復(fù)合材料的增強(qiáng)體纖維

復(fù)合材料的增強(qiáng)體纖維1第1頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月1.纖維的概念和分類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)而長的材料。具有一定的長徑比。一、纖維2第2頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月按形態(tài)分連續(xù)纖維（長纖維/絲）短纖維（短切纖維/棉/毛）按來源分植物纖維動(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

按成分分：有機(jī)纖維無機(jī)纖維3第3頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月無機(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:芳綸纖維聚乙烯纖維尼龍纖維合成纖維的種類4第4頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月（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4）玻璃纖維的性能5第5頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月玻璃纖維的結(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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

微晶結(jié)構(gòu)假說的要點(diǎn)玻璃是由硅酸塊或二氧化硅的“微晶子”組成，在“微晶子”之間由硅酸塊過冷溶液所填充。7第7頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)假說的要點(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等陽離子稱為網(wǎng)絡(luò)改性物。8第8頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

——普通玻璃硅酸鹽玻璃，用石英砂、純堿和石灰石共熔而制得的一種無色透明的熔體

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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月玻璃纖維化學(xué)成分的制定，一方面要滿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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月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第14頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月玻璃球（直徑15~18mm）造球機(jī)熔煉爐1260℃

混合

玻璃原料1）坩堝拉絲法（玻璃球法）

①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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月②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)，國外3500個(gè)左右孔直徑：1.5~2mm流出玻璃液溫度：1190℃集束輪轉(zhuǎn)速：1000~3000m/min拉絲直徑：3~20um16第16頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月優(yōu)點(diǎn)：①省去制球工藝；②池窯容量大，生產(chǎn)能力高；③對窯溫、液壓、流量和漏板溫度可以自動(dòng)化集中控制；④適用于多孔大漏板生產(chǎn)粗玻璃纖維；⑤廢產(chǎn)品易于回爐18第18頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月3).玻璃纖維的分類原料成分單絲直徑纖維特性20第20頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月原料成分無堿玻璃纖維（E玻纖）：國內(nèi)規(guī)定堿金屬氧化物含量不大于0.5，國外一般為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）：類似于玻璃窗及玻璃瓶的鈉鈣玻璃，強(qiáng)度低，對潮氣侵襲敏感，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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

單絲直徑粗纖維：30um

初級纖維：20um

中級纖維：10~20um

高級纖維：3~10um對于單絲直徑小于4um的玻璃纖維稱為超細(xì)纖維22第22頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月纖維特性高強(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(指無堿及中堿玻璃纖維)23第23頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月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，對人的皮膚有刺激性等。24第24頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月外觀和比重一般天然或人造的有機(jī)纖維，其表面都有較深的皺紋；而對于玻璃纖維來說，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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月宏觀看來，由于表面光滑，纖維之間的抱合力非常小，不利于和樹脂粘結(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)，這對于提高復(fù)合材料制品的玻璃含量是有利的。26第26頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

玻璃纖維直徑從1.5~25um，大多數(shù)為4~14um。

玻璃纖維的密度為2.16~4.30g／cm3，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為可能。此外，一般情況下，無堿玻璃纖維的比重大于有堿纖維。27第27頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月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性能的影響很大。28第28頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月玻璃纖維的拉伸強(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40~100MPa，而直徑3~9um的玻璃纖維拉伸強(qiáng)度則高達(dá)1500~4000MPa，較一般合成纖維高約10倍，比合金鋼還高2倍。29第29頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

玻璃纖維比玻璃的強(qiáng)度高很多，主要有兩方面的原因：Ａ、玻璃纖維高溫成型時(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。Ｂ、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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月玻璃纖維的化學(xué)性能

玻璃纖維除對氫氟酸、濃堿、濃磷酸外，對所有化學(xué)藥品和有機(jī)溶劑都有良好的化學(xué)穩(wěn)定性?；瘜W(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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月玻璃纖維的化學(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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月在玻璃纖維中加入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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月Ａ、普遍采用池窯拉絲新技術(shù)；Ｂ、大力發(fā)展多排多孔拉絲工藝；Ｃ、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14--24um，甚至達(dá)27um；Ｄ、大量生產(chǎn)無堿纖維；Ｅ、大力發(fā)展無紡織玻璃纖維織物，無捻粗紗和短切纖維氈片所占比例增加；Ｆ、重視纖維--樹脂界面的研究，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35第35頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月（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4）碳纖維的結(jié)構(gòu)5）碳纖維的性能36第36頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

1880年，美國科學(xué)家愛迪生用棉、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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月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(Polyacrylontrile--basedcarbonfirber，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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月1964年英國航空材料研究所(RoyalAircraftEstablishment，RAE)開發(fā)出高模量聚丙烯脂基碳纖維（高溫牽伸技術(shù)）；英國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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月2）.碳纖維的制造

1）氣相法2）有機(jī)纖維炭化法41第41頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

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)長絲。

1）氣相法42第42頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月制作碳纖維的主要原材料有三種：①人造絲(粘膠纖維)；②聚丙烯腈(PNN)纖維；③瀝青。2）有機(jī)纖維碳化法43第43頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月無論用哪一種原絲纖維來制造碳纖維，都要經(jīng)過五個(gè)階段：拉絲牽伸穩(wěn)定碳化石墨化44第44頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月拉絲

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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月牽伸

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（相對纖維軸），可顯著提高模量。46第46頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月穩(wěn)定

通過400℃在原絲受張力的條件下加熱氧化的方法。

400℃的氧化階段是A.Shindo‘s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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月碳化

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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

PAN基碳纖維生產(chǎn)過程的簡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，生成碳原子的疊層結(jié)構(gòu)。碳化過程一般用氮?dú)饣驓鍤獗Ｗo(hù)。碳化溫度1000～1500℃，時(shí)間最初為2小時(shí)，日本東麗公司經(jīng)過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)氧化多級加熱爐(1000～1500℃)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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

碳纖維的結(jié)構(gòu)決定于原絲結(jié)構(gòu)與碳化工藝。對有機(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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月在碳纖維形成的過程中，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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月真實(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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月在亂層石墨結(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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月按原絲類型按碳纖維性能按碳纖維的功能按制造條件和方法分類方法3).碳纖維的分類54第54頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月按原絲類型分類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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月按碳纖維

性能分類高強(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CF：拉伸強(qiáng)度<1.4GPa，拉伸模量<140GPa高性能CF56第56頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月按碳纖維的

功能分類受力結(jié)構(gòu)用CF耐焰用CF導(dǎo)電用CF潤滑用CF耐磨用CF活性CF57第57頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月按制造條件和方法分類碳纖維：碳化溫度1200～1500oC，碳含量95％以上。石墨纖維：石墨化溫度2000oC以上，碳含量99％以上?；钚蕴祭w維：氣體活化法，CF在600～1200oC，用水蒸汽、CO2、空氣等活化。氣相生長碳纖維：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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

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)過高溫(3000℃)石墨化處理，比重可達(dá)2.0。59第59頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月碳纖維的應(yīng)力--應(yīng)變曲線為一直線，由于伸長小，斷裂過程在瞬間完成，所以碳纖維不容易發(fā)生屈服。60第60頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月幾種纖維的應(yīng)力－應(yīng)變曲線比較圖61第61頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

碳纖維的熱膨脹系數(shù)與其它類型纖維不同，它有各向異性的特點(diǎn)。

平行于纖維方向是負(fù)值(-0.72~-0.9010-6/℃)，而垂直于纖維方向是正值(32~22

10-6/℃)。63第63頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月碳纖維的比熱一般為7.12l0-1kJ(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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月碳纖維的比電阻與纖維的類型有關(guān)。在25℃時(shí)，高模量碳纖維為775u·cm，高強(qiáng)度碳纖維為1500u·cm。碳纖維的電動(dòng)勢為正值，而鋁合金的電動(dòng)勢為負(fù)值。因此當(dāng)碳纖維復(fù)合材料與鋁合金組合應(yīng)用時(shí)會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕。65第65頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月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)度才開始下降；而其它類型材料包括A12O3晶須在內(nèi)，在此溫度下，其性能已大大下降。67第67頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月另外，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、抗輻射、吸收有毒氣體和減速中子等特性。68第68頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月無機(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69第69頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月（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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月

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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月聚間苯二甲酰間苯二胺該化合物的纖維產(chǎn)品名稱：HT-1纖維，國外商品名Nomex，中國芳綸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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月聚對苯二甲酰對苯二胺（PPTA）屬于液晶高分子，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、Kevlar49等。該化合物的纖維產(chǎn)品名稱：B纖維，國際商品名Kevlar，中國商品名芳綸1414。73第73頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月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苯二甲酰對苯二胺（PPTA）74第74頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月簡單流程圖75第75頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月縮聚反應(yīng)76第76頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月簡單流程圖77第77頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月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)<12%，溶液呈各向同性；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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月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)過一個(gè)紡絲管，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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月各向異性的PPTA溶液通過噴絲孔抽伸時(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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月纖維的大分子剛性極佳，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1／5?？赡?40℃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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月物理性質(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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月機(jī)械性能：

Kevlar纖維的拉伸強(qiáng)度約為E玻璃纖維的1.5倍，與碳纖維相當(dāng)或略高。拉伸模量僅次于碳纖維和硼纖維。芳綸纖維的斷裂伸長在5％左右，接近玻璃纖維。84第84頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月芳綸纖維的強(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。各類增強(qiáng)纖維比強(qiáng)度比模量機(jī)械性能：85第85頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月比強(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)對材料的重要要求之一。比剛度/強(qiáng)度較高說明相同剛度/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，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月不同聚對苯二甲酰對苯二胺纖維的性能比較

87第87頁，課件共99頁，創(chuàng)作于2023年2月Kevlar49