第六章 高性能纤维
高性能纤维
高性能纤维·定义：高性能纤维目前尚无明确而统一的定义。
一般来说，具有比普通合成纤维高得多的强度和模量，有优异的耐高温性能和难燃性及突出的化学稳定性。
·发展：合纤发展的四个阶段：第一阶段（1938～1950年）主要发展锦纶；第二阶段（1950～1956年）涤纶和腈纶问世并实现工业化生产；第三阶段（1956年开始）发展改性纤维，包括差别化纤维；第四阶段（20世纪60年代初）发展高性能纤维。
·分类：包括有机和无机两大类。
无机：碳纤维、硼纤维、硅—碳纤维、铝纤维、硅—钛—碳—氧纤维。
有机：对位、间位芳族聚酰胺纤维杂环聚合物如PBI纤维聚四氟乙烯纤维超高分子量聚乙烯（PE）纤维超高分子量PV A、PAN纤维·用途：属于特殊用途的纤维，生产量虽不大，但在国民经济中占有重要的地位。
如航天、航空工业中飞行器的结构材料，高温、耐腐蚀气体、液体的过滤材料各种复合材料特种防护服等。
一、碳纤维1．生产：以聚丙烯腈纤维、粘胶纤维或沥青纤维为原丝，通过加热除去碳以外的其它一切元素制得的一种高强度、高模量纤维。
2．种类：根据炭化温度不同，分为三种类型。
（1）普通型（A型）碳纤维：在900～1200℃下炭化得到的碳纤维。
强度和弹性模量都较低。
（2）高强度型（Ⅱ型或C型）碳纤维：在1300～1700℃下炭化得到的碳纤维。
强度很高，可达138.4～166.1cN/tex。
（3）高模量型（Ⅰ型或B型）碳纤维：又称石墨纤维。
在炭化后再经2500℃以上高温石墨化处理得到的碳纤维。
强度较高，约为97.8～122.2cN/tex。
模量很高，一般可达17107cN/tex以上，有的甚至可达31786cN/tex。
3．性能：·轴向的强度和模量高，而径向的强度和模量相对较低，因而碳纤维不宜径向受力，打结强度低。
·具有良好的耐热性和耐高温性。
能耐温度急变，热膨胀系数小，耐腐蚀且能导电。
·化学性能与碳相似，在空气中的使用温度不能太高，一般在360℃以下，但在隔绝氧的情况下，一般可达1500～2000℃，且温度越高，纤维的强度越大。
高性能纤维的制备及应用
高性能纤维的制备及应用在科技快速发展的今天，高性能纤维的研发和制备技术成为了人们关注的焦点。
高性能纤维具有高强度、高模量、低密度、低热膨胀系数、高耐热性、耐腐蚀性等优异的性能，在能源、航空、航天、汽车、体育用品等领域都得到了广泛应用。
一、制备工艺高性能纤维的制备工艺主要有两种方法：一种是螺旋丝法，另一种是湿法。
螺旋丝法是通过将高分子材料拉伸成纤维状的工艺制备高性能纤维。
湿法是在高分子材料中加入化学剂，在合适的温度和湿度下制备高性能纤维。
这两种制备工艺都具有各自的优点和缺点。
1. 螺旋丝法螺旋丝法是一种利用高分子材料原有的纤维形态，通过拉伸制备高性能纤维的工艺。
该方法主要步骤如下：第一步，高分子材料被加工成粉末或颗粒状物质；第二步，将粉末或颗粒状高分子材料放置在牵伸器中，进行加热和牵伸处理；第三步，将形成的高性能纤维经过染色、热定型等加工处理。
螺旋丝法制备的高性能纤维具有均匀的强度和模量，可以制备的纤维种类较多。
但是，该方法需要高温、高压的条件，成本较高，且生产效率低。
2. 湿法湿法是一种在高分子材料中加入化学剂，通过反应和加热使其成为纤维状物质的制备方法。
该方法主要步骤如下：第一步，高分子材料和化学剂混合均匀，成为“毛茸状物质”；第二步，将“毛茸状物质”置于加热条件下，进行牵拉处理；第三步，将牵拉后的纤维进行染色和加工处理。
湿法制备的高性能纤维生产成本较低，生产效率较高，适用于小批量生产。
但是，该方法制备的纤维几乎不能选择其形状和尺寸，且纤维强度和模量不均匀。
二、应用领域1. 航空航天领域高性能纤维在航空航天领域的应用已经得到广泛推广，例如，碳纤维和玻璃纤维在飞机、飞行器和卫星的结构部件中被广泛应用，在轻量化和强度耐久性方面取得了显著效果。
2. 汽车领域高性能纤维在汽车领域的应用也已经逐渐成为趋势，例如碳纤维、玻璃纤维、UD纤维等在汽车外壳和零部件制造中得到广泛应用，提高了汽车的燃油经济性、降低了空气阻力、改善了安全性。
高性能纤维
高性能纤维的特征及其应用一、高性能纤维的定义：具备特殊耐受力的一类材料高性能纤维，是指对外部的力、热、光、电等物理作用和酸、碱、氧化剂等化学作用具有特殊耐受能力的一种材料。
包括高强度、高模量、耐高温、阻燃、抗电子束辐射、抗射线辐射、耐酸、耐碱、耐腐蚀等的纤维。
被称为第三代合成纤维。
这类纤维由于具有比普通纤维更高的机械强度和弹性模量，更好的热稳定性、耐酸碱性及耐候性。
是20世纪60年代初发展以来，高分子纤维材料领域发展迅速的一类特种纤维。
它被称为继第一代锦纶、涤纶和腈纶及第二代改性纤维(包括差别化纤维)之后的第三代合成纤维。
二、高性能纤维类别繁多高性能纤维按化学组成可分为有机和无机高性能纤维两大类。
有机高性能纤维是由有机聚合物制成的高性能纤维或利用天然聚合物经化学处理而制成的高性能纤维，按其大分子刚柔性可分为刚性链聚合物纤维和柔性链聚合物纤维。
其中，刚性链聚合物纤维由芳香族大分子构成，大分子柔软度较差，包括芳纶、聚四氟乙烯等；而柔性链聚合物纤维大分子不包含芳香环，柔性度较好，包括超高分子量聚乙烯纤维、超高分子量聚乙烯醇纤维、超高分子量聚丙烯腈纤维等。
无机高性能纤维一般以矿物质或金属为原料制成。
它同样具有不同的分子构象或结构，如无定形纤维、多晶纤维和单晶纤维等。
主要品种有碳纤维、玻璃纤维、石英玻璃纤维、硼纤维、陶瓷纤维、金属纤维等，此外尚有石棉纤维、矿渣棉、高硅氧纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维等其他无机纤维。
三、应用集中于工业，其中高强度高模量纤维发展最快高性能纤维在国防军事和工业领域应用十分广泛。
尤其是在有特殊要求的工业和技术领域，比如宇宙开发、海洋开发、情报信息、能源交通、土木建筑、军事装备、化工和机械等诸多方面，高性能纤维起着不可缺少的作用。
有机高性能纤维中的高模量高强度纤维每年以两位数速率增长。
有机高性能纤维可分为4大类近40种，分别为高强高模纤维、耐热纤维、抗燃纤维及耐腐蚀纤维。
目前，已经商品化的高性能有机纤维当属高强高模纤维增长最快，主要品种的需求量均以2位数增长，耐热纤维次之，主要品种以5%-10%的年增长率发展，抗燃纤维和耐强腐蚀性纤维相对增长缓慢，但又不可缺。
高性能纤维(碳纤维、芳纶纤维和聚乙烯超高分子纤维)
高性能纤维一、中国高性能纤维复合材料需求将日渐强劲，尤其是航天航空、汽车、风电等领域。
根据 JEC 集团研报显示，最近几年全球复合材料需求增长一半都在亚洲，亚洲尤其中国市场增长较快，预计到2013 年中国将占据全球复合材料市场增长 43%的份额；目前国内复合材料用于交通运输的比例相对比较小，只占5%，低于全球 24%平均水平；在工业设备领域比例为10%，也低于全球26%的平均水平。
目前高性能纤维在飞机上的比例为50%-80%，波音公司预计到2025年中国运输飞机数量将是原有的3倍；国内风电和汽车领域需求旺盛，高性能纤维复合材料作为一种先进的轻质高强材料，符合风力发电机组大容量发展趋势，迎合汽车安全、轻型化发展方向。
二、世界三大高性能纤维：1）碳纤维：目前全球碳纤维产能已供过于求，虽然国内碳纤维进口依赖率高达 83.9%，进口替代空间大，但国内碳纤维技术仍待突破，目前进口碳纤维产品价格已逼近国内生产成本。
我们认为碳纤维价格若维持低位，将促进碳纤维在高端产业和工业领域中的普及应用，由于碳纤维每一级的深加工都有高幅度的增值，碳纤维下游复合材料企业将从中直接受益。
2）芳纶纤维：目前全球芳纶纤维整体已出现供过于求局面，但其中芳纶 1414 的供求形势依旧偏紧。
国内芳纶纤维消费旺盛，年复合增长率约为 30%。
我们认为，随着供给增加，国内高温滤料用芳纶 1313 或将出现产能过剩，芳纶 1313 在需有一定技术含量的防护领域、芳纶纸高端产品应用领域市场潜力大；国内芳纶1414 主要依靠进口，供给是关键。
3）超高分子聚乙烯纤维：目前全球超高分子聚乙烯纤维供不应求，供给缺口为 9万吨以上；国内供给缺口为8000吨左右，国内部分企业产品已达世界先进水平，供给是关键。
三、投资策略及重点公司。
由于高性能纤维及复合材料性能要求高、生产工艺复杂、技术壁垒高，是未来产业升级的关键要素，建议投资者关注其中具有技术、规模优势的公司，如生产航空航天复合材料产品，技术垄断优势明显的公司：博云新材(002297)；具有生产芳纶纤维中间体技术优势的的供应商：浙江龙盛（600352）；具备高端芳纶纤维产品生产技术和规模领先优势的龙头企业：烟台氨纶（002254）；关注具有生产超高分子聚乙烯纤维技术与规模实力的上市公司：S 仪化（600871）。
高性能纤维
纤维简介
高性能纤维为力学性能优良，强度为18cN/dtex(20g/D)、初始模量为441cN/dtex(500g/D)的特种纤维。主 要品种为有机纤维的对位芳纶(聚对苯二甲酰对苯二胺)、全芳香族聚酯、超高相对分子质量的高强聚乙烯纤维及 新问世的聚苯并双恶唑等，无机纤维主要为碳纤维。
高性能纤维的生产工艺不同于常规合成纤维，如对位芳纶的液晶干湿法纺丝，高强聚乙烯纤维的凝胶纺丝， 碳纤维的燃烧碳化等工艺都将合成纤维工艺技术带入高技术范畴。并且以高性能纤维为增强基质，用热可塑性树 脂和热硬化树脂以及各种类型的编织物形成的复合材料已逐步扩大在航空、航天、交通运输、工业生产、农林、 海洋水产、能源、环境保护、通信、医疗卫生、体育器材等方面的应用，为人类提供新时代的物质条件，丰富了 人类的生活。由高性能纤维为强化材料组成的尖端复合材料(Advanced composite materials)应用领域广泛， 推动技术经济的发展。
常见种类
国外高性能纤维产业发展迅速，全世界总产能约20万吨，虽然只占化纤总产能0.5%，但其战略意义和经济效 益非常之大。高性能纤维材料主要有碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、聚苯硫醚纤维、超高强高模聚乙烯纤维、 聚对苯撑苯并双恶唑纤维、聚酞亚胺纤维和聚四氟乙烯纤维等。对其中五种主要高性能纤维材料介绍如下。
③抗燃纤维：有酚醛纤维、芳香族聚酰胺表面化学处理纤维、金属螯合纤维、聚丙烯腈预氧化纤维等。
④高强度高模量纤维：有聚苯二甲酰对苯二胺纤维、芳香族聚酰胺共聚纤维、杂环族聚酰胺纤维、碳纤维、 石墨纤维、碳化硅纤维等。
⑤功能纤维：有中空纤维半透膜、活性碳纤维、超细纤维毡、吸油纤维毡、光导纤维、导电纤维等。
⑥弹性体纤维：有聚酯型和聚醚型聚氨基甲酸酯纤维、聚丙烯酸酯类纤维、聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维等。
高性能纤维技术了解高性能纤维在行业中的应用
高性能纤维技术了解高性能纤维在行业中的应用高性能纤维是一种具有出色强度和耐磨性的纤维材料，其在各个行业中广泛应用。
本文将从不同的角度介绍高性能纤维技术及其在不同行业的应用。
一、高性能纤维技术的概述高性能纤维是一种由特定材料制成的纤维，具有较高的拉伸强度和抗拉应力。
它们通常由聚合物、金属或陶瓷等制成，并经过特殊的加工和处理过程，以获得优异的性能。
高性能纤维广泛应用于航空航天、汽车、体育器材、防护装备等领域。
二、高性能纤维在航空航天领域的应用航空航天领域对材料的要求极高，高性能纤维由于其轻量、高强度和耐高温等特性而成为首选材料。
在航空航天领域中，高性能纤维常被用于制造飞机、导弹和航天器的结构件，如飞机机身、发动机罩等。
其优异的性能可以有效提高飞行器的性能和安全性。
三、高性能纤维在汽车行业的应用汽车行业对材料的要求包括强度、刚度、热稳定性等方面，高性能纤维在满足这些要求的同时减轻了整车的重量，提高了燃油经济性。
高性能纤维可以用于制造汽车的结构件、内饰件以及汽车电池等。
其优异的性能可以提供更好的碰撞安全性和驾驶舒适性。
四、高性能纤维在体育器材领域的应用在体育器材领域，高性能纤维的应用范围广泛，如高性能碳纤维、芳纶纤维等。
这些纤维被广泛应用于制造高尔夫球杆、网球拍、自行车车架等器材。
高性能纤维的轻质和高强度能够提供更好的性能，为运动员提供更好的体验。
五、高性能纤维在防护装备领域的应用防护装备领域对材料的要求非常高，高性能纤维由于其出色的抗冲击性和抗刺穿性而成为理想的材料。
在防弹背心、防刺服、安全带等防护装备中广泛采用高性能纤维制成的材料，有效保护人身安全。
总结：高性能纤维技术在航空航天、汽车、体育器材和防护装备等行业中得到广泛应用。
高性能纤维的轻质、高强度和耐磨性使其成为各行业中的理想材料，大大提升了产品的性能和质量。
随着技术的不断发展，相信高性能纤维将在更多的领域展现出其巨大潜力。
高性能纤维
高性能合成纤维也相继问世，如具有吸湿排汗功能的Coolmax纤维、高吸水性复合纤维Hygra、纳米远红外纤维、抗菌防臭纤维、常温常压无载体易染聚酯纤维PBT、丙烯酸酯系弹性纤维阿尼姆Anidex等；天然纤维品种的创新也取得可喜的进展，如今，天然彩棉的内衣、衬衫已进入市场，让人们体验到真正意义上绿色环保纤维的优点。
除此以外，彩色羊毛、彩色兔毛、细软苎麻、拉细羊毛、抗菌功能大麻、罗布麻等纤维的研发也逐渐商业化。
纺织品后整理技术发展迅速。
如防皱、磨绒、烂花、涂层、压花、砂洗、复合、纳米接枝等技术处理，使服装面料的外观、手感、功能、风格各异，为服装设计提供无限的发展空间。
绿色环保材料已成为服装贸易的主题。
随着世界纺织品服装贸易配额的即将取消，世界发达国家对纺织品服装材料的卫生环保要求逐步严格。
如纺织品服装禁用偶氮染料、服装甲醛残留量指标、金属制品中重金属离子含量标准等。
我国也已制定相关的纺织品服装进出口环保技术标准。
新型结构的纱线和织物。
从纱线结构来看，一是多纤维混纺面料形成趋势。
利用各种纤维材料性能优势的互补性，开发多种纤维不同比例混纺，以获取性能优异的新型面料，已形成趋势，尤其在各种休闲服装面料开发上。
二是纺纱形式的创新，如新型的紧密纺、包缠纺、赛络纺，为纱线结构、手感、风格带来全新的概念，从织物结构来看，多层结构织物赋予织物种种特殊性能，如保暖、增强、吸湿导汗、起泡起皱等。
2、论述羊毛织物涤毛混纺织物和毛型化纤织物的常用鉴别方法。
首先从感官鉴别来看：全羊毛织物，一般毛纤维含量在95％以上。
用感官法判断全毛织物还有一定困难。
全毛织物特征是色泽均匀、柔和，手感柔软，用手紧握手中有明显的弹性感，放开后会有一些浅折痕，恢复较慢。
全毛织物用手搓捏时有丰糯滑腻的油脂感，这是区别化纤仿毛织物的特征。
涤毛混纺织物，布面光洁明亮，织纹清晰，光滑挺爽，与全毛相比手感稍有硬挺之感，弹性好，手抓握放开几乎没有抓痕。
仿毛织物，原料有涤纶、腈纶、粘胶，普遍的特性是有毛感，但缺乏羊毛的油润感。
高性能纤维简介
高性能纤维目录编辑本段定义高性能纤维是具有特殊的物理化学结构、性能和用途，或具有特殊功能的化学纤维，一般指强度大于17.6cN/dtex，弹性模量在440cN/dtex以上的纤维。
如耐强腐蚀、低磨损、耐高温、耐辐射、抗燃、耐高电压、高强度高模量、高弹性、反渗透、高效过滤、吸附、离子交换、导光、导电以及多种医学功能。
这些纤维大都应用于工业、国防、医疗、环境保护和尖端科学各方面。
编辑本段分类高性能纤维按性能可分为耐腐蚀性纤维、耐高温纤维、抗燃纤维、高强度高模量纤维、功能纤维和弹性体纤维等。
①耐腐蚀纤维：即含氟纤维。
有聚四氟乙烯纤维（Teflon TFE）、四氟乙烯-六氟丙烯共聚纤维(TeflonFEP)、聚偏氯乙烯纤维(Kynar)、乙烯-三氟氯乙烯共聚纤维(Halar)等。
②耐高温纤维：有聚间苯二甲酰间苯二胺纤维(No-mex)、聚酰亚胺纤维(Αримид ∏Μ)、聚苯砜酰胺纤维(СульФон-Τ)、聚酰胺酰亚胺纤维(Kermel)、聚苯并咪唑纤维(PBI)等。
③抗燃纤维:有酚醛纤维(Kynol)、芳香族聚酰胺表面化学处理纤维、金属螯合纤维、聚丙烯腈预氧化纤维(Pyromex)等。
④高强度高模量纤维：有聚苯二甲酰对苯二胺纤维(Kevlar)、芳香族聚酰胺共聚纤维(HM-50)、杂环族聚酰胺纤维(Βниивлон СΒΜ)、碳纤维(Carbon fiber :Torayca)、石墨纤维(M40)、碳化硅纤维等。
⑤功能纤维:有中空纤维半透膜(B-9、B-10、PRISM等)、活性碳纤维(KF等) 、超细纤维毡(Ф∏∏15等)、吸油纤维毡(Tafnel等)、光导纤维(Crofon、Eska等)、导电纤维(Antron Ⅲ)等。
⑥弹性体纤维：有聚酯型和聚醚型聚氨基甲酸酯纤维(Spandex)、聚丙烯酸酯类纤维(Anidex)、聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维(Fibre-L)等。
大多数高性能特种纤维采用湿法纺丝制成。
高性能纤维材料介绍
分类：
定义：化学组成中碳元素占总质量 90%以上的纤维。其中含碳量高于99%的称石墨纤维。
特点：碳纤维的轴向强度和模量高，又兼具纺织纤维的柔软可加工性。无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。
No.1
成分：甘氨酸（NH2-CH2-COOH）、丙氨酸（NH2-CH[CH3]-COOH）及小部分的丝氨酸（NH2-CH[CH2OH]-COOH）及其它氨基酸单体蛋白质分子链。
No.2
特点：具有其他纤维不可比拟的强度大、 弹性好、柔软、质轻、抗断裂、耐紫外线等优点，并且可生物降解和回收，不会对环境造成污染，是生产绿色织物优异的纺织材料。但产量非常低。
应用：应用于各种腐蚀和热作用场合的传送带和连接器件，压滤和过滤材料，防护带及服装，洗刷用工业鬃毛丝，电缆、开关的防护绝缘层，热塑性复合材料的增强体，土木膜和土木材料，以及乐器的弦线和网球拍用线。
01
制备或来源：制备可采用高温 370℃ 以上熔纺成形、冷却、拉伸并使纤维适当松弛。
02
结构：特点：化学稳定性极好，耐腐蚀性优于其他合成纤维品种；纤维表面有蜡感，摩擦系数小；实际使用温度120～180℃；还具有较好的耐气候性和抗挠曲性,但染色性与导热性差，耐磨性也不好,热膨胀系数大，易产生静电。
聚四氟纤维(PTFE）、聚醚酮醚（PEEK）纤维、聚醚酰亚胺（PEI）纤维
碳纤维（CF）、高性能玻璃纤维（HPGF）、陶瓷纤维、高性能金属纤维
主要特征
高强(3~6Gpa)、高模（50~600Gpa）、乃较高的温度（120~300℃），柔性高聚物
《高性能纤维》课件
纤维是材料科学中的重要组成部分，它们有着广泛的应用领域。本课件将介 绍纤维的来源、分类和特点，以及高性能纤维的定义和意义。
纤维的定义和来源
纤维是由天然或人工合成的细长材料组成的，具有一定的柔韧性和拉力。它 们可以从植物、动物或化学合成过程中获得。
纤维的分类和特点
天然纤维
如棉、麻、丝等，具有良好的透气性和舒适性。
1 高强度
具有比钢材还要高的强度，能够承受高张力。
2 低密度
相对较轻，有助于减轻负荷和降低材料重量。
3 耐高温
能够在极高温度下保持稳定性和强度。
高性能纤维的发展趋势和展望
随着科技的进步，高性能纤维将继续迎来新的发展。未来，我们可以期待更 高强度、更轻便、更多样化的高性能纤维材料。
防护纤维
如Kevlar，用于制作防弹衣、防 刺手套等。
结构纤维
如碳纤维，用于航空航天和汽车 制造。
特殊用途纤维
如芳纶纤维，用于制作防火服装。
高性能纤维的制备工艺
1
聚合
通过融物经过纺丝头拉伸成纤维。
3
固化
通过加热或化学处理使纤维固化、增加强度。
高性能纤维的特殊性能和优点
合成纤维
如涤纶、尼龙等，具有较高的强度和耐磨性。
功能纤维
如阻燃纤维、抗菌纤维等，具有特殊的性能和功能。
高性能纤维的定义和意义
高性能纤维具有卓越的力学性能和化学稳定性，广泛应用于航空航天、军事 防护和高科技领域。它们能够承受极高的拉力和温度，为现代科技进步提供 了重要支持。
高性能纤维的种类和应用领域
高性能纤维材料介绍
高性能纤维材料介绍引言高性能纤维材料是一类具有优异力学性能和化学性能的新型材料，被广泛应用于航空航天、军事、能源、交通以及体育等领域。
本文将详细介绍高性能纤维材料的定义、常见种类、制备方法以及应用领域等方面。
定义高性能纤维材料指具有优异力学性能（如高强度、高模量和高韧性等）、化学稳定性以及导热性能的材料。
其特点是在质量相同情况下，具有比传统材料更高的强度和韧性。
这些材料通常由高聚合物、陶瓷、金属或复合材料等构成。
常见种类超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）超高分子量聚乙烯纤维是一种重要的高性能纤维材料。
它具有极高的强度和韧性，被广泛应用于防弹衣、绳索、船舶绳索以及体育器材等领域。
碳纤维碳纤维是一种以聚丙烯腈纤维为原料，在高温和无氧条件下经氧化、炭化等工艺制得的纤维材料。
碳纤维具有较高的强度和刚度，同时具备较低的密度和优异的耐腐蚀性能。
它广泛应用于航空航天、体育器材、汽车制造等领域。
高强度玻璃纤维高强度玻璃纤维是一种通过熔融玻璃纤维化处理制得的纤维材料。
它具有优异的强度、刚度和耐水性能，在建筑、航空航天、输油管道以及汽车制造等领域有着广泛的应用。
高强度聚酰胺纤维（Kevlar）高强度聚酰胺纤维是一种由聚酰胺原料制成的纤维材料。
它具有极高的强度和刚度，同时具备较好的耐热性和阻燃性能。
Kevlar广泛应用于防弹衣、安全带、航空航天以及体育器材等领域。
制备方法高性能纤维材料的制备方法多种多样，常见的制备方法包括：1.纤维拉伸法：通过在高温和高拉伸速率下拉伸纺丝材料，使其纤维获得较高的强度和韧性。
2.微胶囊共聚法：在微胶囊中包裹纺丝材料单体，并在气氛中聚合形成纤维。
3.溶胶凝胶法：将材料溶胶液注入模具中，经凝胶化和固化处理后，得到具有规则形状的纤维。
应用领域高性能纤维材料由于其出色的力学性能和化学性能，在多个领域有着广泛的应用，其中包括但不限于：1.航空航天领域：用于制造飞机、航天器结构件和发动机部件等。
高性能纤维
高性能纤维高性能纤维引言随着科技的不断发展和人们对优质生活的追求，高性能纤维作为一种新型材料，正逐渐受到广泛关注和应用。
高性能纤维以其卓越的力学性能和特殊的化学、物理特性，逐渐在军事、航天、航空、体育、医疗等领域得到了广泛应用。
本文将就高性能纤维的分类、制备方法、应用领域以及存在的问题与展望进行探讨。
一、高性能纤维的分类高性能纤维可以根据其材料来源、纤维结构和纤维特性等不同方面进行分类。
1.根据材料来源分类根据材料来源的不同，高性能纤维可以分为天然纤维和合成纤维两大类。
天然纤维主要包括蚕丝、羊毛、鱼网丝、大豆纤维等，这些纤维具有优异的力学性能和生物相容性，广泛应用于医疗、体育等领域。
合成纤维则是通过化学方法合成的，常见的有聚酯纤维、聚酰胺纤维、芳纶纤维等，它们具有高强度、高模量等优点，主要应用于军事、航天等领域。
2.根据纤维结构分类根据纤维结构的不同，高性能纤维可以分为单晶纤维和多晶纤维两种类型。
单晶纤维的分子结构更加有序，纤维强度和模量更高，代表性的有芳纶纤维等；多晶纤维的分子结构相对松散，具有较高的延伸率和抗冲击性能，代表性的有超高分子量聚乙烯纤维等。
3.根据纤维特性分类根据纤维的特性，高性能纤维可以分为高强度纤维、高模量纤维和高韧性纤维三种。
高强度纤维的主要特点是抗拉强度高，代表性的有碳纤维、芳纶纤维等；高模量纤维以其刚度和强度高[标点符号] 代表性的有陶瓷纤维、硼纤维等；高韧性纤维具有较高的断裂伸长率[标点符号] 代表性的有超高分子量聚乙烯纤维等。
二、高性能纤维的制备方法高性能纤维的制备方法主要包括纺丝法、膜法、解胶法和干湿共混法等。
1.纺丝法纺丝法是制备高性能纤维的常见方法之一。
它通过熔融或溶液的方式将高分子材料转变成连续纤维。
在纺丝过程中，高分子材料首先被加热或溶解，然后通过喷丝孔或喷嘴进行成纤。
纤维的结晶度和力学性能与纤维的拉伸速度、拉伸倍数和后处理方式有关。
2.膜法膜法主要用于制备高分子材料的薄膜，然后再将薄膜拉伸成纤维。
高性能纤维
• 从分子结构来看，决定高分子材料力学性能如强 度、模量等的主要因素包括主价键力和次价键力。 前者决定了大分子主链的强度，后者则与纤维的 聚集态结构紧密相关。
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一、由化学纤维到高性能纤维 的发展概况
• 高性能纤维是一种技术密集、投资巨大的 工业产品，其主要缺点是价格昂贵。 • 例如，每公斤超高分子量聚乙烯纤维的市 场售价约50美元、芳香族聚酰胺纤维约80 美元、聚丙烯腈基碳纤维约120美元，而无 机硼纤维则高达800美元左右。
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一、由化学纤维到高性能纤维 的发展概况
• 高强高模纤维是高性能纤维中发展最快的 一类纤维，不论是工艺技术的革新、新材 料或新品种的不断出现，还是性能或功能 方面的进一步提高，都给人以日新月异的 感觉。
• 通常，有机纤维高分子的主链所含元素种 类较少，主要有C、N、S、O及H等。在化 学键方面，C-C共价键占很大比例。
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二、高强高模纤维的结构特点
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三、耐高温纤维
• 事例：1983年6月，加拿大民航飞机失事因 火灾导致20多人死亡后，飞机内部座套、 装饰材料等的阻燃化开始受到世界各国的 高度重视。
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三、耐高温纤维
• 目前，世界各国对飞机机舱内部制品或材 料的阻燃性都有非常严格的要求。发生空 难时，阻燃性材料可在数分钟内不燃烧， 为乘客安全脱险或采取紧急救护措施赢得 宝贵的时间。 • 类似汽车、火车、船舶以及公共场所的铺 饰材料或装饰物等的阻燃化也同样受到人 们普遍重视。
• 金刚石是典型的三维有序高性能材料，而石墨则 具有二维有序结构特征。
高性能纤维的性能及应用
高性能纤维的性能及应用
高性能纤维是指具有优异物理力学性能的纤维编织物，其中包括高刚性纤维，高拉伸性、高延伸性、衰减性能好的纤维以及其他高性能纤维。
高性能纤维的发展极大地促进了纤维应用的普及，是一种特殊的高性能纤维，主要由碳纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维、芳香族高分子纤维以及金属纤维等材料制成，具有优异的物理力学性能。
首先，高性能纤维具有高强度。
一般情况下，针对普通纤维的抗张强度、抗拉强度都很低，但是高性能纤维的抗张强度、抗拉强度都比普通纤维要高很多，抗拉强度甚至可以达到1700MPa。
其次，高性能纤维具有高模量和较低的模量失效点，它的弹性模量高达2GPa左右，较普通纤维模量有很大的提高，而且模量失效点较低，使得它具有很好的抗静态和动态荷载的能力。
此外，高性能纤维具有良好的抗拉伸性和优质的衰减性能。
它的抗拉伸性可以达到30%以上，比普通纤维的抗拉伸性高很多，无损延伸率也可以达到非常高的水平，而且高性能纤维的衰减性能也很好，可以抑制其力学性能的下降，使其具有长期机械稳定性。
第六章 高性能纤维
• (3)耐疲劳性和耐磨性：在高交变应力下具 有很好的耐疲劳性，并有长期的耐负荷性。 • (4)化学稳定性：除可溶于浓硫酸和浓硝酸 中变黄外 ，对其他溶剂均很稳定。 • (5)耐燃性：PEEK本身具有耐燃性 ，氧指 数为35％，使燃烧时，它的挥发物量也很 少，腐蚀性气体少。 • (6)PEEK具有根高的机械强度。 • (7)良好的耐辐射性。 • (8)PEEK的耐热氧老化性能好。
二 聚苯硫醚纤维（PPS）
• 聚苯硫醚纤维具有独特的阻燃性、 很好的抗化学性和热稳定性。 • 在工业烟道气过滤、特殊的熟介质 过滤、造纸工业中干燥带、电缆包 胶层和防火织物等方面获得应用 。
三 聚醚醚酮（PEEK）
• 是一种综合性能优良的热塑性工程塑料。 • 1、PEEK的性能 • (1)耐热性：其熔点为335℃，可在245250 ℃连续使用。 • (2)耐热水性：耐热水性是其最大特点之 一。在80 ℃的水中漫泡800h，拉伸强度 和 断 裂伸长率基本没有变化
二 碳纤维性能
• 1.碳纤维的应力-应变曲线是一条直 线，纤维在断裂前是弹性体，断裂 是瞬间开始和完成的。高模量碳纤 维的最大延伸率是0. 35％，高强度 碳纤维为1%，据报道已有延伸率为 1. 5％的碳纤维商品。碳纤维的弹 性回复为100％。
• 缺陷在碳纤维内是随机分布的。纤维长 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，并 导致强度下降；同理碳纤维直径越粗， 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，导致强度 下降。强度随试样长度和直径的变化称 之为“体积效应”或“尺寸效应”。
四 纺丝方法
五 应用
用于轮胎工业；高压水龙带、 三角皮带、运输带中的增强纤维； 生产电缆(如深海电缆)、腰带和防 弹背心等。
高性能纤维
高性能纤维
纤维在现代材料领域扮演着至关重要的角色，其种类繁多，其中高性能纤维更是备受关注。
高性能纤维具有优异的机械性能、耐热性和化学稳定性，广泛应用于航空航天、军事防护、体育器材等领域。
本文将介绍高性能纤维的种类、制备方法和应用领域。
高性能纤维的种类
高性能纤维的种类主要包括碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。
碳纤维具有极高的强度和刚度，是目前应用最为广泛的一种高性能纤维。
芳纶纤维具有出色的耐热性和化学稳定性，常用于制备防弹衣和防火服。
超高分子量聚乙烯纤维则以其超强的抗拉伸性能而著称。
高性能纤维的制备方法
高性能纤维的制备方法包括干法纺丝和湿法纺丝两种主要工艺。
干法纺丝是将聚合物预聚合物加热至溶解温度后，通过喷丝孔拉伸形成纤维。
湿法纺丝则是在溶剂中将预聚合物溶解，然后通过旋转或拉伸将纤维制备而成。
高性能纤维的应用领域
由于高性能纤维具有出色的机械性能和化学稳定性，因此在航空航天、军事防护、体育器材等领域得到广泛应用。
碳纤维被广泛应用于飞机、汽车、运动器材等领域，以提高产品的强度和轻量化。
芳纶纤维常用于制备防弹衣、防火服和工业过滤材料。
超高分子量聚乙烯纤维则被用于制备高强度绳索和抗弯曲材料。
综上所述，高性能纤维在现代材料领域扮演着不可替代的角色，其种类繁多、制备方法多样，应用领域广泛。
随着科技的不断进步，相信高性能纤维将在更多领域展现出其巨大的潜力。
高性能能纤维
高性能纤维系指对外界的作用不易产生反应，亦即具备高模量、高强度、耐热性、耐候性、耐磨擦性、耐化学品性、电绝缘性的纤维材料。
高功能纤维系指具有特殊功能的纤维。
这里所谓的特殊功能包括光传导功能、物理分离吸附功能、高吸水性功能、导电功能、抗静电功能、电磁波屏蔽功能、光反射及光吸收功能、蓄热功能及卫生保健功能一，智能纤维方法1，直接纺丝2，接枝共聚3，交联反应4，共混与添加5，复合纺丝6，高分子化学反应7，后处理智能纤维种类变色纤维（光致变色纤维、热致变色纤维）光致变色机理：一，分子结构异构化:顺、反异构化, 互变异构化, 原子价异构化二，分子的离子裂解三，分子的自由基解离四，氧化还原反应热致变色物质：胆甾型液晶，热致变色有机染料智能凝胶纤维（温度敏感凝胶纤维、pH敏感凝胶纤维、电场敏感凝胶纤维）高分子凝胶是由聚合物的三维交联网络与溶剂组成的多元体系理论：凝胶体积发生溶胀或收缩是由于凝胶内部溶液与周围溶液之间存在渗透压制备方法：常规纤维后处理切割凝胶薄膜利用毛细管为模具原位聚合传统的纺丝工艺结合化学及辐射技术静电纺丝方法蓄热调温纤维传统纤维：通过绝热方法避免皮肤温度降低过多,绝热效果主要取决于织物的厚度和密度。
厚度约大，密度越小，滞留在织物内部的静止空气越多。
蓄热调温纤维：通过对水分和外界压力变化的敏感响应，为人体提供舒适微气候环境的新的保温机理形状记忆纤维、智能抗菌纤维相变纤维：浸渍法，复合纺丝法，微囊法二，芳香族聚酰胺纤维ＰＰＴＡ干喷湿纺（浓硫酸），ＭＰＤＡ（干，湿，干湿）PPTA浆粕（液晶纺丝切断法，低温溶液直接缩聚法，沉析法）PBO ＰＢＩ（回潮性加工性，耐热耐腐蚀，化学性质稳定）降低聚芳酯熔点（(1)主链的芳环上引人取代基;(2)引入萘环等较大的芳环以破坏聚合物结构上的致密性;３，主链上引人少量柔性基团;(4)主链上引人间位二元芳酸以破坏分子链的直线性。
）聚酰亚胺PI（高强高模，耐低温耐辐射，良好的介电性，热稳定性，发烟率低，良好的相容性）三，超高分子量聚乙烯（耐热性，耐蠕变性，粘结性）冻胶纺丝，（1超高分子量，减少末端数，增加作用力2，稀溶液，减少分子间缠绕3，热处理形成折叠连结晶4超被拉伸形成取向的伸直链结晶）超倍热拉伸一般经三个阶段：①初期阶段。
【课程大纲】高性能纤维
《高性能纤维》课程大纲一、课程概述课程名称（中文）高性能纤维（英文）High Performance Fibers课程编号1437104课程学分 2.0学分课程总学时 32学时课程性质专业选修课二、课程简介高性能纤维的发展是一个国家综合实力的体现，是建设现代化强国的重要物资基础。
高性能纤维复合材料是发展国防军工、航空航天、新能源及高科技产业的重要基础原材料，同时在建筑、通信、机械、环保、海洋开发、体育休闲等国民经济领域具有广泛的用途。
本课程主要结合材料科学与工程专业的课程体系，讲述高性能纤维国内外的研究与发展现状，高性能纤维的特性与分类、纤维结构性能及表征、应用领域等，重点介绍芳香族纤维、碳纤维、高强度纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维、耐热纤维、耐化学腐蚀纤维等的发展历史、特性、制备工艺、结构性能、主要产品及应用实例。
三、教学目标与要求通过教学，使学生在掌握高性能纤维材料基本知识的前提下，更能及时了解国内外最新的研究和发展动向，提高学生对专业课程知识进行记忆、思考、理解、交流的能力。
同时结合本校已有的高性能纤维方面的科研力量，促进学生的科研能力的提升，从而全面提高学生在该领域继续深造或专业研究工作中的竞争力。
四、教学内容与学时安排绪论（2学时）一、高性能纤维的基本性能、发展概况（1学时）二、掌握高性能纤维的应用及主要产品（1学时）第一章芳香族聚酰胺（6学时）1.教学目的与要求（1）掌握芳香族聚酰胺纤维结构、制品及其应用（2）了解芳香族聚酰胺纤维的发展概况（3）了解芳香族聚酰胺的制造工艺（4）掌握芳香族聚酰胺其它纤维材料2.教学重点与难点（1）教学重点芳香族聚酰胺主要纤维材料（2）教学难点芳香族聚酰胺纤维的结构、生产工艺第一节方向族酰胺基本概念、发展历史及其基本性能（2学时）一、芳香族聚酰胺纤维概念、产生背景二、芳香族酰胺的基本性能第二节芳香族聚酰胺结构、制备及应用（2学时）一、芳香族酰胺的结构及制备工艺二、芳香族聚酰胺应用第三节芳香族聚酰胺其它纤维（2学时）一、芳香族杂环纤维二、PBO三、PBI四、芳香族聚酯纤维（一）Ekonol Vectran；PHQT；3,4-PCOPGT（二）聚酰亚胺纤维（三）聚苯硫醚纤维（PPS）的发展、性质、制备及应用第二章超高分子量聚乙烯纤维（4学时）1.教学目的与要求（1）掌握超高分子量聚乙烯纤维结构、制品及其应用（2）了解超高分子量聚乙烯纤维的发展概况（3）了解超高分子量聚乙烯纤维的制造工艺2.教学重点与难点（1）教学重点超高分子量聚乙烯纤维制品及其应用（2）教学难点掌握超高分子量聚乙烯纤维结构及制备工艺第一节超高分子量聚乙烯纤维发展概况、结构（2学时）第二节超高分子量聚乙烯纤维主要制品及其应用实例（2学时）第三章高强度纤维（4学时）1.教学目的与要求（1）掌握高强度纤维结构、制品及其应用（2）了解高强度纤维的发展概况（3）了解高强度纤维的制造工艺2.教学重点与难点（1）教学重点高强度纤维的发展概况、主要制品及其应用（2）教学难点高强度纤维结构及制备、改良工艺第一节高强度纤维的基本概况（发展史、应用领域）、结构及基本性能、分类与制造（2学时）一、高强度纤维的基本概况（发展史、应用领域）、结构及基本性能二、高强度纤维分类与制造第二节高强度纤维的结构与性能（2学时）第四章碳纤维材料（4课时）1.教学目的与要求（1）掌握碳纤维结构、制品及其应用（2）了解碳纤维的发展概况（3）了解碳纤维的制造工艺2.教学重点与难点（1）教学重点碳纤维的发展概况、主要制品及其应用（2）教学难点碳纤维结构及制备、改良工艺第一节碳纤维的基本概况（发展史、应用领域）、结构及基本性能、分类与制造（2学时）一、碳纤维的基本概况（发展史、应用领域）、结构及基本性能二、碳纤维分类与制造第二节碳纤维的结构、产品、性能及应用实例（2学时）一、碳纤维的结构二、碳纤维主要产品及其增强复合材料第五章玻璃纤维（4学时）1.教学目的与要求（1）掌握玻璃纤维结构、制品及其应用（2）了解玻璃纤维的发展概况（3）了解玻璃纤维的制造工艺2.教学重点与难点（1）教学重点玻璃纤维的制品及其应用发展概况（2）教学难点玻璃纤维的结构及制备工艺第一节玻璃纤维的概况（2学时）一、玻璃纤维的概念二、玻璃纤维的发展历史三、玻璃纤维的应用第二节玻璃纤维的基本性能、制品及制造工艺（2学时）一、玻璃纤维的基本性能二、玻璃纤维制品三、玻璃纤维的制造工艺第六章陶瓷纤维（2学时）1.教学目的与要求（1）掌握陶瓷纤维结构、制品及其应用（2）了解陶瓷纤维的发展概况（3）了解陶瓷纤维的制造工艺2.教学重点与难点（1）教学重点陶瓷纤维制品及其应用（2）教学难点陶瓷纤维结构及其生产工艺第一节陶瓷纤维的基本概念、主要特性及其应用领域（1学时）一、陶瓷纤维的概念二、陶瓷纤维的特性三、陶瓷纤维的应用第二节陶瓷纤维的结构、制备、主要产品及应用实例（1学时）一、陶瓷纤维的制备二、陶瓷纤维的结构三、陶瓷纤维的应用实例第七章耐热纤维（2学时）1.教学目的与要求（1）掌握耐热纤维制品及其应用（2）了解耐热纤维的发展概况2.教学重点与难点（1）教学重点耐热纤维制品及其应用（2）教学难点耐热纤维结构及改性第一节耐热纤维发展的基本概况、基本性能及结构单元（1学时）一、耐热纤维概况二、耐热纤维基本性能三、耐热纤维结构第二节耐热纤维制品及其应用实例（1学时）一、耐热纤维制品二、耐热纤维应用第八章耐化学腐蚀纤维（2学时）1.教学目的与要求（1）掌握耐化学腐蚀纤维制品及其应用（2）了解耐化学腐蚀的发展概况2.教学重点与难点（1）教学重点耐化学腐蚀制品及其应用（2）教学难点耐化学腐蚀结构及改性第一节耐化学腐蚀纤维概况、结构及基本性能（1学时）一、耐化学腐蚀纤维概况二、耐化学腐蚀纤维结构三、耐化学腐蚀纤维基本性能第二节耐化学腐蚀纤维制品及其应用（1学时）一、耐化学腐蚀制品二、耐化学腐蚀纤维应用第九章高性能纤维的发展趋势（2学时）1.教学目的与要求（1）理解高性能发展的趋势（2）了解高性能纤维改良与发展的手段2.教学重点与难点（1）教学重点高性能纤维发展的趋势（2）教学难点高性能纤维改良手段及工艺第一节高性能纤维发展的趋势（1学时）第二节高性能纤维主要的改良工艺和技术手段（1学时）5.考核方式与成绩评定闭卷考试，平时成绩30%（考勤占10%，课内总结报告占20%），卷面成绩70%6.教材与主要参考资料主教材：《高性能纤维》，J W S Hearle,中国纺织出版社，2004.主要参考资料：[1] Menachem Lewin, Jack Preston.High technology fibers[M].纺织工业出版社，1992.[2] 徐僖.高分子材料科学与工程[M].高分子材料科学与工程出版社[3] 罗益锋.世界主要高性能纤维简况[J].化工新型材料，2001，29(5)：1-4.[4] 裘愉发.主要高性能纤维的特性和应用[J].现代丝绸科学与技术，2010（1）17-24[5] 罗益锋.3大高性能纤维及其应用新动向与对策建议高科技纤维与应用，2012，37（6）：1-6.。
高性能纤维
聚酰胺(PA)纤维
也称锦纶或尼龙，最早工业化的合成纤维.
-CO-NH- 主链上酰胺基 二元酸和二元胺为单体
1936年，美国杜邦公司卡卢瑟 斯（Carothers）发明了聚酰 胺66纤维，这是世界上出现的 第一种合成纤维，并于1939年 工业生产。1941年，德国法本 公司（Farben AG）开始生产 聚酰胺6纤维。2007年世界聚 酰胺纤维产量390万吨，其中 我国80万吨。
聚丙烯（PP)纤维
膨体变形长丝（BCF)的纺制
膨体变形长丝是将 经过拉伸后的丝束通 过热空气变形装置加 工而成的变形丝。 BCF膨松、三维卷 曲、手感好，用于簇 绒地毯、装饰材料、 内衣等。
纺粘法#
纺丝得到的纤维直接铺网成无纺布
熔喷法 纺丝得到的纤维直接铺网成无纺布。 纺粘法：熔体喷丝后才与拉伸的空气行接触。 区别
熔喷法：熔体喷丝的同时利用热空气以超音速和熔体细流接触，是熔 体喷出并被拉成极细无规则短纤维。强度低、粘结强度低。
熔喷网与其它材料复合，如SMS:两层纺粘布将熔喷布夹在中间。
聚乙烯醇缩醛纤维
醋酸 石油 乙炔或乙烯 天然气 卷绕 拉伸 醋酸乙烯 聚醋酸乙烯
干法纺丝
湿法纺丝
聚乙烯醇
维纶长丝生产流程图
-氨基酸为单体
聚酰胺纤维的分类
聚酰胺6（尼龙6，锦纶6） 脂肪族聚酰胺纤维 聚酰胺66（尼龙66，锦纶66） 其它脂肪族聚酰胺纤维 聚酰胺纤维 聚对苯二甲酰对苯二胺（Kavlar，芳纶1414） 芳香族聚酰胺纤维 聚间苯二甲酰间苯二胺（Nomex，芳纶1313） 芳香族聚酰胺共聚物纤维 半芳香族聚酰胺纤维（如尼龙6T）
聚氨酯弹性纤维
2003.12
高技术纤维
高技术纤维的分类
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• 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。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• 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）
• 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
• 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 .
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。
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
• 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。
• 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。
• 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
• 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。 。
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 ％。
• 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。
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。
• 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
• 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。
• 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。 。