1、復(fù)合材料的增強(qiáng)體纖維1第1頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四1.纖維的概念和分類(lèi)2.幾種合成纖維的制備方法和性能3.復(fù)合材料中的纖維的排布方式纖維（Fiber）：一般是指細(xì)而長(zhǎng)的材料。 具有一定的長(zhǎng)徑比。一、纖維2第2頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四按形態(tài)分連續(xù)纖維（長(zhǎng)纖維/絲）短纖維（短切纖維/棉/毛）按來(lái)源分 植物纖維 動(dòng)物纖維 礦物纖維人造纖維 合成纖維天然纖維纖維的分類(lèi) 按成分分： 有機(jī)纖維 無(wú)機(jī)纖維3第3頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四無(wú)機(jī)纖維: 玻璃纖維 碳纖維 硼纖維 氧化鋁纖維 碳化硅纖維 氮化硼纖維2. 幾

2、種合成纖維的制備方法和性能有機(jī)纖維:芳綸纖維聚乙烯纖維尼龍纖維合成纖維的種類(lèi)4第4頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四（1）玻璃纖維1）玻璃纖維的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成2）玻璃纖維的制造3）玻璃纖維的分類(lèi)4）玻璃纖維的性能5第5頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四玻璃纖維的結(jié)構(gòu)與玻璃相同1）. 玻璃纖維的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成玻璃纖維的結(jié)構(gòu)玻璃：由熔融體經(jīng)冷卻、固化而成的非晶態(tài)固體玻璃態(tài)：非晶態(tài)固體的一種6第6頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四微晶結(jié)構(gòu)假說(shuō)的要點(diǎn)玻璃是由硅酸塊或二氧化硅的“微晶子”組成，在“微晶子”之間由硅酸塊過(guò)冷溶液所填充。7第7

3、頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)假說(shuō)的要點(diǎn)玻璃是由二氧化硅的四面體、鋁氧三面體或硼氧三面體相互連成不規(guī)則三維網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)間的空隙由Na、K、Ca、Mg等陽(yáng)離子所填充。二氧化硅四面體的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是決定玻璃性能的基礎(chǔ)，填充的Na、Ca等陽(yáng)離子稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)改性物。 8第8頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四 SiO2 + 金屬氧化物（Al2O3, B2O3,CaO,MgO,Na2O,K2O,BeO等）SiO2：構(gòu)成玻璃基本骨架Na2O,K2O ：助熔劑Al2O3 ：網(wǎng)絡(luò)形成體，增加熔制溫度CaO,MgO ：網(wǎng)絡(luò)中間體或填充體 玻璃纖維的化學(xué)組成9第9頁(yè)

4、，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四氫化鈉、氧化鉀等堿性氧化物為助熔氧化物，它可以降低玻璃的熔化溫度和粘度，使玻璃熔液中的氣泡容易排除。助熔氧化物主要通過(guò)破壞玻璃骨架，使結(jié)構(gòu)疏松，從而達(dá)到助熔的目的。因此氧化鈉和氫化鉀的含量越高，玻璃纖維的強(qiáng)度、電絕緣性能和化學(xué)穩(wěn)定性都會(huì)相應(yīng)的降低。10第10頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四Na2O,K2O：降低耐水性和電絕緣性BeO：增加GF模量，但毒性增大Al2O3：增加GF耐溫性ZrO2：增加GF的耐腐蝕性11第11頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四 普通玻璃硅酸鹽玻璃，用石英砂、純堿和石灰

5、石共熔而制得的一種無(wú)色透明的熔體 Na2CO3 + CaCO3 + 6SiO2 = Na2OCaO6SiO2 + 2CO2 特殊玻璃改變普通玻璃的化學(xué)組成或?qū)ΣＡ厥馓幚恚玫礁鞣N特殊性能的玻璃12第12頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四 玻璃纖維化學(xué)成分的制定，一方面要滿(mǎn)足玻璃纖維物理和化學(xué)性能的要求，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性；另一方面要滿(mǎn)足制造工藝的要求，如合適的成型溫度、硬化速度及粘度范圍。13第13頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四2）. 玻璃纖維的制造1）坩堝拉絲法（玻璃球法）2）窯池拉絲法（直接熔融法）3）吹制法（短纖維）4）玻璃纖維制品14

6、第14頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四玻璃球（直徑1518mm）造球機(jī)熔煉爐1260 混合 玻璃原料1）坩堝拉絲法（玻璃球法） 制球：砂巖、石灰石、蠟石、硼酸及粘土等化工原料按比例計(jì)量、調(diào)配、混合后送入熔窯內(nèi)制成玻璃液，玻璃也自熔窯中流出，制成直徑1.8cm的玻璃球，作為拉絲的原料15第15頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四 拉絲工藝參數(shù)：鉑金坩鍋玻璃液溫度：約為1300 漏絲板孔數(shù)：102，204，408個(gè)，國(guó)外3500個(gè)左右孔直徑：1.52mm流出玻璃液溫度：1190 集束輪轉(zhuǎn)速：10003000m/min拉絲直徑：320um16第16頁(yè)，共9

7、9頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四2）池窯拉絲法（直接熔融法）將玻璃原料投入熔窯熔化后直接拉制成連續(xù)玻璃纖維17第17頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四優(yōu)點(diǎn)：省去制球工藝；池窯容量大，生產(chǎn)能力高；對(duì)窯溫、液壓、流量和漏板溫度可以自動(dòng)化集中控制；適用于多孔大漏板生產(chǎn)粗玻璃纖維； 廢產(chǎn)品易于回爐18第18頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四3）吹制法在熔融的玻璃液從熔爐中流出時(shí)，立即受到噴射空氣流或蒸汽流沖擊，將玻璃吹拉成短纖維，將飛散的短纖維收集在一起，均勻噴涂粘結(jié)劑，可以得到玻璃棉或玻璃氈。19第19頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，

8、6點(diǎn)22分，星期四3). 玻璃纖維的分類(lèi)原料成分單絲直徑纖維特性20第20頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四原料成分無(wú)堿玻璃纖維（E玻纖）：國(guó)內(nèi)規(guī)定堿金屬氧化物含量不大于0.5，國(guó)外一般為1%左右。強(qiáng)度高，耐熱和電性能優(yōu)良，能抗大旗侵蝕，不耐酸。中堿玻璃纖維：堿金屬氧化物含量11.5-12.5%。耐酸性好，價(jià)格低，主要用于耐腐蝕領(lǐng)域有堿玻璃纖維（A玻纖）：類(lèi)似于玻璃窗及玻璃瓶的鈉鈣玻璃，強(qiáng)度低，對(duì)潮氣侵襲敏感，很少做增強(qiáng)材料特種玻璃纖維：高強(qiáng)玻璃纖維i、耐高溫玻纖21第21頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四 單絲直徑 粗纖維：30 um 初級(jí)纖維：2

9、0 um中級(jí)纖維：10 20 um 高級(jí)纖維：3 10um 對(duì)于單絲直徑小于4 um的玻璃纖維稱(chēng)為超細(xì)纖維22第22頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四纖維特性高強(qiáng)玻璃纖維高模量玻璃纖維耐堿玻璃纖維耐酸玻璃纖維普通玻璃纖維(指無(wú)堿及中堿玻璃纖維)23第23頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四4). 玻璃纖維的性能玻璃纖維具有一系列優(yōu)良性能，拉伸強(qiáng)度高，防火、防霉、防蛀、耐高溫和電絕緣性能好等。玻璃纖維的缺點(diǎn)是具有脆性，不耐腐，對(duì)人的皮膚有刺激性等。24第24頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四外觀和比重一般天然或人造的有機(jī)纖維，其表面

10、都有較深的皺紋；而對(duì)于玻璃纖維來(lái)說(shuō)，其表面呈光滑的圓柱，其橫斷面幾乎都是完整的圓形。25第25頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四宏觀看來(lái)，由于表面光滑，纖維之間的抱合力非常小，不利于和樹(shù)脂粘結(jié)；又由于呈圓柱狀，所以玻璃纖維彼此相靠近時(shí)，空隙填充的較為密實(shí)，這對(duì)于提高復(fù)合材料制品的玻璃含量是有利的。26第26頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四玻璃纖維直徑從1.5 25 um，大多數(shù)為4 14 um。 玻璃纖維的密度為2.16 4.30 gcm3，其比重較有機(jī)纖維大很多，但比一般的金屬比重要低，與鋁相比幾乎一樣。所以在航空工業(yè)上用復(fù)合材料代替鋁鈦合金就成

11、為可能。此外，一般情況下，無(wú)堿玻璃纖維的比重大于有堿纖維。27第27頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四表面積由于玻璃纖維的表面積大，使得纖維表面處理的效果對(duì)性能的影響很大。28第28頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度玻璃纖維的最大特點(diǎn)是拉伸強(qiáng)度高。一般玻璃制品的拉伸強(qiáng)度只有40 100 MPa，而直徑3 9 um的玻璃纖維拉伸強(qiáng)度則高達(dá)1500 4000 MPa，較一般合成纖維高約10倍，比合金鋼還高2倍。29第29頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四玻璃纖維比玻璃的強(qiáng)度高很多，主要有兩方面的原因：、玻璃纖維高溫

12、成型時(shí)減少了玻璃溶液的不均一性，使微裂紋產(chǎn)生的機(jī)會(huì)減少。、玻璃纖維的斷面較小，隨著表面積的減小，使微裂紋存在的幾率也減少，從而使纖維強(qiáng)度增高。30第30頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四玻璃纖維的化學(xué)性能玻璃纖維除對(duì)氫氟酸、濃堿、濃磷酸外，對(duì)所有化學(xué)藥品和有機(jī)溶劑都有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。 化學(xué)穩(wěn)定性在很大程度上決定了不同纖維的使用范圍。31第31頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四 玻璃纖維的化學(xué)穩(wěn)定性主要取決于其成分中的二氧化硅及堿金屬氧化物的含量。 二氧化硅含量多能提高玻璃纖維的化學(xué)穩(wěn)定性，而堿金屬氧化物則會(huì)使化學(xué)穩(wěn)定性降低。32第32頁(yè)，共99頁(yè)，

13、2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四在玻璃纖維成分中增加SiO2或A12O3含量，或加入ZrO2及TiO2都可以提高玻璃纖維的耐酸性；增加SiO2含量，或加入CaO，ZrO2及ZnO能提高玻璃纖維的耐堿性；33第33頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四在玻璃纖維中加入A12O3 、 ZrO2及TiO2等氧化物，可大大提高耐水性。 石英、高硅氧玻璃纖維對(duì)水、酸的化學(xué)穩(wěn)定性較好，耐堿性遠(yuǎn)比普通纖維高。34第34頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四、普遍采用池窯拉絲新技術(shù)；、大力發(fā)展多排多孔拉絲工藝；、用于玻璃鋼的纖維直徑逐漸向粗的方向發(fā)展，纖維直徑為1

14、4-24um，甚至達(dá)27um；、大量生產(chǎn)無(wú)堿纖維；、大力發(fā)展無(wú)紡織玻璃纖維織物，無(wú)捻粗紗和短切纖維氈片所占比例增加；、重視纖維-樹(shù)脂界面的研究，偶聯(lián)劑的品種不斷增加，玻璃纖維的前處理受到普遍重視。 玻璃纖維發(fā)展趨勢(shì)35第35頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四（2）. 碳纖維1）碳纖維的發(fā)展歷史2）碳纖維的制造3）碳纖維的分類(lèi)4）碳纖維的結(jié)構(gòu)5）碳纖維的性能36第36頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四 1880年，美國(guó)科學(xué)家愛(ài)迪生用棉、亞麻和竹子等天然植物纖維炭化得到碳纖維，作為白熾燈燈絲，這種碳纖維氣孔率高、脆性大。 1909年，將碳在惰性氣體中加熱

15、到2300度，獲得了石墨纖維。 1910年， 鎢燈絲的發(fā)明，使碳纖維的研究停滯。1）碳纖維的發(fā)展歷史37第37頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四1959年日本工業(yè)技術(shù)大阪工業(yè)實(shí)驗(yàn)所近藤召南以聚丙烯腈為原料制得碳纖維，1969年日本炭素公司實(shí)現(xiàn)低模量聚丙烯脂基碳纖維(Polyacry lontrile-based carbon firber，PANCF)的工業(yè)化生產(chǎn); 1963年日本群馬大學(xué)大谷杉郎教授以石油瀝青為原料制成碳纖維，1970年日本昊羽化學(xué)公司實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。 38第38頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四1964年英國(guó)航空材料研究所(Roy

16、al Aircraft Establishment，RAE)開(kāi)發(fā)出高模量聚丙烯脂基碳纖維（高溫牽伸技術(shù)）；英國(guó)皇家航空研究院的瓦特與日本近藤召南合作制備出高強(qiáng)度和模量的碳纖維。 第一次飛躍 東麗公司發(fā)明的聚合催化環(huán)化原纖維，改革了傳統(tǒng)的炭化工藝，縮短了生產(chǎn)周期提高了質(zhì)量。 第二次飛躍 39第39頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四2）. 碳纖維的制造 碳纖維不能用熔融法或溶液法直接紡絲，只能以有機(jī)纖維為原料，采用間接方法來(lái)制造。 碳元素的各種同素異形體(金剛石、石墨、非晶態(tài)的各種過(guò)渡態(tài)碳)，根據(jù)形態(tài)的不同，在空氣中在350以上的高溫中就會(huì)不同程度的氧化；在隔絕空氣的惰性氣氛

17、中(常壓下)，元素碳在高溫下不會(huì)熔融，但在3800K以上的高溫時(shí)不經(jīng)液相，直接升華，所以不能熔融紡絲。碳在各種溶劑中不溶解，所以不能溶液紡絲。 40第40頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四2）. 碳纖維的制造1）氣相法2）有機(jī)纖維炭化法41第41頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四 在惰性氣氛中，小分子有機(jī)物(如烴或芳烴等)在高溫下沉積成纖維。用這種方法只能制造晶須或短纖維，不能制造連續(xù)長(zhǎng)絲。1）氣相法42第42頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四制作碳纖維的主要原材料有三種：人造絲(粘膠纖維)；聚丙烯腈(PNN) 纖維；瀝青。2）

18、有機(jī)纖維碳化法43第43頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四無(wú)論用哪一種原絲纖維來(lái)制造碳纖維，都要經(jīng)過(guò)五個(gè)階段：拉絲牽伸穩(wěn)定碳化石墨化44第44頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四拉絲可用濕法、干法或者熔融狀態(tài)三種中的任意一種方法進(jìn)行。45第45頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四牽伸在室溫以上，通常是100-300 范圍內(nèi)進(jìn)行。限制纖維收縮，使環(huán)狀結(jié)構(gòu)在較高溫度下?lián)駜?yōu)取向（相對(duì)纖維軸），可顯著提高模量。 46第46頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四穩(wěn)定通過(guò)400 在原絲受張力的條件下加熱氧化的方法。400 的氧

19、化階段是A. Shindos 最近在工藝上做出的貢獻(xiàn)。它顯著地降低所有的熱失重，并因此保證高度石墨化和取得更好的性能。47第47頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四碳化在1000-2000 范圍內(nèi)進(jìn)行，除去非碳原子，得到碳含量90%的碳纖維。石墨化在2000-3000 范圍內(nèi)進(jìn)行，制備石墨纖維。48第48頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四 PAN基碳纖維生產(chǎn)過(guò)程的簡(jiǎn)圖施加張力的目的是使纖維中形成的梯形結(jié)構(gòu)取向，因此張力的大小對(duì)纖維性能是有影響的。在此階段纖維逐漸由白變黃，經(jīng)銅褐色最后變成黑色。碳化階段除去H和N，使碳的含量增高到95以上，生成碳原子的疊

20、層結(jié)構(gòu)。碳化過(guò)程一般用氮?dú)饣驓鍤獗Ｗo(hù)。碳化溫度10001500，時(shí)間最初為2小時(shí)，日本東麗公司經(jīng)過(guò)催化研究將碳化周期縮短到5分鐘。 熱空氣干燥爐(200 300) 預(yù)氧化多級(jí)加熱爐(10001500)碳化高溫爐（2500以上）石墨化 N2 N2Ar2Ar2廢氣（HCN; CO, CO2, H2, N2.）PAN原絲49第49頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四碳纖維的結(jié)構(gòu)決定于原絲結(jié)構(gòu)與碳化工藝。對(duì)有機(jī)纖維進(jìn)行預(yù)氧化、碳化等工藝處理的目的是，除去有機(jī)纖維中碳以外的元素，形成聚合多環(huán)芳香族平面結(jié)構(gòu)。3). 碳纖維的結(jié)構(gòu)50第50頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分

21、，星期四在碳纖維形成的過(guò)程中，隨著原絲的不同，重量損失可達(dá)10-80，因此形成了各種微小的缺陷。但是，無(wú)論用哪種原料，高模量碳纖維中的碳分子平面總是沿纖維軸平行地取向。51第51頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四真實(shí)的碳纖維結(jié)構(gòu)并不是理想的石墨點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，而是屬于亂層石墨結(jié)構(gòu)。52第52頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四在亂層石墨結(jié)構(gòu)中，石墨層片是基本的結(jié)構(gòu)單元，若干層片組成微晶，微晶堆砌成直徑數(shù)十納米、長(zhǎng)度數(shù)百納米的原纖，原纖則構(gòu)成了碳纖維單絲，其直徑約數(shù)微米。53第53頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四按原絲類(lèi)型按碳纖維性能按

22、碳纖維的功能按制造條件和方法分類(lèi)方法3). 碳纖維的分類(lèi)54第54頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四按原絲類(lèi)型分類(lèi)聚丙烯腈基粘膠基瀝青基木質(zhì)素纖維基其他有機(jī)纖維基55第55頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四按碳纖維性能分類(lèi)高強(qiáng)度CF （HS）高模量CF （HM）超高強(qiáng)CF （UHS）超高模CF （UHM）高強(qiáng)高模CF中強(qiáng)中模CF 等通用級(jí)CF：拉伸強(qiáng)度1.4GPa，拉伸模量140GPa高性能CF56第56頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四按碳纖維的功能分類(lèi)受力結(jié)構(gòu)用CF耐焰用CF導(dǎo)電用CF潤(rùn)滑用CF耐磨用CF活性CF57第57頁(yè)

23、，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四按制造條件和方法分類(lèi)碳纖維：碳化溫度12001500oC，碳含量95以上。石墨纖維：石墨化溫度2000oC以上，碳含量99以上。活性碳纖維：氣體活化法，CF在6001200oC，用水蒸汽、CO2、空氣等活化。氣相生長(zhǎng)碳纖維：惰性氣氛中將小分子有機(jī)物在高溫下沉積成纖維晶須或短纖維。58第58頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四 4碳纖維的性能碳纖維的比重在1.5-2.0之間，這除了與原絲結(jié)構(gòu)有關(guān)外，主要還決定于碳化處理的溫度。一般情況下，經(jīng)過(guò)高溫(3000 )石墨化處理，比重可達(dá)2.0。 59第59頁(yè)，共99頁(yè)，2022年

24、，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四碳纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為一直線，由于伸長(zhǎng)小，斷裂過(guò)程在瞬間完成，所以碳纖維不容易發(fā)生屈服。60第60頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四幾種纖維的應(yīng)力應(yīng)變曲線比較圖61第61頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四碳纖維軸向分子間的結(jié)合力比石墨大，所以它的抗張強(qiáng)度和模量都明顯高于石墨；而碳纖維的徑向分子間作用力弱，抗壓性能較差，軸向抗壓強(qiáng)度僅為抗張強(qiáng)度的10-30，而且不能結(jié)節(jié)。62第62頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四碳纖維的熱膨脹系數(shù)與其它類(lèi)型纖維不同，它有各向異性的特點(diǎn)。平行于纖維方向是負(fù)值(-0

25、.72 -0.90 10 -6 /)，而垂直于纖維方向是正值( 32 22 10-6 /)。63第63頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四碳纖維的比熱一般為7.12 l0-1 kJ( kg )。導(dǎo)熱率有方向性，平行于纖維軸方向?qū)崧蕿?.04卡/秒厘米度，而垂直于纖維軸方向?yàn)?.002卡/秒厘米度。導(dǎo)熱率隨溫度升高而下降。 64第64頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四碳纖維的比電阻與纖維的類(lèi)型有關(guān)。在25時(shí)，高模量碳纖維為775 u cm，高強(qiáng)度碳纖維為1500 u cm。碳纖維的電動(dòng)勢(shì)為正值，而鋁合金的電動(dòng)勢(shì)為負(fù)值。因此當(dāng)碳纖維復(fù)合材料與鋁合金組合應(yīng)

26、用時(shí)會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕。65第65頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四碳纖維的化學(xué)性能與碳很相似。它除能被強(qiáng)氧化劑氧化外，對(duì)一般酸堿是惰性的。在空氣中，當(dāng)溫度高于400 時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)明顯的氧化，生成CO和CO2。66第66頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四在不接觸空氣或氧化氣氛時(shí)，碳纖維具有突出的耐熱性。當(dāng)碳纖維在高于1500 時(shí)，強(qiáng)度才開(kāi)始下降；而其它類(lèi)型材料包括A12O3晶須在內(nèi)，在此溫度下，其性能已大大下降。67第67頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四另外，碳纖維還有良好的耐低溫性能，如在液氮溫度下也不脆化。它還有耐油、抗放射

27、、抗輻射、吸收有毒氣體和減速中子等特性。68第68頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四無(wú)機(jī)纖維: 玻璃纖維 碳纖維 硼纖維 氧化鋁纖維 碳化硅纖維 氮化硼纖維2. 幾種合成纖維的制備方法和性能有機(jī)纖維:聚酰胺纖維 （尼龍、錦綸）聚芳酰胺纖維 （芳綸）聚乙烯纖維合成纖維的種類(lèi)69第69頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四（3）聚芳酰胺纖維1）聚芳酰胺纖維的化學(xué)組成2）聚芳酰胺纖維的制造3) 聚芳酰胺纖維的結(jié)構(gòu)4）聚芳酰胺纖維的性能70第70頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四 聚芳酰胺：主鏈至少含85的直接與兩個(gè)芳環(huán)相連的酰胺基團(tuán)的聚合

28、物。耐熱、強(qiáng)度高和耐化學(xué)腐蝕，主要用作纖維。聚芳酰胺可用低溫溶液縮聚或界面縮聚制備。1）聚芳酰胺纖維的化學(xué)組成71第71頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四聚間苯二甲酰間苯二胺該化合物的纖維產(chǎn)品名稱(chēng)：HT-1纖維，國(guó)外商品名 Nomex，中國(guó)芳綸1313 由間苯二胺和間苯二甲酰氯合成的聚間苯二甲酰間苯二胺，它可在二甲基乙酰胺溶劑中紡絲，分解溫度達(dá) 370，耐高溫、耐輻射、耐化學(xué)腐蝕、高溫絕緣性、耐燃，用于防燃工作服、飛行服、高溫工業(yè)濾材、電器絕緣紙、絕熱氈等。72第72頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺 （PPTA） 屬于液晶高分子

29、，可加工成纖維，具有高強(qiáng)度、高模量、高耐溫特點(diǎn)，綜合性能優(yōu)于 Nomex。根據(jù)纖維大分子鏈節(jié)中酰胺鍵與亞胺鍵的位置，有不同的品種，例如Kevlar29、Kevlar 49等。該化合物的纖維產(chǎn)品名稱(chēng)：B纖維，國(guó)際商品名Kevlar，中國(guó)商品名芳綸1414。73第73頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四聚合物的制備聚合物溶液紡絲2）聚芳酰胺纖維的制造聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺 （PPTA）74第74頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四簡(jiǎn)單流程圖75第75頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四縮聚反應(yīng)76第76頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，

30、6點(diǎn)22分，星期四簡(jiǎn)單流程圖77第77頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四1）高聚物不溶于一般的溶劑，僅溶于強(qiáng)酸，如硫酸、氯酸、硝酸等。一般用硫酸。2）高聚物溶液呈液晶高聚物的特點(diǎn)。體積分?jǐn)?shù)20%,高取向的液晶,各向異性。3）聚合物體積分?jǐn)?shù)18-22%，溫度90處于可紡性良好的低粘度區(qū)。溶液的特性78第78頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四干噴濕紡工藝 高濃度、高溫度的PPTA液晶溶液在較高的噴絲速度下噴絲，噴絲進(jìn)入溫度0 -5的凝固液浴，中間空氣層間隙可使高溫紡絲噴絲頭和低溫凝固浴保持溫差，同時(shí)在空氣層中進(jìn)行適宜的噴頭拉伸，在凝固液浴中，經(jīng)過(guò)一個(gè)紡絲

31、管，在凝固液的作用下形成絲束，繞到繞絲輥上，再經(jīng)洗滌，在張力下熱輥上干燥。最后在惰性氣體中于較高的溫度下進(jìn)行熱處理。紡絲速度可達(dá)2000m/min.79第79頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四 各向異性的PPTA溶液通過(guò)噴絲孔抽伸時(shí)，靠近細(xì)孔壁時(shí)產(chǎn)生剪切，當(dāng)成形絲凝結(jié)時(shí)，將保持高取向分子結(jié)構(gòu)，形成較高的潔凈度和較高的取向結(jié)構(gòu)。80第80頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四3）聚芳酰胺纖維的結(jié)構(gòu)分子內(nèi)部是共價(jià)鍵、分子之間以氫鍵連接成片層，片層之間以范德華力結(jié)合，纖維分為芯層和表皮層81第81頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四纖維的大

32、分子剛性極佳，鏈纏結(jié)少,取向度、結(jié)晶度高，分子鏈幾乎處于完全伸直狀態(tài)，這種結(jié)構(gòu)使纖維表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度、模量及熱穩(wěn)定性 。 纖維密度小，只有鋼絲的15。 可耐240高溫。 拉伸強(qiáng)度高，耐屈折、耐疲勞、耐腐蝕，膨脹系數(shù)小。 是一種性能優(yōu)異的纖維。4）聚芳酰胺纖維的性能82第82頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四物理性質(zhì)：(1)黃色，Kevlar49為深黃色(2)密度：大部分1.43-1.44g/cm3 錦綸1.14，聚酯1.38，碳纖維1.8 玻璃纖維2.25，鋼絲7.883第83頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四機(jī)械性能： Kevlar纖維的拉伸強(qiáng)度約

33、為E玻璃纖維的1.5倍，與碳纖維相當(dāng)或略高。拉伸模量?jī)H次于碳纖維和硼纖維。芳綸纖維的斷裂伸長(zhǎng)在5左右，接近玻璃纖維。84第84頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四芳綸纖維的強(qiáng)度和模量高，密度低，因而此種增強(qiáng)纖維有很高的比強(qiáng)度和比模量。各類(lèi)增強(qiáng)纖維比強(qiáng)度比模量機(jī)械性能：85第85頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四比強(qiáng)度與比模量比強(qiáng)度: 材料的強(qiáng)度與其密度之比比模量：材料的彈性模量與其密度的比值 是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特別是航空、航天結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)材料的重要要求之一。 比剛度/強(qiáng)度較高說(shuō)明相同剛度/強(qiáng)度下材料重量更輕，或相同質(zhì)量下剛度/強(qiáng)度更大。 86第86頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四不同聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺纖維的性能比較 87第87頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四Kevlar49拉伸、壓縮和剪切性能機(jī)械性能：88第88頁(yè)，共99頁(yè)，2022年，5月20日，6點(diǎn)22分，星期四熱性能：有良好的熱穩(wěn)定性，耐火而不熔，在180的溫度下，仍能很好的保持其性能，當(dāng)溫度達(dá)487 時(shí)尚不熔化，但開(kāi)始碳化。由于芳綸不熔融也