第三章 复合材料的增强体
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
能长期在180℃下使用；在150℃下作用一周后强度、模 量不会下降；即使在200℃下，一周后强度降低15％，模 量降低4％
材料在空气中燃烧所需氧气体积的百分比叫做极限氧指数， 极限氧指数越大，其阻燃性能就越好。通常空气中氧气含 量为21%而芳纶1313的极限氧指数大于28%，属于难燃 纤维，所以不会在空气中燃烧，也不助燃，有自熄性。这 种源于本身分子结构的固有特性使芳纶1313永久阻燃，因 此有“防火纤维”之美称
在低湿度(20％相对湿度)下芳纶纤维的吸湿 率为1％，但在高湿度(85％相对湿度)下，可 达到7％。
17
2 芳纶纤维的结构 ➢芳纶纤维是对苯二甲酰与对苯二胺的聚合体，全 称聚对苯二甲酰对苯二胺 ，经溶解纺丝而成。它的 化学结构式如下：
图2-1所示，纤维的三维结构如图2-2所
示，纤维的内部是垂直于纤维轴的层状结构所组成，层状结构则由近似棒
状的晶粒所组成，晶粒长度依赖于分子量．Kevlar49的平均分子量约为
40000，存在一些贯穿数层的长晶粒，它们加强了纤维的轴向强度，层中
的晶粒互相紧密排列。
19
➢在芳香环上刚硬的直线状分子链在纤维轴向是高度 定向的，各聚合物链是由氢键作横向连结 ➢力学性能各向异性 沿纤维方向的强共价键和横向弱 的氢键，是造成芳纶纤维力学性能各向异性的原因， 即纤维的纵向强度高，而横向强度低
➢在低温(-60℃)不发生脆化亦不降解 15
➢热膨胀系数 和碳纤维一样，芳纶纤维具有各向 异性
芳纶纤维的纵向热膨胀系数在0 ~ 100℃时为-2 × 10 -6 /℃ ；在100 ~ 200℃时为-4 × 10 –6 /℃。横 向热膨胀系数为59 × 10 -6 /℃
16
C 芳纶纤维的化学性能 ➢耐蚀性，对中性化学药品的抵抗力一般是很强的， 但易受各种酸碱的侵蚀，尤其是强酸的侵蚀 ➢耐水性 这是由于在分子结构中存在着极性酰氨 基，耐水性不好
5
聚苯乙烯塑料，加入玻璃纤维后
拉伸强度可从600MPa→1000 MPa 弹性模量可从3000 MPa → 8000 MPa 热变形温度可从85℃ → 105℃ 冲击强度 -40 ℃以下的可提高10倍
6
纤维
有机纤维 无机纤维
7
第一节 有机纤维 芳纶纤维 聚乙烯纤维 尼龙纤维
8
一 芳纶纤维
➢芳纶纤维 目前巳工业化生产并广泛应用,将聚 合物溶解在溶剂中，再经纺丝制成的芳香族聚酰 胺合成纤维（Aramid fiber) ➢国外商品牌号叫凯芙拉(Kevlar)纤维，我国暂 命名为芳纶纤维，有时也称有机纤维 ➢芳纶纤维的历史很短，发展很快。1968午美国 杜邦公司开始研制, 1972年杜邦公司以凯芙拉 (Kevlar)的商品名引进市场。
A 、芳纶纤维的力学性能
➢拉伸强度高 单丝强度可达3773 MPa；254mm长 的纤维束的拉伸强度为2744 MPa，大约为铝的5倍。 ➢韧性 大约为石墨纤维的6倍，为硼纤维的3倍， 为玻璃纤维0.8倍 ➢断裂伸长 在3％左右，接近玻璃纤维，高于其他 纤维。便于纺织。 ➢弹性模量高 可达75-186GPa，比玻璃纤维高一倍， 为碳纤维0.8倍
9
常用芳纶纤维的用途
➢芳纶主要用于橡胶增强，制造轮胎、三角皮 带、同步带等 ➢芳纶--29主要用于绳索、电缆、涂漆织物， 以及防弹背心等 ➢芳纶--49用于航空、宇航、造船工业的复合 材料构件
10
1 芳纶纤维的性能特点
A 、芳纶纤维的力学性能 Ｂ、 芳纶纤维的热稳定性 Ｃ、 芳纶纤维的化学性能
11
1.44
2.80
1.26
1.94
2.36
2.75
3.82
1.17
SiC纤维（钨芯）
2.69
3.43
4.80
1.28
钢丝
7.74
4.20
2.00
0.54
钨丝
19.40 4.10
4.10
0.21
钼丝
10.20 2.20
3.60
0.22
28 124 188 88 162 178 26 21 35 4
纤维的作用 ➢在复合材料中起增强作用，是主要承力组分 ➢纤维不仅能使材料显示出较高的抗拉强度和 刚度，而且能减少收缩，提高热变形温度和低 温冲击韧性等 ➢复合材料的性能在很大程度上取决于纤维的 性能、含量及使用状态。
3
常用增强纤维与金属丝性能对比
密度 抗拉强度 拉伸模量 比强度 比模量
g/cm3
GPa
100GPa 106N.m/kg 106N.m/kg
无碱玻璃纤维
2.55
3.40
0.71
1.33
高强度碳纤维（II） 1.74
2.42
2.16
1.39
高模量碳纤维（I） 2.00
2.23
3.75
1.12
Kevlar49 硼纤维
第三章 复合材料的增强材料
材料学院 徐彤
1
在复合材料中，粘结在基体内以改进其机械性能的高 强度材料称为增强材料。也称作增强体、增强剂等
纤维及其织物 增强材料的分类 晶须
颗粒
2
第一部分 纤维
植物纤维－－－棉花、麻类
动物纤维－－－丝、毛；
矿物纤维－－－石棉
天然纤维
强度较低
现代复合材料的增强材料常用合成纤维
12
➢密度小，比重为1.39 ~ 1.45g/cm3，只有铝的一 半。因此，它有高的比强度与比模量 ➢与碳纤维混杂将能大大提高纤维复合材料的冲 击性能 ☻缺点 抗压强度低
13
芳纶与各种纤维性能比较
14
B 芳纶纤维的热稳定性
➢良好的热稳定性，好的阻燃性，当温度达487 ℃时 尚不熔化，但开始碳化
20
➢高的模量 芳纶纤维的化学链主要由芳香环 组成。这种芳香环结构具有高的刚性，并使聚合 物链呈伸展状态而不是折叠状态，形成棒状结构， 因而纤维具有高的模量
➢较高的强度 分子链的线性结构，使纤维能有
效地利用空间而具有高的填充能力，在单位体
积内可容纳很多聚合物。这种高密度的聚合物
具有较高的强度
21
➢化学稳定性 芳纶纤维具有规整的晶体结构， 因此具有化学稳定性、高温尺寸稳定性、不发生 高温分解以及在很高温度下不致热塑化等特点
22
3 芳纶纤维的用途
➢目前，芳纶纤维的总产量43％用于轮胎的帘子 线(芳纶--29)，31％用于复合材料，17.5％用于 绳索类和防弹衣，8.5％用于其他 ➢以树脂作为基体，芳纶纤维作为增强相所形成 的增强塑料，简称KFRP，它在航空航天方面的应 用，仅次于碳纤维，成为必不可少的材料
材料在空气中燃烧所需氧气体积的百分比叫做极限氧指数， 极限氧指数越大，其阻燃性能就越好。通常空气中氧气含 量为21%而芳纶1313的极限氧指数大于28%，属于难燃 纤维，所以不会在空气中燃烧，也不助燃，有自熄性。这 种源于本身分子结构的固有特性使芳纶1313永久阻燃，因 此有“防火纤维”之美称
在低湿度(20％相对湿度)下芳纶纤维的吸湿 率为1％，但在高湿度(85％相对湿度)下，可 达到7％。
17
2 芳纶纤维的结构 ➢芳纶纤维是对苯二甲酰与对苯二胺的聚合体，全 称聚对苯二甲酰对苯二胺 ，经溶解纺丝而成。它的 化学结构式如下：
图2-1所示，纤维的三维结构如图2-2所
示，纤维的内部是垂直于纤维轴的层状结构所组成，层状结构则由近似棒
状的晶粒所组成，晶粒长度依赖于分子量．Kevlar49的平均分子量约为
40000，存在一些贯穿数层的长晶粒，它们加强了纤维的轴向强度，层中
的晶粒互相紧密排列。
19
➢在芳香环上刚硬的直线状分子链在纤维轴向是高度 定向的，各聚合物链是由氢键作横向连结 ➢力学性能各向异性 沿纤维方向的强共价键和横向弱 的氢键，是造成芳纶纤维力学性能各向异性的原因， 即纤维的纵向强度高，而横向强度低
➢在低温(-60℃)不发生脆化亦不降解 15
➢热膨胀系数 和碳纤维一样，芳纶纤维具有各向 异性
芳纶纤维的纵向热膨胀系数在0 ~ 100℃时为-2 × 10 -6 /℃ ；在100 ~ 200℃时为-4 × 10 –6 /℃。横 向热膨胀系数为59 × 10 -6 /℃
16
C 芳纶纤维的化学性能 ➢耐蚀性，对中性化学药品的抵抗力一般是很强的， 但易受各种酸碱的侵蚀，尤其是强酸的侵蚀 ➢耐水性 这是由于在分子结构中存在着极性酰氨 基，耐水性不好
5
聚苯乙烯塑料，加入玻璃纤维后
拉伸强度可从600MPa→1000 MPa 弹性模量可从3000 MPa → 8000 MPa 热变形温度可从85℃ → 105℃ 冲击强度 -40 ℃以下的可提高10倍
6
纤维
有机纤维 无机纤维
7
第一节 有机纤维 芳纶纤维 聚乙烯纤维 尼龙纤维
8
一 芳纶纤维
➢芳纶纤维 目前巳工业化生产并广泛应用,将聚 合物溶解在溶剂中，再经纺丝制成的芳香族聚酰 胺合成纤维（Aramid fiber) ➢国外商品牌号叫凯芙拉(Kevlar)纤维，我国暂 命名为芳纶纤维，有时也称有机纤维 ➢芳纶纤维的历史很短，发展很快。1968午美国 杜邦公司开始研制, 1972年杜邦公司以凯芙拉 (Kevlar)的商品名引进市场。
A 、芳纶纤维的力学性能
➢拉伸强度高 单丝强度可达3773 MPa；254mm长 的纤维束的拉伸强度为2744 MPa，大约为铝的5倍。 ➢韧性 大约为石墨纤维的6倍，为硼纤维的3倍， 为玻璃纤维0.8倍 ➢断裂伸长 在3％左右，接近玻璃纤维，高于其他 纤维。便于纺织。 ➢弹性模量高 可达75-186GPa，比玻璃纤维高一倍， 为碳纤维0.8倍
9
常用芳纶纤维的用途
➢芳纶主要用于橡胶增强，制造轮胎、三角皮 带、同步带等 ➢芳纶--29主要用于绳索、电缆、涂漆织物， 以及防弹背心等 ➢芳纶--49用于航空、宇航、造船工业的复合 材料构件
10
1 芳纶纤维的性能特点
A 、芳纶纤维的力学性能 Ｂ、 芳纶纤维的热稳定性 Ｃ、 芳纶纤维的化学性能
11
1.44
2.80
1.26
1.94
2.36
2.75
3.82
1.17
SiC纤维（钨芯）
2.69
3.43
4.80
1.28
钢丝
7.74
4.20
2.00
0.54
钨丝
19.40 4.10
4.10
0.21
钼丝
10.20 2.20
3.60
0.22
28 124 188 88 162 178 26 21 35 4
纤维的作用 ➢在复合材料中起增强作用，是主要承力组分 ➢纤维不仅能使材料显示出较高的抗拉强度和 刚度，而且能减少收缩，提高热变形温度和低 温冲击韧性等 ➢复合材料的性能在很大程度上取决于纤维的 性能、含量及使用状态。
3
常用增强纤维与金属丝性能对比
密度 抗拉强度 拉伸模量 比强度 比模量
g/cm3
GPa
100GPa 106N.m/kg 106N.m/kg
无碱玻璃纤维
2.55
3.40
0.71
1.33
高强度碳纤维（II） 1.74
2.42
2.16
1.39
高模量碳纤维（I） 2.00
2.23
3.75
1.12
Kevlar49 硼纤维
第三章 复合材料的增强材料
材料学院 徐彤
1
在复合材料中，粘结在基体内以改进其机械性能的高 强度材料称为增强材料。也称作增强体、增强剂等
纤维及其织物 增强材料的分类 晶须
颗粒
2
第一部分 纤维
植物纤维－－－棉花、麻类
动物纤维－－－丝、毛；
矿物纤维－－－石棉
天然纤维
强度较低
现代复合材料的增强材料常用合成纤维
12
➢密度小，比重为1.39 ~ 1.45g/cm3，只有铝的一 半。因此，它有高的比强度与比模量 ➢与碳纤维混杂将能大大提高纤维复合材料的冲 击性能 ☻缺点 抗压强度低
13
芳纶与各种纤维性能比较
14
B 芳纶纤维的热稳定性
➢良好的热稳定性，好的阻燃性，当温度达487 ℃时 尚不熔化，但开始碳化
20
➢高的模量 芳纶纤维的化学链主要由芳香环 组成。这种芳香环结构具有高的刚性，并使聚合 物链呈伸展状态而不是折叠状态，形成棒状结构， 因而纤维具有高的模量
➢较高的强度 分子链的线性结构，使纤维能有
效地利用空间而具有高的填充能力，在单位体
积内可容纳很多聚合物。这种高密度的聚合物
具有较高的强度
21
➢化学稳定性 芳纶纤维具有规整的晶体结构， 因此具有化学稳定性、高温尺寸稳定性、不发生 高温分解以及在很高温度下不致热塑化等特点
22
3 芳纶纤维的用途
➢目前，芳纶纤维的总产量43％用于轮胎的帘子 线(芳纶--29)，31％用于复合材料，17.5％用于 绳索类和防弹衣，8.5％用于其他 ➢以树脂作为基体，芳纶纤维作为增强相所形成 的增强塑料，简称KFRP，它在航空航天方面的应 用，仅次于碳纤维，成为必不可少的材料