第九章 高性能纤维
高性能纤维材料的研究及应用前景
高性能纤维材料的研究及应用前景高性能纤维材料是一类非常重要的工业材料，被广泛应用于航空、航天、交通、建筑等领域。
随着科技的不断发展和需求的不断增加，高性能纤维材料的研究也被越来越多的人们所关注。
本文将从材料特性、研究与应用现状以及未来的应用前景三个方面进行探讨。
一、高性能纤维材料的特性高性能纤维材料是由各种材料所制成的纤维，具有优异的力学性能和物理化学性能。
其中，碳纤维、石墨纤维、高强度聚酰胺纤维、芳纶纤维等是较为常见的高性能纤维材料。
这些材料具有以下的特性：1、强度高：高性能纤维材料的强度很高，因此可以承受较大的拉力。
比如碳纤维的强度相当于钢的7倍左右，芳纶纤维的强度甚至比钢还高2倍以上。
因此，在建筑工程中可以采用高性能纤维材料制成的钢筋，以提升建筑物的抗震性和耐久性。
2、刚性好：高性能纤维材料的刚性相对较高，有利于提高材料的稳定性和抗变形能力。
3、重量轻：由于高性能纤维材料的密度相对较低，因此其重量比同体积的钢铁等材料要轻，可以减轻设备和结构物的重量。
4、耐腐蚀性强：很多高性能纤维材料具有较强的耐腐蚀性，可以在恶劣的环境下使用。
二、高性能纤维材料的研究与应用现状随着科技的不断进步和工业生产的发展，高性能纤维材料已经被广泛应用于军事、航空、航天、交通、建筑等领域。
例如，碳纤维材料被广泛应用于航空航天、汽车制造、体育器材等领域；芳纶纤维材料则被应用于防弹衣、安全带、防火服等领域；高强度聚酰胺纤维在火箭、导弹、船舶等领域有着广泛的应用。
目前，高性能纤维材料的研究也在不断深化。
研究人员正在努力提高材料的性能，同时也在探索新的应用领域。
例如，石墨烯纤维作为一种新型的纤维材料受到了极大的关注。
这种纤维具有极高的强度和导电性能，可以应用于高端电子器件、纳米材料等领域。
三、高性能纤维材料未来的应用前景高性能纤维材料的应用前景非常广阔。
未来，高性能纤维材料将在以下几个方面得到进一步的应用：1、智能化材料的发展：高性能纤维材料可以通过特殊的加工工艺使其具有一定的智能化功能，比如具有感应、控制和反应等功能。
【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(纺织材料课件)
指标名称
密度／g．cm-3 强度／cN．tex-1 模量/ cN．tex-1 晶粒厚度／nm
取向角
普通型碳纤维 (A型或Ⅲ型)
1.71-1.93 91.8-140.7 9697．8-12390
<5.o >10°
高强型碳纤维 (C型或Ⅱ型)
1.69-1.85 132.8-177.4 13847-17723
子主链结构对纤维轴的择优取向，预氧化过程必须对纤维施加张力，
实行多段拉伸。
碳纤维制造过程式中最重要的环节
3 预氧化的炭化
预氧丝在惰性气体保护下，在800~1500℃范围内发生碳化反应。纤
维中的非碳原子如N 、H、O等元素被裂解出去，预氧化时形成的梯形大
分子发生交联，转变为稠环状结构。纤维中的含碳量从60%左右提高到
达1000kcal/kg。这些热量必须瞬间排除，否则会发生局部温度剧升
而导致纤维断裂，所以瞬时带走预氧化过程中释放出的反应热是设
备放大和工业生产的关键所在。
除此之外，在预氧化过程中还发生较大的热收缩。一方面是经过
拉伸的原丝，大分子链自然卷曲产生物理收缩。另一方面，大分子
环化过程中产生化学收缩。为了要得到优质碳纤维，继续保持大分
到使用要求。因此，在制备碳纤维工艺流程中都要设置碳纤维表面处理
工序和上浆工序。
表面处理工序主要使碳纤维表面增加含氧官能团和粗糙度，从而增
加纤维和基体之间粘结力，使其复合材料的层间剪切强度提高到80-
120MPa，从而使碳纤维的强度利用率由60%左右提高到80%~90%。
上浆工序的目的是避免碳纤维起毛损伤，所以碳纤维总在在保护胶液中
度和模量都十分高，而垂直于纤维轴向的强度和模量都很低，纤维
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。
第九章-高性能纤维
途径：清除表面杂质；在纤维表面形成微孔或刻 蚀沟槽，从类石墨层面改性成碳状结构以增加表面能； 引进具有极性或反应性官能团；形成能与树脂起作用 的中间层。
普通型
高强度型 高弹性模量型
碳纤维的结构模型 Polymer Matrix Composites，PMC
碳纤维制卫星天线
CFRP在空间站大型结构 以及太ห้องสมุดไป่ตู้能电池支架中的应用
空间工作站
⒉航空工业
用作主承力结构材料，如主翼、尾翼和机体；次承力 构件，如方向舵、起落架、副翼、扰流板、发动机舱、整
流罩及座板等，此外还有C/C刹车片。
碳纤维/环氧树脂 碳纤维/芳纶/环氧树脂
玻璃纤维增强塑料
芳纶/杜邦聚酰胺
芳纶/泡沫芯板 碳纤维/杜邦聚酰胺
在400℃～1900℃的惰性气氛中进行，碳纤维生成的 主要阶段。除去大量的氮、氢、氧等
非碳元素，改变了原PAN纤维的结构，
形成了碳纤维。碳化收率40％~45％，
含碳量95%左右。
碳化后的PAN纤维
石墨化 在2500℃～3000℃的温度下，密封装置，施加压
力，在保护气体中进行。目的是使纤维中的结晶碳向 石墨晶体取向，使之与纤维轴方向的夹角进一步减小 以提高碳纤维的弹性模量。 碳纤维的表面处理
沥青基碳纤维制备工艺示意图 沥青基碳纤维制备过程中化学反应示意图
⑶粘胶基碳纤维
三、碳纤维的分类
根据使用要求和热处理温度的不同﹐碳纤维分 为耐燃纤维﹑碳纤维和石墨纤维。例如 300～ 350℃ 热处理时得耐燃纤维﹔1000～1500℃ 热处理时得碳纤维﹐含碳量为 90～95％﹔碳 纤维经 2000℃以上高温处理可以制得石墨纤 维﹐含碳量高达 99％以上。
高性能纤维材料介绍ppt课件
3
高性能纤维的基本分类、构成与特性
分类 名称
高强高模纤维
耐高温纤维
耐化学作用纤维 无机类纤维
对位芳纶（PPTA）纤 维、芳香族聚酯
（PHBA）纤维、聚苯 并噁唑(PBO)纤维、高 性能聚乙烯（HPPE） 纤维
聚苯并咪唑
力越大越好； 高分子的相对分子质量尽量的大，减少大分
子链中的末端数。
5
对位和间位芳纶
对位芳纶（芳纶1414） 结构：
特点：强度高、模量小、密度小、柔性且化学性能稳 定、除无机强酸、强碱外，能耐多种酸、碱及有机溶 剂的侵蚀。
应用：主要用作高速飞机轮胎的窗子线。用作增强材 料，用于高压容器、火箭发动机外壳和雷达天线罩等。
制备或来源：①乳液纺丝法。工业上采用的主要方法，聚 四氟乙烯乳液（浓度60％）与粘胶丝或聚乙烯醇等成纤性 载体混合后，制成纺丝液，纺丝后将载体在高温下碳化除 掉，聚合物被烧结而连续形成纤维。②糊料挤出纺丝法。 将聚四氟乙烯粉末与易挥发物调成糊料，经螺杆挤出后通 过窄缝式喷丝孔纺成条带状纤维,然后用针辊作原纤化处理, 可制得强度较高、纤度较大的纤维。③膜裂纺丝法。将聚 四氟乙烯粉末烧结制得圆柱体，经切割或切削后,进行热拉 伸等处理,制得白色纤维，强度较低。④熔体纺丝法。以四 氟乙烯与4％～5％全氟乙烯、全氟丙基醚的共聚物熔融后 进行纺丝，制得强度较高的纤维。
高极限氧指数、 耐高温，柔性高 聚物
耐各种化学腐蚀、 高强、高模、低
性能稳定、高极 伸长性、脆性、
限氧指数、耐较 耐高温
高的温度
（>600℃），无
（200~300℃）， 机物
高聚物
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
高性能纤维的制备工艺
高性能纤维的制备工艺高性能纤维是指具有较高的强度、刚度和耐磨性能的纤维材料。
目前常见的高性能纤维包括碳纤维、芳纶纤维和芳纶浆粕纤维等。
下面将分别介绍这些高性能纤维的制备工艺。
1. 碳纤维的制备工艺：碳纤维是由聚丙烯腈纤维（PAN纤维）为原料制备而成的，制备工艺主要包括纤维原料的处理、纺纱、高温炭化和表面处理等几个主要步骤。
首先，通过对聚丙烯腈原料进行干燥、拉伸和热定型处理等，使其具备一定的结晶度和取向性，提高纤维的强度和刚度。
然后，将处理过的聚丙烯腈原料进行纺纱，形成母丝，并对母丝进行拉伸和撚合处理，得到细丝。
接下来，将细丝在高温炭化炉中进行炭化处理，使其脱除杂质和不稳定元素，形成高纯度的碳纤维。
最后，对碳纤维进行表面处理，如防氧化处理和增韧处理，以提高其耐磨性能和抗冲击性能。
2. 芳纶纤维的制备工艺：芳纶纤维是由芳香族聚酰胺类的高分子化合物为原料制备而成的，制备工艺主要包括原料的合成、纺丝、拉伸和热定型等几个主要步骤。
首先，通过对芳香族酰氯和芳香族胺类的反应合成芳纶纤维原料。
然后，将合成的芳纶原料进行溶解和纺丝处理，形成连续纤维流。
接下来，将连续纤维流进行拉伸和撚合处理，得到细丝。
最后，将细丝进行热定型处理，通过加热和拉伸使纤维结晶度和取向性增加，从而提高纤维的强度和刚度。
3. 芳纶浆粕纤维的制备工艺：芳纶浆粕纤维是由芳纶纤维浆粕为原料制备而成的，制备工艺主要包括纤维浆粕的制备、纺丝、拉伸和热定型等几个主要步骤。
首先，通过将芳纶纤维进行化学溶解和机械分散，得到纤维浆粕。
然后，将纤维浆粕进行滤波、浓缩和干燥处理，得到浆粕。
接下来，将纤维浆粕进行纺丝处理，形成连续纤维流。
然后，将连续纤维流进行拉伸和撚合处理，得到细丝。
最后，将细丝进行热定型处理，通过加热和拉伸使纤维结晶度和取向性增加，从而提高纤维的强度和刚度。
综上所述，高性能纤维的制备工艺主要包括原料处理、纺纱、拉伸、炭化（或热定型）和表面处理等几个主要步骤。
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。
高性能纤维简介范文
高性能纤维简介范文
高性能纤维（High Performance Fibers）是指那些具有极强力学性能、耐高温、耐腐蚀性、耐化学污染和其他表征的先进纤维结构材料，包括合成纤维和天然材料，使用这些高性能纤维，可以解决复杂的工程技术难题。
高性能纤维除具有传统纤维的物理性能和大量特殊的特性外，还能在极端的条件下使用，从而为用户提供极高的性能。
高性能纤维应用于汽车、航空、国防、电子、医疗、建筑及其他交通工具领域，用于制造绝缘材料、穿线绳、织物、纱线、带材等产品。
一种特殊的高性能纤维就是超高分子量聚氨酯（UHMWPE），它具有优异的力学性能、较高的耐磨性和耐冲击性，广泛应用于航空航天、医疗器材等行业，也可用于船舶、轮船、管道和阀门等制造行业。
碳纤维（Carbon Fiber）是另一种高性能纤维，它吸收和抗拉伸等强度中等，并具有较高的热稳定性。
它具有质量轻、强度高、弹性差，可以提供良好的热和电绝缘性，广泛用于航空航天、汽车、机械工程以及灵活的军事应用。
此外，碳纤维还用于制造结构件、船舶结构件、悬挂系统和屋面覆盖物。
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。
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。
高性能纤维的制备与性能评估
高性能纤维的制备与性能评估一、高性能纤维的制备方法1、碳纤维的制备碳纤维具有高强度、高模量、耐高温等优异性能。
其制备过程通常包括预氧化、碳化和石墨化三个主要阶段。
首先，将有机纤维（如聚丙烯腈纤维）在一定温度和气氛下进行预氧化处理，使其分子结构发生变化，形成耐热的梯形结构。
然后，在惰性气氛中高温碳化，去除大部分非碳原子，得到碳纤维。
最后，通过进一步高温石墨化处理，提高纤维的结晶度和取向度，从而获得更高的性能。
2、芳纶纤维的制备芳纶纤维（如 Kevlar 纤维）是通过液晶纺丝技术制备的。
将芳纶聚合物溶解在特定的溶剂中，形成液晶溶液，然后通过喷丝孔挤出，在凝固浴中冷却和固化，形成纤维。
在纺丝过程中，分子链沿纤维轴向高度取向，赋予了芳纶纤维出色的力学性能。
3、超高分子量聚乙烯纤维的制备超高分子量聚乙烯纤维通常采用凝胶纺丝法制备。
将超高分子量聚乙烯粉末溶解在适当的溶剂中，形成半稀溶液，然后通过喷丝孔挤出，经过冷却、拉伸等工艺处理，使纤维中的分子链高度伸直和取向，从而获得高强度和高模量的纤维。
4、玻璃纤维的制备玻璃纤维的制备方法主要有坩埚拉丝法和池窑拉丝法。
坩埚拉丝法是将玻璃原料在坩埚中加热熔化，然后通过拉丝孔拉制成纤维。
池窑拉丝法则是将玻璃原料在大型池窑中熔化，通过多孔漏板直接拉丝成型。
二、高性能纤维的性能评估1、力学性能评估（1）拉伸性能拉伸强度和拉伸模量是衡量高性能纤维力学性能的重要指标。
通常采用万能材料试验机进行拉伸测试，通过测量纤维在拉伸过程中的应力应变曲线，计算出拉伸强度和拉伸模量。
（2）弯曲性能弯曲性能反映了纤维在弯曲载荷下的抵抗能力。
可以通过三点弯曲或四点弯曲试验来评估。
（3）冲击性能冲击性能测试用于评估纤维在瞬间冲击载荷下的吸收能量和抵抗破坏的能力，常用的测试方法有摆锤冲击试验和落锤冲击试验。
2、热性能评估（1）耐高温性能通过热重分析（TGA）和差示扫描量热分析（DSC）等方法，可以研究高性能纤维在高温下的热稳定性和热分解行为，评估其耐高温性能。
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机身材料的50％为 碳纤维复合材料
美国B-2隐形轰炸机除主体结构是钛复合材料外，其它部分均由碳纤 维和石墨等复合材料构成，不易反射，表面具有良好的吸波性能。
目前商用飞机上复合材料仅占全机重量的50%，而 某些直升机早已达到90%。
荷兰计划研发新型绿色环保飞机，外形将酷似飞碟，另一个设想就是使用
耐高温纤维制成的消防人员的服装
一、芳纶纤维的分类
全芳族聚酰胺纤维
主要包括对位的聚对苯二甲酰对苯二胺和 聚对苯甲酰胺纤维、间位的聚间苯二甲酰间苯 二胺和聚间苯甲酰胺纤维、共聚芳酰胺纤维以 及如引入折叠基、巨型侧基的其它芳族聚酰胺 纤维。
杂环芳族聚酰胺纤维
是指含有氮、氧、硫等杂质原子的二胺和 二酰氯缩聚而成的芳纶纤维，如有序结构的杂 环聚酰胺纤维等。
碳纤维制卫星天线
CFRP在空间站大型结构 以及太阳能电池支架中的应用
空间工作站
⒉航空工业
用作主承力结构材料，如主翼、尾翼和机体；次承力 构件，如方向舵、起落架、副翼、扰流板、发动机舱、整
流罩及座板等，此外还有C/C刹车片。
碳纤维/环氧树脂 碳纤维/芳纶/环氧树脂
玻璃纤维增强塑料
芳纶/杜邦聚酰胺
芳纶/泡沫芯板 碳纤维/杜邦聚酰胺
2.在工业应用方面
对新材料需求增加，高性能纤维的复合材 料在飞机、能源、建筑、环保、海洋产业等的 应用迅速增长。在运动休闲器材方面也在增加。
高性能纤维在国防领域的应用 （导弹、火箭、卫星、士兵防护、装甲防护、战斗机、舰艇等）
高性能纤维在国民经济领域的应用 （航空、风能发电、汽车轻量、海洋产业、环保、建筑、工业器材等）
⑴聚丙烯腈（PAN）基碳纤维 PAN原丝制备碳纤维的过程分为三个阶段：
预氧化： 200℃～300℃的氧化气氛中，原丝受张力情况
下进行。
PAN原丝 PAN基碳纤维制备过程中化学反应示意图
进行预氧化处理的原因：
PAN的Tg低于100℃，分解前会软化熔融，不能直接 在惰性气体中进行碳化。先在空气中进行预氧化处理，使 PAN的结构转化为稳定的梯形六元环结构，就不易熔融。 另外，当加热足够长的时间，将产生纤维吸氧作用，形成 PAN纤维分子间的化学键合。 碳化：
二、碳纤维的制造方法
⒈气相法 在惰性气氛中将小分子有机物（如烃或芳
烃等）在高温下沉积成纤维。此法用于制造晶 须或短纤维，不能用于制造长丝。
⒉有机纤维碳化法
将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤维， 然后再在惰性气氛中于高温下进行焙烧碳化， 使有机纤维失去部分碳和其他非碳原子，形成 以碳为主要成分的纤维状物。此法用于制造连 续长丝。
按力学性能可将碳纤维分成高强度碳纤维、高 模量碳纤维和普通碳纤维。
四、碳纤维的用途
⒈航天工业
用作导弹防热及结构材料如火箭喷管、鼻 锥、大面积防热层；航天飞机机头，机翼前缘 和舱门等制件。
大推力、高涵道比涡扇发动机大量运用了复合材 料或钛合金空心宽弦叶片、整体叶盘。
卫星构架、天线、太阳能翼片底板、卫星火箭结合部件。哈勃太空望远镜的测量构架， 太阳能电池板和无线电天线。
（1）压缩性差，压缩强度仅有不到拉伸强度的1/5 （2）紫外线照射时强度大幅下降
三、芳纶纤维的结构与特性
对位芳香族聚酰胺纤维
⑴聚对苯甲酰胺（PBA）纤维
中国于80年代初期曾试生产此纤维，定名为芳纶 14（芳纶I）。芳纶I的拉伸强度比芳纶II低约20%， 但拉伸模量却高出50%以上。芳纶I耐热老化性能好， 这些性能用作某些复合材料的增强剂是很有利的。
第九章 高性能纤维
第一节 概述
什么是高性能纤维？ 高性能纤维是近些年来纤维高分子材料领域发展 迅速的一类特种纤维，它是具有高强度、高模量、耐 高温、耐气候、耐化学试剂等所谓高物性纤维的统称。 高性能纤维是国防建设和国民经济发展的重要材 料。 高强高模型 碳纤维、芳纶1414、高强高模聚乙烯纤维。 耐高温型 芳纶1313、芳砜纶、聚苯硫醚纤维（PPS）、玄 武岩纤维等。
在400℃～1900℃的惰性气氛中进行，碳纤维生成的 主要阶段。除去大量的氮、氢、氧等
非碳元素，改变了原PAN纤维的结构，
形成了碳纤维。碳化收率40％~45％，
含碳量95%左右。
碳化后的PAN纤维
石墨化 在2500℃～3000℃的温度下，密封装置，施加压
力，在保护气体中进行。目的是使纤维中的结晶碳向 石墨晶体取向，使之与纤维轴方向的夹角进一步减小 以提高碳纤维的弹性模量。 碳纤维的表面处理
复合材料，如纤维增强塑料。这种复合材料强度可与金属媲美，而重量却比金 属轻得多，因此可以节省燃油。
中国自研大飞机面临发动机与复合材料两大难 题
⒊国防军工
复合材料军用吉普车
玻璃纤维/碳纤维 增强树脂、 美洲轻木、泡沫
⒋交通运输
用作汽车传动轴、板簧、构架和刹车片等
制件；海底电缆、潜水艇、雷达罩、深海油田 的升降器和管道。
强纤维； ✓ 它和树脂形成的复合材料的比强度和比模量比钢和铝
合金还高3倍。
碳纤维的缺点：
✓ 价格昂贵，比玻璃纤维贵25倍以上。
✓ 抗氧化能力较差，在高温下有氧存在时会生成 二氧化碳。
20世纪50年代，美国研发大型火箭和人造 卫星以及全面提升飞机性能，急需新型结构材 料及耐腐蚀材料，使碳纤维重新出现在新材料 的舞台上，并逐步形成了黏胶基碳纤维、聚丙 烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维的三大原料体系。
据中国气象科学研究院预测的风能储量
– 我国陆地风能理论储量：32.3亿kw – 可开发利用储量 ：2.53亿kw – 近海可利用风能储量 ：7亿kw – 可利用风能储量合计 ：10亿kw ，居世 界前列
碳纤维在风力发 电叶轮中应用
使用碳纤维量估算
– 每台5000kw风力发电机，叶片长达90米，需用1吨碳纤维 – 到2010年，新增装机容量241万kw，约需500吨碳纤维 – 到2020年，装机容量3000万kw，则需6000吨碳纤维 – 由此可见，如风力发电的叶片都用碳纤复合材料，则碳纤用 量将达500吨/年。
沥青基碳纤维制备工艺示意图 沥青基碳纤维制备过程中化学反应示意图
⑶粘胶基碳纤维
三、碳纤维的分类
根据使用要求和热处理温度的不同﹐碳纤维分 为耐燃纤维﹑碳纤维和石墨纤维。例如 300～ 350℃ 热处理时得耐燃纤维﹔1000～1500℃ 热处理时得碳纤维﹐含碳量为 90～95％﹔碳 纤维经 2000℃以上高温处理可以制得石墨纤 维﹐含碳量高达 99％以上。
碳纤维
Torayca 3-7 200-300 1.8
高强 PVA Kuvaion 2.1 46
1.32 245*
* 为分解温度
第二节 碳纤维
一、碳纤维概念
碳纤维是一种 性能优异、应用广泛的新材料，
号称“材料之王”
是一种强度比钢大（重量是钢铁的1/4而强度是其 10倍）、密度比铝小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热 钢还耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的 电学、热学和力学性能的新型材料。
⒐其它
工业化工用的防腐泵、阀、槽、罐；催化剂，吸 附剂和密封制品等。生体和医疗器材如人造骨骼、牙 齿、韧带、X光机的床板和胶卷盒。编织机用的剑竿 头和剑竿防静电刷。其它还有电磁屏蔽、音响、减磨、 储能及防静电等材料也已获得广泛应用。
胶卷盒
音箱
复合材料被用来预防受伤，矫正生理 生物医学制品和以体育运动器
纤维种类 商品名
强度 模量 密度 熔点 (Gpa) (Gpa) (g/cm3) (℃)
对位芳纶 Kevlar 2.8 132 1.44 560*
聚芳酯
Vectran 2.8 69
1.4 270
芳杂环纤维 PBO
5.5 280 1.59 650*
高强 PE Dyneema 3.4 160 0.98 140
国外高性能纤维产业近年来发展迅速。
芳纶：2005年全世界总产能是4.6万吨，而 2007年则达到了5.4万吨，增长了39％。
碳纤维：2005年全世界总产能是3.5万吨，而 2007年是5.1万吨，增长了46％。
高强高模聚乙烯纤维：2005年全世界总产能 是6500吨，2007年达到了1.1万吨，增长了69 ％（已含我国）。
二、芳纶纤维的特点
优点（例如Kevlar，凯芙拉 ） ： （1）不熔融 （2）高温能保持高强度与高弹性模量 （3）耐热、不易燃烧 （4）尺寸稳定、几乎不发生蠕变 （5）耐药性好，在有机溶剂及油中性能不下降 （6）耐疲劳性、耐磨性好 （7）对放射性射线的抵抗性大 （8）非导电、且诱电性能优越 （9）与无机纤维相比振动吸收性好、减衰速度快 缺点：
C/C作为刹车盘
超级跑车（大量应用碳纤维复合材料）
船舶和海洋工程用作制造渔船、鱼雷快艇、 快艇和巡逻艇，以及赛艇的桅杆、航杆、壳体 及划水浆；
⒌风力发电叶片
目前风力发电叶片用碳纤维基本为美国供应。随 着全球性的清洁能源发展趋势，我国也陆续出台相关 扶持政策，预计该行业对碳纤维的需求增长幅度 100%-200%，三年后可达到万吨的用量，主要产品 为24K-48K碳纤维。
用作网球、羽毛球、和壁球拍及杆、棒球、曲棍球和高尔夫 球杆、自行车、赛艇、钓杆、滑雪板、雪车等。其中高尔夫球杆、 网球拍和钓鱼竿是体育用品用碳纤维复合材料的三大支柱产品， 约占该类产品的80%
碳纤维自行车
碳纤维高尔夫球杆及保龄球
滑雪杆
⒏土木建筑
幕墙、嵌板、间隔壁板、桥梁、架设跨度大的管线、 海水和水轮结构的增强筋、地板、窗框、管道、海洋浮杆、 面状发热嵌板、抗震救灾用补强材料。
碳纤维构件试验ຫໍສະໝຸດ 利用碳纤维布加固钢筋混凝土构件以提高承载 力及延长寿命是目前比较流行的方法，在建筑业中 有着广泛的发展前景。
碳纤维加固是近年来美日等国家开发 的新型土木建筑结构加固增强技术
碳纤维片材 用于建筑物补强加固