复合材料-第三篇

1、1,4.其它无机纤维增强材料 4.1 硼纤维（Boron Fibre，BF或Bf）,2,4.1 硼纤维,概述 BF是一种新型无机纤维，最早由美国研制，并于1966年在航天工业上得到应用，与前面介绍的GF或CF不同，BF本身就是一种复合材料，常见的复合形式有： B/W，在细钨丝上沉积硼 B/SiO2，在石英纤维上沉积硼，石英纤维事先要进行涂碳或涂钨处理,3,4.1.1 硼纤维的特点,弹性模量高 拉伸强度、压缩强度高 不仅可以以纤维形式使用，还可以作环 氧树脂、铝和钛的增强体 主要问题： 价格昂贵,4,4.1.2 BF的制造,1958年，C.P.Talley首先发表用化学气相沉积(Chemical

2、 Vapour Deposition，CVD)方法研制成功高模量的硼纤维。 钨丝：D：10m，L：3000m 硼层：50-100m 目前，BF的直径有100、140、200m等几种。,5,BF的制造,1. 氢化硼热分解法 2. 卤化硼反应法,6,BF的制造,（平行反应器）,7,BF的制造,通过卤化物反应在钨丝载体上沉积硼制造硼纤维的装置示意图 （竖直反应器）,8,4.1.3 BF的结构和组织,硼纤维的形貌 硼纤维的结构 硼纤维的残余应力 硼纤维的结构缺陷 硼纤维的表面涂层,9,BF的形貌,硼纤维的特征“玉米棒”结构,10,BF的结构,硼原子形成的二十面体,11,BF的结构缺陷,钨芯硼纤维中芯与

3、覆盖层之间的界面孔洞,12,4.1.4 BF的性能,具有很高的弹性模量和强度，但其性能受沉积条件和纤维直径的影响，硼纤维的密度为2.4-2.65g/cm3，拉伸强度为3.2-5.2GPa，弹性模量为350-400GPa。BF具有耐高温和耐中子辐射性能。 硼纤维在美国年产量约50吨。硼纤维的缺点是工艺复杂，不易大量生产使其价格昂贵，限制了广泛的应用。目前已研究用碳纤维代替钨丝，以降低成本和密度，结果表明，碳芯硼纤维比钨丝硼纤维强度下降5，但成本降低了25。,13,BF的性能,改进的特大直径硼纤维的性能,14,4.1.5 硼纤维的应用,美、俄是硼纤维的主要生产国，并研制发展了BF增强树脂，BF增强

4、铝等先进复合材料，用于航天飞机、B-1轰炸机、运载火箭、核潜艇等军事装备，取得了巨大效益。我国70年代初开始研制BF和复合材料，但仍处于实验室阶段，离大批量生产应用还有相当的差距。,15,4.2 碳化硅纤维(Silicon Carbide Fibre, SF或SiCf),16,4.2.1 概述： 制备方法：化学气相沉积法（CVD） 聚合物转化法,17,4.2.2 化学气相沉积法： 类似于BF的CVD法，芯丝可用钨或碳 1961年，Gareis首先申请碳化硅专利 60年代，美国通用利用CVD制造钨芯碳化硅纤维 钨芯后来被碳芯取代 1975年，制造了碳芯碳化硅纤维 1984年，美国制成连续碳化硅纤

5、维,18,4.2.2.1 CVD法钨芯碳化硅纤维的制造方法,CVD法制造钨芯碳化硅纤维的工艺装置简图,19,4.2.2.2 CVD碳化硅纤维的结构,CVD碳化硅纤维的表面形貌 碳芯碳化硅纤维的断面结构,20,4.2.2.3 CVD碳化硅纤维的性能,很高的室温拉伸强度 很高的拉伸模量 突出的高温性能 突出的抗蠕变性能,21,钨芯碳化硅纤维的特点 适宜于高温使用 界面复杂 密度大 碳芯碳化硅纤维的特点 高温更稳定 制造成本低 密度小,22,CVD碳化硅纤维的不足： 单丝直径粗，柔曲性较差 成本较高 较高的表面损伤敏感性,23,4.2.3 聚合物转化法： 1975年日本失岛圣使教授首次提出,24,冯

6、春祥：国防科技大学教授，新材料技术专家 1979年开始研制SiC纤维，1986年攻克了第一道难关利用国产原料制备SiC纤维，创造性地采用了常压高温裂解重排法。1991年制备出了第一根连续长纤维，并建成了第一条连续长纤维生产线，使我国成为继美国、日本之后能生产连续SiC纤维的第三个国家。,25,主要技术内容: 高性能的碳化硅（SiC）纤维是由聚二甲基硅烷经热分解重排转化为聚碳硅烷（PCS），再以PCS为先驱体经熔融纺丝、不熔化处理及高温烧成而制得。SiC纤维不仅具有高强度、高模量及优异的耐高温氧化性、耐化学腐蚀性等独特性能，而且SiC纤维自身是一种半导体材料（电阻率在106.cm左右），通过改变

7、原料组成或制备工艺条件可调节碳化硅纤维的电阻率，使其成为吸波材料（电阻率在101-103.cm时纤维具有最佳吸波性能）。,26,4.2.3.1 聚合物转化法制备碳化硅纤维的工艺,包括四个阶段： (1) 制备聚碳硅烷(PCS) (2) 熔融纺丝 (3) 不熔化处理 (4) 高温烧成(Nicalon纤维),27,4.2.3.2 Nicalon碳化硅纤维的结构,Nicalon纤维化学成分组成,28,4.2.3.3 Nicalon纤维的性能,直径较小、柔曲性好 拉伸强度、拉伸模量高 相对密度低，耐热性好 与金属反应性小、相容性好,29,4.2.4 Nicalon纤维的应用,(1) CVD法碳化硅纤维的

8、应用 可适用于增强铝、镁及其合金、钛及钛合金 (2) 聚合物转化法制备碳化硅纤维(Nicalon)的应用 作为聚合物、金属、碳及各种陶瓷材料的增强体。,30,碳化硅纤维、碳化硅-碳纤维复合材料,碳化硅纤维中含硅，不仅吸波特性好，能减弱发动机红外信号，而且具有耐高温、相对密度小、韧性好、强度大、电阻率高等优点，是国外发展很快的吸波材料之一，但仍存在一些问题，如电阻率太高等。 将碳、碳化硅以不同比例，通过人工设计的方法，控制其电阻率，便可制成耐高温、抗氧化、具有优异力学性能和良好吸波性能的SiC-C复合纤维。SiC-C复合纤维与环氧树脂制成的复合材料，由SiC-C纤维和接枝酰亚胺基团与环氧树脂共聚

9、改性为基体组成的结构材料，吸波性能都很优异。,31,金属基复合材料中的应用,碳化硅纤维增强铝比铝轻10，强度高10，刚性高一倍，具有更好的化学稳定性、耐热性和高温抗氧化性。它们主要用于汽车工业和飞机制造业。用碳化硅纤维增强钛做成的板材和管材已用来制造飞机垂尾、导弹壳体和空间部件。,32,4.3 氧化铝纤维（Alumina Fibre， AF或(Al2O3)f）,33,氧化铝纤维,氧化铝纤维是多晶连续纤维，除了Al2O3以外，常含有约15%的SiO2。作用是抑制高温下的相变。 氧化铝纤维的种类有-Al2O3、-Al2O3、 -Al2O3连续纤维和-Al2O3短纤维。,34,4.3.1 氧化铝纤维

10、的制造方法,杜邦法 拉晶法(TYCO法) 住友法 溶胶-凝胶法（3M法） ICI,35,3M法,甲酸、乙酸根离子的氧化铝溶液,浓缩成纺丝溶液,干法纺丝,干燥,900预烧结,张力作用下1000 烧结,(Al2O3)f (3M),前驱体，sol,gel,取向提高强度,前驱体选择原则：一般为甲酸、乙酸等有机金属盐溶液，或硝酸溶液，加热时 这些阴离子能分解成气体排掉。,36,4.3.2 氧化铝纤维的性能,不同方法制备的氧化铝纤维性能不同,37,4.3.2 氧化铝纤维的应用,莫来石纤维是氧化铝基纤维的主要品种，在结构上主要是以莫来石微晶相的形式存在。与一般氧化铝基纤维相比，莫来石纤维具有更好的耐高温性，

11、使用温度在15001600，特别是高温抗蠕变性和抗热震性均有很大提高，是当今国内外最新型的超轻质高温耐热纤维。,38,金属基复合材料增强剂 目前，氧化铝纤维增强的金属基复合材料已在汽车活塞槽部件中得到应用。另外，氧化铝纤维增强金属基复合材料还可用于高负荷的机械零件和高温高速旋转零件以及由于轻量化而要求的高功能构件，如汽车连杆、传动轴、刹车等零件及直升飞机的传动装置等。,39,绝热耐火材料 氧化铝短纤维在冶金炉、陶瓷烧结炉或其它高温炉中用作炉身衬里等隔热材料。氧化铝长纤维作为耐热材料，在航天工业上也已得到了重要应用，如美国航天飞机已用该纤维制造隔热瓦和柔性隔热材料。美国“哥伦比亚”号航天飞机隔热

12、板衬垫用的是Saffil氧化铝纤维，当航天飞机由太空返回大气层时，由于Saffil氧化铝纤维能经受1600的高温，这种衬垫会防止热通过隔热板之间的间隙进入防热罩内。,40,莫来石纤维与陶瓷基体界面热膨胀率和导热率非常接近，莫来石纤维的加入可以提高陶瓷基体的韧性、增加冲击强度，在耐热复合材料的开发中发展很快。采用连续莫来石纤维增强的金属基与陶瓷基复合材料，可用于超音速飞机，也可制造液体火箭发动机的喷管和垫圈，能在2200以上使用。,41,树脂基复合材料增强剂 由于氧化铝纤维与树脂基体结合良好，比玻璃纤维弹性大，比碳纤维强度高，正逐步在一些领域取代玻璃纤维和碳纤维。,42,催化剂载体 浸以适当活性

13、组分制得催化剂可用于天然气催化燃烧、有机废气处理等。氧化铝纤维由于其良好的耐化学腐蚀性能，可用于环保和再循环技术领域。如焚烧电子废料的设备，历经多年运转，氧化铝纤维仍显示出其优良的抗炉内各种有害物的腐蚀性能，可用于汽车废气设备上作陶瓷整体衬，其特点是结构稳定。saffil氧化铝纤维可用于铝合金活塞，它的优点是当温度上升时膨胀较小，比纯合金减少约25，使活塞和汽缸之间吻合好，可节省燃料。,43,增强复合材料性能优势明显,由于氧化铝纤维与金属基体的浸润性良好，界面反应较小，其复合材料的力学性能、耐磨性、硬度均有提高，热膨胀系数降低。氧化铝纤维增强的金属基复合材料已在汽车活塞槽部件和旋转气体压缩机叶

14、片中得到应用。又由于氧化铝纤维与树脂基体结合良好，比玻璃纤维的弹性大，比碳纤维的压缩强度高，所以氧化铝树脂复合材料正逐步在一些领域取代玻璃纤维和碳纤维。特别是在文体用品方面，可制成各种颜色的高强度钓鱼杆、高尔夫球、滑雪板、网球拍等。,44,氧化铝长纤维增强金属基复合材料主要应用于高负荷的机械零件和高温高速旋转零件以及有轻量化要求的高功能构件，例如汽车连杆、传动杆、刹车片等零件及直升飞机的传动装置等。最近，也有研究人员开始将其用于热核反应堆冷却换热装置的衬里。,45,4.4 石棉纤维,46,4.4.1 概述,石棉是天然纤维状的硅质矿物的泛称，是一种被广泛应用于建材防火板的硅酸盐类矿物纤维，也是唯

15、一的天然矿物纤维，它具有良好的抗拉强度和良好的隔热性与防腐蚀性，不易燃烧，故被广泛应用。石棉的种类很多，最常见的三种是温石棉（白石棉）、铁石棉（褐石棉）及青石棉（蓝石棉），其中以温石棉含量最为丰富，用途最广。,47,4.4.2 石棉的特性,耐火、耐酸、耐碱 保温、绝热、防腐、绝缘等,48,4.4.3 应用,1.密封材料 密封垫板 密封填料,橡胶石棉盘根,49,应用,2.摩擦材料,刹车片,50,应用,3.纤维水泥制品,石棉水泥波瓦,51,应用,4.保温材料,石棉纺织制品,石棉纱,52,应用,石棉纱,石棉布,石棉带,53,危害,石棉本身并无毒害，它的最大危害来自于它的纤维，这是一种非常细小，肉眼几

16、乎看不见的纤维，当这些细小的纤维释放以后可长时间浮游于空气中，被吸入人体内，被吸入的石棉纤维可多年积聚在人身体内，附着并沉积在肺部，造成肺部疾病。,54,危害,暴露于石棉纤维可引致下列疾病： 肺癌 间皮癌胸膜或腹膜癌 石棉沉着病因肺内组织纤维化而令肺部结疤（石棉肺） 与石棉有关的疾病症状，往往会有很长的潜伏期，可能在暴露于石棉大约10至40年才出现(肺癌一般1520年、间皮瘤2040年)。石棉已被国际癌症研究中心肯定为致癌物。,55,危害,欧盟已要求各成员国在2004年底之前通过立法禁用石棉；WTO也作出了支持各国关于进口和使用温石棉的禁令的决定。石棉-水泥波浪板、平板、管道外包、屋面毛毡等产

17、品在美国被列入非法产品，但是，石棉的一些新用途和一些纸制品仍被继续加以限制性使用。,56,5. 晶须（Wisker）,57,5.1 概述,指长径比一般大于10和截面积小于0.52cm2的单晶纤维材料 晶须是在人工控制条件下以单晶结构形式生长的尺寸细小(直径小于3m)的短纤维。由于直径极小，故晶体中缺陷少，其原子排列高度有序因而其强度接近于材料原子间键力的理论值，是高性能的增强纤维品种之一。自1948年美国贝尔电话公司首次发现晶须以来，现在已开发了很多品种晶须的实验品。,58,5.2 晶须的制造,包括： 焦化法（制造SiC晶须） 气液固法（制造SiC和碳晶须） 气相反应法（制造碳、石墨晶须） 电

18、弧法（制造碳、石墨晶须）,59,5.3 晶须的性能及应用,60,碳化硅晶须,碳化硅晶须是一种高强度胡须状（一维）单晶体，具有高强、高模等诸多优良 的机械性能，被广泛应用于金属基、陶瓷基复合材料中。主要用于陶瓷刀具、宇航领域的高温元件，主强轴承 座、大型泥浆泵等 纳米级-碳化硅晶须（晶须直径小于100nm，长径比大于10，灰绿色，纯度95以上）,61,物理特性：为立方晶型，和金刚石同属一种晶型。化学特性：抗磨，耐高温，特别耐热震，耐腐蚀，耐辐射；用途应用：高档陶瓷轴承、模具、高压射流喷咀、耐高温涂层等；它作为增强组元加入塑料基体、金属基体或陶瓷基体起到增强和增韧的作用，利用纳米SiC材料的高热导

19、、高绝缘性、在电子工业中作大规模集成电路的基片和封装材料。作为信息光学材料在电视显示、现代通信、网络等领域具有很高的应用价值。,62,纳米碳化硅晶须在制造高强度塑料、金属和陶瓷中的应用，可加速关键传统产品的升级换代。由于纳米碳化硅晶须的优异功能，使它在航空航天工业部门具有特殊作用，即在飞机、导弹的外壳上的应用以及发动机、高温涡轮转子、特种部件的应用，因此它在军事工业和民用工业中需求量巨大。,63,钛酸钾晶须和硼酸铝晶须,钛酸钾晶须是一种新型针状的短纤维复合物。由于它的尺寸细小，结晶完整，具有极佳的物理机械性能，被称为二十一世纪的补强材料，将在工程塑料、摩擦材料及隔热、绝缘材料等领域得到广泛应用

20、。,64,制品：,ZnOw独特的空间三维立体构型和良好的单晶性，它组成的复合材料呈各向同性，性能远优于由单一纤维状晶须组成的复合材料，具有增强耐磨、防滑、减震降噪及吸波等优良的综合性能,65,制品：,晶须硅(又名短玻璃纤维)性能特点: 硬度高、白度高,化学稳定性好、分散性好，耐高温，绝缘性好，烧失量低，光散射性好，抗沉淀性好，被广泛应用于涂料、塑料改性、橡胶及集成电路等行业的环氧树脂浇注、灌封等电子领域，可显著提高产品各项性能，降低生产成本。晶须硅是一种理想的新型功能性填充料。,作为纤维状材料，晶须硅在塑料中应用具有如下特性： 1 改善外观、消除玻纤外露。 2 降低成本。 3 热稳定性好、阻燃

21、。 4 产品尺寸稳定性。 5 绝缘性好、吸水率低。 6 耐腐蚀性强。,66,6. 颗粒增强体,67,6.1 概述,用以改善基体材料性能的颗粒状材料，称为颗粒增强体（Particle Reinforcement）。 填料：填充体积、降低成本 刚性颗粒增强体（Rigid Particle Reinforcement）如：氧化铝、氮化硅、石墨、细金刚石等，用以提高耐磨、耐热、强度、模量和韧性 延性颗粒增强体（Ductile Particle Reinforcement）主要为金属颗粒，用以提高陶瓷或玻璃的韧性,68,6.2 典型的颗粒增强体,SiC颗粒 Si3N4颗粒 硼化钛颗粒 氧化铝颗粒,69,

22、纳米塑料,纳米复合材料是指分散在聚合物中的粒子至少在一维尺度上为纳米级别的新型复合材料,70,71,聚合物层状硅酸盐纳米复合材料比填充一般的玻纤或无机矿物的聚合物更轻，其中含有非常少的填料就可使复合材料的性能提高，纳米尼龙可用于汽车部件，如制动器、风扇叶片、保险杠、车体、车门等，丰田汽车公司制造的纳米尼龙复合材料既提高聚合物刚性和强度，又未降低其韧性，更重要的是这种材料有很好的高温抗弯能力，现已用于丰田的Camery型车上， 美国Montell公司首次向市场推出用作汽车内饰体和外部部件的TPO(热塑性聚烯烃)系纳米复合材料，具有良好的尺寸稳定性、高刚性和低温抗冲击性，能降低汽车重量。,72,7

23、. 有机纤维,73,7.1 芳纶 7.2 超高分子量聚乙烯纤维(UHMW-PE纤维),74,7.1 芳香族聚酰胺纤维 （Aromatic Polyamide Fibre, Kevlar, KF),芳纶纤维是芳香族聚酰胺纤维的商品名称，国外名Kevlar。,75,7.1.1 概况,自20世纪60年代由美国杜邦（DuPont）公司成功地开发出芳纶纤维并率先产业化后，在40多年的时间里，芳纶纤维走过了由军用战略物资向民用物资过渡的历程，价格也降低了将近一半。现在国外芳纶无论是研发水平还是规模化生产都日趋成熟。在芳纶纤维生产领域，对位芳酰胺纤维发展最快，产能主要集中在日本、美国和欧洲。,76,概况,如

24、美国杜邦的Kevlar纤维，荷兰阿克苏诺贝尔（Akzo Nobel）公司（已与日本帝人公司合并）的Twaron纤维，日本帝人公司的Technora纤维及俄罗斯的Terlon纤维等。间位芳酰胺纤维的品种有Nomex、Conex、Fenelon纤维等。美国的杜邦是芳纶开发的先驱，他们无论在新产品的研发、生产规摸上，还是在市场占有率上都是世界一流水平，仅他们生产的Kevlar纤维，目前就有Kevlar-49、Kevlar-29等十多个牌号，每个牌号又有数十种规格的产品。,77,概况,据有关部门统计，芳纶纤维世界总需求量在2001年为36万吨/年，2005年达到50万吨/年。据权威部门预测，全球对位芳

25、酰胺纤维的需求量将以每年10%的速度增长，然而，目前能够生产对位芳纶的企业只有杜邦公司和帝人公司，生产能力分别为2.65万吨/年和1.85万吨/年。而间位芳纶在耐高温防护服及高温过滤材料方面也得到了广泛应用，其年产量也正以3%的速度持续稳定增长。,78,概况,芳纶作为当前高新技术纤维领域最具代表性的品种，备受各国同行瞩目。由于芳纶纤维的技术难度大，致使30多年来始终被日本和美国少数国家垄断生产，同时芳纶纤维十分广阔的市场前景和巨大的使用需求，都决定了芳纶纤维具有高额利润。据有关部门的保守测算，杜邦公司芳纶纤维及其制品每年获得的利润达到80亿元，超过我国化纤工业一年的总利润额。这也是为什么美国、

26、日本将常规纤维品种转移到发展中国家，而自己则致力于高新技术纤维研发与生产的主要原因之一。,79,7.1.2 芳纶纤维的主要品种,主要品种有： 聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA) 聚对苯甲酰胺(PBA) 对位芳酰胺共聚纤维(Technora) 聚对芳酰胺苯并咪唑纤维(CBM) ARMOC纤维,美国杜邦,日本帝人,俄罗斯公司,80,7.1.3 聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)纤维,常用品种有Kelvar-29和Kelvar-49等。Kelvar-49性能比Kelvar-29好，强度高，密度小，刚性非常好，弹性模量很高，耐寒、耐热、耐辐射、耐疲劳、耐腐蚀。主要用作高强度复合材料的增强材料，广泛用作飞机

27、、船体的结构材料。,81,定义,Kevlar纤维是分子链上至少含有85%的直接与两个芳环相连的酰胺基团的聚酰亚胺经溶液纺丝所得到的合成纤维。,聚对苯二甲酰对苯二胺 PPTA,82,液晶态是晶态向液态转化的中间态，既具有晶态的有序性（导致各向异性），又具有液态的连续性和流动性。 根据形成条件的不同分为： 热致性液晶：受热熔融形成各向异性熔体； 溶致性液晶：溶于某种溶剂而形成各向异性的溶液。,液晶,83,（1）高分子液晶形成条件 聚合物要形成液晶，必须满足以下条件： （i）分子链具有刚性或一定刚性，并且分子的长度与宽度之比R1，即分子是棒状或接近于棒状的构象。 （ii）分子链上含有苯环或氢键等结构

28、； （iii）若形成胆甾型液晶还必须含有不对称碳原子。,84,（2）高分子液晶的分类 高分子液晶有三种不同的结构类型：近晶型、向列型和胆甾型。,近晶型,（i）近晶型：棒状分子通过垂直于分子长轴方向的强相互作用，互相平行排列成层状结构，分子轴垂直于层面。棒状分子只能在层内活动。,85,向列型,（ii）向列型：棒状分子虽然也平行排列，但长短不一，不分层次，只有一维有序性，在外力作用下发生流动时，棒状分子易沿流动方向取向，并可在流动取向中互相穿越。,86,（iii）胆甾型：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，相邻两层中分子长轴依次有规则地扭转一定角度，分子长轴在旋转3600后复原

29、。 两个取向相同的分子层之间的距离称为胆甾型液晶的螺距。,胆甾型,87,液晶,88,液晶,对于纺丝，应用向列态液晶，且须满足以下条件： 1.分子长轴比大于1 2.分子链为延伸状的刚性链 PPTA正好满足，在溶液中排列不仅紧密，而且取向，有利于成纤。 PPTA具有高浓度、低粘度的特征,89,临界浓度前，杂乱取向，浓度增大，体系粘度增大 临界浓度后，由于分子链的性质，开始取向，浓度增大，取向度增大，粘度下降，但不可能持续下降，到某一特定值后，粘度再增大。 与温度有关,90,7.1.3.1 聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)纤维的制造,第一阶段：原料对苯二胺与对苯二甲酰氯缩聚成PPTA 第二阶段：聚合

30、体溶解在溶剂中再进行纺丝，制成所需的纤维材料 干喷湿纺工艺：,对苯二胺,对苯二甲酰氯,溶于浓硫酸，制成各向异性液晶纺丝液,挤压喷丝,干喷湿纺,溶液萃取与洗涤,干燥,K-29,氮气保护下550热处理,K-49,cat,91,所谓干喷湿纺工艺是采用高浓度、高温度的PPTA液晶溶液在较高的喷丝速度下喷丝，喷丝进入温度低的凝固液浴，在凝固液浴中，经过一个纺丝管，在凝固液的作用下形成丝束，绕到绕丝辊上，再经洗涤，在张力下于热辊上干燥，最后在惰性气体中与较高的温度下进行热处理，即得到Kevlar纤维。,92,为了提高生产效率和降低成本，各公司都在研究提高PPTA干喷湿纺速度。杜邦公司所发明的专利纺丝速度已

31、达到近2000m/min的超高速卷绕速度，但纤维强度较低，因此暂未能产业化。目前工业化实际采用的纺丝速度已高达850m/min，而中国只有150m/min，与国外差距较大。,93,7.1.3.2 PPTA纤维的化学结构,化学结构式为：,94,结构,1条链,1条链,纤维方向,95,结构,96,7.1.4 芳纶纤维的性能,1.各向异性 力学性能：拉伸断裂时，纵向开裂而劈成许多更细的单丝（竹子），横向受压时，会出现一定数量的纵向分层（氢键破坏）。 热性能：纵向热膨胀系数为负值。 2.高模量：苯环的位阻、共轭效应，线型刚性伸直链构型棒状结构 3.高强度：线性结构，氢键作用，分子链排列密实密实结构 4.

32、低密度：K-29：1.44g/cm3，K-49：1.45g/cm3 5. 耐化学腐蚀：苯环之间的共轭作用 6.其他: 减振性、耐磨性、耐冲击性（韧性）、抗疲劳性、不燃、不溶以及优良的介电性能,97,性能,98,新发展,尽管以PPTA为代表的芳纶纤维因其特殊结构而具有许多优良的力学、热学、化学等性能，然而由于结构和成形方法等方面的原因，该纤维也存在耐光性较差、溶解性差、抗压性能低、吸湿性嫌高等缺点，为弥补缺陷，以赋予芳纶纤维新的优良性能，目前正在进行如下几方面开发性的工作。 1. 继续对PPTA引入第三组分进行共聚(接枝共聚、嵌段共聚)、共混等改性研究 2. 新型芳纶纤维的合成 采用新的二胺或二

33、甲酰氯单体合成新型芳纶、在分子主链结构上引入柔性、庞大体型的基团，合成含有联苯基和联萘基等结构的芳纶,99,制品：,100,芳纶纤维编制盘根是由杜邦Kevlar纤维，经浸渍聚四氟乙烯乳液等润滑剂处理再编制成方形截面而成。由于Kevlar纤维其强度和模量有钢丝之强度，这种盘根与其它各种编制盘根相比，能承担更高的介质和压力，它可和其它种类盘根分隔安装或作为端环，即可组成各种不同特性的盘根组。,101,7.1.5 芳纶纤维的应用,芳纶纤维是重要的国防军工材料，为了适应现代战争的需要，目前，美、英等发达国家的防弹衣均为芳纶材质，芳纶防弹衣、头盔的轻量化，有效提高了军队的快速反应能力和杀伤力。在海湾战争

34、中，美、法飞机大量使用了芳纶复合材料。除的军事上的应用外，现已作为一种高技术含量的纤维材料被广泛应用于航天航空、机电、建筑、汽车、体育用品等国民经济的各个方面。在航空、航天方面，芳纶由于质量轻而强度高，节省了大量的动力燃料，据国外资料显示，在字宙飞船的发射过程中，每减轻1公斤的重量，意味着降低100万美元的成本。除此之外，科技的迅猛发展正在为芳纶开辟着更多新的民用空间。据报道，目前，芳纶产品用于防弹衣、头盔等约占78%，航空航天材料、体育用材料大约占40%；轮胎骨架材料、传送带材料等方面大约占20%左右，还有高强绳索等方面大约占13%。,102,应用：,1.先进复合材料 （1）航空航天领域 比

35、强度、比模量高于高强度GF 70年代，美国核潜艇“三叉戟”C4潜地导弹的固体火箭发动机壳体，使容器特性提高30%以上，轴向和径向变形降低1/3以上，大幅度增加导弹射程。 美国的MX陆基机动洲际导弹的三级发动机和新型潜地“三叉戟II”D5导弹的三级发动机 (KF-EP) 前苏联SS-24、SS-25机动洲际导弹各级固体发动机 法国的M4导弹的402K发动机,103,应用先进复合材料,2）舰船中的应用 用于游艇、赛艇、帆船、小型渔船、救生艇、充气船、巡逻艇的艇壳材料 用于制造战舰及航空母舰的防护装甲以及用于建造声纳导流罩等。 与GF制造的船相比：L=25英尺，船体质量减轻28%，整船减轻16%，消

36、耗同样燃料时速度提高35%，航行距离延长35%。,木船,水泥船,GF,KF,104,105,应用先进复合材料,3）汽车工业 大量用作橡胶轮胎的帘子线、高压软管、排气管、摩擦材料和刹车片、三角皮带、同步齿轮带等传动带、大型运输车和冷藏车的车厢。 最近广泛用作清洁能源的天然气的高压气瓶。用芳纶环氧或碳/环氧外全缠热塑性塑料内衬的全复合材料高压气瓶是最新一代的高压气瓶，它比钢气瓶减重一半以上，并且安全可靠，不会产生杀伤性的金屑碎片。国外最近也在研究电动汽车和电、气混用汽车的高性能复合材料贮能飞轮。,106,107,应用防弹制品,1.硬质防弹装甲板 防弹装甲车、防弹运钞车、直升飞机防弹板、战舰装甲防护

37、板、防弹头盔 2.软质防弹背心,108,美军防弹衣使用的材料更新十分快，由早期的钢、锰钢合金，发展到防弹尼龙加铝片或陶瓷片，到高强度尼龙纤维和凯夫拉纤维，防弹衣材料有了很大突破。虽然防弹效果最好的是陶瓷，但因其价格较高、易碎，防弹衣主要用料还是防弹性能优异、柔软的高强度尼龙纤维和凯夫拉纤维。1975年，美军列为制式装备的ICM防弹衣，由12层经过表面防水处理的防弹尼龙布制成，外表涂有伪装色。20世纪70年代美军以凯夫拉纤维织物（一种超高强度的轻质聚酰胺纤维）作防弹基布，以防弹尼龙布作封套，制成了轻、重两种型号的防弹衣，轻型由6层凯夫拉织物构成，重型11层。,109,试验表明，凯夫拉吸收弹片动能

38、的能力是尼龙的1.6倍，是钢的两倍，一件重1.8公斤的凯夫拉防弹衣能抵挡0.44口径的手枪子弹。美军现主要研究通过增加或减少布的层数以及变化纤维系数和截面积，进一步提高防弹衣的防弹性能和改善其穿用舒适性。20世纪90年代，美又研制出一种斯佩克特拉纤维，用这种纤维材料制成的防弹背心在保持与凯夫拉制品同样防护性能的条件下，重量可减轻1/3。,110,防弹衣、防弹头盔,防弹头盔,111,越战时期的M1头盔,PASGT(地面单兵装甲系统) 原型盔,112,未经击穿的PASGT 注意弹坑周围的Kevlar纤维,113,陆地勇士所使用的MICH盔,114,我国新一代的QGF-02防弹头盔可以说是PASGT

39、式样的头盔，采用我国自行研制的芳纶纤维，性能优于美国第一代的PASGT盔，整备重量1.45公斤，比美军最小尺寸的PASGT都轻。,驻港部队的芳纶头盔,115,应用体育用品,弓箭、弓弦、羽毛球怕等 高尔夫球棍、滑雪板、雪橇、自行车架等,116,应用其它,缆绳、传送带、喇叭壳等,117,118,碳纤维布具有质量轻、强度高、弹性模量大等特性，使其适用范围遍布整个土木工程领域，但碳纤维布的某些性质使其在一些场合并不是最佳选择，如碳纤维布脆性大，不能弯折。另外，碳纤维布是一种导电、导磁的材料，在某些特殊工程中不适合使用，如医院的核磁共振室、信号接收塔等结构。在这种情况下，芳纶纤维布（Aramid FRP

40、 Sheet，AFRP）进入了土建加固领域的研究和应用之中。,119,7.2 超高分子量聚乙烯纤维(UHMW-PE纤维),Ultra-high Molecular weight Polyethylene UHMW-PE 首先由荷兰国家矿业DSM公司开发，1979获得专利 1985年美国联合信号(Allied Signal）公司购买了DSM公司的专利权，并对制造技术加以改进，生产出商品名称为“Spectra”的高强度聚乙烯纤维，其纤维强度和模量都超过了杜邦公司的Kevlar纤维。其后日本东洋公司与DSM公司合作成立了Dyneema VoF公司，批量生产出商品名为“Dyneema”的高强度聚乙烯纤

41、维。我国目前尚处于探索试制阶段。聚乙烯纤维是目前国际上最新的超轻、高比强度、高比模量纤维，成本也比较低。,120,7.2.1 超高分子量聚乙烯纤维的结构,聚乙烯纤维的化学结构为：,121,7.2.2 超高分子量聚乙烯纤维的制造,方法： 冻胶纺丝超倍热牵伸制备技术 将高分子聚合物在冻胶状态使大分子充分解缠，再纺丝，脱除溶剂，在高牵伸比下将冻胶丝进行热牵伸，获得高性能PE纤维.,122,7.2.3 超高分子量聚乙烯纤维性能：,123,124,小结,1.纤维的柔韧性及断裂 KF韧性断裂,125,小结,2. 比性能 聚乙烯纤维具有最佳的比强度、比模量搭配，碳纤维比模量最高，氧化铝纤维由于密度最大，因而

42、比模量比强度低，比模量最低的是玻璃纤维,126,127,小结,3.热稳定性 热稳定性与熔点有关，熔点越高，热稳定性就越好。 无机纤维热稳定性优于有机纤维 在没有空气和氧气的条件下，碳纤维具有非常高的耐高温性能。,128,8.增强材料的表面改性处理,表面改性处理目的： 改善增强材料与基体的浸渍性和与界面的结合强度，一般通过化学或物理的方法对增强材料表面进行处理，以改善增强材料本身的性能以及与基体材料的结合性能。,129,8.1 GF的表面处理,为什么要进行表面处理？ GF为直径为10m左右的圆柱状玻璃，比表面积较大，如直径为8m的GF，S500cm2/g表面光滑，结合力弱，分散问题 GF表面有细

43、微裂纹，GF中的碱金属有很强的吸水性，吸附水分子后降低与树脂的结合力。 因此，表面须涂敷上一层特殊物质，以改善表面状态，提高与基体的结合力架桥剂、偶联剂,130,GF的表面处理,偶联剂：一种化合物，其分子两端通常含有不同的基团，一端的基团与增强材料发生化学作用或物理作用（易水解基团），另一端的基团则能和基体材料发生化学作用或物理作用（活性基团，如双键、环氧基团、氨基等），使增强材料和基体材料紧密粘合在一起。 对于GF，可用的偶联剂品种较多，应用最早的有机铬合物，代表品牌有沃兰，另外，还有有机硅烷类（KH）和钛酸酯类（NDZ）,131,GF的表面处理,沃兰（甲基丙烯酸氯化铬络合物，Volan）：

44、,132,GF的表面处理,机理： 1. 沃兰水解,133,GF的表面处理,2.玻璃纤维表面吸水，生成羟基,134,GF的表面处理,3. 沃兰与吸水的GF表面反应 沃兰之间及沃兰与GF表面间形成氢键,135,GF的表面处理,干燥（脱水），沃兰之间及沃兰与GF表面间缩合醚化反应,136,GF的表面处理,有机硅烷作用机理 有机硅烷水解，生成硅醇 GF纤维表面吸水，生成羟基,137,GF的表面处理,硅醇与吸水的GF表面反应 1)硅醇与吸水的GF表面生成氢键,138,GF的表面处理,）低温干燥（水分蒸发），硅醇间进行醚化反应,139,GF的表面处理,）高温干燥（水分蒸发），硅醇与吸水GF进行醚化反应,140,GF的表面处理,三种处理方法： .前处理法：增强型浸润剂代替纺织型浸润剂，在GF抽丝过程中涂敷在GF上。 优点：工艺及设备简单，纤维强度保持较好 缺点：目前尚无理想的增强型浸润剂理想方法,141,GF的表面处理,浸