大型化以及发电场景多样化的趋势下，风机叶片对多功能、高耐久的表面防护涂料的需求进一步增大。未来，该行业应进一步聚焦无溶剂及水性涂料的开发，增强或集成叶片涂料的高耐候、长效防腐、防覆冰和叶片前缘防护等功能特性。

 

3.3 其他领域

 

纤维增强复合材料在国防军工领域中具有重要的战略意义，碳纤维增强复合材料适用于航空飞行器，然而受制造工艺限制，其表面会残留缺陷，且在服役过程中也会产生划伤、雷击损伤等。结合战机等航空飞行器的隐形需求，常在其表面涂覆具有雷达吸波特性的功能防护涂层，既保护战机免受各类损伤，又能够实现雷达隐身，增强其战斗力和持久性。此外，随着工艺进步和成本降低，纤维增强复合材料同样在民用产品中也有着诸多应用。玻璃纤维增强复合材料现已成为笔记本电脑等电子产品外壳材质的首选，而其表面防护涂层的耐污性、耐磨性和优美外观均十分重要。例如，许钧强等[38]研制了一款水性UV 涂料，对玻璃纤维增强复合材料表现出优异的附着力（依据ASTM D3359，涂层附着力达到5B），和耐磨、耐醇、耐手汗和抗黏连等性能。由此可见，随着纤维增强复合材料的应用领域不断扩大，其表面防护涂层的需求也随之而来。因此，一方面，表面防护涂层的开发应当从性能需求、经济成本及技术难度等多角度进行考量。另一方面，研究人员应当致力于开发高性能水性涂料，逐渐从低性能需求的领域到高性能需求领域实现对溶剂型涂料的替代，推动绿色低碳发展。

 

04结 语

 

纤维增强复合材料已在诸多领域具有成熟应用，已然成为生产和生活中必不可少的角色。其涂层材料的制备方法和应用已取得大量成果。值得关注的是该领域还存在一些问题：如水性环保涂料在纤维增强复合材料的应用是大势所趋，但以水作为溶剂难以润湿底材，易造成附着力弱等问题。水性涂料在高湿环境下难以干燥固化及防腐性能不足的问题也应得到重视。在未来的研究当中，应注重开发高附着力和高耐用性的水性涂料以满足纤维增强复合材料的表面防护需求。此外，纤维增强复合材料表面涂层的开发应依据实际服役场景下的性能需求，将性能、成本和环保指标紧密结合。

 

来源：期刊《涂料工业》作者：陶 旭1，陈 旭*2，邹 向3，赵永林3，杨 忠4（1.哈尔滨乐普实业有限公司，哈尔滨 150090；2.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111；3.上海阿宝实业有限公司，上海 201408；4.吉利汽车集团有限公司，浙江 宁波 315336）

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关键词： 纤维增强复合材料 防护涂层