第六章 高性能纤维

三碳纤维的结构
碳纤维是由许多 微晶体堆砌而成 的．微晶体的厚 度为4-10nm，长 度为 ， 度为10—25nm， 度为 ， 它由约12—30个 它由约 个 层面组成。 层面组成。
四 碳纤维的应用
• • • • 1.土木建筑 土木建筑 2.航空、汽车复合材料的应用 航空、 航空 3.工业上的应用 工业上的应用 4.医疗卫生、体育用具 医疗卫生、 医疗卫生
四 纺丝方法
五 应用
用于轮胎工业；高压水龙带、 用于轮胎工业；高压水龙带、 三角皮带、运输带中的增强纤维； 三角皮带、运输带中的增强纤维； 生产电缆(如深海电缆 如深海电缆)、 生产电缆 如深海电缆 、腰带和防 弹背心等。 弹背心等。
第二节碳纤维
一 碳纤维的品种分类 • 聚丙烯睛（PAN）基碳纤维； 聚丙烯睛（ ）基碳纤维； • 粘胶基碳纤维； 粘胶基碳纤维； • 沥青基碳纤维； 沥青基碳纤维； • 木质素纤维基碳纤维； 木质素纤维基碳纤维； • 其他有机纤维基（各种天然纤维、再 其他有机纤维基（各种天然纤维、 生纤维、缩合多环芳香族等合成纤维） 生纤维、缩合多环芳香族等合成纤维） 碳纤维。 碳纤维。
• 荷兰阿克苏： 荷兰阿克苏： • Twaron 1000 标准模量 标准模量(SM)，用于织造、 ，用于织造、 编织 • Twaron 1010 标准模量 标准模量can）增强复合 ） 材料（缠绕成形） 材料（缠绕成形） • Twaron 1111 中等模量 中等模量(IM)增强复合材 增强复合材 缠绕成形、 料(缠绕成形、拉制成形 ，织造、编织 缠绕成形 拉制成形)，织造、 • Twaron 1055 高模量（HM)，用于织造、 高模量（ ，用于织造、 编织 • Twaron 1056 高模量（HM）增强复合 高模量（ ） 材料（缠绕成形、拉制成形） 材料（缠绕成形、拉制成形）
• 5.耐磨性能 耐磨性能 • 由于凯夫拉纤维较弱的横向结合力，因 由于凯夫拉纤维较弱的横向结合力， 此具有较低的耐磨性能， 此具有较低的耐磨性能，当纤维之间摩 擦或与金属表面摩擦，易原纤化。 擦或与金属表面摩擦，易原纤化。这种 情况在纤维表面区域， 情况在纤维表面区域，易纤维劈裂或原 纤化，以致形成断裂。为了保护其表面， 纤化，以致形成断裂。为了保护其表面， 大部分凯夫拉纤维制品上油剂， 大部分凯夫拉纤维制品上油剂，增加耐 磨性
• 象锦纶这样的脂肪族聚酰胺纤维具有 某些缺点，如模量低， 某些缺点，如模量低，尺寸稳定性较 差，在温度较高时的化学稳定性差以 及耐高温性差等。 及耐高温性差等。 • 芳族聚酰胺纤维中，由于在大分子长 芳族聚酰胺纤维中， 链中用芳基取代了一般聚酰胺中的脂 肪基，分子链的柔性减小，闭性增大， 肪基，分子链的柔性减小，闭性增大， 使所得纤维的玻璃化温度， 使所得纤维的玻璃化温度，耐热性能 以及模量等都显著提高。 以及模量等都显著提高。
二 碳纤维性能
• 1.碳纤维的应力 应变曲线是一条直 碳纤维的应力-应变曲线是一条直 碳纤维的应力 纤维在断裂前是弹性体， 线，纤维在断裂前是弹性体，断裂 是瞬间开始和完成的。 是瞬间开始和完成的。高模量碳纤 维的最大延伸率是0. ％， ％，高强度 维的最大延伸率是 35％，高强度 碳纤维为1%，据报道已有延伸率为 碳纤维为 ， 1. 5％的碳纤维商品。碳纤维的弹 ％的碳纤维商品。 性回复为100％。 性回复为 ％。
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二对位芳香族聚酞胺纤维及其产品 对位芳香族聚酞胺纤维及其产品
• • • • • • • • • 美国杜邦： 美国杜邦： 凯夫拉 凯夫拉29 凯夫拉 凯夫拉49 凯夫拉 凯夫拉68 凯夫拉 凯夫拉100 凯夫拉 凯夫拉119 凯夫拉 凯夫拉129 凯夫拉 凯夫拉149 凯夫拉 帘子线 各种用途的纱 高模量纱 中等模量纱 各种色纱 高伸长纱 高强度纱 超高模量纱
• 6.抗燃性能 抗燃性能 • 凯夫拉纤维在4270C时炭化。它的氧指 凯夫拉纤维在 时炭化。 时炭化 数为28.5-29，与诺梅克斯（Nomex)基 数为 ，与诺梅克斯（ 基 本相同 。 • 7.降解温度 降解温度 • 凯夫拉纤维具有极好的热稳定性，这是 凯夫拉纤维具有极好的热稳定性， 芳香族聚酞胺固有的特性。 芳香族聚酞胺固有的特性。在500℃以上 ℃ 产生急剧的降解 .
• 2.碳纤维的物理性能 碳纤维的物理性能 • 碳纤维的密度在1. 5-2. 0 g/cm3之 碳纤维的密度在 这除与原丝结构有关外， 间，这除与原丝结构有关外，主要 决定于炭化处理的温度。 决定于炭化处理的温度。一般经过 高温(3000℃）石墨化处理，密度 高温 ℃ 石墨化处理， 可达2. 可达 0 g/cm3 。 • 碳纤维的热膨胀系数与其他类型纤 维不同，它有各向异性的特点。 维不同，它有各向异性的特点。平 行纤维方向是负值， 行纤维方向是负值，而垂直于纤维 方向是正值。 方向是正值。
一 凯夫拉纤维的发展
• 凯夫拉（Kevlar)纤维由美国杜邦公司于 凯夫拉（ 纤维由美国杜邦公司于 1972年开始工业化生产，是芳香族聚酰 年开始工业化生产， 年开始工业化生产 胺( Aramid）纤维的一个品种。 ）纤维的一个品种。 • 我国于 世纪 年代初研制的两种纤维 我国于20世纪 世纪80年代初研制的两种纤维 与凯夫拉纤维结构一致． 与凯夫拉纤维结构一致．命名为芳纶 1414和芳纶 总称为芳纶纤维。 和芳纶14,总称为芳纶纤维 和芳纶 总称为芳纶纤维。
• 凯夫拉纤维的高结晶和各向异性使得其具 有非常低的蠕变，但在较高的应力下， 有非常低的蠕变，但在较高的应力下，产 生蠕变。一般来讲， 生蠕变。一般来讲，蠕变随着应力和温度 的增加而增加。 的增加而增加。
• 3.压缩性能 压缩性能 • 在轴向和径向具有较低的压缩性能， 在轴向和径向具有较低的压缩性能， 这主要由于它的高结晶和高取向。 这主要由于它的高结晶和高取向。 • 4.剪切性能 剪切性能 • 凯夫拉纤维具有较低的剪切性能，因 凯夫拉纤维具有较低的剪切性能， 为它具有较高的各向异性。 为它具有较高的各向异性。
第六章 高性能纤维
• 高性能纤维为力学性能同时具 有强度为18 有强度为 cN/dtex(20 g/D)、 、 初始模量为441 初始模量为 cN/dtex(500g/D)的特种纤维。 的特种纤维。 的特种纤维
第一节 对位芳纶纤维
• 凡是由酰胺键互相连接的芳基所构成 的合成线型大分子，其中至少有85％ 的合成线型大分子，其中至少有 ％ 的酰胺键直接连接在两个芳基环上， 的酰胺键直接连接在两个芳基环上， 而有50％ 而有 ％以下的酰胺键可被亚胺键所 取代者都称之为芳族聚酰胺。 取代者都称之为芳族聚酰胺。由芳族 酰胺键长链大分子制成的纤维叫芳族 聚酰胺纤维，我国简称芳纶。 聚酰胺纤维，我国简称芳纶。
• 根据碳纤维的性能分类如下： 根据碳纤维的性能分类如下： • 高性能碳纤维：有高强度碳纤维、 高性能碳纤维：有高强度碳纤维、 高模量碳纤维、 高模量碳纤维、 中模量碳纤维等。 中模量碳纤维等。 • 低性能碳纤维：耐火纤维、 低性能碳纤维：耐火纤维、 碳质纤维、 碳质纤维、 石墨纤维等。 石墨纤维等。
• 根据碳纤维的用途，碳纤维品种规 根据碳纤维的用途， 格分为通用型GP和高性能型 和高性能型HP。 格分为通用型 和高性能型 。 • 高性能型又分高强型 和高模型 高性能型又分高强型HT和高模型 HM,根据复合材料工程需要又开发 根据复合材料工程需要又开发 了超高强型UHT和超高模型 和超高模型UTM 了超高强型 和超高模型
• 2.强伸性能 强伸性能
• 凯夫拉纤维具有较高的强度和模量。另外， 凯夫拉纤维具有较高的强度和模量。另外， 它的强伸性能对于温度是不敏感的， 它的强伸性能对于温度是不敏感的，一直 到玻璃化温度以上。 到玻璃化温度以上。
• 凯夫拉纤维其单丝强度为 凯夫拉纤维其单丝强度为22. 9-26. 5 cN/dtex。 。 • 凯夫拉纱最佳捻系数为1. 1。凯夫拉长丝有一较 。 凯夫拉纱最佳捻系数为 宽的强伸范围；强度15.9-23. 8 cN/dtex；断裂伸 宽的强伸范围；强度 ； ％；模量 长1.5%-4.4％；模量 ％；模量379. 5-970. 9 cN/dtex。 。
第三节超高分子量聚乙烯纤维
• 日本帝人： 日本帝人： • Technora 200 高强，橡胶基增强材 高强， 高强， 料Technora 210高强，绳索 高强 • Technora 240 高强，机织、针织物 高强，机织、
三 凯夫拉纤维化学与物理性质
• 1.强度高、质量轻 强度高、 强度高 • 大部分短纤维产品其密度为1. 43-1. 44 大部分短纤维产品其密度为 g/cm3，而凯夫拉 为1. 44-1. 45 g/cm3， 而凯夫拉49为 凯夫拉149为1. 47 g/cm3，与常规合纤相 凯夫拉 为 锦纶为1. 比，锦纶为 14 g/cm3，聚酯为 ，聚酯为1.38 g/cm3，碳纤维为 8 g/cm3，玻璃纤维 碳纤维为1. 钢丝为7. 为2. 25 g/cm3，钢丝为 9 /cm3。因此凯 夫拉纤维密度比锦纶、聚酯大， 夫拉纤维密度比锦纶、聚酯大，而比碳纤 玻璃纤维和钢丝小， 维、玻璃纤维和钢丝小，在基本相同强度 凯夫拉具有较轻的特点。 下，凯夫拉具有较轻的特点。
• 缺陷在碳纤维内是随机分布的。纤维长 缺陷在碳纤维内是随机分布的。 度增长，不仅包含裂纹数目增多， 度增长，不仅包含裂纹数目增多，而且 包含大裂纹、大空穴的几率也增大， 包含大裂纹、大空穴的几率也增大，并 导致强度下降；同理碳纤维直径越粗， 导致强度下降；同理碳纤维直径越粗， 由于缺陷的存在， 由于缺陷的存在，不仅承载的有效面积 减小，而且易造成应力集中， 减小，而且易造成应力集中，导致强度 下降。 下降。强度随试样长度和直径的变化称 之为“体积效应” 尺寸效应” 之为“体积效应”或“尺寸效应”。
• 碳纤维的热导率随温度升高而下降。 碳纤维的热导率随温度升高而下降。 • 碳纤维的比电阻与纤维的类型有关。 碳纤维的比电阻与纤维的类型有关。 • 具有很好的耐热性和耐高温性。 具有很好的耐热性和耐高温性。
• 3.碳纤维的化学性能 碳纤维的化学性能 • 碳纤维的化学性能与碳很相似。它除能被氧 碳纤维的化学性能与碳很相似。 化剂氧化外，对一般酸碱是惰性的。 化剂氧化外，对一般酸碱是惰性的。在空气 温度高于4000C时则出现明显的氧化， 时则出现明显的氧化， 中，温度高于 时则出现明显的氧化 生成CO和CO2。 生成 和 • 在不接触空气或氧化气氛时，碳纤维具有突 在不接触空气或氧化气氛时， 出的耐热性，与其他材料比较， 出的耐热性，与其他材料比较，碳纤维温度 要高于1 要高于 500℃时强度才开始下降。 ℃时强度才开始下降。 • 碳纤维还有良好的耐低温性能 如在液氮温 碳纤维还有良好的耐低温性能.如在液氮温 度下，也不脆化，它还有耐油、抗放射、 度下，也不脆化，它还有耐油、抗放射、抗 辐射、吸收有毒气体和减速中子等特性· 辐射、吸收有毒气体和减速中子等特性
• 用湿法纺出纤维，其纤维强伸模量达353 用湿法纺出纤维，其纤维强伸模量达 cN/dtex以上，比玻璃纤维高二倍半，在 以上，比玻璃纤维高二倍半， 以上 相同质量下，比玻璃纤维更刚硬。 相同质量下，比玻璃纤维更刚硬。 • 1970年杜邦公司着手芳香族聚酰胺纤维 年杜邦公司着手芳香族聚酰胺纤维 工业化； 工业化； • 1971年建立了一个工厂，以B纤维命名 年建立了一个工厂， 年建立了一个工厂 纤维命名 发表了专利并提供产品， 发表了专利并提供产品，之后商业命名 为凯夫拉。 为凯夫拉。 • 生产能力分别在 生产能力分别在1978年为 810 t,1982年 年为6 年为 年 2X104 t以上。目前凯夫拉纤维在美国和 以上。 以上 英国生产。日本帝人1974年工业化生产 英国生产。日本帝人 年工业化生产 Technora。 。