先进复合材料科学技术与发展

2.1先进增强材料
2.1.1碳纤维
典型碳纤维制造商、牌号及其特性
2.1先进增强材料
2.1.1碳纤维
续表
2.1先进增强材料
2.1.1碳纤维
2.1.1.1碳纤维表面改性
碳纤维经过高温碳化处理后，表面活性基团很少，使表面呈 现出液性，与基体树脂润湿性很差，导致复合材料层间剪切强 度低，达不到设计或实用的要求。常见的表面处理方法如下： 内容 说明 1 2 气相氧 化法 3 4 5 硝酸，盐酸，过硫酸钾、硫酸，次氯酸钠，铬酸 盐，双氧水 阳极氧化；电解质为酸、碱或盐等。氧化缓和及 均匀，可控性好 空气氧化：工艺条件苛刻，但设备简单，氧化后 碳纤维强度有所下降 臭氧氧化：工艺简单，氧化缓和及可控 氧等离子：研究开发阶段 间歇操作 广泛用于在线 配套 可在线配套 可在线配套 方法 液相氧 化法
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2.1.4有机杂环类纤维
2.1.4.3聚苯并咪唑（PBI）纤维 聚苯并咪唑纤维是一种具有耐高温和阻燃性能的合成纤 维品种之一，商品名为PBI和托基纶（Togylon）。
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2.1.4有机杂环类纤维
2.1.4.3聚苯并咪唑（PBI）纤维
PBI纤维有复丝和短纤维两种，有较好的耐化学药品性，织物 具有穿着舒适性，是很好的消防阻燃服，即使碳化后仍保持柔 软绝缘性。有消防服、炼钢服、焊工服、宇宙服、军服、防护 手套、围裙、阻燃装饰品、高温滤带和阻燃复合材料增强纤维， 高性能缝线材料及石棉代用品和缆绳等。 该纤维已用作宇宙飞船重返地球时的膨胀结构件、登月服，此 外制成中空纤维具有耐压性、半透性及耐热性，可作为海水淡 化的反渗透膜等，是用途广泛的一种纤维。
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2.1.3聚芳酯纤维
聚芳酯纤维实际上是芳香族聚酯共聚纤维。因为单纯由 对苯二甲酸或其酯类与对苯二酚缩聚得到的芳香族聚酯， 成丝性不好，难以纺成高性能增强纤维。共聚组分的选 择目的是寻找相对廉价、能保持高强度、高模量、共聚 物熔点相对较低、易纺成纤维的最佳组分和配比。目前 国际上聚芳酯纤维的商品名主要有维克特兰（Vectron） 和爱克诺乐（Ekonol）。
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2.1.4有机杂环类纤维
2.1.4.1聚苯并二噁唑（PBO）纤维
2.1.4.1.3PBO纤维的应用
高强绳索以及高性能帆布； 高强复合材料，PBO纤维已成为高性能的新一代增强纤维，可 以同时满足重量轻、高强度、高模量、耐高温性要求，因此在 特种压力容器结构材料、高级体育运动竞技用品等方面已显现 出巨大的应用潜力； 防弹抗冲击材料，PBO纤维复合材料抗冲击性能极为优秀。因 此在防弹抗冲击吸能材料领域已经得到应用，如制造飞机机身、 防弹衣、头盔等； 其他特种防护材料，利用其优越的耐热性、阻燃性、耐剪、耐 磨等特性可以制造轻质、柔软的光缆保护外套材料、安全手套、 耐热毡、特种传送带、灭火皮带、防火服和鞋类等。
―Ekonol‖纤维的化学结构
―Vectron‖纤维的化学结构
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2.1.3聚芳酯纤维
2.1.3.1聚芳酯纤维的性能
聚芳酯纤维最突出的性能是强度和模量与对位芳纶（PPTA） 处于同一水平，但在湿态下强度保持率为100%，吸湿性、蠕 变及干湿态熟化处理后的收缩率皆为零，在干热和湿热处理后 的强度优于PPTA纤维； 耐磨性、耐切割性、耐溶剂和耐酸碱性、振动能吸收性和耐冲 击周期性也优于PPTA纤维； 同时，自燃性、燃烧时不熔滴、耐侯性与PPTA相似。
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2.1.3聚芳酯纤维
2.1.3.2聚芳酯纤维的应用 聚芳酯纤维几乎不吸水，尺寸稳定性良好，当用于增强 橡胶和聚合物时，其界面粘结性和耐疲劳性稍差。
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2.1.4有机杂环类纤维
2.1.4.1聚苯并二噁唑（PBO）纤维 聚对亚苯基苯并双噁唑纤维(PBO纤维) 在主链中含有苯环 及芳杂环组成的刚性棒状分子结构，以及链在液晶态纺丝 形成的高度取向的有序结构，是杂环类耐高温阻燃的高强 度、高模量纤维。具有蠕变小、耐磨性极好、高温下不熔 融等特性。该纤维手感好，非常纤细，可制备不同的形式 如连续纤维、精纺细纱、布、缝合织物、短切纤维、浆粕 等。 PBO产品有美国和日本东洋纺织公司生产的PBO—AS，随 后日本东洋纺织公司开发出名为Zylon和PBO—HM的高性 能PBO纤维，还有荷兰阿克苏的PBO—M5，杜邦公司的 PBO等九种牌号。
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2.1.4有机杂环类纤维
2.1.4.4刚性高性能纤维—M5
2.1.4.4.2M5的阻燃性能
M5的耐氧化降解与PBO纤维相当，要高于 PPTA 纤维 阻燃性能上，M5 要远远好于PPTA 纤维，对 M5 和 PPTA纤维的燃烧实验显示，前者即使在明火中也不能燃 烧，而后者能够在同样的条件下连续燃烧。与PBO纤维 相比，M5的LOI 值相对较低。
0.引言 内容 1.树脂基复合材料的定义和分类 2.增强纤维和基体 3.树脂基复合材料结构设计基本 理论 4.树脂基复合材料的疲劳 5.树脂基复合材料的制造工艺和 方法 6.树脂基复合材料的无损检测 7.树脂基复合材料的优化设计
0.引言
大飞机计划与研发目标
0.引言
定义
1.树脂基复合材料的定义 和分类
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2.1.2芳香族聚酰胺纤维（芳纶）
聚芳酰胺纤维是芳香族酰胺纤维的总称 ，是近年来高性 能纤维材料中发展最快的纤维 。
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2.1.2芳香族聚酰胺纤维（芳纶）
2.1.2.1芳纶纤维的应用
芳纶纤维主要应用在航天、航空、石油、建材、交通、运输和 公安部门，特别在固体火箭发动机壳体、防弹衣、轮胎、缆索 和石棉代用品等方面。 由于芳纶纤维的比强度、比模量明显优于高强S-994玻璃纤维， 芳纶发动机壳体比玻璃增强环氧树脂的壳体容器特性系数 pV/W（p为容器爆破压力，V为容器容积，W为容器质量）提 高30%以上。使固体发动机的关键指标质量比突破0.92，大 幅度增加导弹的射程。 芳纶/环氧树脂复合材料还大量应用于制造先进的飞机，其应 用部位有发动机仓、中央发动机整流罩、机翼与机身整流罩等 飞机部件。此外，飞机高压轮油胶管也大量使用芳纶纤维。 应用于船舶上制造战舰的防护装甲以及声纳导流罩等,是一种
2.1先进增强材料
2.1.4有机杂环类纤维
2.1.4.2聚苯并噻唑（PBT）纤维 在高分子主链中含有苯并噻唑重复单元的耐高温、高模 量芳杂环聚合物。
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2.1.4有机杂环类纤维
2.1.4.2聚苯并噻唑（PBT）纤维
PBT纤维之所以具有高性能，除了必要的芳杂环化学结构外， 还有其分子链在轴向方向的高度取向，这是直棒状高分子在溶 致性液晶态下纺丝成形的结果，从而获得迫近理想结构和性能 的纤维。 PBT纤维可用于石棉替代物和缆绳，是高性能复合材料的新型 增强体。织物用于防弹服、航天领域中的火箭发动机壳体、太 阳能阵列、压力阀和空间结构架，是未来的宇航材料。 中国曾进行合成工艺的基础研究和工艺与性能的研究，由于合 成工艺复杂，溶剂成本高，限制了PBT纤维的发展和应用。
1.树脂基复合材料的定义 和分类 分类
按分散相的形状分：
Hale Waihona Puke Baidu
长纤维（连续）增强树脂基复合材料 颗粒增强树脂基复合材料 晶须增强树脂基复合材料 短纤维（不连续）增强树脂基复合材 料
按增强体的纤维分：
玻璃纤维增强树脂基复合材料 （GFRP）
2.增强纤维和基体
2.1先进增强材 料 2.2高性能树脂 基体
2.1先进增强材料
2.1.1碳纤维
2.1.1.2碳纤维发展趋势 不断提高拉伸强度：现已研制碳纤维的拉伸强度仅为理论强 度的5%，强度提高潜力大； 研制MJ系列碳纤维：高纯度PAN基原丝，高温技术，高温设 备； 制取均质碳纤维：均质PAN原丝，均质预氧丝； 大丝束碳纤维普及：产量扩大，价格日趋下降； 纳米碳纤维：将成为新的成长点。
2.1先进增强材料
2.1.2芳香族聚酰胺纤维（芳纶）
2.1.2.2芳纶纤维的发展趋势
KOREX蜂窝芯：较NOMEX做的纸蜂窝芯的性能有很大的提 高； 土木建筑基础补强材料：应用芳纶浸渍环氧树脂(FiBRA)可使 构件轻量化、耐久性好； IT用高性能印刷线路板：耐更高的温度，更轻更薄，生产效 率更高； 交通运输产业：轮胎，高速车厢内部隔板和天花板，质轻耐 高温不燃烧； 取向纤维增强热塑性材料(0-TPC)：力学性能较普通短纤维 增强塑料高出许多，强韧，耐冲击性好，操作环境无污染，存 放和后加工性比较方便，适应性强
2.1先进增强材料
2.1先进增强材料
2.1.1碳纤维 2.1.2芳香族聚酰胺纤维（芳纶） 2.1.3聚芳酯纤维 2.1.4有机杂环类纤维
2.1.4.1聚苯并二噁唑（PBO）纤维 2.1.4.2聚苯并噻唑（PBT）纤维 2.1.4.3聚苯并咪唑（PBI）纤维 2.1.4.4刚性高性能纤维—M5
2.1先进增强材料
2.1.4有机杂环类纤维
2.1.4.1聚苯并二噁唑（PBO）纤维
2.1.4.1.1PBO纤维的性能
2.1先进增强材料
2.1.4有机杂环类纤维
2.1.4.1聚苯并二噁唑（PBO）纤维
2.1.4.1.2PBO纤维的改性
压缩性能 在纤维制备过程中消除温度的剧烈变化和采用共 聚的方法改善纤维之间的相互作用。 粘接性能 主要通过等离子体、溶剂表面微纤（溶胀）化、 化学接枝与共混等方法来改善PBO纤维的粘接性能。针对PBO 纤维的特性，中国采用反应性单体并利用高能射线辐照技术对 PBO纤维表面接枝处理，以改善纤维与环氧树脂基体的界面粘 接性能。 溶解性 拜耳公司通过引入烷氧取代基来改善溶解性； 道化学公司曾研制一种联苯并双噁唑类的纤维；
复合材料（composites materials）包含两种或两种以 上物理上不同并可能用机械方法分离的材料。一般其中一 种为连续相，另一种为功能增强相。 几种材料通过某种方法混合在一起获得复合性能。 复合材料的总体性能优于各单独组分材料，并在某些方面 可能具有独特性能。 树脂基复合材料（PMCs: Polymer matrix composites） 是一种或多种细小形状（直径为微米级）的材料（分散相 或称增强体），分散于树脂基体中组成的。
2.1先进增强材料
2.1.4有机杂环类纤维
2.1.4.4刚性高性能纤维—M5 1998 年 Akzo Nobel 公开报道了他们最新开发成功的 一种刚性的聚合物纤维，商品名为Ｍ５，缩写为 PIPD。
2.1先进增强材料
2.1.4有机杂环类纤维
2.1.4.4刚性高性能纤维—M5
与其它 3 种纤维相比，M5 的 2.1.4.4.1M5的力学性能 抗断裂强度稍低于 PBO，远远 高于芳纶（PPTA）和碳纤维， 其断后延伸率为 1.4%； M5 的模量是最高的，达到了 350 GPa； M5的压缩强度低于碳纤维，但 却远远高于 PPTA 纤维和 PBO M5、PBT 和 PBO 纤维，这归因于 M5 的二维分 纤维的拉伸 S-S 曲线 子结构。
2.1.5超高分子量聚乙烯纤维
2.1先进增强材料
按力学性能分类 :

2.1.1碳纤维
高强型（HT） 超高强型（UHT） 高模量型（HM） 超高模量型（UHM）
按制造先驱体分类:
聚丙烯腈基（PAN）碳纤维 沥青基碳纤维 粘胶丝基碳纤维（<1%） 酚醛基碳纤维、聚乙烯醇基碳纤 维、聚酰亚胺基碳纤维（实验室 研制）
2.1先进增强材料
2.1.4有机杂环类纤维
2.1.4.4刚性高性能纤维—M5
2.1.4.4.3M5的应用前景
作为高性能纤维，M5 可以作为先进复合材料的增强材料在航 空航天等领域大有用武之地，它可作为防护材料使用，如防弹 材料、军车外壳等。 目前 M5 纤维还未真正应用，但由于其优越的性能，可望在原 子能工业、空间环境、救险需要、航空航天、国防建设、新型 建筑、高速交通工具、海洋开发、体育器械、新能源、环境产 业及防护用具等许多高技术领域得到广泛的应用。