凯夫拉纤维与碳纤维.ppt

凯夫拉纤维 一 凯夫拉纤维的发展 也称Kevlar或芳纶 即芳香族聚酰胺纤维1 1960年 美国杜邦研制出Nomex 聚间苯二甲酰间苯二胺纤维 即芳纶1313 耐热纤维2 1965年 杜邦研制出Kevlar 聚对苯二甲酰对苯二胺纤维 即芳纶1414 高强高模量纤维3 1974年 美国联邦通商委员会把全芳香族聚酰胺命名为Aramid 一 凯夫拉纤维的发展 聚对苯二甲酰对苯二胺商业名称 美国Kevlar 日本帝人Technora 荷兰阿克苏Twaron 中国芳纶1414聚间苯二甲酰间苯二胺美国Nomex 日本帝人Conex 荷兰阿克苏Twaron中国芳纶1313 一 凯夫拉纤维的发展 凯夫拉 Kevlar 纤维国内发展起步阶段 技术水平 产品档次及生产能力都与国外发达国家存在着一定的差距 产品种类 轮胎帘子线光缆补强件艰难的原因生产的技术瓶颈难以突破大部分原料需要进口 高强度 高模量 耐高温 耐腐蚀 低密度 芳纶纤维 芳香族聚酰胺类纤维的通称 国外商品牌号为凯芙拉 Kevlar 纤维 美国杜邦公司1968年开始研究 1973年研制成功 我国命名为芳纶纤维 特点 芳纶纤维的历史很短 发展很快 1968年美国杜邦公司开始研制 1972年以B纤维为名发表了专利并提供产品 1972年又研制了以PRD 49命名的纤维 1973年正式登记的商品名称为ARAMID纤维 ARAMID纤维包括三种牌号的产品 并重改名称 PRD 49 IV改称为芳纶 29 PRD 49 III改称为芳纶 49 B纤维改称为芳纶 主要用于绳索 电缆 涂漆织物 带和带状物 以及防弹背心等 用于航空 宇航 造船工业的复合材料制件 主要用于橡胶增强 制造轮胎 三角皮带 同步带等 聚对苯二甲酰对苯二胺纤维Poly P Phenleneterephthalamide 简称PPTA纤维聚对苯二甲酰对苯二胺是属于一种液态结晶性棒状分子 Kevlar具有非常好的热稳定性 抗火性 抗化学性 绝缘性 以及高强度及模数 将Kevlar品牌芳纶纤维的物性与其它纤维作一比较 可以发现 Kevlar品牌纤维是石棉的2到11倍强度 是高强度石墨的1 6倍强度 是玻璃纤维的3倍强度 是相同重量下钢纤维的5倍强度 且Kevlar品牌芳纶纤维密度非常低 几乎只有石棉密度的一半 而却拥有很高的破裂延伸度 除了高强度外 更有以下好处 热稳定性 Kevlar品牌纤维在热试验中 TGA 非常稳定 直至600 才有明显的重量丧失 低侵蚀性 具有高含量的Kevlar品牌纤维试片 表现出比半金属片低的侵蚀性 耐磨性 与石棉纤维制成的刹车片比较 在Kevlar品牌纤维开松良好的状态下 体现出非常低的磨耗性 维持预成型刹车片的强度 保持填充剂的持久性 凯芙拉纤维的应用 凯芙拉品牌纤维密度低 强度高 韧性好 耐高温 易于加工和成型 因而受到人们的重视 并已经广泛应用到人们的日常生活中 由于凯芙拉品牌材料坚韧耐磨 刚柔相济 具有刀抢不入的特殊本领 在军事上被称之为 装甲卫士 大家知道 坦克 装甲车已逐渐成为现代陆军的主要装备之一 其原因就在于这两种兵器都具有坚硬的装甲 在战争中有消灭敌人保护自己的作用 有了矛就出现了盾 有了坦克 装甲车之后 就发明了反坦克炮 反坦克导弹 反坦克武器的出现 又促使人们改进坦克 装甲车的装甲性能 通常要提高坦克 装甲车的防护性能 就要增加金属装甲的厚度 这样势必影响它的灵活机动性能 凯芙拉品牌材料的出现使这个问题迎刃而解 坦克 装甲车的防护性能提高到了一个崭新的阶段 与玻璃钢相比 在相同的防护情况下 用凯芙拉品牌材料时重量可以减少一半 并且凯芙拉品牌层压薄板的韧性是钢的3倍 经得起反复撞击 凯芙拉品牌薄板与钢装甲结合使用更是威力无比 如果采用 钢枣芳纶枣钢 型复合装甲 能防穿甲厚度为700毫米的反坦克导弹 还可防中子弹 目前凯芙拉品牌层压薄板与钢 铝板的复合装甲 不仅已广泛应用于坦克 装甲车 而且用于核动力航空母舰及导弹驱逐舰 使上述兵器的防护性能及机动性能均大为改观 凯芙拉品牌材料与碳化硼等陶瓷的复合材料是制造直升飞机驾驶舱和驾驶座的理想材料 据试验 它抵御穿甲子弹的能力比玻璃钢和钢装甲好得多 为了提高战场人员的生存能力 人们对避弹衣的研制越来越重视 凯芙拉品牌材料还是制造避弹衣的理想材料 据报道 用凯芙拉品牌材料代替尼龙和玻璃纤维 在同样情况下 其防护能力至少可增加一倍 并且有很好的柔韧性 穿着舒适 用这种材料制作的防弹衣只有2 3公斤重 穿着行动方便 所以已被许多国家的警察和士兵采用 凯芙拉纤维的前景 中国航天科工集团公司第六研究院有关专家介绍说 由该院自主研制 具有完全自主知识产权的高科技产品F 12高强度有机纤维 填补了中国高强有机纤维材料的空白 F 12高强有机纤维属芳纶类纤维 凯芙拉品牌纤维原料 具有高比强度 高比模量 低压缩强度和低密度等优异性能 性能远远超过国内已量产的芳纶II纤维 是芳纶纤维类产品的佼佼者 几根F 12高强有机纤维绳可以吊起46吨的重物 而同样粗细的钢丝绳只能吊起8吨的重物 F 12高强有机纤维不仅广泛应用于航天 航空 高性能飞艇等领域 还可广泛应用于光缆增强纤维 增强电力电缆 升降机缆绳及各类高性能体育运动器材等领域 可为中国国防军工及高端民用产品的研制提供强有力的支撑 因而具有广阔的市场前景 Kevlar纤维或产品 Kevlar纤维或产品 Kevlar纤维或产品 Kevlar纤维或产品 Kevlar纤维或产品 碳纤维 CarbonFiber CF是有机纤维在惰性气氛中经高温碳化而成的纤维状碳化合物 或 纤维化学组成中碳元素占总质量90 以上的纤维 其中含碳量高于99 的称石墨纤维 Notes 只有在碳化过程中不熔融 不剧烈分解的有机纤维才能作为CF的原料 有些纤维要经过予氧化处理后才能满足这个要求 碳纤维的微观结构类似人造石墨 是乱层石墨结构 碳纤维是一种力学性能优异的新材料 它的比重不到钢的1 4 碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上 是钢的7 9倍 抗拉弹性模量为230 430Gpa亦高于钢 因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa g cm3 以上 而A3钢的比强度仅为59Mpa g cm3 左右 其比模量也比钢高 材料的比强度愈高 则构件自重愈小 比模量愈高 则构件的刚度愈大 从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景 CF分类 按原丝类型 按碳纤维性能 按碳纤维的功能 按制造条件和方法 CF分类方法 按原丝类型分类 聚丙烯腈基粘胶基沥青基木质素纤维基其他有机纤维基 按碳纤维性能分类 高强度CF HS 高模量CF HM 超高强CF UHS 超高模CF UHM 高强 高模CF中强 中模CF等 通用级CF 拉伸强度 1 4GPa 拉伸模量 140GPa 高性能CF 按碳纤维的功能分类 受力结构用CF耐焰用CF导电用CF润滑用CF耐磨用CF活性CF 按制造条件和方法分类 碳纤维 碳化温度1200 1500oC 碳含量95 以上 石墨纤维 石墨化温度2000oC以上 碳含量99 以上 活性炭纤维 气体活化法 CF在600 1200oC 用水蒸汽 CO2 空气等活化 气象生长碳纤维 惰性气氛中将小分子有机物在高温下沉积成纤维 晶须或短纤维 制备 碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维 沥青纤维 粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得 按状态分为长丝 短纤维和短切纤维 按力学性能分为通用型和高性能型 通用型碳纤维强度为1000兆帕 MPa 模量为100GPa左右 高性能型碳纤维又分为高强型 强度2000MPa 模量250GPa 和高模型 模量300GPa以上 强度大于4000MPa的又称为超高强型 模量大于450GPa的称为超高模型 随着航天和航空工业的发展 还出现了高强高伸型碳纤维 其延伸率大于2 用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纤维 目前应用较普遍的碳纤维主要是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维 碳纤维的制造包括纤维纺丝 热稳定化 预氧化 碳化 石墨化等4个过程 其间伴随的化学变化包括 脱氢 环化 预氧化 氧化及脱氧等 CF的表面处理 碳纤维的轴向强度和模量高 无蠕变 耐疲劳性好 比热及导电性介于非金属和金属之间 热膨胀系数小 耐腐蚀性好 纤维的密度低 X射线透过性好 但其耐冲击性较差 容易损伤 在强酸作用下发生氧化 与金属复合时会发生金属碳化 渗碳及电化学腐蚀现象 因此 碳纤维在使用前须进行表面处理 表面处理的目的提高碳纤维增强复合材料中CF与基体的结合强度 CF表面处理的途径 清除表面杂质 在纤维表面形成微孔或刻蚀沟槽 增加表面能 引进具有极性或反应性官能团 并能与树脂起作用的中间层 如 COOH NH2 OH 等碳纤维表面处理的方法气相氧化法 液相氧化法及电化学氧化处理法 应用领域 碳纤维可加工成织物 毡 席 带 纸及其他材料 传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外 一般不单独使用 多作为增强材料加入到树脂 金属 陶瓷 混凝土等材料中 构成复合材料 碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料 电磁屏蔽除电材料 人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳 机动船 工业机器人 汽车板簧和驱动轴等 1994年至2002年左右 随着从短纤碳纤维到长纤碳纤维的学术研究 使用碳纤维制作发热材料的技术和产品也逐渐进入军用和民用领域 现在国内已经有使用长纤碳纤维制作国家电网电缆的使用案例多处 同时 碳纤维发热产品 碳纤维采暖产品 碳纤维远红外理疗产品也越来越多的走入寻常百姓家庭 碳纤维是军民两用新材料 属于技术密集型和政治敏感的关键材料 以前 以美国为首的巴黎统筹委员会 COCOM 对当时的社会主义国家实行禁运封锁政策 1994年3月 COCOM虽然已解散 但禁运封锁的阴影仍笼罩在上空 先进的碳纤维技术仍引不进来 特别是高性能PAN基原丝技术 即使中国进入WTO 形势也不会发生大的变化 因此 除了国人继续自力更生发展碳纤维工业外 别无其它选择 因此 国外尤其是碳纤维生产技术领先的日韩等国对中国的碳纤维材料及制品的出口一直保持相当谨慎的态度 只有为数很少的中国企业能够与其建立合作关系 拥有其产品的进口渠道 碳纤维广泛用于民用 军用 建筑 化工 工业 航天以及超级跑车领域 产业现状 目前世界碳纤维产量达到4万吨 年以上 全世界主要是日本东丽 东邦人造丝和三菱人造丝三家公司以及美国的HEXCEL ZOLTEK ALDILA三家公司 以及德国SGL西格里集团 韩国泰光产业 中国台湾省的台塑集团 等少数单位掌握了碳纤维生产的核心技术 并且有规模化大生产 中国对碳纤维的研究开始于20世纪60年代 80年代开始研究高强型碳纤维 多年来进展缓慢 但也取得了一定成绩 进入21世纪以来发展较快 安徽华皖碳纤维公司率先引进了500吨 年原丝 200吨 年PAN基碳纤维 只有东丽碳纤维T300水平 使中国碳纤维工业进入了产业化 随后 一些厂家相继加入碳纤维生产行列 从2000年开始中国碳纤维向技术多元化发展 放弃了原来的硝酸法原丝制造技术 采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法纺丝技术获得成功 目前利用自主技术研制的少数国产T300 T700碳纤维产品已经达到国际同类产品水平 碳纤维生产线随着近年来中国对碳纤维的需求量日益增长 碳纤维已被列为国家化纤行业重点扶持的新产品 成为国内新材料行业研发的热点 Kevlar和碳纤维的性能比较 芳纶纤维全称为 聚对苯二甲酰对苯二胺 英文为Aramidfiber 杜邦公司的商品名为Kevlar 是一种新型高科技合成纤维 具有超高强度 高模量和耐高温 耐酸耐碱 重量轻等优良性能 其强度是钢丝的5 6倍 模量为钢丝或玻璃纤维的2 3倍 韧性是钢丝的2倍 而重量仅为钢丝的1 5左右 在560度的温度下 不分解 不融化 它具有良好的绝缘性和抗老化性能 具有很长的生命周期 芳纶的发现 被认为是材料界一个非常重要的历史进程 碳纤维是一种纤维状碳材料 它是一种强度比钢的大 密度比铝的小 比不锈钢还耐腐蚀 比耐热钢还耐高温 又能像铜那样导电 具有许多宝贵的电学