芳綸纖維復(fù)合材料課件

芳綸纖維復(fù)合材料芳綸是由芳香族聚酰胺樹脂紡成的纖維。凡聚合物大分子的主鏈由芳香環(huán)和酰胺鍵構(gòu)成，且其中至少有85%的酰胺基直接鍵合在芳香環(huán)上，每個(gè)重復(fù)單元的酰胺基中的氮原子和羰基直接與芳香環(huán)中的碳原子相連接并置換其中一個(gè)氫原子的聚合物，稱為芳香族聚酰胺樹脂。國(guó)外稱為芳酰胺纖維,我國(guó)定名為芳綸實(shí)用于高性能復(fù)合材料的芳綸纖

維的主要品種美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)：◆聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺(PPTA)纖維◆聚對(duì)苯甲酰胺(PBA)纖維日本帝人公司生產(chǎn)：◆對(duì)位芳酰胺共聚纖維（Technora）俄羅斯生產(chǎn)：◆聚對(duì)芳酰胺苯并咪唑纖維(CBM)◆APMOC纖維杜邦公司PPTA纖維的主要牌號(hào)

在復(fù)合材料中應(yīng)用最普遍的是PPTA纖維，Dupont公司PPTA纖維的主要牌號(hào)有：◆第一代（RI型）：Kevlar-29、Kevlar-49◆第二代(Hx系列）：Ha（高粘接型）、Ht（Kevlar-129、高強(qiáng)型）、He（Kevlar-100、原液著色型）、Hp（Kevlar-68、高性能中模型）、Hm（Kevlar-149、高模型）、He（Kevlar-119、高伸長(zhǎng)型）。◆我國(guó)于20世紀(jì)70年代跟蹤研制，于80年代初期試生產(chǎn)出聚對(duì)苯甲酰胺（PBA）纖維，定名為芳綸Ⅰ（芳綸14）；◆又于80年代中期試生產(chǎn)出PPTA纖維，定名為芳綸Ⅱ（芳綸1414），可批量生產(chǎn)。我國(guó)芳綸纖維的主要牌號(hào)

（1）聚對(duì)苯甲酰胺（PBA）纖維原料：對(duì)氨基甲苯甲酰氯鹽或亞硫酸胺苯甲酰氯PBA纖維工藝過程：▼在有機(jī)極性溶劑中，經(jīng)低溫縮聚得到PBA樹脂。▼溶液紡絲（或制成粉末，再在溶劑中配成向列型液晶再紡絲）。◆雖然芳綸Ⅰ比芳綸Ⅱ的拉伸強(qiáng)度低約20%，但拉伸模量卻高出50%以上，相當(dāng)于Kevlar-49的水平?！舴季]Ⅰ的起始分解溫度（474℃）比Kevlar-49的（520℃）低，但分解終點(diǎn)溫度相近。◆芳綸Ⅰ在高溫下的強(qiáng)度保持率和熱老化性能優(yōu)于Kevlar-49。

在芳綸中，分子內(nèi)的骨架原子通過強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)合；高聚物分子間是酰胺基，由于酰胺基是極性基團(tuán)，其上的氫能夠與另一個(gè)鏈段上酰胺基團(tuán)中可供電子的羰基（-CO-)結(jié)合成氫鍵，構(gòu)成梯形聚合物，這種聚合物具有良好的規(guī)整性，因此具有高度的結(jié)晶性。

芳綸沿分子鏈方向（平行于纖維軸向）為強(qiáng)共價(jià)鍵；垂直于纖維軸向的分子間以氫鍵相連，因而纖維顯現(xiàn)各向異性（在軸向，和E高；在橫向，和E均較低）。

苯環(huán)呈大共軛鍵（鍵），它難于旋轉(zhuǎn)，所以，大分子鏈具有線性剛性伸直鏈（棒狀）構(gòu)型，從而賦予Kevlar纖維高強(qiáng)度、高模量和耐熱性。（3）芳綸的性能物理性能⊙密度小，為1.44g/cm3⊙比強(qiáng)度高（高于碳纖維和硼纖維）⊙比模量雖然較高，但低于碳纖維和硼纖維；⊙韌性好、抗沖擊性好、加工性好；⊙壓縮強(qiáng)度不高（為拉伸強(qiáng)度的1/5）；⊙剪切強(qiáng)度不高（為拉伸強(qiáng)度的1/17）；⊙Kevlar-149的彈性模量高于Kevlar-49；⊙Kevlar-149的高溫強(qiáng)度保留率最高。芳綸的不足⊙耐光性差，暴露于可見光和紫外線時(shí)會(huì)產(chǎn)生光致降解（即力學(xué)性能下降和褪色）。用高吸收率材料對(duì)Kevlar纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料作表面涂層，可以減緩其光致降解；⊙溶解性差；⊙抗壓強(qiáng)度低；⊙吸濕性強(qiáng)，吸濕后纖維性能變化大，因此應(yīng)密封保存，在制備復(fù)合材料前應(yīng)增加烘干工序。芳綸的缺陷

沿縱向排列的雜質(zhì)Na2SO4；

孔洞；

表皮軸向裂紋（長(zhǎng)20~24nm、寬6~11nm）。

碳纖維(a)、芳綸纖維(b)和玻璃纖維(c)的斷口比較(a)(b)(c)（4）芳綸復(fù)合材料的應(yīng)用芳綸復(fù)合材料被譽(yù)為全球材料皇冠上的鉆石，位列三大高性能材料之一。其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程對(duì)我國(guó)國(guó)防建設(shè)、主導(dǎo)型工業(yè)項(xiàng)目（如大型飛機(jī)、高速列車、造船、電力、電子信息、建材等）具有至關(guān)重要的影響。在軍工領(lǐng)域、芳綸復(fù)合材料大量應(yīng)用于飛機(jī)、艦船、潛艇、坦克、導(dǎo)彈、雷達(dá)的高性能結(jié)構(gòu)件和特種電子設(shè)備。在民用領(lǐng)域，主要用于航天、航空、高速列車及汽車的高性能結(jié)構(gòu)件、軌道交通、核電、水電和電網(wǎng)工程中大型電機(jī)、變壓器高端絕緣材料，建筑用高性能隔熱阻燃材料，高端電路板和印刷、醫(yī)用材料等。應(yīng)用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈：

20世紀(jì)70年代初期，用纏繞法制造了Kevlar-49增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料如下結(jié)構(gòu)件：

美國(guó)核潛艇“三叉戟”C4潛地導(dǎo)彈的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體；

美國(guó)戰(zhàn)略型號(hào)MX陸基機(jī)動(dòng)洲際導(dǎo)彈的三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)和新型潛地“三叉戟Ⅱ”D5導(dǎo)彈的第三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)；

前蘇聯(lián)SS-24、SS-25鐵路和公路機(jī)動(dòng)洲際導(dǎo)彈各級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)；

法國(guó)的M4導(dǎo)彈的402K的殼體。應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈：

采用芳綸/環(huán)氧復(fù)合材料制作“潘興”的航天頂級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)、衛(wèi)星變軌固體發(fā)動(dòng)機(jī)的殼體。應(yīng)用于耐熱隔熱功能材料：

芳綸短切纖維或漿粕增強(qiáng)的三元乙丙(EPDM)橡膠基復(fù)合材料的軟片或帶材用于最新的各種發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)絕熱層。芳綸在軍事工業(yè)中的應(yīng)用

用于先進(jìn)發(fā)電機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)艙、中央發(fā)動(dòng)機(jī)整流罩、機(jī)翼與機(jī)身整流罩掛架整流罩、機(jī)翼前緣、襟翼、方向舵和升降舵后緣、安定面翼尖、貨艙襯壁、天花板、應(yīng)急出口門和窗、發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)管道等。

用于直升飛機(jī)上的機(jī)身外蒙皮、旋翼、螺旋漿和雷達(dá)天線罩等。

ARALL超混復(fù)合層板以芳綸環(huán)氧無緯布與薄鋁板交疊鋪層、再熱壓制成的聚合物-金屬?gòu)?fù)合材料，稱為超混雜復(fù)合材料。是具有許多超混雜優(yōu)異性能（比強(qiáng)度高、比模量高、疲勞壽命是鋁的100~1000倍，阻尼和耐噪聲性能較鋁好，加工性能較芳綸/環(huán)氧好）的新型結(jié)構(gòu)材料。

荷蘭和美國(guó)的多家飛機(jī)公司利用ARALL制造機(jī)翼下蒙皮和機(jī)身段蒙皮以及機(jī)艙門。

游艇、賽艇、帆船、小型漁船、救生艇、充氣船、巡邏艇的艇殼材料；

戰(zhàn)艦及航空母艦的防護(hù)裝甲以及建造聲納導(dǎo)流罩等。芳綸應(yīng)用于傳送帶

芳綸纖維增強(qiáng)橡膠基復(fù)合材料的運(yùn)輸傳送帶已大量應(yīng)用于煤礦、采石廠、港口。

利用芳綸耐熱性好的特點(diǎn)，還可用于熱玻璃器皿坯料（如玻璃顯像管）的生產(chǎn)線傳輸和食品烘干線的傳送帶。芳綸在纜繩方面的應(yīng)用

航空航天的降落傘繩

光纖通訊電纜的加強(qiáng)件和復(fù)合材料芯桿芳綸在基礎(chǔ)設(shè)施和建材方面的應(yīng)用

芳綸短切纖維用環(huán)氧系列的粘合劑緩慢地固化后，放入攬拌機(jī)中與水泥混合，然后在擠出成型機(jī)中制成一定厚度的預(yù)制件；

用芳綸連續(xù)纖維作為加強(qiáng)筋，加入混凝土或上述短纖維增強(qiáng)的混凝土中代替鋼筋；

將連續(xù)纖維編織物增強(qiáng)環(huán)氧的網(wǎng)狀固化物鋪入混凝土內(nèi)進(jìn)行加強(qiáng)。

芳綸增強(qiáng)混凝土用于橋梁、橋墩、高樓壁板及大型建筑物及它們的修復(fù)、海洋工程結(jié)構(gòu)、化工廠設(shè)施等。具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕和壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。外粘芳綸纖維布補(bǔ)強(qiáng)加固混凝土結(jié)構(gòu)外粘芳綸纖維布首先應(yīng)用于鋼筋混凝土橋的抗彎補(bǔ)強(qiáng)和約束鋼筋混凝土柱中，此后外粘芳綸布補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)迅速擴(kuò)展到砌件結(jié)構(gòu)，木結(jié)構(gòu)乃至金屬結(jié)構(gòu)。1抗彎補(bǔ)強(qiáng)當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件不能提供足夠的抗彎強(qiáng)度和使用性能時(shí)，必須進(jìn)行加固，此時(shí)可選用外粘芳綸纖維布進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。在梁、柱、板的受拉面粘貼芳綸纖維布，同時(shí)使芳綸纖維絲方向與主拉應(yīng)力方向平行，可明顯提高梁、柱、板的受彎承載力并且同時(shí)使梁、柱、板裂縫開展受到約束，從而提高構(gòu)件的抗彎剛度，降低撓度2抗剪補(bǔ)強(qiáng)在梁、柱的剪壓區(qū)段內(nèi)橫向包裹芳綸纖維布可抑制斜裂縫出現(xiàn)或開展，明顯提高構(gòu)件的抗剪強(qiáng)度，提高梁、柱的剛度、延性和抗震耗能能力。芳綸纖維布加固后的試件最大承載力均發(fā)生在芳綸纖維布剝離后、拉斷前，在此過程中，芳綸纖維布承擔(dān)的剪力不斷增大，使總剪力仍然保持在較高的水平改善了構(gòu)件變形能力。芳綸纖維布加固量越大，試件延性越好。采用芳綸纖維布加固混凝土柱，可防止斜裂縫出現(xiàn)或限制斜裂縫開展，顯著提高柱的受剪承載力，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)剪弱彎的抗震要求，同時(shí)芳綸纖維布對(duì)提高高軸壓比試件延性的作用更加明顯。包裹方式分為間隔包裹、連續(xù)包裹，封閉包裹、非封閉包裹，采用夾具錨固包裹和非夾具錨固包裹等。(4)芳綸纖維布在浸透了樹脂以后成為完全不透水的防水材料，可以在對(duì)襯砌進(jìn)行加固的同時(shí)起到防水、防滲漏的作用。(5)芳綸纖維物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，具有很好的耐腐蝕性，不需要特別的防腐處理，容易維修管理。同時(shí)它還能保護(hù)混凝土不受有害氣體對(duì)的腐蝕。(6)芳綸纖維具有優(yōu)良的絕緣性，特別適用于隧道、地鐵等電路和通信設(shè)備較多的場(chǎng)所。它能有效的防止雜散電流對(duì)結(jié)構(gòu)的腐蝕。(這也是其它FRP材料所不具備的)芳綸纖維的發(fā)展1芳綸纖維BMCBMC，即塊狀模塑料，一種短纖維增強(qiáng)熱固性樹脂混料，通常采用玻璃纖維，應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，技術(shù)上也相當(dāng)成熟。如果用芳綸纖維取代玻璃纖維，BMC制品的機(jī)械性能和電氣性能與前者大致相當(dāng)，耐磨性能則明