第八章 高性能纤维解析.ppt

第八章 高性能纤维 一、 碳纤维 1880年，爱迪生用棉、亚麻等纤维制成的电灯丝 1959年，美国联合碳化物公司的Thornel(索纳尔） 1962年， 日本大阪技术研究所进藤昭男研制出PAN基碳纤维，1964年，英国皇家研究所的Watt等在预氧化和炭化时施加应力，制得高强度高模量碳纤维 1963年，日本大谷杉郎研制出沥青基碳纤维，70年吴羽化学工业化（GP)，78年UCC(现Amoco)制得中间相沥青基碳纤维 此后碳纤维向着高强度、高模量方向发展。 1.碳纤维的分类 具体的种类和特点 2.碳纤维的制法 对先驱体纤维的要求：碳化过程不熔；碳化收率高；强度、 模量等性能符合要求；能获得稳定长丝。 用聚丙烯腈纤维制备碳纤维的制造工序大体分为四步：预氧化、碳化、石墨化和表面处理。 PAN法生产CF的工艺过程为： （2）碳化处理 预氧化纤维在张力下，在300-1500℃的温度下，在N2（纯度99.99%）保护下进行的热解反应，将结构中不稳定部分与非碳原子（如N、H、O等原子）裂解出去，同时进行分子间缩合（横向交联反应），最后得到碳含量达92%以上的碳纤维，结构向石墨晶体转化。 300-400℃分子间脱水交联 400-600℃分子间脱N2脱H2交联 600-1400℃进一步脱N2脱H2 （3）石墨化处理 原理和目的：提高石墨层片的取向，提高纤维模量。 （4）上浆与表面处理 目的：表面处理 — 提高CF的表面活性； 上浆 — 保护CF，作为树脂与碳纤维 的偶联剂 3.碳纤维的结构 石墨晶体是一种三维有序的六方晶体点阵结构。 其特征：层面内C原子sp2杂化；层与层间靠范德华力联结，距离较大；相邻层面间的C原子位置有固定的层间对应关系。 3）CF结构与性能的关系 （1）热处理（HTT）对CF强度和模量的影响：HTT提高，CF模量提高，强度会出现峰值。 （2）润湿与粘接：CF结晶好，碳原子排列整齐、晶粒大，晶棱小，表面缺陷小，树枝对碳纤维的润湿性不好，需进行表面处理。 （3）PAN原丝本身质量、缺陷对CF有影响。 4.碳纤维的性能 碳纤维的强度σfu高、模量Ef大。由于密度ρf小，所以具有较高的比强度σ/ρ和很高得比模量E/ρ。 （1）热性能： 耐高低温性能好 导热性能好。导热系数虽温度升高而减小，有方向性，沿纤维轴向的导热系数远大于垂直方向。 Ι型碳纤维远小于ΙΙ型碳纤维。 线膨胀系数沿纤维轴向具有负的温度效应，可制成零膨胀复合材料，尺寸稳定性好，耐疲劳性能好。但与基体的热膨胀系数的差异大，所以复合材料在固化后冷却过快或经受高低温变化时易产生裂纹。 （2）表面活性低，与树脂的粘结性差。所以碳纤维复合材料的层间剪切强度较低。 碳纤维沿纤维方向的导电性好，摩擦系数小，具有自润滑性能。 二、 芳纶 美国杜邦公司1960年研制出间位芳香族聚酰胺纤维（商品名为（Nomex），1968年开始研究对位芳香族聚酰胺纤维，1972年工业化，取商品名为Kevlar。芳香族聚酰胺纤维称为芳纶（aramid），以杜邦公司首先推出的Kevlar纤维为典型代表。 Kevlar纤维是一种密度低，强度、模量高和耐腐的有机纤维，是目前复合材料应用最广的高模量有机纤维。 （2）Kevlar纤维的制备 聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA）由对苯二胺和对苯二甲酰氯缩聚 反应制得： 纺丝： 纺丝工序包括纺丝原液的配制、喷丝、干湿纺、溶液萃取与洗涤、干燥等几个步骤。 P65扫描 热处理 对于干燥得到的Kevlar-29纤维，在氮气或惰性气氛下，施加张力于150-550℃高温下分段处理，变成Kevlar-49纤维。 热处理的目的是使分子链进一步取向，提高结晶度，从而使纤维的拉伸强度和模量提高，不过相应断裂伸长率下降。 （3） Kevlar纤维的结构 PTAA分子间缠结少，刚性很强。 分子链良好的规整性使芳纶高度的结晶性，在纤维的轴向高度定向。 分子链上的氢原子，和其它分子链上的酰胺上的羰基结合成氢键，成为高聚物分子间的横向连接。 Kevlar-49化学结构的三个特征 含有大量苯环，内旋转困难，为处于拉伸状态的刚性伸直链晶体； 苯环与酰胺键交替排列，全处于对位，规律性好，对称性好，结晶好； 分子间有氢键，形成梯形化合物。 结构对性能的影响 模量高：苯环结构，分子链刚性大，呈棒状结构，并具有极高结晶度； 强度高：分子链堆积密度大，单位面积的分子链数目多； 各向异性：沿纤维方向是强的共价键，纤维横向是较弱的氢键，力学各向异性； 韧性好：主链有柔性链节； 耐热性好，尺寸稳定性好：苯环结构的刚性； 耐腐蚀性好：苯环结构环内电子的共轭作用。 （4） Kevlar纤维的性能 (1) 弹性模量高：Kevlar-49纤维的