复合材料增强体ppt课件
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3
纤维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张强度 和刚度，而且能减少收缩，提高热变形温度和 低温冲击强度等。
4
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。
如聚苯乙烯塑料，加入玻璃纤维后，拉伸强度
可从600 MPa提高到1000 MPa，弹性模量可从
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。
30
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。
31
２、聚乙烯纤维（Polyethylene, PE）
8
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年以B纤维为名发表了专利并提供产品。 1972年又研制了以PRD--49命名的纤维。 1973年正式登记的商品名称为ARAMID纤维。
9
ARAMID纤维包括三种牌号的产品，并 重改名称。
PRD--49--IV改称为芳纶--29； PRD--49--III改称为芳纶--49； B纤维改称为芳纶。
芳纶纤维的冲击性能好，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。
14
芳纶纤维的弹性模量高，可达1.27 ~ 1.577 MPa，比玻璃纤维高一倍，为碳纤维0.8倍。
芳纶纤维的断裂伸长在3％左右，接近玻璃 纤维，高于其他纤维。
15
芳纶纤维与碳纤维混杂将能大大提高纤维复 合材料的冲击性能。
22
（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， 经溶解转为液晶纺丝而成。它的化学结构式如下：
23
从上述化学结构可知，芳纶纤维材料的基体 结构是长链状聚酰胺，即结构中含有酰氨键，其 中至少85％的酰氨直接键合在芳香环上.
24
键合在芳香环上刚硬的直线状分子键在纤维轴 向是高度定向的，各聚合物链是由氢键作横向连结。
27
由于芳纶纤维具有规整的晶体结构，因此， 它具有化学稳定性、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。
28
通过电镜对纤维观察表明，芳纶是一种沿轴 向排列的有规则的褶叠层结构。
这种褶叠层结构的模型，可以很好地解释横 向强度低、压缩和剪切性能差及容易劈裂的现象。
29
(3) 用 途
另外，在低温(-60℃)不发生脆化亦不降解。
19
和碳纤维一样，芳纶纤维的热膨胀系数具有 各向异性的特点。
如，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 /℃
20
Ｃ、芳纶纤维的化学性能
第三章 复合材料的增强材料
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。
增强材料有时也称作增强体、增强剂等。
1
增强材料共分为三类：
① 纤维及其织物 ② 晶须 ③ 颗粒
2
一、纤维
如，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 用合成纤维。
聚乙烯纤维作为目前国际上最新的一种有机 纤维，它具有以下四个特点：
超轻、高比强度、高比模量、成本较低。
32
通常情况下，聚乙烯纤维的分子量大于106， 纤维的拉伸强度为3.5 GPa，弹性模量为116 GPa， 延伸率为3.4%，密度为0.97 g / cm 3。可用于制 做武器装甲、防弹背心、航天航空部件等。
这种在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。
25
芳纶纤维的化学链主要由芳环组成。这种芳 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。
26
芳纶纤维分子链是线性结构，这又使纤维能 有效地利用空间而具有高的填充效率的能力，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。
ຫໍສະໝຸດ Baidu10
芳纶、芳纶--29、芳纶--49这三种牌号纤维 的用途各不相同。
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、 带和带状物，以及防弹背心等。
芳纶--49用于航空、宇航、造船工业的复 合材料制件。
11
自1972年芳纶纤维作为商品出售以来，产量 逐年增加。
其原因是由于该纤维具有独特的功能，使之 广泛应用到军工和国民经济各个部门。
12
(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。
13
A 、芳纶纤维的力学性能
芳纶纤维的特点是拉伸强度高。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。
3000 MPa提高到8000 MPa，其热变形温度可从
85℃提高到105℃ ，使-40 ℃以下的冲击强度可提
高10倍。
5
纤维可分为有机纤维和无机纤维
6
（一） 有机纤维
芳纶纤维 聚乙烯纤维 尼龙纤维
7
１、芳纶纤维
芳纶纤维是指日前巳工业化生产并广泛应 用的聚芳酰胺纤维。
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。
芳纶纤维的密度小，比重为1.44 ~ 1.45，只有 铝的一半。因此，它有高的比强度与比模量。
16
下表为芳纶纤维的基本性能
17
Ｂ、 芳纶纤维的热稳定性
芳纶纤维有良好的热稳定性，耐火而不 熔，当温度达487 ℃时尚不熔化，但开始碳化。
18
因此，芳纶纤维在高温作用下，不发生变形， 直至分解。
如，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％；
芳纶纤维具有良好的耐介质性能，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；
21
芳纶纤维的耐水性也不好，这是由于在分子 结构中存在着极性酰氨基；
湿度对纤维的影响，类似于尼龙或聚酯。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％。
纤维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张强度 和刚度，而且能减少收缩，提高热变形温度和 低温冲击强度等。
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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。
如聚苯乙烯塑料，加入玻璃纤维后，拉伸强度
可从600 MPa提高到1000 MPa，弹性模量可从
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。
30
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。
31
２、聚乙烯纤维（Polyethylene, PE）
8
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年以B纤维为名发表了专利并提供产品。 1972年又研制了以PRD--49命名的纤维。 1973年正式登记的商品名称为ARAMID纤维。
9
ARAMID纤维包括三种牌号的产品，并 重改名称。
PRD--49--IV改称为芳纶--29； PRD--49--III改称为芳纶--49； B纤维改称为芳纶。
芳纶纤维的冲击性能好，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。
14
芳纶纤维的弹性模量高，可达1.27 ~ 1.577 MPa，比玻璃纤维高一倍，为碳纤维0.8倍。
芳纶纤维的断裂伸长在3％左右，接近玻璃 纤维，高于其他纤维。
15
芳纶纤维与碳纤维混杂将能大大提高纤维复 合材料的冲击性能。
22
（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， 经溶解转为液晶纺丝而成。它的化学结构式如下：
23
从上述化学结构可知，芳纶纤维材料的基体 结构是长链状聚酰胺，即结构中含有酰氨键，其 中至少85％的酰氨直接键合在芳香环上.
24
键合在芳香环上刚硬的直线状分子键在纤维轴 向是高度定向的，各聚合物链是由氢键作横向连结。
27
由于芳纶纤维具有规整的晶体结构，因此， 它具有化学稳定性、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。
28
通过电镜对纤维观察表明，芳纶是一种沿轴 向排列的有规则的褶叠层结构。
这种褶叠层结构的模型，可以很好地解释横 向强度低、压缩和剪切性能差及容易劈裂的现象。
29
(3) 用 途
另外，在低温(-60℃)不发生脆化亦不降解。
19
和碳纤维一样，芳纶纤维的热膨胀系数具有 各向异性的特点。
如，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 /℃
20
Ｃ、芳纶纤维的化学性能
第三章 复合材料的增强材料
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。
增强材料有时也称作增强体、增强剂等。
1
增强材料共分为三类：
① 纤维及其织物 ② 晶须 ③ 颗粒
2
一、纤维
如，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 用合成纤维。
聚乙烯纤维作为目前国际上最新的一种有机 纤维，它具有以下四个特点：
超轻、高比强度、高比模量、成本较低。
32
通常情况下，聚乙烯纤维的分子量大于106， 纤维的拉伸强度为3.5 GPa，弹性模量为116 GPa， 延伸率为3.4%，密度为0.97 g / cm 3。可用于制 做武器装甲、防弹背心、航天航空部件等。
这种在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。
25
芳纶纤维的化学链主要由芳环组成。这种芳 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。
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芳纶纤维分子链是线性结构，这又使纤维能 有效地利用空间而具有高的填充效率的能力，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。
ຫໍສະໝຸດ Baidu10
芳纶、芳纶--29、芳纶--49这三种牌号纤维 的用途各不相同。
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、 带和带状物，以及防弹背心等。
芳纶--49用于航空、宇航、造船工业的复 合材料制件。
11
自1972年芳纶纤维作为商品出售以来，产量 逐年增加。
其原因是由于该纤维具有独特的功能，使之 广泛应用到军工和国民经济各个部门。
12
(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。
13
A 、芳纶纤维的力学性能
芳纶纤维的特点是拉伸强度高。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。
3000 MPa提高到8000 MPa，其热变形温度可从
85℃提高到105℃ ，使-40 ℃以下的冲击强度可提
高10倍。
5
纤维可分为有机纤维和无机纤维
6
（一） 有机纤维
芳纶纤维 聚乙烯纤维 尼龙纤维
7
１、芳纶纤维
芳纶纤维是指日前巳工业化生产并广泛应 用的聚芳酰胺纤维。
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。
芳纶纤维的密度小，比重为1.44 ~ 1.45，只有 铝的一半。因此，它有高的比强度与比模量。
16
下表为芳纶纤维的基本性能
17
Ｂ、 芳纶纤维的热稳定性
芳纶纤维有良好的热稳定性，耐火而不 熔，当温度达487 ℃时尚不熔化，但开始碳化。
18
因此，芳纶纤维在高温作用下，不发生变形， 直至分解。
如，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％；
芳纶纤维具有良好的耐介质性能，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；
21
芳纶纤维的耐水性也不好，这是由于在分子 结构中存在着极性酰氨基；
湿度对纤维的影响，类似于尼龙或聚酯。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％。