復(fù)合材料中的增強(qiáng)纖維

1、CNCN：厘牛，代表的是力：厘牛，代表的是力 ; ;dtex：分特克斯，：分特克斯，10000米（米（10公里）纖維束的重量克數(shù)公里）纖維束的重量克數(shù);tex: 特克斯，特克斯，1000米纖維束的重量克數(shù)米纖維束的重量克數(shù) , 1tex=10-6 kg/m定長法定長法 d: 旦尼爾旦尼爾, 9000米纖維束的重量克數(shù)米纖維束的重量克數(shù) : 支數(shù)支數(shù) , 指指lg(原原)紗的長度紗的長度(m)定質(zhì)量法定質(zhì)量法 1dtex=tex/10=d/9 CFAl3O3無機(jī)纖維GFPPTAM PIAPBOPBIPV APA N有 機(jī) 纖 維剛 性 鏈全 芳 香 族 聚 酰 胺 纖 維全 芳 香 族 聚 酯

2、纖 維芳 雜 環(huán) 類 纖 維柔 性 鏈HSPEPM纖維種類強(qiáng)度(GPa)模量(GPa)密度（g/cm3)MP（）GF：EGF3.45722.541316 SGF4.82852.491650CF: Grofil1.9-3.5300-5001.8PPTA2.81321.44550聚芳酯4.1691.4380PBO5.52801.58600PI2.81501.3500HSPE3.41600.98140鋁纖維0.6712.68660鋼纖維2.82007.811621纖維名稱密度g/cm3拉伸強(qiáng)度GPa拉伸模量GPa 斷裂伸長率%LOICF-T7001.803.53-4.9230-3001.5-2.1-

3、Kevlar-491.452.91242.829Technora/JP/PPTA1.393.4854.525RusarRussa/PPTA1.435.0140342PBO1.594.8280-UHMWPE0.983.4168-PI纖維1.453.1-5.1280-340-40平紋斜紋緞紋席紋每根經(jīng)紗每根經(jīng)紗(或緯紗或緯紗)，交替地從一，交替地從一根緯紗根緯紗(或經(jīng)紗或經(jīng)紗)的上方和下方越的上方和下方越過的織紋。過的織紋。平紋結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定平紋結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，布，布面最密滿，適于作平面的玻璃鋼面最密滿，適于作平面的玻璃鋼制品。制品。鋪覆性最差鋪覆性最差。在各種織紋。在各種織紋中，中，平紋結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度最低平

4、紋結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度最低。 指經(jīng)緯紗以三上一下的方指經(jīng)緯紗以三上一下的方式交織所形成的織紋。斜式交織所形成的織紋。斜紋布的懸垂性比平紋布好，紋布的懸垂性比平紋布好，鋪覆性較好鋪覆性較好，強(qiáng)度也高于強(qiáng)度也高于平紋布平紋布，手感柔軟，手感柔軟，但穩(wěn)但穩(wěn)定性比平紋布差定性比平紋布差。指緯紗以七上一下的方式交織所形指緯紗以七上一下的方式交織所形成的織紋。這種織紋雖不如平紋穩(wěn)成的織紋。這種織紋雖不如平紋穩(wěn)定，但由于浮經(jīng)或浮緯較長，纖維定，但由于浮經(jīng)或浮緯較長，纖維彎曲少，故制成玻璃纖維增強(qiáng)塑料彎曲少，故制成玻璃纖維增強(qiáng)塑料制品的強(qiáng)度較高制品的強(qiáng)度較高，鋪覆性最好鋪覆性最好。 兩根或多根經(jīng)紗，在兩根或兩根或多根經(jīng)

5、紗，在兩根或多根緯紗的上下進(jìn)行交織的多根緯紗的上下進(jìn)行交織的織物，席紋雖不如平紋布穩(wěn)織物，席紋雖不如平紋布穩(wěn)定，但它定，但它比較柔順，更能貼比較柔順，更能貼合簡單的形狀合簡單的形狀。指每一根緯紗處有兩很經(jīng)紗絞合的組織。指每一根緯紗處有兩很經(jīng)紗絞合的組織。其特點(diǎn)是其特點(diǎn)是穩(wěn)定性很好穩(wěn)定性很好厚度一般約為厚度一般約為0.130.18mm。用于需要變形最小，經(jīng)。用于需要變形最小，經(jīng)緯密低的地方，例如作為表面織物。緯密低的地方，例如作為表面織物。羅紋（紗羅） 粗紗粗紗 30m 30m 無捻粗紗、無紡布無捻粗紗、無紡布 初級紗初級紗 20m 20m 短切纖維、纖維氈短切纖維、纖維氈 中級紗中級紗 101

6、020m 20m 高級紗高級紗 3 310m 10m 紡織紡織 玻璃纖維紗可分無捻紗及有捻紗兩種。玻璃纖維紗可分無捻紗及有捻紗兩種。單位長度內(nèi)纖維與纖維之間所加的轉(zhuǎn)數(shù)，以捻單位長度內(nèi)纖維與纖維之間所加的轉(zhuǎn)數(shù)，以捻m m為單位為單位 加捻的作用：加捻的作用：提高纖維的抱合力提高纖維的抱合力改善單纖維的受力狀況，改善單纖維的受力狀況，利于紡織工序的進(jìn)行。利于紡織工序的進(jìn)行。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：捻度過大不易被樹脂浸透。捻度過大不易被樹脂浸透。 纖維密度(g/cm3)強(qiáng)度（GPa）模量 (GPa）EGF2.543.572SGF2.444.787MGF2.893.7118纖維強(qiáng)度 (GPa）模量 (GPa）棉花

7、0.3-0.710-12羊毛0.1-0.30.6玻璃塊0.02-0.12EGF3.572鋁合金42-46制玻璃球制玻璃球鉑金坩堝熔融鉑金坩堝熔融小漏孔拉絲小漏孔拉絲 （102102、204204、408408孔）孔）涂浸潤劑涂浸潤劑并股成紗并股成紗紡織成布、氈或帶。紡織成布、氈或帶。 坩堝法拉絲、池窯漏板法拉絲坩堝法拉絲、池窯漏板法拉絲(1) 坩堝法拉絲工藝坩堝法拉絲工藝 (2) 池窯漏板法拉絲工藝池窯漏板法拉絲工藝 連續(xù)玻璃纖維生產(chǎn)的一種新的工藝方法。連續(xù)玻璃纖維生產(chǎn)的一種新的工藝方法。將玻璃配合料投入熔窯熔化后直接拉制成各種支數(shù)的將玻璃配合料投入熔窯熔化后直接拉制成各種支數(shù)的連續(xù)玻璃纖維。

8、連續(xù)玻璃纖維。 池窯拉絲池窯拉絲( (與坩堝拉絲相比較與坩堝拉絲相比較) )的優(yōu)點(diǎn)：的優(yōu)點(diǎn)： 1. 省去制球工藝，簡化工藝流程，效率高；省去制球工藝，簡化工藝流程，效率高；2. 池窯拉絲一窯可安裝池窯拉絲一窯可安裝10塊到上百塊漏板，熔量大，塊到上百塊漏板，熔量大，生產(chǎn)能力高；生產(chǎn)能力高；3. 易實(shí)現(xiàn)自動化；易實(shí)現(xiàn)自動化；4. 適于多孔大漏板生產(chǎn)玻璃鋼適用的粗纖維；適于多孔大漏板生產(chǎn)玻璃鋼適用的粗纖維；5. 生產(chǎn)的廢紗便于回爐。生產(chǎn)的廢紗便于回爐。玻璃纖維制品的生產(chǎn)工藝玻璃纖維制品的生產(chǎn)工藝主要設(shè)備：紡紗機(jī)和織布機(jī)主要設(shè)備：紡紗機(jī)和織布機(jī) 1 1電熔池窯爐；電熔池窯爐；2 2漏板；漏板；3 3

9、加浸潤劑；加浸潤劑；4 4機(jī)械裝置；機(jī)械裝置；5 5噴射粘接劑；噴射粘接劑；6 6金屬網(wǎng)帶；金屬網(wǎng)帶；7 7固化裝置；固化裝置；8 8卷筒卷筒連續(xù)玻璃纖維氈生產(chǎn)示意圖連續(xù)玻璃纖維氈生產(chǎn)示意圖淀粉為主要的成膜劑優(yōu)淀粉為主要的成膜劑優(yōu)點(diǎn)：費(fèi)用低、成膜性好、點(diǎn)：費(fèi)用低、成膜性好、易除掉易除掉主要成分：石蠟、凡士林、主要成分：石蠟、凡士林、硬脂酸、變壓器油等硬脂酸、變壓器油等優(yōu)點(diǎn)：潤滑性、集束性好優(yōu)點(diǎn)：潤滑性、集束性好HCCH3CH3COOCrCl2CrCl2OCHCH2HCCH2ONH2SH 這是一類近后來發(fā)展迅速的表面處理用的偶聯(lián)劑，多應(yīng)用這是一類近后來發(fā)展迅速的表面處理用的偶聯(lián)劑，多應(yīng)用在熱塑性

10、樹脂增強(qiáng)劑的表面處在熱塑性樹脂增強(qiáng)劑的表面處1）石英玻璃纖維）石英玻璃纖維 石英玻璃纖維具有很高的純度，其二氧化硅（石英玻璃纖維具有很高的純度，其二氧化硅（SiO2）含量達(dá)到含量達(dá)到99.9以上。因而石英玻璃纖維具有很多優(yōu)異的以上。因而石英玻璃纖維具有很多優(yōu)異的性能性能: 耐高溫耐高溫、耐燒蝕耐燒蝕、低導(dǎo)熱、抗熱震、優(yōu)良的、低導(dǎo)熱、抗熱震、優(yōu)良的介電性介電性能和良好的能和良好的化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性等。等。 2） 高硅氧玻璃纖維高硅氧玻璃纖維 高硅氧纖維的生產(chǎn)：將高鈣的硼硅酸鹽玻璃纖維用酸處高硅氧纖維的生產(chǎn)：將高鈣的硼硅酸鹽玻璃纖維用酸處理，溶析出可溶性成分，從而制得含理，溶析出可溶性成分，從而

11、制得含SiO2高達(dá)高達(dá)9099的的纖維。也可用含堿纖維的化學(xué)提純法制得。纖維。也可用含堿纖維的化學(xué)提純法制得。 這種纖維能耐這種纖維能耐1700 以上高溫，但纖維強(qiáng)度低，只為無堿玻璃纖維的以上高溫，但纖維強(qiáng)度低，只為無堿玻璃纖維的2050。3）低介電玻璃纖維）低介電玻璃纖維 低介電玻璃纖維（簡稱低介電玻璃纖維（簡稱D玻璃玻璃）是一種低密度、低介電）是一種低密度、低介電常數(shù)和損耗，且介電性能受頻率、溫度變化小的特種玻璃常數(shù)和損耗，且介電性能受頻率、溫度變化小的特種玻璃纖維，具有寬頻帶高透波的特性。廣泛用于飛機(jī)雷達(dá)罩、纖維，具有寬頻帶高透波的特性。廣泛用于飛機(jī)雷達(dá)罩、電磁窗、隱身和制作高級印刷線路

12、板。電磁窗、隱身和制作高級印刷線路板。 注：表中介電性能是塊玻璃值。國內(nèi)外國內(nèi)外D、E玻璃纖維性能玻璃纖維性能 4）高模量玻璃纖維）高模量玻璃纖維 是由是由有機(jī)纖維有機(jī)纖維經(jīng)經(jīng)固相反應(yīng)固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變而成的轉(zhuǎn)變而成的纖維狀聚合物碳，是一種非金屬材料。纖維狀聚合物碳，是一種非金屬材料。不屬于不屬于有機(jī)纖維有機(jī)纖維范疇，但從制備方法上范疇，但從制備方法上看，它又不同于看，它又不同于普通無機(jī)纖維普通無機(jī)纖維。碳纖維編織布碳纖維編織布碳纖維板碳纖維板碳纖維碳纖維碳纖維編織環(huán)碳纖維編織環(huán)碳管碳管碳纖維結(jié)構(gòu)件碳纖維結(jié)構(gòu)件碳纖維齒輪碳纖維齒輪C/CC/C軸承止推環(huán)軸承止推環(huán)1879 愛迪生用油煙與焦油、棉紗和竹

13、絲試制碳絲愛迪生用油煙與焦油、棉紗和竹絲試制碳絲 1882 碳絲電燈實(shí)用化碳絲電燈實(shí)用化1950 美國美國WrightPatterson空軍基地開始研制空軍基地開始研制粘膠基碳纖維粘膠基碳纖維1959 美國美國UCC公司生產(chǎn)低模量粘膠基碳纖維公司生產(chǎn)低模量粘膠基碳纖維“Thornel-25” 日本大阪工業(yè)試驗(yàn)所的日本大阪工業(yè)試驗(yàn)所的進(jìn)進(jìn)藤昭男發(fā)明了藤昭男發(fā)明了PAN基碳纖維基碳纖維1963 英國皇家航空研究所（英國皇家航空研究所（RAE）的瓦特和約翰）的瓦特和約翰遜遜成功地制造成功地制造 出高性能出高性能PAN基碳纖維（在熱處理時施加張力）基碳纖維（在熱處理時施加張力）1965 日本群馬大學(xué)的

14、大谷杉郎發(fā)明了日本群馬大學(xué)的大谷杉郎發(fā)明了瀝青基碳纖維瀝青基碳纖維 美國美國UCC公司開始生產(chǎn)高模量粘膠基碳纖維公司開始生產(chǎn)高模量粘膠基碳纖維1971 日本日本東麗公司東麗公司工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)PAN基碳纖維（基碳纖維（1噸噸/月），碳月），碳 纖維的牌號為纖維的牌號為T300，石墨纖維為，石墨纖維為M401972 美國美國Hercules公司開始生產(chǎn)公司開始生產(chǎn)PAN基碳纖維基碳纖維 日本用碳纖維制造釣竿，美國用碳纖維制造高爾夫球棒日本用碳纖維制造釣竿，美國用碳纖維制造高爾夫球棒1984 日本東麗公司研制出高強(qiáng)中模碳纖維日本東麗公司研制出高強(qiáng)中模碳纖維T8001986 日本東麗公司研制

15、出高強(qiáng)中模碳纖維日本東麗公司研制出高強(qiáng)中模碳纖維T10001989 日本東麗公司研制出高模中強(qiáng)碳纖維日本東麗公司研制出高模中強(qiáng)碳纖維M60碳纖維的發(fā)展簡史碳纖維的發(fā)展簡史東麗集團(tuán)碳纖維擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃三菱集團(tuán)碳纖維擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃東邦集團(tuán)碳纖維擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃2006年我國（大陸）PAN基碳纖維主要生產(chǎn)廠一覽表國內(nèi)擬建或在建PAN原絲及PAN基碳纖維生產(chǎn)裝置一覽表南通蘇通碳纖維有限公司南通蘇通碳纖維有限公司活性碳纖維活性碳纖維項(xiàng)目總投資項(xiàng)目總投資30億，億，2010年突年突破破1萬噸，實(shí)現(xiàn)銷售萬噸，實(shí)現(xiàn)銷售50億。億。在高性能碳纖維中，有在高性能碳纖維中，有碳纖維、碳纖維、碳碳纖維、纖維、碳纖維等。碳纖維等。這類碳纖

16、維中，有這類碳纖維中，有纖維纖維、纖維纖維、纖纖維維等。等。1)1)纖維；纖維；2)2)碳纖維；碳纖維；3)3)碳纖維；碳纖維；4)4)碳纖維；碳纖維；5)5)其他其他( (各種天然纖維、再生纖維、各種天然纖維、再生纖維、縮合多環(huán)芳香族合成纖維縮合多環(huán)芳香族合成纖維) )碳纖維。碳纖維。1)1)碳纖維碳纖維2)2)碳纖維碳纖維3)3)碳纖維碳纖維( (吸附活性吸附活性) )4)4)碳纖維碳纖維5)5)碳纖維碳纖維6)6)碳纖維碳纖維 按碳纖維束絲按碳纖維束絲K數(shù)分類。目前，按照碳纖維束絲數(shù)分類。目前，按照碳纖維束絲K數(shù)分類數(shù)分類還沒有嚴(yán)格的定義和分類，一般把還沒有嚴(yán)格的定義和分類，一般把1K2

17、4K的碳纖維叫做的碳纖維叫做小絲束碳纖維小絲束碳纖維，而把，而把48K480K以上的碳纖維叫做以上的碳纖維叫做大絲束大絲束碳纖維碳纖維。 日本的東麗、東邦和三菱人造絲公司是小絲束碳纖維的主日本的東麗、東邦和三菱人造絲公司是小絲束碳纖維的主要生產(chǎn)公司，三公司小絲束碳纖維的產(chǎn)量占小絲束總產(chǎn)量要生產(chǎn)公司，三公司小絲束碳纖維的產(chǎn)量占小絲束總產(chǎn)量的的74%左右，而美國的左右，而美國的AKZOFortafil、ZOLTEK和德和德國的國的SGL所生產(chǎn)的大絲束碳纖維占大絲束碳纖維總產(chǎn)量的所生產(chǎn)的大絲束碳纖維占大絲束碳纖維總產(chǎn)量的90%以上。此外，日本東麗公司也開始生產(chǎn)大絲束碳纖維，以上。此外，日本東麗公司也

18、開始生產(chǎn)大絲束碳纖維，以增強(qiáng)市場的競爭實(shí)力以增強(qiáng)市場的競爭實(shí)力。 PANPANFOFCFAN共聚單體 引發(fā)劑聚合紡絲濕紡干濕紡第一階段 預(yù)氧化 空氣介質(zhì) 200300數(shù)十?dāng)?shù)百分 炭化 惰性氣體12001600數(shù)分?jǐn)?shù)十分 石墨化 惰性氣體20003000數(shù)秒數(shù)十秒表面處理GrFPAN原絲預(yù)氧化預(yù)氧絲碳化碳纖維石墨化石墨纖維空氣中氮?dú)庵袣鍤庵衏cccc 300c OC1200-1600 CO2500-3000 COccNH3 HCN COCO2 H2OCnH2n-2放出氣體cccNNNH3 HCN CO2CO H2O H2N2放出氣體OccccccccccH2 N2HCN放出氣體ccccccccc

19、ccccccccPAN原絲（線型分子鏈）預(yù)氧絲（交聯(lián)結(jié)構(gòu)）碳纖維（亂層石墨結(jié)構(gòu)）石墨纖維（石墨結(jié)構(gòu)）NNN200CNCNCNCNCCCCNNN環(huán)化CNCNCNCNCCCCNNNN碳化是在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行，一般用高純度碳化是在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行，一般用高純度氮?dú)獾獨(dú)猓?9.998%），使預(yù)氧絲的耐熱梯型結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱解和熱縮聚，），使預(yù)氧絲的耐熱梯型結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱解和熱縮聚，非碳元素（非碳元素（N、O、H）逐步逸走，碳得到富集，逐步向亂層）逐步逸走，碳得到富集，逐步向亂層石墨結(jié)構(gòu)（石墨結(jié)構(gòu)（turbostratic structure）轉(zhuǎn)化，最終生成無機(jī)碳纖）轉(zhuǎn)化，最終生成無機(jī)碳纖維。維。碳化溫度一般

20、在碳化溫度一般在12001600之間，但之間，但700左右是左右是結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的敏感溫度。結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的敏感溫度。700后，碳的網(wǎng)面取向度、碳的網(wǎng)后，碳的網(wǎng)面取向度、碳的網(wǎng)面形成量迅速增加，小角面形成量迅速增加，小角X射線衍射強(qiáng)度也隨之增加，部分射線衍射強(qiáng)度也隨之增加，部分亂層石墨結(jié)構(gòu)向三維有序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化。亂層石墨結(jié)構(gòu)向三維有序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化。石墨化是在惰性氣體（一般為石墨化是在惰性氣體（一般為氬氣氬氣）保護(hù)下進(jìn)行，）保護(hù)下進(jìn)行，石墨化溫度在石墨化溫度在28003000之間進(jìn)行。在高溫石墨化過之間進(jìn)行。在高溫石墨化過程，非碳原子進(jìn)一步逸走，碳原子進(jìn)一步富集，使程，非碳原子進(jìn)一步逸走，碳原子進(jìn)一步富集，使石墨石

21、墨纖維的含碳量高達(dá)纖維的含碳量高達(dá)99100%。同時，石墨微晶擇優(yōu)取。同時，石墨微晶擇優(yōu)取向度提高，使其楊氏模量顯著增加。這也是石墨化的目向度提高，使其楊氏模量顯著增加。這也是石墨化的目的所在。的所在。OCH2OHOHOHOOCH2OHOOHOH（C6H10O5）原絲的炭化收率原絲種類原絲種類分子式和原分子式和原絲組成絲組成含碳率含碳率 wt炭化收率炭化收率 wt CF/原料原料炭化收率炭化收率CF碳碳/原絲中碳原絲中碳粘膠粘膠（C6H10O5）n4520304585PAN（C3H3N）n6840606085瀝青瀝青C、H9580908595 (1) (1)各向同性瀝青基碳各向同性瀝青基碳纖維

22、。石油瀝青、煤瀝青纖維。石油瀝青、煤瀝青等瀝青為原料，需進(jìn)行預(yù)等瀝青為原料，需進(jìn)行預(yù)處理和精調(diào)制，除去固體處理和精調(diào)制，除去固體游離炭、其它固態(tài)雜質(zhì)和游離炭、其它固態(tài)雜質(zhì)和喹啉不溶分（喹啉不溶分（QIQI）; ; 高性能瀝青基碳纖高性能瀝青基碳纖維。高性能瀝青基碳纖維維。高性能瀝青基碳纖維是用各向異性的中間相瀝是用各向異性的中間相瀝青（含液晶）纖維制得，青（含液晶）纖維制得，制造工藝很復(fù)雜。精制的制造工藝很復(fù)雜。精制的瀝青除有上述要求外，還瀝青除有上述要求外，還要除去硫及其化合物。要除去硫及其化合物。碳纖維的結(jié)構(gòu)模型較多，其中有代表性的三種。碳纖維的結(jié)構(gòu)模型較多，其中有代表性的三種。圖圖a是高

23、模量碳纖維（即石墨纖維）的結(jié)構(gòu)模型圖，條帶模型。石墨微是高模量碳纖維（即石墨纖維）的結(jié)構(gòu)模型圖，條帶模型。石墨微絲沿纖維軸取向排列，賦予其高的模量。因?yàn)槟Ａ恐饕Q于石墨網(wǎng)平面絲沿纖維軸取向排列，賦予其高的模量。因?yàn)槟Ａ恐饕Q于石墨網(wǎng)平面的大小和擇優(yōu)取向。從圖的大小和擇優(yōu)取向。從圖a還可看出，存在皮芯結(jié)構(gòu)和沿纖維軸排列的針還可看出，存在皮芯結(jié)構(gòu)和沿纖維軸排列的針形孔隙。形孔隙。圖圖b是高強(qiáng)型碳纖維的模型，微纖（絲）基本上沿纖維軸排列，也有相是高強(qiáng)型碳纖維的模型，微纖（絲）基本上沿纖維軸排列，也有相當(dāng)?shù)脑w纏結(jié)和扭曲，彼此用束縛鍵使微纖連接，交聯(lián)密度較高；同時，當(dāng)?shù)脑w纏結(jié)和扭曲，彼此用束縛鍵

24、使微纖連接，交聯(lián)密度較高；同時，針形孔洞沿軸向排列，但比圖針形孔洞沿軸向排列，但比圖a要小，這也是強(qiáng)度較高的原因之一，也符要小，這也是強(qiáng)度較高的原因之一，也符合最弱連接理論。合最弱連接理論。圖圖c是通用級碳纖維的結(jié)構(gòu)模型，石墨微晶不發(fā)達(dá)，排列紊亂，孔隙多，是通用級碳纖維的結(jié)構(gòu)模型，石墨微晶不發(fā)達(dá)，排列紊亂，孔隙多，擇優(yōu)取向差擇優(yōu)取向差，因而抗拉強(qiáng)度和模量都低。，因而抗拉強(qiáng)度和模量都低。 碳纖維等碳材料屬于亂層碳纖維等碳材料屬于亂層石墨結(jié)構(gòu)或石墨結(jié)構(gòu)。當(dāng)其石墨結(jié)構(gòu)或石墨結(jié)構(gòu)。當(dāng)其受熱時，石墨層面中的碳原受熱時，石墨層面中的碳原子在層面上下方向來回振動，子在層面上下方向來回振動，產(chǎn)生膨脹；在層面方

25、向由于產(chǎn)生膨脹；在層面方向由于其上下振動而產(chǎn)生收縮。碳其上下振動而產(chǎn)生收縮。碳纖維的石墨化程度愈高，熱纖維的石墨化程度愈高，熱膨脹系數(shù)愈小。膨脹系數(shù)愈小。 惰性物質(zhì)，能被少量強(qiáng)酸氧化。在惰性氣體中惰性物質(zhì)，能被少量強(qiáng)酸氧化。在惰性氣體中15001500仍可仍可保持較高的力學(xué)性能。保持較高的力學(xué)性能。分子鏈截面積共價鍵強(qiáng)度分子鏈的極限強(qiáng)度CC B. 有機(jī)高分子的強(qiáng)度預(yù)算：CONH芳綸芳綸14141414CCONHONHnkevlar PPTA聚對苯二甲酰對苯二胺聚對苯二甲酰對苯二胺聚間苯二甲酰間苯二胺聚間苯二甲酰間苯二胺回收水纖維紡絲紡絲原液聚合體縮聚單體單體溶劑一溶劑二溶液縮聚，溶劑 溶劑溶劑

26、C-HC-H2 2SOSO4 4,20%,20%含固量含固量F-F-濕紡濕紡 液晶紡絲（向列型），降低粘度液晶紡絲（向列型），降低粘度使用高濃度漿液，有利于提高力學(xué)性能使用高濃度漿液，有利于提高力學(xué)性能9294969810010210410602468101214isotropicAnisotropicSolidPPTA (%)H2SO4 (%)0246810Anisotropicisotropic90 oC20 oCGood spinnabilityViscosity of dopePPTA (wt%) 工藝參數(shù)漿液濃度：1822溫度 90凝固浴 20 H2SO4/H2OV噴200m/min

27、gap=540mm噴絲孔 0.10.3紡絲方法Kevlar干濕法或濕法紡絲聚芳酯熔紡紡絲minAnisotropicisotropicGood spinnabilityViscosity of dopeTemp (oC)OOCOCOMP:600攝氏度5.5.2. 5.5.2. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)芳香族中的酰胺類芳香族中的酰胺類，CONH，被酯，被酯COO取代最典型的如：取代最典型的如： 采用共聚的辦法改善鏈的柔順性。采用共聚的辦法改善鏈的柔順性。COM P:610攝 氏 度OVectran是美國賽拉尼斯公司是美國賽拉尼斯公司用用ABA（乙酰氧基苯甲酸）與（乙酰氧基苯甲酸）與2乙酰氧基乙酰氧基6萘甲酸萘甲

28、酸共聚的產(chǎn)物。共聚的產(chǎn)物。OCOCOOkmn3.5.3. 紡絲成形 熔紡工藝、溫度控制液晶熔紡工藝、溫度控制液晶 超高分子量聚乙烯（超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維也被稱作）纖維也被稱作高強(qiáng)高模高強(qiáng)高模聚乙烯纖維聚乙烯纖維，它是，它是80年代初研制成功的高性能纖維，是當(dāng)今年代初研制成功的高性能纖維，是當(dāng)今世界三大高科技纖維（碳纖維、芳綸、高強(qiáng)高模聚乙烯纖維）世界三大高科技纖維（碳纖維、芳綸、高強(qiáng)高模聚乙烯纖維）之一，是一種具有高度取向直鏈結(jié)構(gòu)的纖維。之一，是一種具有高度取向直鏈結(jié)構(gòu)的纖維。 超高分子量聚乙烯纖維具有很高的軸向比拉伸強(qiáng)度和剛度，超高分子量聚乙烯纖維具有很高的軸向比拉伸強(qiáng)度和剛

29、度，極高的比模量，突出的抗沖擊和抗切割韌性，良好的耐低溫、極高的比模量，突出的抗沖擊和抗切割韌性，良好的耐低溫、耐磨、耐腐蝕和耐紫外線等化學(xué)穩(wěn)定性等眾多優(yōu)異特性，在耐磨、耐腐蝕和耐紫外線等化學(xué)穩(wěn)定性等眾多優(yōu)異特性，在安全防護(hù)、宇航、航空、航天、航海、體育、纜繩等領(lǐng)域發(fā)安全防護(hù)、宇航、航空、航天、航海、體育、纜繩等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。揮著重要的作用。1 1、高強(qiáng)、高模、輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模、輕質(zhì) 這種纖維的這種纖維的比強(qiáng)度是當(dāng)今世界上最高的比強(qiáng)度是當(dāng)今世界上最高的，相當(dāng)于優(yōu)質(zhì)鋼絲，相當(dāng)于優(yōu)質(zhì)鋼絲的的15倍，比普通化學(xué)纖維高出近倍，比普通化學(xué)纖維高出近10倍，比對位芳綸高倍，比對位芳綸高40%左右，

30、而且它還有一種獨(dú)特的物理性質(zhì)，就是左右，而且它還有一種獨(dú)特的物理性質(zhì)，就是密度小于密度小于1。 公司公司型號型號斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度/GPa模量模量/GPa斷裂伸長率斷裂伸長率/%/%美國美國ALLIEDALLIEDSpectra900Spectra9002.06-2.42.06-2.462-7962-793.6-4.43.6-4.4Spectra1000Spectra10002.83-2.912.83-2.9198-11398-1132.9-3.42.9-3.4Spectra2000Spectra20002.74-3.02.74-3.0113-116113-1162.8-2.92.8-2.9荷蘭

31、荷蘭DSMDSMDyneemaDyneema SK60 SK602.72.789893.53.5DyneemaDyneema SK65 SK653.03.095953.63.6DyneemaDyneema SK75 SK753.43.41071073.83.8DyneemaDyneema SK76 SK763.63.61161163.83.8寧寧 波波大大 成成S-F DC85S-F DC852.74-2.912.74-2.9155-6055-605 5S-F DC88S-F DC882.83-3.082.83-3.0877-9077-903.5-43.5-4S-F DC88S-F DC883

32、.0-3.253.0-3.2585-10785-1073-3.63-3.6力學(xué)性能力學(xué)性能纖維品種纖維品種密度密度拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度拉伸模量拉伸模量斷裂伸長率斷裂伸長率g/cm3GPaGPa%高強(qiáng)高模聚乙烯纖維高強(qiáng)高模聚乙烯纖維3.03.5低模量芳綸低模量芳綸1.442.9603.6 高模量芳綸高模量芳綸1.442.91242.8 高強(qiáng)碳纖維高強(qiáng)碳纖維1.783.42401.4 高模碳纖維高模碳纖維1.852.33900.5 S-玻璃纖維玻璃纖維2.603.5724.8 E-玻璃纖維玻璃纖維2.504.6865.2 聚酰胺纖維聚酰胺纖維1.140.9620 聚酯纖維聚酯纖維1.381.11413

33、 鋼纖維鋼纖維7.861.772001.8 工業(yè)用纖維的特性工業(yè)用纖維的特性 2 2 良好的抗?jié)裥院湍突瘜W(xué)腐蝕性良好的抗?jié)裥院湍突瘜W(xué)腐蝕性由于纖維具有高度的分子取向和結(jié)晶，大分子截面積小，由于纖維具有高度的分子取向和結(jié)晶，大分子截面積小，所以鏈間排列緊密，從而有效地所以鏈間排列緊密，從而有效地阻止水和化學(xué)試劑的侵蝕阻止水和化學(xué)試劑的侵蝕，因此這種纖維具有杰出的抗水、潮氣、多數(shù)化學(xué)品、紫外因此這種纖維具有杰出的抗水、潮氣、多數(shù)化學(xué)品、紫外線以及良好的耐溶劑溶解的性能。線以及良好的耐溶劑溶解的性能。 3 3 優(yōu)越的耐磨性、耐疲勞性、撓曲性和良好的電絕緣性能優(yōu)越的耐磨性、耐疲勞性、撓曲性和良好的電絕

34、緣性能 高強(qiáng)高模聚乙烯纖維的高強(qiáng)高模聚乙烯纖維的耐磨性耐磨性也非常好。也非常好。高強(qiáng)高模聚乙烯纖維特別適合于高強(qiáng)高模聚乙烯纖維特別適合于耐疲勞耐疲勞要求高的場合，該要求高的場合，該纖維在具有高模量的同時，在大變形作用下仍然具有柔韌性，纖維在具有高模量的同時，在大變形作用下仍然具有柔韌性，而且有長的撓曲壽命，具有良好的加工性能，這個性能常被而且有長的撓曲壽命，具有良好的加工性能，這個性能常被用來制作高強(qiáng)纜繩以及制作耐疲勞要求高的復(fù)合材料。用來制作高強(qiáng)纜繩以及制作耐疲勞要求高的復(fù)合材料。高強(qiáng)高模聚乙烯纖維的高強(qiáng)高模聚乙烯纖維的介電常數(shù)和介電損耗值低介電常數(shù)和介電損耗值低在各種制在各種制作復(fù)合材料的

35、纖維中最小，反射雷達(dá)波很少，因此對雷達(dá)波作復(fù)合材料的纖維中最小，反射雷達(dá)波很少，因此對雷達(dá)波的透射率高于玻璃纖維，這個性能常被用來制作雷達(dá)罩。的透射率高于玻璃纖維，這個性能常被用來制作雷達(dá)罩。 三種高性能纖維的加工性能比較三種高性能纖維的加工性能比較 纖維品種纖維品種加工性能加工性能高強(qiáng)高模聚高強(qiáng)高模聚乙烯纖維乙烯纖維Kevlar 29Kevlar 49碳纖維碳纖維(高強(qiáng)高強(qiáng))碳纖維碳纖維(高模高模)耐磨（直至破壞的循環(huán)次數(shù)）耐磨（直至破壞的循環(huán)次數(shù)）1101039.51035.710320120耐彎曲（直至破壞的循環(huán)次數(shù)）耐彎曲（直至破壞的循環(huán)次數(shù)） 2401033.71034.310352

36、勾結(jié)強(qiáng)度（勾結(jié)強(qiáng)度（g/d）1015676700成環(huán)強(qiáng)度（成環(huán)強(qiáng)度（g/d）1218101210120.70.1高強(qiáng)高模聚乙烯纖維的熔點(diǎn)在高強(qiáng)高模聚乙烯纖維的熔點(diǎn)在144150之間，之間，其斷裂強(qiáng)度和其斷裂強(qiáng)度和模量在較高溫度下減小但在低于模量在較高溫度下減小但在低于0時會增加，纖維在時會增加，纖維在-150下也沒有發(fā)現(xiàn)脆點(diǎn)下也沒有發(fā)現(xiàn)脆點(diǎn)，因此，纖維能在這個溫度到，因此，纖維能在這個溫度到70間使用，間使用，短暫暴露在較高溫度下將不會引起纖維嚴(yán)重的性能損失。短暫暴露在較高溫度下將不會引起纖維嚴(yán)重的性能損失。4 4 熱性能熱性能5 彈道防護(hù)性能彈道防護(hù)性能高強(qiáng)高模聚乙烯纖維的比強(qiáng)度、比模量高，

37、纖維內(nèi)聲波傳遞速高強(qiáng)高模聚乙烯纖維的比強(qiáng)度、比模量高，纖維內(nèi)聲波傳遞速度快，因此這種纖維提供了度快，因此這種纖維提供了最高的能量吸收和最快的沖擊波擴(kuò)最高的能量吸收和最快的沖擊波擴(kuò)散散，顯示出良好的耐沖擊性，這些性能常被用于彈道防護(hù)領(lǐng)域。，顯示出良好的耐沖擊性，這些性能常被用于彈道防護(hù)領(lǐng)域。6 耐光性耐光性芳綸纖維不耐紫外光，使用時必須避免陽光直接照射，而聚乙芳綸纖維不耐紫外光，使用時必須避免陽光直接照射，而聚乙烯纖維是有機(jī)纖維中耐光性最優(yōu)異的纖維，高強(qiáng)高模聚乙烯纖烯纖維是有機(jī)纖維中耐光性最優(yōu)異的纖維，高強(qiáng)高模聚乙烯纖維也不例外；維也不例外；同樣經(jīng)紫外光照射同樣經(jīng)紫外光照射1500小時，高強(qiáng)高模聚乙烯纖小時，高強(qiáng)高模聚乙烯纖維的強(qiáng)度保持率在維的強(qiáng)度保持率在90%左右，而芳綸纖維只有左右，而芳綸纖維只有30%。7界面性能界面性能纖維表面惰性和非極性，浸潤性差，因此纖維與基體之間的纖維表面惰性和非極性，浸潤性差，因此纖維與基體之間的界界面粘結(jié)強(qiáng)度低，影響了高強(qiáng)高模纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能，尤面粘結(jié)強(qiáng)度低，影響了高強(qiáng)高模纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能，尤其是層間剪切、橫向拉伸和斷裂韌性等性能其是層間剪切、橫向拉伸和斷裂韌性等性能，限制了它的廣泛，限制了它的廣泛應(yīng)用。應(yīng)用。