芳纶纤维复合材料

绵阳职业技术学院

材料系

先进复合材料成型工艺

芳纶纤维增强的先进复合材料制品

目录

1 芳纶纤维增强的先进复合材料的应用 (1)

1.1 概况 (1)

1.2 芳纶品种及性能 (1)

1.3 芳纶纤维产品形态及复合材料的成型方法 (4)

1.4 芳纶纤维复合材料的应用 (4)

2 原材料 (7)

2.1 聚氨酯树脂 (7)

2.2 芳纶纤维 (10)

3 制作工艺 (11)

3.1成形方法的选择 (12)

3.2 芳纶1313 (13)

4 修补及性能检测 (14)

4.1 缺陷 (14)

4.2 芳纶表面改性 (14)

5 参考文献 (16)

先进复合材料成型工艺

芳纶纤维增强的先进复合材料制品

1 芳纶纤维增强的先进复合材料的应用

1.1 概况

目前,先进复合材料的增强材料主要是S高强玻璃纤维非碳纤维和芳纶纤维。前两者介绍文章较多,本文主要针对芳纶复合材料及应用情况作概括介绍。

芳纶纤维是芳香族聚酰胺类纤维的通称。它是一种强度高、模量高、低密度、耐折、耐磨性好的人工合成的有机纤维。据了解,现在美国、荷兰、日本、德国、法国和俄罗斯等国都在开发芳纶纤维。我国也进行了这方面研制并取得了一定成绩。

美国杜邦公司开发的芳纷纤维,商品名“凯芙拉”(K velar)有多种规格出售,年产量已达2t。荷兰阿克苏(AKZO)公司研制的芳纶纤维,商品名“特瓦纶”(Twaron),年产量在5000t以上。日本帝人公司开发的共聚芳纶纤维,商品名“太库诺拉”,年产量为500t以上。德国赫斯特公司(HOECHST)生产芳纶纤维年产量为150t。我国1981年研制成功芳纶I,1985年研制成功芳纶Ⅱ,1994年北京燕山石化公司研究院研制成功溶致液晶全芳香族聚酰胺(PPTA),通过专家鉴定,为今后中石、工业化生产开辟了途径。

在世界范围内,芳纶纤维正以年增长率20%左右的速度发展,并从单一军用向民用转移。芳纶纤维用于汽车及防护用品方面占68%,用于造船业达21%,其余为航空、航天及军用。

1.2 芳纶品种及性能

芳纶纤维,因选择原料的不同及合成工艺不同,又可分为间位芳香族聚酰胺纤维,商品名为“欧梅克斯”(Nomex)对位芳香族聚酰胺纤维,商品名“凯芙拉”（Kevlar)和芳香族聚酰胺共聚纤维,商品名“太库诺拉”等。表1将具有代表性的“凯芙拉”纤维和我国研制的芳纶I、芳纶Ⅱ主要性能列出,同时与S高强玻璃纤维及碳纤维进行比较。

从表1中可以发现芳纶纤维密度最小,拉伸强度与S

玻璃纤维和碳纤维接近,拉伸

2

模量居中。此外,芳纶纤维的热稳定性好,可在180℃下长期使用,短期可耐300℃,对强度无大的影响。在-170℃下也不会变脆,仍保持其性能。芳纶纤维的力学性能在有机纤维中是非常突出的，与无机纤维比也不逊色，芳纶纤维除强酸、强碱外,几乎不受有机溶剂、油类影响。但芳纶纤维对紫外线敏感, 若长期暴露在阳光下，其强度会有很大的损失，因此,在使用中应加保护层。

表1芳纶纤维主要品种与S高强玻纤、碳纤维性能比较

表2芳纶纤维、碳纤维、E玻纤树脂浸渍纱带性能

表3芳纶纤维、碳纤维、E玻纤单向纤维板性能

=60%，0。为纤维方向

备注：单向纤维板树脂为环氧V

f

芳纶纤维作为复合材料的增强材料性能优良。表2列出芳纶纤维、碳纤维和E玻璃纤维的树脂浸渍纱带性能,表3列出单向纤维板性能。

国内已有对芳纶增强丁腈橡胶、环氧树脂的研究报道。如有研究做出的芳纶/环氧复合材料与常规材料力学性能的比较[1-2]。

表4芳纶/环氧复合材料与常规材料力学性能的比较

1.3 芳纶纤维产品形态及复合材料的成型方法

芳纶纤维和玻璃纤维一样,产品形态有有捻纱、无捻粗纱,各种规格布、带、毡及短切原丝等。常与芳纶纤维匹配的树脂有环氧、酚醛、不饱和聚脂、乙烯基脂、聚酰亚胺等,近年来还与尼龙、PBT等复合使用。成型方法也和玻璃钢等成型方法一样,有缠绕法、手糊法、预浸渍法、真空袋法、加压法以及注射法等,可根据需要选择。

1.4 芳纶纤维复合材料的应用

1.4.1 在航空、航天、军需方面的应用

芳纶纤维可制作大型飞机的二次结构材料,如机舱门、窗、整流罩体表面、机翼有关部件。也可制机内天花板、隔板、舱壁、行李架、座椅等。采用芳纶纤维复合材料可以减轻飞机自重30%左右。如L一1011三星式客机总的芳纶纤维复合材料用量达1135kg,使机重减轻365kg;波音757、767使用芳纶纤维复合材料,减轻机重454kg；DHC-7短程飞机减轻机重91kg。S-76商用直升机的外蒙皮使用芳纶复合材料已达50%；喷气式教练机T-4也采用芳纶纤维复合材料。芳纶纤维复合材料可制造火箭发动机壳体、压力容器、宇宙飞船驾驶舱等。芳纶纤维复合材料还可制造坦克、装甲车、飞机、潜艇的防弹板和头盔及防弹衣等。

芳纶纤维复合材料可制造快艇、帆船、赛艇、渔船、独木舟等。采用芳纶纤维复合材料造船,船自重比玻璃钢和铝都好,船体可减轻3O%左右,节约燃料30%以上,可相应增加航程。由于芳纶纤维复合材料具有吸收振动及承受连续冲击的能力,船航行稳，使人感到安静、舒适。

1.4.3 在体育器材方面的应用

芳纶复合材料可用来制造高尔夫球棒、网球拍、滑雪橇、雪车、钓鱼杆、弓、标枪等。

1.4.4 在汽车方面的应用

芳纶纤维可取代石棉,因而可降低对环境和人体健康的危害,它可制造刹车片、离合器、整流器、引擎垫片、汽车车身。尤其赛车可减轻车重,提高强度,增加车速。

1.4.5 在建筑方面的应用

芳纶纤维复合材料在建筑领域越来越受到重视。芳纶纤维可取代石棉用来增强水泥,可提供轻结构、高强度构件,并防止水泥制品开裂。加拿大蒙特楼市奥运体育馆采用芳纶纤维复合材料制成的可伸缩性屋顶,面积达5600m2,具有抗强风及承受大雪负荷的强度。近年来,国外正在开发芳纶纤维增强胶粘层压木梁的技术,这种增强材料称作FiRptm。它的出现意味着用低级木材可取代高级、贵重木材,而且安全、经济。这种增强胶粘层压梁比钢筋水泥构件还经济。目前,美国、德国、日本、澳大利亚、加拿大等国都在研究采用,有广阔的发展前景。

1.4.6芳纶在信息技术产业上的应用

由于IT技术的发展[3]，光纤铺设量猛增，全球光纤总长度2001年为1.6亿km，到2003年增至2.0亿km。对位芳纶可用作光缆中的“张力构件(Fension member) "(或称芯扞)，有了这种具有高模量性能的张力构件，可保护细小而脆弱的光纤在受到拉力时不致伸长，从而不使光传输性能受到损害。目前用于此张力构件的对位芳纶约3000-4000t，据业者预测，其实际短缺量约4000-5000t。[4]