复合材料及成型加工全册配套完整课件2.ppt

1、u增强材料的定义：增强材料的定义： 在复合材料中，凡是能提高基体材在复合材料中，凡是能提高基体材料力学性能的物质，均称为增强材料。料力学性能的物质，均称为增强材料。 u按物理形态分按物理形态分增强材料增强材料纤维状增强材料（应用最广泛。纤维状增强材料（应用最广泛。)片状增强材料片状增强材料颗粒状增强材料颗粒状增强材料晶须增强材料晶须增强材料金属丝金属丝增强材料增强材料u按成分分类按成分分类增强材料增强材料无机纤维无机纤维碳纤维碳纤维芳纶纤维芳纶纤维玻璃纤维玻璃纤维有机纤维有机纤维碳化硅纤维碳化硅纤维尼龙纤维尼龙纤维聚烯烃纤维聚烯烃纤维3 3.1.1.1 1 概述概述玻纤的发展历史：玻纤的发展历

2、史：l玻纤工业奠基于玻纤工业奠基于2020世纪世纪3030年代。年代。l19381938年出现了世界上第一家玻纤企业年出现了世界上第一家玻纤企业欧文斯欧文斯康宁玻璃康宁玻璃纤维公司（纤维公司（OCFOCF公司）。公司）。l19391939年，日本东洋纺织株式会社开始生产玻纤。年，日本东洋纺织株式会社开始生产玻纤。l玻纤品种，起初以玻璃纱、玻璃布、玻璃带和编制套管等玻纤品种，起初以玻璃纱、玻璃布、玻璃带和编制套管等电绝缘用途产品为主，又陆续研制出连续原丝毡等。电绝缘用途产品为主，又陆续研制出连续原丝毡等。l19511951年美国杜邦公司开发出硅烷偶联剂。年美国杜邦公司开发出硅烷偶联剂。l1958

3、19581959年，年， OCFOCF公司和匹斯堡平板玻璃公司相继建公司和匹斯堡平板玻璃公司相继建成了池窑拉丝工厂，池窑拉丝的出现，是玻纤工业发展史成了池窑拉丝工厂，池窑拉丝的出现，是玻纤工业发展史上的一个里程碑。上的一个里程碑。国外玻纤工业发展现状：国外玻纤工业发展现状：l普遍采用池窑拉丝新技术；普遍采用池窑拉丝新技术；l大力发展多排多孔拉丝工艺；大力发展多排多孔拉丝工艺；l用于玻璃钢的纤维直径逐渐向粗的方向发展，纤用于玻璃钢的纤维直径逐渐向粗的方向发展，纤维直径为维直径为14142424mm，甚至达甚至达2727mm；l大量生产无碱纤维；大力发展无纺织玻璃纤维织大量生产无碱纤维；大力发展无

4、纺织玻璃纤维织物，无捻粗纱和短切纤维毡片所占比例增加；物，无捻粗纱和短切纤维毡片所占比例增加；l重视纤维重视纤维- -树脂界面的研究，偶联剂的品种不断增树脂界面的研究，偶联剂的品种不断增加，玻璃纤维的前处理受到普遍重视。加，玻璃纤维的前处理受到普遍重视。 我国玻纤工业诞生于我国玻纤工业诞生于19501950年，当时只能生年，当时只能生产绝缘材料用的初级纤维。产绝缘材料用的初级纤维。 19581958年以后，我国玻纤工业得到迅速发展。年以后，我国玻纤工业得到迅速发展。玻纤产业不仅规模跃居世界第一位，而且产品玻纤产业不仅规模跃居世界第一位，而且产品质量也比肩世界一流水平。与此同时，由于制质量也比肩

5、世界一流水平。与此同时，由于制造技术工艺比较先进，所以在产品价格上也占造技术工艺比较先进，所以在产品价格上也占有一定优势。但在新产品开发和应用方面，国有一定优势。但在新产品开发和应用方面，国内与世界玻纤强国如美国、日本等还有一些差内与世界玻纤强国如美国、日本等还有一些差距。距。 作为国际玻纤先进技术的标志之一，作为国际玻纤先进技术的标志之一，是围绕有前景的新应用、综合已有新技术，是围绕有前景的新应用、综合已有新技术，迅速进行平台式开发。迅速进行平台式开发。 例如美国欧文斯科宁（例如美国欧文斯科宁（OCFOCF）公司为解）公司为解决环境友好开发了无碱无硼无氟玻纤。为满决环境友好开发了无碱无硼无氟

6、玻纤。为满足风电等新兴产业发展又开发了足风电等新兴产业发展又开发了Hiper-TexHiper-Tex玻璃纤维新系列。玻璃纤维新系列。 玻璃纤维是非常好的金属材料替代材玻璃纤维是非常好的金属材料替代材料，玻纤产品符合目前低碳经济的要求。随料，玻纤产品符合目前低碳经济的要求。随着市场经济的迅速发展，玻璃纤维成为建筑、着市场经济的迅速发展，玻璃纤维成为建筑、交通、电子、电气、化工、冶金、环境保护、交通、电子、电气、化工、冶金、环境保护、国防等行业必不可少的原材料。国防等行业必不可少的原材料。 目前我国整个玻纤行业形成了很好的目前我国整个玻纤行业形成了很好的市场集中度，巨石集团、重庆国际、泰山玻市场

7、集中度，巨石集团、重庆国际、泰山玻纤纤3 3大巨头成为第一梯队，其中中国玻纤下大巨头成为第一梯队，其中中国玻纤下属的巨石集团现已成为全球规模最大的玻纤属的巨石集团现已成为全球规模最大的玻纤企业。企业。 u 我国玻纤纤维我国玻纤纤维“十二五十二五”发展规划发展规划 指导思想指导思想 ： 根据国内外市场变化，全行业进行发展根据国内外市场变化，全行业进行发展战略结构大调整，战略结构大调整，从以发展池窑为中心，转移到完善从以发展池窑为中心，转移到完善池窑技术、重点发展玻纤制品加工业为主的方向上来，池窑技术、重点发展玻纤制品加工业为主的方向上来，发挥现有池窑产能，限制发挥现有池窑产能，限制“玻璃球生产线

8、，铂金坩埚玻璃球生产线，铂金坩埚球法拉丝玻璃纤维生产线球法拉丝玻璃纤维生产线”，淘汰，淘汰“陶土坩埚玻璃纤陶土坩埚玻璃纤维拉丝生产、工艺与装备维拉丝生产、工艺与装备”。努力技术创新，努力技术创新，继续提继续提高工艺、装备、技术水平，节能降耗。深化制品加工，高工艺、装备、技术水平，节能降耗。深化制品加工，抓住国民经济基础产业，充分发挥玻纤材料特性，大抓住国民经济基础产业，充分发挥玻纤材料特性，大力开发产品应用领域，满足国内、国际对玻纤制品的力开发产品应用领域，满足国内、国际对玻纤制品的新需求。新需求。实施走出去战略，建立跨国公司式企业。实施走出去战略，建立跨国公司式企业。提提升企业管理水平、职工

9、素质和综合竞争力，力求全行升企业管理水平、职工素质和综合竞争力，力求全行业实现科学可持续发展。业实现科学可持续发展。 3 3.1.1.2 2 玻璃纤维的分类玻璃纤维的分类 分类方法很多。一般从玻璃原料成分、单丝分类方法很多。一般从玻璃原料成分、单丝直径、纤维外观及纤维特性等方面进行分类。直径、纤维外观及纤维特性等方面进行分类。（一）以玻璃原料成分分类（一）以玻璃原料成分分类 主要用于连续玻璃纤维的分类。一般以不同主要用于连续玻璃纤维的分类。一般以不同的含碱量来区分。的含碱量来区分。（1 1）无碱玻璃纤维（通称无碱玻璃纤维（通称E E玻纤）玻纤） 以钙铝硼硅酸盐组成的玻璃纤维，碱金属氧以钙铝硼硅

10、酸盐组成的玻璃纤维，碱金属氧化物含量不大于化物含量不大于0.5%0.5%，国外一般为国外一般为1 1左右。左右。 这种纤维强度较高，耐热性和电性能优良，这种纤维强度较高，耐热性和电性能优良，能抗大气侵蚀，化学稳定性也好（但不耐酸），能抗大气侵蚀，化学稳定性也好（但不耐酸），最大的特点是电性能好，因此也把它称做电气玻最大的特点是电性能好，因此也把它称做电气玻璃。国内外大多数都使用这种璃。国内外大多数都使用这种E E玻璃纤维作为复玻璃纤维作为复合材料的原材料。合材料的原材料。（2 2）中碱玻璃纤维（）中碱玻璃纤维（C C玻纤）玻纤）：碱金属氧化物含：碱金属氧化物含量在量在11.5%11.5%12.

11、5%12.5%之间。它的主要特点是耐酸之间。它的主要特点是耐酸性好，但强度不如性好，但强度不如E E玻璃纤维高。它主要用于耐玻璃纤维高。它主要用于耐腐蚀领域中，价格较便宜。腐蚀领域中，价格较便宜。（3 3）特种玻璃纤维特种玻璃纤维：如由纯镁铝硅三元组成的高：如由纯镁铝硅三元组成的高强玻璃纤维，镁铝硅系高强高弹玻璃纤维，硅强玻璃纤维，镁铝硅系高强高弹玻璃纤维，硅铝钙镁系耐化学介质腐蚀玻璃纤维，高硅氧纤铝钙镁系耐化学介质腐蚀玻璃纤维，高硅氧纤维，石英纤维，含铅纤维等。维，石英纤维，含铅纤维等。（4 4）ARAR玻璃纤维：玻璃纤维：亦称耐碱玻璃纤维，主要是为亦称耐碱玻璃纤维，主要是为了增强水泥而研制

12、的。了增强水泥而研制的。 （5 5）E-CRE-CR玻璃玻璃: :是一种改进的无硼无碱玻璃，用于是一种改进的无硼无碱玻璃，用于生产耐酸耐水性好的玻璃纤维，其耐水性比无碱生产耐酸耐水性好的玻璃纤维，其耐水性比无碱玻纤改善玻纤改善7 78 8倍，耐酸性比中碱玻纤也优越不少，倍，耐酸性比中碱玻纤也优越不少，是专为地下管道、贮罐等开发的新品种。是专为地下管道、贮罐等开发的新品种。(6) D(6) D玻璃玻璃: :亦称低介电玻璃，用于生产介电强度好亦称低介电玻璃，用于生产介电强度好的低介电玻璃纤维。的低介电玻璃纤维。 近年来还出现一种新的无碱玻璃纤维，它完近年来还出现一种新的无碱玻璃纤维，它完全不含硼，

13、从而减轻环境污染，但其电绝缘性能全不含硼，从而减轻环境污染，但其电绝缘性能及机械性能都与传统的及机械性能都与传统的E E玻璃相似。如美国玻璃相似。如美国OCFOCF公公司的无硼司的无硼Advantex E-CRAdvantex E-CR玻璃纤维优于无碱玻璃纤玻璃纤维优于无碱玻璃纤维维, ,此外还有无氟玻璃纤维，是为环保要求而开发此外还有无氟玻璃纤维，是为环保要求而开发出来的改进型无碱玻璃纤维。出来的改进型无碱玻璃纤维。 ( (二）二）以单丝直径分类以单丝直径分类 玻璃纤维单丝呈圆柱形，以其直径的不同玻璃纤维单丝呈圆柱形，以其直径的不同可以分成几种：可以分成几种：l 粗纤维：粗纤维：3030mm

14、； 初级纤维：初级纤维：2020mm；l 中级纤维：中级纤维：10102020mm；l 高级纤维：高级纤维：3 31010mm（亦称纺织纤维）；亦称纺织纤维）；l 超细纤维超细纤维: : 4 4mm 单丝直径不同，不仅使纤维的性能有差异，单丝直径不同，不仅使纤维的性能有差异，而且影响到纤维的生产工艺、产量和成本。一而且影响到纤维的生产工艺、产量和成本。一般般5 51010m m的纤维作为纺织制品使用，的纤维作为纺织制品使用，10101414mm的纤维一般做无捻粗纱、无纺布、短切纤的纤维一般做无捻粗纱、无纺布、短切纤维毡等较为适宜。维毡等较为适宜。 玻璃纤维的组成玻璃纤维的组成 玻璃纤维是由玻璃

15、纤维是由SiOSiO2 2及各种金属氧化物组成的硅酸及各种金属氧化物组成的硅酸盐类混合物。盐类混合物。SiOSiO2 2：主要组分，形成基本骨架，有高的熔点；主要组分，形成基本骨架，有高的熔点；金属氧化物：金属氧化物：（AlAl2 2O O3 3 ，CaO CaO ，MgO MgO ，BeO BeO ，NaNa2 2O,KO,K2 2O O，B B2 2O O3 3）改善制备玻璃纤维的工艺条件改善制备玻璃纤维的工艺条件(Na(Na2 2O,KO,K2 2O O为助熔剂，为助熔剂，降低熔点降低熔点) ) 和性能和性能(BeO(BeO，模量，模量 ；B B2 2O O3 3，耐酸耐酸 ) ) 玻璃

16、纤维的性能 拉伸强度拉伸强度拉伸强度较高。拉伸强度较高。 玻璃在制造过程中引入许多微裂纹，受力后裂纹尖玻璃在制造过程中引入许多微裂纹，受力后裂纹尖端应力集中。当应力达到一定值时，裂纹扩展，玻璃被端应力集中。当应力达到一定值时，裂纹扩展，玻璃被破坏。微裂纹尺寸越大，越多，应力集中越严重，导致破坏。微裂纹尺寸越大，越多，应力集中越严重，导致强度越低。强度越低。 块状玻璃比玻璃纤维尺寸大，其内部和表面存在微块状玻璃比玻璃纤维尺寸大，其内部和表面存在微裂纹的概率更大，所以块状玻璃比玻璃纤维的强度低得裂纹的概率更大，所以块状玻璃比玻璃纤维的强度低得多。多。s玻纤 s玻璃玻纤直径越小，长度越短，强度越大；

17、存放时间越长，玻纤直径越小，长度越短，强度越大；存放时间越长，负荷时间越长，玻纤强度下降。负荷时间越长，玻纤强度下降。微裂纹理论微裂纹理论： 玻纤在制备过程中，受到定向牵引力作用，玻纤在制备过程中，受到定向牵引力作用，分子排列更规整，所以玻纤强度更大。分子排列更规整，所以玻纤强度更大。s s玻纤玻纤 s s玻璃玻璃分子取向理论：分子取向理论： 二氧化硅四面体相互连结，构成玻璃纤维的二氧化硅四面体相互连结，构成玻璃纤维的骨架，它很难与水、酸（骨架，它很难与水、酸（H H3 3POPO3 3、HFHF除外）起反应，除外）起反应，在玻璃纤维结构中还有在玻璃纤维结构中还有NaNa、CaCa、K K等金

18、属离子及等金属离子及SiO SiO 2 2与金属离子结合的硅酸盐部分。当侵蚀介与金属离子结合的硅酸盐部分。当侵蚀介质与玻璃纤维制品作用时，多数是溶解玻璃纤维质与玻璃纤维制品作用时，多数是溶解玻璃纤维结构中的金属离子或破坏硅酸盐部分；对于浓碱结构中的金属离子或破坏硅酸盐部分；对于浓碱溶液、氢氟酸、磷酸等，将使玻璃纤维结构全部溶液、氢氟酸、磷酸等，将使玻璃纤维结构全部溶解。溶解。玻璃纤维的化学成分玻璃纤维的化学成分 中碱玻纤耐酸性较好，耐水性较差；中碱玻纤耐酸性较好，耐水性较差； 无碱玻纤耐酸性较差，耐水性较好；无碱玻纤耐酸性较差，耐水性较好； 中碱玻纤和无碱玻纤的耐碱性相接近。中碱玻纤和无碱玻纤

19、的耐碱性相接近。 总之，玻纤的化学稳定性主要取决于其成分中的二总之，玻纤的化学稳定性主要取决于其成分中的二氧化硅及碱金属氧化物的含量。二氧化硅含量多能提高氧化硅及碱金属氧化物的含量。二氧化硅含量多能提高玻纤的化学稳定性，而碱金属氧化物则会使化学稳定性玻纤的化学稳定性，而碱金属氧化物则会使化学稳定性降低。在玻纤成分中增加降低。在玻纤成分中增加SiOSiO2 2或或AlAl2 2O O3 3含量，或加入含量，或加入ZrOZrO2 2及及TiOTiO2 2都可以提高玻璃纤维的耐酸性；增加都可以提高玻璃纤维的耐酸性；增加SiOSiO2 2含量，或加含量，或加入入CaO,ZrOCaO,ZrO2 2及及Z

20、nOZnO能提高玻璃纤维的耐碱性；在玻璃纤维能提高玻璃纤维的耐碱性；在玻璃纤维中加入中加入AlAl2 2O O3 3,ZrO,ZrO2 2及及TiOTiO2 2等氧化物，可大大提高耐水性。等氧化物，可大大提高耐水性。 纤维表面情况对化学稳定性的影响纤维表面情况对化学稳定性的影响 玻纤耐腐蚀性远不如玻璃（比表面积大所致）。玻纤耐腐蚀性远不如玻璃（比表面积大所致）。 纤维直径减小，其化学稳定性降低纤维直径减小，其化学稳定性降低。侵蚀介质侵蚀介质体积和体积和温度对玻璃纤维化学稳定性的影响温度对玻璃纤维化学稳定性的影响 温度升高，破坏速度增加。温度升高，破坏速度增加。 侵蚀侵蚀介质的体积越大，对纤维的

21、侵蚀越严重。介质的体积越大，对纤维的侵蚀越严重。 玻璃纤维布又可分平纹布、斜纹布、缎纹玻璃纤维布又可分平纹布、斜纹布、缎纹布、无捻粗纱布（即方格布）、单向布、无纺布、无捻粗纱布（即方格布）、单向布、无纺布等。布等。 无捻粗纱布无捻粗纱布 它具有浸胶容易、铺覆性好、它具有浸胶容易、铺覆性好、较厚实、强度高、气泡易排除、施工方便、价较厚实、强度高、气泡易排除、施工方便、价格较便宜等特点。它是手糊工艺中常使用的一格较便宜等特点。它是手糊工艺中常使用的一种布。种布。1.以某种特种玻璃纤维为例，介绍它的成以某种特种玻璃纤维为例，介绍它的成分、结构、性能、制备工艺及应用等。分、结构、性能、制备工艺及应用等

22、。（500字以上）字以上）下次课交。下次课交。l 性能特点：高强度、高模量、耐热性好、密度低。性能特点：高强度、高模量、耐热性好、密度低。1959年美国研制人造丝碳纤维；年美国研制人造丝碳纤维；1963年日本以沥青为原料研制出碳纤维；年日本以沥青为原料研制出碳纤维；1964年英国，聚丙烯腈基碳纤维年英国，聚丙烯腈基碳纤维20世纪世纪70年代，中国生产碳纤维年代，中国生产碳纤维（品种少，性能一般，产量低）（品种少，性能一般，产量低）1969年年 100t1985年年 4700t2005年年 21000t发发展展历历史史预计需求量预计需求量2015年年 70000吨吨2020年年 140000吨吨

23、 石墨的结构石墨的结构碳纤维碳纤维乱层结构乱层结构3.2.2 3.2.2 碳纤维碳纤维的结构的结构缺陷：缺陷：内部杂质、外来杂质、裂缝、空穴、气泡、表面污染内部杂质、外来杂质、裂缝、空穴、气泡、表面污染 （影响（影响CFCF强度的重要因素）强度的重要因素）来源：来源：原丝存在的缺陷（杂质、裂缝）原丝存在的缺陷（杂质、裂缝） 碳化过程产生缺陷（空穴、气泡）碳化过程产生缺陷（空穴、气泡）按原丝种类分按原丝种类分：聚丙烯腈基：聚丙烯腈基CFCF，沥青基，沥青基CF CF 、 粘胶基粘胶基CFCF按力学性能分类：按力学性能分类：通用级通用级CF、高性能、高性能CF （高强、超高强、高模、超高模）（高强

24、、超高强、高模、超高模）按按应用领域应用领域分类分类：商品级商品级CF，宇航级，宇航级CF按功能按功能分类分类：导电导电CF，耐磨，耐磨CF，耐火，耐火CF，活性，活性CF纤维素纤维：复杂应力，石墨化，收得率低；纤维素纤维：复杂应力，石墨化，收得率低；沥青纤维：原料便宜，收得率高；杂质影响性能；沥青纤维：原料便宜，收得率高；杂质影响性能；PANPAN纤维：基础研究全面，工艺成熟。纤维：基础研究全面，工艺成熟。碳纤维的价格碳纤维的价格 （美圆（美圆/kg/kg）年代年代1975197519801980198519851990199019951995200020072013价格价格20020080

25、805050212120201717约约363350碳纤维的制造方法碳纤维的制造方法气相法气相法：惰性气氛，小分子有机物（烃或芳烃）惰性气氛，小分子有机物（烃或芳烃）在高温下沉积而成，形成晶须或短纤维。在高温下沉积而成，形成晶须或短纤维。有机纤维碳化法：有机纤维碳化法：经稳定剂处理的有机纤维在惰经稳定剂处理的有机纤维在惰性气体中焙烧碳化，形成碳纤维。性气体中焙烧碳化，形成碳纤维。（一）聚丙烯腈基碳纤维（一）聚丙烯腈基碳纤维（PAN-CFPAN-CF）的制造）的制造PAN纤维纤维预氧化预氧化200300空气气氛空气气氛数十至数百数十至数百分钟分钟碳化碳化10001600惰性气氛惰性气氛N2十至数

26、十分钟十至数十分钟石墨化石墨化20003000惰性气氛惰性气氛Ar十至数十分钟十至数十分钟碳纤维碳纤维石墨纤维石墨纤维丙烯腈丙烯腈聚丙烯腈聚丙烯腈聚合聚合纺丝纺丝表面处理表面处理深加工深加工系列产品系列产品聚丙烯腈基碳纤维（聚丙烯腈基碳纤维（PAN-CF）制造阶段）制造阶段拉丝拉丝：可用湿法、干法或者熔融状态三种方法进行。：可用湿法、干法或者熔融状态三种方法进行。 牵伸：牵伸：在室温以上，通常是在室温以上，通常是100100300300范围内进范围内进行，行，W.WattW.Watt首先发现结晶定向纤维的拉伸效应，而且首先发现结晶定向纤维的拉伸效应，而且这效应控制着最终纤维的模量。这效应控制着

27、最终纤维的模量。预氧化预氧化：PAN Tg120PAN Tg120，分解前会软化熔融；，分解前会软化熔融；现象：现象：白白 黄黄 棕褐色棕褐色 黑黑结果：结果：PANPAN分子结构调整为稳定梯形六元环结构，并分子结构调整为稳定梯形六元环结构，并生成碳氧键，吸氧量为生成碳氧键，吸氧量为8-10%8-10%，PANPAN丝抵抗外加张力，丝抵抗外加张力，分子链收缩并择优取向。分子链收缩并择优取向。碳化碳化（乱层石墨结构）（乱层石墨结构）分解分解N，H，O等非碳元素，碳化产率约为等非碳元素，碳化产率约为5055%，碳纤维含碳率在碳纤维含碳率在90%以上。以上。石墨化石墨化（石墨片层结构）（石墨片层结构

28、）纤维中结晶碳向石墨晶体取向，并使之与纤维轴向夹纤维中结晶碳向石墨晶体取向，并使之与纤维轴向夹角进一步减小，以提高碳纤维的弹性模量。角进一步减小，以提高碳纤维的弹性模量。3.2.3 3.2.3 碳纤维的性能碳纤维的性能1.力学性能力学性能强度高（强度高（s s=1.42.5GPa），模量大（），模量大（E=（2.54.6）102GPa2. 物理性能物理性能密度小密度小(r(r1.52.0g/cm3 )；耐温性好耐温性好(2502000)；热膨胀系数小（平行纤维轴为负，垂直纤维轴为正）；热膨胀系数小（平行纤维轴为负，垂直纤维轴为正）；导电性好；导电性好；自润滑性自润滑性3. 化学性能化学性能氧化

29、性（氧化性（200 以上在空气中氧化）以上在空气中氧化）耐腐蚀性好（耐酸碱、耐水）耐腐蚀性好（耐酸碱、耐水）l需要解决的课题：原丝质量原丝质量l优质原丝是生产高性能碳纤维的前提。 高纯、高强、高取向度高纯、高强、高取向度l预氧化是控制碳纤维质量的重要因素。 防熔、防燃，耐热梯形结构防熔、防燃，耐热梯形结构l碳化和石墨化工艺是制备高性能碳纤维的关键。高纯氮气或氩气保护，脱氮交联，排除非碳元素，瞬时排高纯氮气或氩气保护，脱氮交联，排除非碳元素，瞬时排出热解产物。出热解产物。l耐高温材料及大型高温炉先进制造技术几种碳纤维化学成分几种碳纤维化学成分类类 型型 牌牌 号号高高 强强中模高强中模高强高高

30、模模T300，T400M30，T800M40，M50成分（成分（%）CNH93964 7095 982 50 99.700碱金属（碱金属（ppm）20 4020 3010 20 凡聚合物大分子的主链由芳香环和酰胺键凡聚合物大分子的主链由芳香环和酰胺键构成构成, ,且其中至少且其中至少85%85%的酰胺基直接键合在芳香的酰胺基直接键合在芳香环上环上, ,每个重复单元的酰胺基中的氮原子和羰基每个重复单元的酰胺基中的氮原子和羰基均直接与芳香环中的碳原子相连接并置换其中均直接与芳香环中的碳原子相连接并置换其中的一个氢原子的聚合物称为芳香族聚酰胺纤维的一个氢原子的聚合物称为芳香族聚酰胺纤维( (简称芳酰

31、胺纤维）简称芳酰胺纤维）, ,我国定名为芳纶纤维。我国定名为芳纶纤维。 3 3.3 .3 芳纶纤维（芳纶纤维（KFKF） 3.3.1 3.3.1 概述概述 KevlarKevlar主要用于橡胶增强，制造轮胎、三角主要用于橡胶增强，制造轮胎、三角皮带、同步带等。皮带、同步带等。K-29K-29主要用于绳索、电缆、涂主要用于绳索、电缆、涂漆织物、带和带状物，以及防弹背心等。漆织物、带和带状物，以及防弹背心等。K-49K-49用用于航空、宇航、造船工业的复合材料制件。于航空、宇航、造船工业的复合材料制件。 1968 1968年美国杜邦公司开始研制芳纶纤维。年美国杜邦公司开始研制芳纶纤维。197319

32、73年研究成功一类全对位芳香族聚酰胺纤维，年研究成功一类全对位芳香族聚酰胺纤维，命名为命名为ARAMIDARAMID纤维，后改名为凯芙拉（纤维，后改名为凯芙拉（KevlarKevlar）纤维，它共有三个品种：纤维，它共有三个品种： KevlarKevlar 、 KevlarKevlar 2929（简称（简称K-29)K-29)、 KevlarKevlar 4949（简称（简称K K4949）。）。 芳纶纤维布芳纶纤维布芳纶纤维带芳纶纤维带芳碳混编芳碳混编 芳纶纤维芳纶纤维l间位芳香族聚酰胺纤维间位芳香族聚酰胺纤维主要用作蜂窝结构用纸、绝缘纸，很少用于复材的增强材料。l对位芳香族聚酰胺纤维对位芳

33、香族聚酰胺纤维聚间苯二甲酰间苯二胺（MPIA）聚对苯甲酰胺(PBA)聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)芳纶纤维主要品种芳纶纤维主要品种主要品种主要品种 3.3.2 3.3.2 芳纶纤维的结构芳纶纤维的结构 芳纶纤维是对苯二甲酰对苯二胺的聚合体，芳纶纤维是对苯二甲酰对苯二胺的聚合体，经溶解转为液晶纺丝而成。经溶解转为液晶纺丝而成。 化学结构式化学结构式 纤维的基体结构是长链状聚酰胺，至少纤维的基体结构是长链状聚酰胺，至少85%85%的的酰氨直接键合在芳香环上，这种刚硬的直线状分酰氨直接键合在芳香环上，这种刚硬的直线状分子键在纤维轴向是高度定向的，各聚合物链是由子键在纤维轴向是高度定向的，各聚合物链

34、是由氢键作横向连结。这种在沿纤维方向的强共价键氢键作横向连结。这种在沿纤维方向的强共价键和横向弱的氢键，造成芳纶纤维力学性能各向异和横向弱的氢键，造成芳纶纤维力学性能各向异性，即纤维的纵向强度高，而横向强度低。性，即纤维的纵向强度高，而横向强度低。 芳纶纤维的化学链主要由芳环组成。这种芳芳纶纤维的化学链主要由芳环组成。这种芳环结构具有高的刚性，并使聚合物链呈伸展状态环结构具有高的刚性，并使聚合物链呈伸展状态而不是折叠状态，形成棒状结构，因而纤维具有而不是折叠状态，形成棒状结构，因而纤维具有高的模量。高的模量。 芳纶纤维分子链是线性结构，这又使纤维能芳纶纤维分子链是线性结构，这又使纤维能有效地利

35、用空间而具有高的填充效率的能力，在有效地利用空间而具有高的填充效率的能力，在单位体积内可容纳很多聚合物。这种高密度的聚单位体积内可容纳很多聚合物。这种高密度的聚合物具有较高的强度合物具有较高的强度。 从其规整的晶体结构可以说明芳纶纤维的化从其规整的晶体结构可以说明芳纶纤维的化学稳定性、高温尺寸稳定性、不发生高温分解以学稳定性、高温尺寸稳定性、不发生高温分解以及在很高温度下不致热塑化等特点。及在很高温度下不致热塑化等特点。 3 3.3.3 .3.3 芳纶纤维的性能特点芳纶纤维的性能特点( (一）力学性能一）力学性能冲击性能好。大约为石墨纤维的冲击性能好。大约为石墨纤维的6 6倍，为玻璃纤维倍，为

36、玻璃纤维0.80.8倍。倍。用它与碳纤维混杂将能大大提高纤维复合材料的冲击性能。用它与碳纤维混杂将能大大提高纤维复合材料的冲击性能。 弹性模量高。可达弹性模量高。可达1.271.271.5771.57710105 5MPaMPa，比玻璃纤维高，比玻璃纤维高一倍，为碳纤维一倍，为碳纤维0.80.8倍。倍。 断裂伸长在断裂伸长在3%3%左右，接近玻璃纤维，高于其他纤维。左右，接近玻璃纤维，高于其他纤维。抗压性能低。抗压性能低。密度小，比重密度小，比重1.441.441.451.45，只有铝的一半，因此它有高的，只有铝的一半，因此它有高的比强度与比模量。比强度与比模量。拉伸强度高。单丝强度可达拉伸强

37、度高。单丝强度可达37733773MPaMPa；254mm254mm长的纤维束的长的纤维束的拉伸强度为拉伸强度为2744MPa2744MPa，大约为铝的，大约为铝的5 5倍。倍。芳纶纤维和其它纤维的性能芳纶纤维和其它纤维的性能 性能性能芳纶纤维芳纶纤维尼龙纤维尼龙纤维聚酯纤维聚酯纤维石墨纤维石墨纤维玻璃纤维玻璃纤维不锈钢丝不锈钢丝拉伸强度拉伸强度MPMPa a281528151010101011421142281528152453245317541754弹性模量弹性模量GpGpa a 126.5126.55.65.614.114.122522570.470.4204204断裂延伸断裂延伸率率%

38、 %2.52.518.318.314.514.51.251.253.53.52.02.0密度密度 g/cm g/cm3 31.441.441.141.141.381.381.751.752.552.557.837.83材料材料（二）芳纶纤维的热稳定性（二）芳纶纤维的热稳定性热膨胀系数具有各向异性。热膨胀系数具有各向异性。纵向热膨胀系数在纵向热膨胀系数在0 0100100时为时为-2-21010-6-6/；在在100100200200时为时为-4-41010-6-6/。横向热膨胀系数。横向热膨胀系数为为59591010-6-6/。良好的热稳定性。良好的热稳定性。耐火而不熔，当温度达耐火而不熔，当

39、温度达487487时时尚不熔化，但开始碳化。能长期在尚不熔化，但开始碳化。能长期在180180下使用，下使用，在在150150下作用一周后强度、模量不会下降，另外下作用一周后强度、模量不会下降，另外在低温（在低温（-60-60）不发生脆化亦不降解）不发生脆化亦不降解, ,有有“防火纤防火纤维维”之美称之美称. .良好的耐介质性能。良好的耐介质性能。对中性化学药品的抵抗力很对中性化学药品的抵抗力很强，但易受各种酸碱的侵蚀，尤其是强酸的侵蚀；强，但易受各种酸碱的侵蚀，尤其是强酸的侵蚀；耐水性不好，这是由于在分子结构中存在着极性耐水性不好，这是由于在分子结构中存在着极性酰氨基，在低湿度（酰氨基，在低

40、湿度（20%20%相对湿度）下芳纶纤维的相对湿度）下芳纶纤维的吸湿率为吸湿率为1%1%，但在高湿度（，但在高湿度（85%85%相对湿度）下，可相对湿度）下，可达到达到7%7%。（三）芳纶纤维的化学性能（三）芳纶纤维的化学性能对紫外线较敏感。对紫外线较敏感。若长期裸露在阳光下，其强若长期裸露在阳光下，其强度损失很大，因此应加保护层。度损失很大，因此应加保护层。3.3.4 3.3.4 芳纶纤维芳纶纤维 (PPTA)(PPTA)的制造的制造 制造过程分两个阶段：制造过程分两个阶段：第一阶段：第一阶段：对苯二胺与对苯二甲酸酰氯缩聚成聚对苯二对苯二胺与对苯二甲酸酰氯缩聚成聚对苯二甲酰对苯二胺甲酰对苯二胺

41、 (PPTA)(PPTA)；第二阶段第二阶段：将聚合体溶解在溶剂中再进行纺丝，制成所：将聚合体溶解在溶剂中再进行纺丝，制成所需要的纤维材料。需要的纤维材料。( (一）一） PPTAPPTA的聚合的聚合 PPTAPPTA由对苯二胺、对苯二甲酸酰氯缩聚而成，反应式由对苯二胺、对苯二甲酸酰氯缩聚而成，反应式如下：如下： （二）（二）纺丝工艺纺丝工艺 采用采用液晶纺丝工艺液晶纺丝工艺。 液晶态是晶态向液态转化的中间态，既具有液晶态是晶态向液态转化的中间态，既具有晶态的有序性（晶态的有序性（导致各向异性导致各向异性），又具有液态的），又具有液态的连续性和流动性。连续性和流动性。 根据形成条件不同分为：根

42、据形成条件不同分为： 热致性液晶热致性液晶：受热熔融形成各向异性熔体；：受热熔融形成各向异性熔体； 溶致性液晶溶致性液晶：溶于某种溶剂而形成各向异性：溶于某种溶剂而形成各向异性的溶液。的溶液。 高分子液晶的结构类型高分子液晶的结构类型：近晶型、向列型、胆甾型近晶型、向列型、胆甾型 （1 1）近晶型近晶型：棒状分子通过：棒状分子通过垂直于分子长轴方向的强相垂直于分子长轴方向的强相互作用，互相平行排列成层互作用，互相平行排列成层状结构，分子轴垂直于层面。状结构，分子轴垂直于层面。棒状分子只能在层内活动。棒状分子只能在层内活动。近晶型近晶型 （2）向列型向列型：棒状分子虽然也平行排列，但长短：棒状分

43、子虽然也平行排列，但长短不一，不分层次，只有一维有序性，在外力作用不一，不分层次，只有一维有序性，在外力作用下发生流动时，棒状分子易沿流动方向取向，并下发生流动时，棒状分子易沿流动方向取向，并可流动取向中互相穿越。可流动取向中互相穿越。向列型向列型 （3 3）胆甾型胆甾型：棒状分子分层平行排列，在每个单：棒状分子分层平行排列，在每个单层内分子排列与向列型相似，相邻两层中分子长层内分子排列与向列型相似，相邻两层中分子长轴依次有规则地扭转一定角度，分子长轴在旋转轴依次有规则地扭转一定角度，分子长轴在旋转3603600 0后复原。后复原。 两个取向相同的分子层之间的距离称为胆甾两个取向相同的分子层之

44、间的距离称为胆甾型液晶的螺距。型液晶的螺距。胆甾型胆甾型 纺丝用向列型液晶。纺丝用向列型液晶。 聚合物聚合物PPTAPPTA在溶液中呈一定取向状态，为一在溶液中呈一定取向状态，为一维有序紧密排列。在外界剪切力的作用下，分子维有序紧密排列。在外界剪切力的作用下，分子很容易沿作用力方向取向，这就是具有液晶性质很容易沿作用力方向取向，这就是具有液晶性质的大分子有利成纤的原因。的大分子有利成纤的原因。 PPTAPPTA能溶于浓硫酸、氯磺酸、氟磺酸及无水能溶于浓硫酸、氯磺酸、氟磺酸及无水氟化氢中。氟化氢中。 将将PPTAPPTA溶于溶于100100的硫酸中，显示液晶的特性。的硫酸中，显示液晶的特性。 凯

45、芙拉纤维起初的纺丝工艺是凯芙拉纤维起初的纺丝工艺是湿法纺丝湿法纺丝，但此，但此法生产效率低，纤维性能差。随后又出现法生产效率低，纤维性能差。随后又出现干喷湿纺干喷湿纺工艺。工艺。 干喷湿纺工艺干喷湿纺工艺： 高浓度、高温度的高浓度、高温度的PPTAPPTA液晶溶液在较高的喷丝速度液晶溶液在较高的喷丝速度下下喷丝喷丝，先经过一段空间，先经过一段空间，然后进入温度低的凝固液浴，然后进入温度低的凝固液浴，在凝固液浴中，经过一个纺在凝固液浴中，经过一个纺丝管，在凝固液的作用下形丝管，在凝固液的作用下形成丝束，成丝束，绕到绕丝辊绕到绕丝辊上，再上，再经经洗涤洗涤，在张力下于热辊上，在张力下于热辊上干燥干

46、燥，得，得K-29K-29。在惰性气体。在惰性气体中于较高的温度下进行中于较高的温度下进行热处热处理，理，得得K-49K-49。 3 3.3.5.3.5 用途用途 以芳纶纤维为增强材料、树脂作为基体的以芳纶纤维为增强材料、树脂作为基体的增强塑料，简称增强塑料，简称KFRPKFRP。芳纶产品用于芳纶产品用于防弹衣、头盔防弹衣、头盔等约占等约占7 78%8%；航空航天航空航天材料、材料、体育体育用材料约占用材料约占40%40%，它在航它在航空航天方面的应用，仅次于碳纤维；空航天方面的应用，仅次于碳纤维；轮胎轮胎骨架材料、骨架材料、传送带传送带材料等方面大约占材料等方面大约占20%20%左右；轮胎业

47、也开始大量使用芳纶帘线来减轻重左右；轮胎业也开始大量使用芳纶帘线来减轻重量，减少滚动阻力。量，减少滚动阻力。 高强高强绳索绳索等方面大约占等方面大约占 13%13%。 （一）（一）航空方面航空方面 各种整流罩、窗框、天花板、隔板、地板、各种整流罩、窗框、天花板、隔板、地板、舱壁、舱门等。采用舱壁、舱门等。采用KFRPKFRP比比GFRPGFRP可减重可减重30%30%。 例如，例如，1-10111-1011三星式客机已采用三星式客机已采用KFRP1135KFRP1135公公斤减重斤减重365365公斤。公斤。 （二）（二）航天方面航天方面 火箭发动机壳体、压力容器、宇宙飞船的驾火箭发动机壳体、

48、压力容器、宇宙飞船的驾驶舱以及通风管道等。驶舱以及通风管道等。 如如“三叉戟三叉戟”、“MXMX”的三级发动机壳体全部的三级发动机壳体全部采用采用KFRPKFRP（环氧树脂基），比同一尺寸环氧树脂基），比同一尺寸“海神海神”的的GFRPGFRP壳体减重壳体减重50%50%。 （三）三）其他军事应用其他军事应用 KFRPKFRP作为防护材料，制成飞机、坦克、装甲作为防护材料，制成飞机、坦克、装甲车、艇的防弹构件、头盔和防弹衣等。车、艇的防弹构件、头盔和防弹衣等。 （四）（四）民用民用 造船业、汽车方面，造船业、汽车方面，采用采用KFRPKFRP，船体质量可船体质量可减轻减轻28%28%40%40

49、%（与（与AlAl相比），可节省燃料相比），可节省燃料35%35%，延，延长航程长航程35%35%。如用。如用KFRPKFRP制成的钓船，与同样大小的制成的钓船，与同样大小的GFRPGFRP相比可节约燃料相比可节约燃料53.7%53.7%，行驶速度快，行驶速度快10%10%。 同样用芳纶作为轮胎帘子线，具有承载高、同样用芳纶作为轮胎帘子线，具有承载高、质量轻、采用舒适、噪音低、高速性能好、滚动质量轻、采用舒适、噪音低、高速性能好、滚动阻力小、磨耗低、产生热量少等优点，特别适用阻力小、磨耗低、产生热量少等优点，特别适用于高速轮胎。于高速轮胎。 在体育器具方面，在体育器具方面，如曲棍球棒、高尔夫球

50、棒、如曲棍球棒、高尔夫球棒、网球拍、标枪、弓、钓鱼杆、滑雪撬等。网球拍、标枪、弓、钓鱼杆、滑雪撬等。 绳索方面绳索方面，它比涤纶绳索强度高一倍，比钢，它比涤纶绳索强度高一倍，比钢绳索高绳索高50%50%，用手指粗的芳纶绳就可以吊起两辆大用手指粗的芳纶绳就可以吊起两辆大卡车卡车。 在混杂纤维复合材料的制品中在混杂纤维复合材料的制品中应用也日益广应用也日益广泛泛. . 芳纶绳芳纶绳3 3.4 .4 其他纤维其他纤维3 3.4.4.1 1 碳化硅纤维碳化硅纤维 碳化硅纤维是以碳和硅为主要组分的一种陶碳化硅纤维是以碳和硅为主要组分的一种陶瓷纤维。瓷纤维。 碳化硅纤维具有碳化硅纤维具有良好的高温性能、高