复合材料的增强体纤维精选PPT.ppt

复合材料的增强体纤维1第1页，讲稿共99张，创作于星期日1.纤维的概念和分类纤维的概念和分类2.几种合成纤维的制备方法和性能几种合成纤维的制备方法和性能3.复合材料中的纤维的排布方式复合材料中的纤维的排布方式纤纤维（维（Fiber）：一般是指细而长的材料。）：一般是指细而长的材料。具有具有一定的长径比。一定的长径比。一、纤维一、纤维2第2页，讲稿共99张，创作于星期日vv按形态分按形态分连续纤维（长纤维连续纤维（长纤维/丝）丝）短纤维（短切纤维短纤维（短切纤维/棉棉/毛）毛）vv按来源分按来源分 植物纤维植物纤维 动物纤维动物纤维 矿物纤维矿物纤维人造纤维人造纤维 合成纤维合成纤维天然纤维天然纤维纤维的分类纤维的分类 v按成分分：按成分分：有机纤维有机纤维 无机纤维无机纤维3第3页，讲稿共99张，创作于星期日无机纤维无机纤维:v 玻璃纤维玻璃纤维 v 碳纤维碳纤维v 硼纤维硼纤维 v 氧化铝纤维氧化铝纤维v 碳化硅纤维碳化硅纤维 v 氮化硼纤维氮化硼纤维2.几种合成纤维的制备方法和性能几种合成纤维的制备方法和性能有机纤维有机纤维:v芳纶纤维芳纶纤维v聚乙烯纤维聚乙烯纤维v尼龙纤维尼龙纤维合成纤维的种类合成纤维的种类4第4页，讲稿共99张，创作于星期日（1）玻璃纤维）玻璃纤维1）玻璃纤维的结构和化学组成）玻璃纤维的结构和化学组成2）玻璃纤维的制造）玻璃纤维的制造3）玻璃纤维的分类）玻璃纤维的分类4）玻璃纤维的性能）玻璃纤维的性能5第5页，讲稿共99张，创作于星期日玻璃纤维的结构与玻璃相同玻璃纤维的结构与玻璃相同1）.玻璃纤维的结构和化学组成玻璃纤维的结构和化学组成玻璃纤维的结构玻璃纤维的结构玻璃：由玻璃：由熔融体经冷却熔融体经冷却、固化固化而成的而成的非晶态非晶态固体固体玻璃态：玻璃态：非晶态非晶态固体的一种固体的一种6第6页，讲稿共99张，创作于星期日微晶结构假说的要点微晶结构假说的要点玻璃是由玻璃是由硅酸块硅酸块或或二氧化硅二氧化硅的的“微晶子微晶子”组成，在组成，在“微晶子微晶子”之间由之间由硅酸块过冷溶硅酸块过冷溶液液所填充。所填充。7第7页，讲稿共99张，创作于星期日网络结构假说的要点网络结构假说的要点玻璃是由玻璃是由二氧化硅的四面体二氧化硅的四面体、铝氧三面体铝氧三面体或或硼硼氧三面体氧三面体相互连成不规则相互连成不规则三维网络三维网络；网络间的；网络间的空隙空隙由由Na、K、Ca、Mg等等阳离子所填充阳离子所填充。二氧化硅四面体的二氧化硅四面体的三维网状结构三维网状结构是决定是决定玻璃性玻璃性能能的基础，填充的的基础，填充的Na、Ca等阳离子称为等阳离子称为网络改性物网络改性物。8第8页，讲稿共99张，创作于星期日 SiO2+金属氧化物金属氧化物（Al2O3,B2O3,CaO,MgO,Na2O,K2O,BeO等）等）SiO2：构成玻璃基本骨架构成玻璃基本骨架Na2O,K2O：助熔剂助熔剂Al2O3：网络形成体，增加熔制温度网络形成体，增加熔制温度CaO,MgO：网络中间体或填充体网络中间体或填充体 玻璃纤维的化学组成玻璃纤维的化学组成9第9页，讲稿共99张，创作于星期日氢化钠氢化钠、氧化钾氧化钾等碱性氧化物为助熔氧化物，它等碱性氧化物为助熔氧化物，它可以降低玻璃的熔化温度和粘度，使玻璃熔液中的气可以降低玻璃的熔化温度和粘度，使玻璃熔液中的气泡容易排除。泡容易排除。助熔氧化物主要通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，从助熔氧化物主要通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，从而达到助熔的目的。而达到助熔的目的。因此因此氧化钠和氢化钾的含量越高氧化钠和氢化钾的含量越高，玻璃纤维的强度、，玻璃纤维的强度、电绝缘性能和化学稳定性都会相应的降低。电绝缘性能和化学稳定性都会相应的降低。10第10页，讲稿共99张，创作于星期日Na2O,K2O：降低耐水性和电绝缘性降低耐水性和电绝缘性BeO：增加增加GF模量，但毒性增大模量，但毒性增大Al2O3：增加增加GF耐温性耐温性ZrO2：增加增加GF的耐腐蚀性的耐腐蚀性11第11页，讲稿共99张，创作于星期日 普通玻璃普通玻璃硅酸盐玻璃，用石英砂、纯碱和石灰石共硅酸盐玻璃，用石英砂、纯碱和石灰石共熔而制得的一种无色透明的熔体熔而制得的一种无色透明的熔体 Na2CO3+CaCO3+6SiO2=Na2O CaO 6SiO2+2CO2 特殊玻璃特殊玻璃改变普通玻璃的化学组成或对玻璃特殊处理，改变普通玻璃的化学组成或对玻璃特殊处理，得到各种特殊性能的玻璃得到各种特殊性能的玻璃12第12页，讲稿共99张，创作于星期日 玻璃纤维玻璃纤维化学成分的制定，化学成分的制定，一方面要一方面要满足玻璃纤满足玻璃纤维物理和化学性能的要求维物理和化学性能的要求，具有良好的，具有良好的化学稳定性化学稳定性；另一方面要另一方面要满足制造工艺的要求满足制造工艺的要求，如合适的，如合适的成型温度成型温度、硬化速度硬化速度及及粘度范围粘度范围。13第13页，讲稿共99张，创作于星期日2）.玻璃纤维的制造玻璃纤维的制造1）坩埚拉丝法（玻璃球法）坩埚拉丝法（玻璃球法）2）窑池拉丝法（直接熔融法）窑池拉丝法（直接熔融法）3）吹制法（短纤维）吹制法（短纤维）4）玻璃纤维制品）玻璃纤维制品14第14页，讲稿共99张，创作于星期日玻璃球（直径玻璃球（直径1518mm）造球机造球机熔炼炉熔炼炉1260 混合混合 玻璃原料玻璃原料1）坩埚拉丝法（玻璃球法）坩埚拉丝法（玻璃球法）制球：制球：制球：制球：砂岩、石灰石、蜡石、硼砂岩、石灰石、蜡石、硼砂岩、石灰石、蜡石、硼砂岩、石灰石、蜡石、硼酸及粘土等化工原料按比例计量、酸及粘土等化工原料按比例计量、酸及粘土等化工原料按比例计量、酸及粘土等化工原料按比例计量、调配、混合后送入熔窑内制成玻璃调配、混合后送入熔窑内制成玻璃调配、混合后送入熔窑内制成玻璃调配、混合后送入熔窑内制成玻璃液，玻璃也自熔窑中流出，制成直液，玻璃也自熔窑中流出，制成直液，玻璃也自熔窑中流出，制成直液，玻璃也自熔窑中流出，制成直径径径径1.8cm1.8cm的玻璃球，作为拉丝的原料的玻璃球，作为拉丝的原料的玻璃球，作为拉丝的原料的玻璃球，作为拉丝的原料15第15页，讲稿共99张，创作于星期日 拉丝拉丝工艺参数：工艺参数：铂金坩锅玻璃液温度：铂金坩锅玻璃液温度：约为约为1300 漏丝板孔数：漏丝板孔数：102，204，408个，国外个，国外3500个左右个左右孔直径：孔直径：1.52mm流出玻璃液温度：流出玻璃液温度：1190 集束轮转速：集束轮转速：10003000m/min拉丝直径：拉丝直径：320um16第16页，讲稿共99张，创作于星期日2 2）池窑拉丝法（直接熔融法）池窑拉丝法（直接熔融法）将玻璃原料投入熔窑熔化后直接拉制成连续玻璃纤维将玻璃原料投入熔窑熔化后直接拉制成连续玻璃纤维17第17页，讲稿共99张，创作于星期日优点：优点：省去制球工艺；省去制球工艺；池窑容量大，生产能力高；池窑容量大，生产能力高；对窑温、液压、流量和漏板温度可以自动化集中控制；对窑温、液压、流量和漏板温度可以自动化集中控制；适用于多孔大漏板生产粗玻璃纤维；适用于多孔大漏板生产粗玻璃纤维；废产品易于回炉废产品易于回炉18第18页，讲稿共99张，创作于星期日3）吹制法）吹制法v在熔融的玻璃液从熔炉中流出时，立即受到喷射空气流或蒸在熔融的玻璃液从熔炉中流出时，立即受到喷射空气流或蒸汽流冲击，将玻璃吹拉成短纤维，将飞散的短纤维收集在一汽流冲击，将玻璃吹拉成短纤维，将飞散的短纤维收集在一起，均匀喷涂粘结剂，可以得到玻璃棉或玻璃毡。起，均匀喷涂粘结剂，可以得到玻璃棉或玻璃毡。19第19页，讲稿共99张，创作于星期日3).玻璃纤维的分类玻璃纤维的分类原料成分原料成分单丝直径单丝直径纤维特性纤维特性20第20页，讲稿共99张，创作于星期日原料成分原料成分无碱玻璃纤维（无碱玻璃纤维（E玻纤）：玻纤）：国内规定碱金属氧化物含量不国内规定碱金属氧化物含量不大于大于0.5，国外一般为，国外一般为1%左右。强度高，耐热和电性能优左右。强度高，耐热和电性能优良，能抗大旗侵蚀，不耐酸。良，能抗大旗侵蚀，不耐酸。中碱玻璃纤维：中碱玻璃纤维：碱金属氧化物含量碱金属氧化物含量11.5-12.5%。耐酸。耐酸性好，价格低，主要用于耐腐蚀领域性好，价格低，主要用于耐腐蚀领域有碱玻璃纤维（有碱玻璃纤维（A玻纤）：玻纤）：类似于玻璃窗及玻璃瓶的钠类似于玻璃窗及玻璃瓶的钠钙玻璃，强度低，对潮气侵袭敏感，很少做增强材料钙玻璃，强度低，对潮气侵袭敏感，很少做增强材料特种玻璃纤维：特种玻璃纤维：高强玻璃纤维高强玻璃纤维i、耐高温玻纤、耐高温玻纤21第21页，讲稿共99张，创作于星期日 单丝直径单丝直径 粗纤维：粗纤维：30 um 初级纤维：初级纤维：20 um中级纤维：中级纤维：10 20 um 高级纤维：高级纤维：3 10um 对于单丝直径小于对于单丝直径小于4 um的玻璃纤维称为超细纤维的玻璃纤维称为超细纤维22第22页，讲稿共99张，创作于星期日纤维特性纤维特性高强高强玻璃纤维玻璃纤维高模量高模量玻璃纤维玻璃纤维耐碱耐碱玻璃纤维玻璃纤维耐酸耐酸玻璃纤维玻璃纤维普通普通玻璃纤维玻璃纤维(指指无碱无碱及及中碱中碱玻璃纤维玻璃纤维)23第23页，讲稿共99张，创作于星期日4).玻璃纤维的性能玻璃纤维的性能玻璃纤维具有一系列玻璃纤维具有一系列优良性能优良性能，拉伸强度高拉伸强度高，防防火火、防霉防霉、防蛀防蛀、耐高温耐高温和和电绝缘性能好电绝缘性能好等。等。玻璃纤维的玻璃纤维的缺点缺点是具有是具有脆性脆性，不耐腐不耐腐，对人的皮肤，对人的皮肤有刺激性等有刺激性等。24第24页，讲稿共99张，创作于星期日外观和比重外观和比重一般一般天然或人造的有机纤维天然或人造的有机纤维天然或人造的有机纤维天然或人造的有机纤维，其表面都有较深的，其表面都有较深的皱纹皱纹皱纹皱纹；而对于而对于玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维来说，其来说，其表面表面呈呈光滑的圆柱光滑的圆柱光滑的圆柱光滑的圆柱，其，其横断面横断面几乎都是几乎都是完整的圆形完整的圆形完整的圆形完整的圆形。25第25页，讲稿共99张，创作于星期日宏观看来，由于宏观看来，由于表面光滑表面光滑表面光滑表面光滑，纤维之间的抱合力非，纤维之间的抱合力非常小，常小，不利于和树脂粘结不利于和树脂粘结不利于和树脂粘结不利于和树脂粘结；又由于又由于呈圆柱状呈圆柱状呈圆柱状呈圆柱状，所以玻璃纤维彼此相靠近时，所以玻璃纤维彼此相靠近时，空隙填充的较为密实空隙填充的较为密实，这对于提高复合材料制品的，这对于提高复合材料制品的玻璃含玻璃含量量是有利的。是有利的。26第26页，讲稿共99张，创作于星期日玻璃纤维直径玻璃纤维直径玻璃纤维直径玻璃纤维直径从从1.5 25 um，大多数为大多数为4 14 um。玻璃纤维的密度玻璃纤维的密度玻璃纤维的密度玻璃纤维的密度为为2.16 4.30 gcm3，其比重较有机纤维大很多，其比重较有机纤维大很多，但比一般的金属比重要低，与铝相比几乎一样。所以在航空工业上用但比一般的金属比重要低，与铝相比几乎一样。所以在航空工业上用复合材料复合材料复合材料复合材料代替代替铝钛合金铝钛合金铝钛合金铝钛合金就成为可能。就成为可能。此外，一般情况下，此外，一般情况下，无碱玻璃纤维的比重无碱玻璃纤维的比重无碱玻璃纤维的比重无碱玻璃纤维的比重大于大于有碱纤维有碱纤维有碱纤维有碱纤维。27第27页，讲稿共99张，创作于星期日表面积表面积由于玻璃纤维的由于玻璃纤维的表面积大表面积大，使得纤维，使得纤维表面处理的效果表面处理的效果对对性能的影响性能的影响很大。很大。28第28页，讲稿共99张，创作于星期日玻璃纤维的拉伸强度玻璃纤维的拉伸强度玻璃纤维的最大特点是玻璃纤维的最大特点是拉伸强度高拉伸强度高。一般。一般玻璃制玻璃制玻璃制玻璃制品品品品的拉伸强度只有的拉伸强度只有40 100 MPa，而直径而直径3 9 um的的玻玻璃纤维璃纤维拉伸强度则高达拉伸强度则高达1500 4000 MPa，较一般合成较一般合成纤维高约纤维高约10倍，比合金钢还高倍，比合金钢还高2倍。倍。29第29页，讲稿共99张，创作于星期日玻璃纤维玻璃纤维比玻璃的比玻璃的强度高强度高很多，主要有两方面的原很多，主要有两方面的原因：因：、玻璃纤维、玻璃纤维高温成型时高温成型时减少了玻璃溶液的不均一减少了玻璃溶液的不均一性性，使，使微裂纹产生的机会减少微裂纹产生的机会减少。、玻璃纤维的、玻璃纤维的断面较小断面较小，随着，随着表面积的减小表面积的减小，使使微裂纹存在的几率微裂纹存在的几率也减少，从而使纤维强度增高。也减少，从而使纤维强度增高。30第30页，讲稿共99张，创作于星期日玻璃纤维的化学性能玻璃纤维的化学性能玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维除对除对氢氟酸氢氟酸、浓碱浓碱、浓磷酸浓磷酸浓磷酸浓磷酸外，对外，对所有化学药品所有化学药品和和有机溶剂有机溶剂有机溶剂有机溶剂都有都有良好的化学稳定性良好的化学稳定性。化学稳定性在很大程度上决定了不同纤化学稳定性在很大程度上决定了不同纤维的使用范围。维的使用范围。31第31页，讲稿共99张，创作于星期日 玻璃纤维的玻璃纤维的化学稳定性化学稳定性主要取决于其成分中的主要取决于其成分中的二二氧化硅氧化硅及及碱金属氧化物碱金属氧化物碱金属氧化物碱金属氧化物的含量。的含量。二氧化硅含量多二氧化硅含量多二氧化硅含量多二氧化硅含量多能提高玻璃纤维的化学稳定性能提高玻璃纤维的化学稳定性能提高玻璃纤维的化学稳定性能提高玻璃纤维的化学稳定性，而，而碱金属氧化物碱金属氧化物碱金属氧化物碱金属氧化物则会则会使化学稳定性降低使化学稳定性降低。32第32页，讲稿共99张，创作于星期日在玻璃纤维成分中在玻璃纤维成分中增加增加SiO2或或A12O3含量含量，或，或加入加入ZrO2及及TiO2都可以提高玻璃纤维的都可以提高玻璃纤维的耐酸性耐酸性；增加增加SiO2含量，或加入含量，或加入CaO，ZrO2及及ZnO能提高能提高玻璃纤维的玻璃纤维的耐碱性耐碱性耐碱性耐碱性；33第33页，讲稿共99张，创作于星期日在玻璃纤维中加入在玻璃纤维中加入A12O3、ZrO2及及TiO2等氧化等氧化物，可大大提高物，可大大提高耐水性耐水性。石英石英石英石英、高硅氧玻璃纤维高硅氧玻璃纤维对对水水、酸酸酸酸的的化学稳定性化学稳定性较好较好，耐碱性耐碱性远比普通纤维高。远比普通纤维高。34第34页，讲稿共99张，创作于星期日、普遍采用、普遍采用池窑拉丝池窑拉丝新技术；新技术；、大力发展、大力发展多排多孔拉丝多排多孔拉丝工艺；工艺；、用于玻璃钢的、用于玻璃钢的纤维直径纤维直径逐渐逐渐向粗的方向向粗的方向发展，发展，纤维直径为纤维直径为14-24um，甚至达甚至达27um；、大量生产、大量生产无碱纤维无碱纤维；、大力发展、大力发展无纺织无纺织无纺织无纺织玻璃纤维织物玻璃纤维织物，无捻粗纱无捻粗纱和和短切短切纤维毡片纤维毡片所占比例增加；所占比例增加；、重视纤维、重视纤维-树脂树脂界面界面的研究，的研究，偶联剂的品种偶联剂的品种偶联剂的品种偶联剂的品种不断不断增加，玻璃纤维的增加，玻璃纤维的前处理前处理受到普遍重视。受到普遍重视。玻璃纤维发展趋势玻璃纤维发展趋势35第35页，讲稿共99张，创作于星期日（2）.碳纤维碳纤维1 1）碳纤维的发展历史）碳纤维的发展历史2）碳纤维的制造）碳纤维的制造3 3）碳纤维的分类）碳纤维的分类4）碳纤维的结构）碳纤维的结构5）碳纤维的性能）碳纤维的性能36第36页，讲稿共99张，创作于星期日 1880年年，美国科学家爱迪生用棉、亚麻和竹子，美国科学家爱迪生用棉、亚麻和竹子等天然植物纤维炭化得到碳纤维，作为白炽灯灯丝，等天然植物纤维炭化得到碳纤维，作为白炽灯灯丝，这种碳纤维气孔率高、脆性大。这种碳纤维气孔率高、脆性大。1909年年，将碳在惰性气体中加热到，将碳在惰性气体中加热到2300度，获得度，获得了石墨纤维。了石墨纤维。1910年，年，钨灯丝的发明，使碳纤维的研究停滞。钨灯丝的发明，使碳纤维的研究停滞。1 1）碳纤维的发展历史）碳纤维的发展历史）碳纤维的发展历史）碳纤维的发展历史37第37页，讲稿共99张，创作于星期日1959年日本工业技术大阪工业实验所年日本工业技术大阪工业实验所近藤召南近藤召南以聚丙烯以聚丙烯腈为原料制得碳纤维，腈为原料制得碳纤维，1969年日本年日本炭素公司炭素公司实现低模量实现低模量聚聚丙烯脂基碳纤维丙烯脂基碳纤维(Polyacry lontrile-based carbon firber，PANCF)的工业化生产的工业化生产;1963年日本群马大学大谷杉郎教授以石油沥青为原料年日本群马大学大谷杉郎教授以石油沥青为原料制成碳纤维，制成碳纤维，1970年日本昊羽化学公司实现工业化生产。年日本昊羽化学公司实现工业化生产。38第38页，讲稿共99张，创作于星期日1964年英国航空材料研究所年英国航空材料研究所(Royal Aircraft Establishment，RAE)开发出开发出高模量高模量聚丙烯脂基碳纤维聚丙烯脂基碳纤维聚丙烯脂基碳纤维聚丙烯脂基碳纤维（高温牵伸技术）（高温牵伸技术）（高温牵伸技术）（高温牵伸技术）；英国皇家航空研究院的瓦特与日本英国皇家航空研究院的瓦特与日本近藤召南合作近藤召南合作制备出高强度和模量的碳纤维。制备出高强度和模量的碳纤维。第一次飞跃第一次飞跃 东丽公司发明的聚合催化环化原纤维，改革了东丽公司发明的聚合催化环化原纤维，改革了传统的炭化工艺，缩短了生产周期提高了质量。传统的炭化工艺，缩短了生产周期提高了质量。第二次飞跃第二次飞跃第二次飞跃第二次飞跃 39第39页，讲稿共99张，创作于星期日2）.碳纤维的制造碳纤维的制造 碳纤维不能用熔融法或溶液法直接纺丝，只能以有机纤维为原料，碳纤维不能用熔融法或溶液法直接纺丝，只能以有机纤维为原料，采用间接方法来制造。采用间接方法来制造。碳元素的各种同素异形体碳元素的各种同素异形体(金刚石、石墨、非晶态的各种过渡态碳金刚石、石墨、非晶态的各种过渡态碳)，根据形态的不同，在空气中在，根据形态的不同，在空气中在350以上的高温中就会不同程度以上的高温中就会不同程度的氧化；在隔绝空气的惰性气氛中的氧化；在隔绝空气的惰性气氛中(常压下常压下)，元素碳在高温下不会熔，元素碳在高温下不会熔融，但在融，但在3800K以上的高温时不经液相，直接升华，所以不能熔融纺丝。以上的高温时不经液相，直接升华，所以不能熔融纺丝。碳在各种溶剂中不溶解，所以不能溶液纺丝。碳在各种溶剂中不溶解，所以不能溶液纺丝。40第40页，讲稿共99张，创作于星期日2）.碳纤维的制造碳纤维的制造1）气相法2）有机纤维炭化法41第41页，讲稿共99张，创作于星期日 在惰性气氛中在惰性气氛中，小分子有机物小分子有机物小分子有机物小分子有机物(如烃或芳烃等如烃或芳烃等)在在高温下高温下沉积成纤维。沉积成纤维。用这种方法只能制造用这种方法只能制造晶须晶须晶须晶须或或短纤维短纤维短纤维短纤维，不能制造，不能制造连连续长丝续长丝。1）气相法）气相法42第42页，讲稿共99张，创作于星期日制作碳纤维的制作碳纤维的主要原材料主要原材料有三种：有三种：人造丝人造丝(粘胶纤维粘胶纤维)；聚丙烯腈聚丙烯腈(PNN)纤维；纤维；沥青。沥青。2）有机纤维碳化法）有机纤维碳化法43第43页，讲稿共99张，创作于星期日无论用哪一种无论用哪一种原丝纤维原丝纤维来制造碳纤维，都要来制造碳纤维，都要经过经过五个阶段五个阶段：拉丝拉丝拉丝拉丝牵伸牵伸牵伸牵伸稳定稳定碳化碳化碳化碳化石墨化石墨化44第44页，讲稿共99张，创作于星期日拉丝拉丝可用可用湿法湿法、干法干法或者或者熔融状态熔融状态三种中三种中的任意一种方法进行。的任意一种方法进行。45第45页，讲稿共99张，创作于星期日牵伸牵伸在室温以上，通常是在室温以上，通常是100-300 100-300 范围内进行。范围内进行。限制纤维收缩，使环状结构在较高温度下择优取限制纤维收缩，使环状结构在较高温度下择优取向（相对纤维轴），可显著提高模量。向（相对纤维轴），可显著提高模量。46第46页，讲稿共99张，创作于星期日稳定稳定通过通过400 在原丝受张力的条件下在原丝受张力的条件下加热氧化加热氧化的的方法。方法。400 的氧化阶段的氧化阶段是是A.Shindos 最近最近在工艺在工艺上上做出的贡献。它显著地降低所有的热失重，并做出的贡献。它显著地降低所有的热失重，并因此保证高度因此保证高度石墨化石墨化和取得和取得更好的性能更好的性能。47第47页，讲稿共99张，创作于星期日碳化碳化在在1000-2000 范围内进行，除去范围内进行，除去非碳原子，得到碳含量非碳原子，得到碳含量90%的碳纤维。的碳纤维。石墨化石墨化在在2000-3000 范围内进行，范围内进行，制备石墨纤维。制备石墨纤维。48第48页，讲稿共99张，创作于星期日 PAN基碳纤维生产过程的简图基碳纤维生产过程的简图施加张力的目的是使纤维中形成的梯形结构取向，因此张力的大小对纤维性能是有影响的。在此阶段纤维逐渐由白变黄，经铜褐色最后变成黑色。碳化阶段除去H和N，使碳的含量增高到95以上，生成碳原子的叠层结构。碳化过程一般用氮气或氩气保护。碳化温度10001500，时间最初为2小时，日本东丽公司经过催化研究将碳化周期缩短到5分钟。热 空 气 干 燥 炉(200 300)预氧化多级加热炉(10001500)碳化高温炉（2500以上）石墨化 N2 N2Ar2Ar2废 气（HCN;CO,CO2,H2,N2.）PAN原丝49第49页，讲稿共99张，创作于星期日碳纤维的结构碳纤维的结构决定于决定于原丝结构原丝结构与与碳化工艺碳化工艺碳化工艺碳化工艺。对对有机纤维有机纤维进行进行预氧化预氧化、碳化碳化碳化碳化等工艺处理的等工艺处理的目的是，除去目的是，除去有机纤维中有机纤维中碳以外的元素，形成碳以外的元素，形成聚合聚合多环芳香族多环芳香族平面结构。平面结构。3).碳纤维的结构碳纤维的结构50第50页，讲稿共99张，创作于星期日在在碳纤维碳纤维形成的过程中，随着原丝的不同，重量损形成的过程中，随着原丝的不同，重量损失可达失可达10-80，因此形成了各种微小的缺陷。，因此形成了各种微小的缺陷。但是，无论用哪种原料，但是，无论用哪种原料，高模量碳纤维中高模量碳纤维中的的碳分碳分子平面子平面总是总是沿纤维轴沿纤维轴平行地取向平行地取向。51第51页，讲稿共99张，创作于星期日真实的真实的碳纤维结构碳纤维结构并不是理想的石墨点并不是理想的石墨点阵结构，而是属于阵结构，而是属于乱层石墨结构乱层石墨结构。52第52页，讲稿共99张，创作于星期日在在乱层石墨结构乱层石墨结构乱层石墨结构乱层石墨结构中，中，石墨层片石墨层片是基本的结构单是基本的结构单元，若干层片组成元，若干层片组成微晶微晶微晶微晶，微晶堆砌成直径数十纳米、，微晶堆砌成直径数十纳米、长度数百纳米的长度数百纳米的原纤原纤原纤原纤，原纤则构成了，原纤则构成了碳纤维单丝碳纤维单丝，其直径约数微米。其直径约数微米。53第53页，讲稿共99张，创作于星期日按原丝类型按原丝类型按碳纤维性能按碳纤维性能按碳纤维的功能按碳纤维的功能按制造条件和方法按制造条件和方法分类方法分类方法3).碳纤维的分类碳纤维的分类54第54页，讲稿共99张，创作于星期日按原丝类型分类按原丝类型分类聚丙烯腈基聚丙烯腈基粘胶基粘胶基沥青基沥青基木质素纤维基木质素纤维基其他有机纤维基其他有机纤维基55第55页，讲稿共99张，创作于星期日按碳纤维按碳纤维性能分类性能分类高强度高强度CF（HS）高模量高模量CF（HM）超高强超高强CF（UHS）超高模超高模CF（UHM）高强高模高强高模CF中强中模中强中模CF 等等通用级通用级CF：拉伸强度拉伸强度1.4GPa，拉伸模量，拉伸模量140GPa高性能高性能CF56第56页，讲稿共99张，创作于星期日按碳纤维的按碳纤维的功能分类功能分类受力结构用受力结构用CF耐焰用耐焰用CF导电用导电用CF润滑用润滑用CF耐磨用耐磨用CF活性活性CF57第57页，讲稿共99张，创作于星期日按制造条件按制造条件和方法分类和方法分类碳纤维：碳纤维：碳化温度碳化温度12001500oC，碳含量，碳含量95以以上。上。石墨纤维：石墨纤维：石墨化温度石墨化温度2000oC以上，碳含量以上，碳含量99以上以上。活性碳纤维：活性碳纤维：气体活化法，气体活化法，CF在在6001200oC，用水蒸汽、，用水蒸汽、CO2、空气等活化。、空气等活化。气相生长碳纤维：气相生长碳纤维：惰性气氛中将小分子有机惰性气氛中将小分子有机物在高温下沉积成纤维晶须或物在高温下沉积成纤维晶须或短纤维。短纤维。58第58页，讲稿共99张，创作于星期日 4碳纤维的性能碳纤维的性能碳纤维的比重在碳纤维的比重在1.5-2.0之间，这除了与之间，这除了与原丝结构原丝结构原丝结构原丝结构有关外，主要还决定于有关外，主要还决定于碳化处理的温度碳化处理的温度。一般情况下，经过高温一般情况下，经过高温(3000)石墨化处理石墨化处理石墨化处理石墨化处理，比重，比重可达可达2.0。59第59页，讲稿共99张，创作于星期日碳纤维的碳纤维的应力应力应力应力-应变曲线应变曲线应变曲线应变曲线为一直线，由于伸为一直线，由于伸长小，断裂过程在瞬间完成，所以长小，断裂过程在瞬间完成，所以碳纤维碳纤维碳纤维碳纤维不容易不容易发生屈服。发生屈服。60第60页，讲稿共99张，创作于星期日几种纤维的应力应变曲线比较图几种纤维的应力应变曲线比较图61第61页，讲稿共99张，创作于星期日碳纤维碳纤维轴向分子间的结合力轴向分子间的结合力轴向分子间的结合力轴向分子间的结合力比石墨大，所以它的比石墨大，所以它的抗张强度和模量抗张强度和模量都明显高于石墨；都明显高于石墨；而碳纤维的而碳纤维的径向分子间作用力弱径向分子间作用力弱，抗压性能抗压性能较较差，轴向差，轴向抗压强度抗压强度仅为仅为抗张强度抗张强度的的10-30，而且，而且不能结节。不能结节。62第62页，讲稿共99张，创作于星期日碳纤维碳纤维的的热膨胀系数热膨胀系数与与其它类型纤维其它类型纤维不同，它有不同，它有各各各各向异性向异性向异性向异性的特点。的特点。平行于纤维方向平行于纤维方向平行于纤维方向平行于纤维方向是负值是负值(-0.72 -0.90 10-6/)，而而垂直于纤维方向垂直于纤维方向垂直于纤维方向垂直于纤维方向是正值是正值(32 22 10-6/)。63第63页，讲稿共99张，创作于星期日碳纤维的碳纤维的比热比热比热比热一般为一般为7.12 l0-1 kJ(kg )。导热率有方向性导热率有方向性，平行于纤维轴方向平行于纤维轴方向导热率为导热率为0.04卡卡/秒秒厘米厘米度，而度，而垂直于纤维轴方向垂直于纤维轴方向为为0.002卡卡/秒秒厘米厘米度。度。导热率随温度升高而下降导热率随温度升高而下降。64第64页，讲稿共99张，创作于星期日碳纤维的碳纤维的比电阻比电阻与与纤维的类型纤维的类型有关。在有关。在25时，时，高模量碳纤维高模量碳纤维为为775 u cm，高强度碳纤维高强度碳纤维为为1500 u cm。碳纤维的碳纤维的电动势电动势为正值，而铝合金的电动势为为正值，而铝合金的电动势为负值。因此当负值。因此当碳纤维复合材料碳纤维复合材料与与铝合金铝合金组合应用时组合应用时会发生会发生电化学腐蚀电化学腐蚀。65第65页，讲稿共99张，创作于星期日碳纤维碳纤维的的化学性能化学性能与与碳碳碳碳很相似。它除能被很相似。它除能被强氧强氧化剂氧化化剂氧化外，对外，对一般酸碱一般酸碱是惰性的。是惰性的。在在空气空气空气空气中，当温度高于中，当温度高于400 时，则会出现明显时，则会出现明显的氧化，生成的氧化，生成CO和和CO2。66第66页，讲稿共99张，创作于星期日在在不接触不接触空气空气或或氧化气氛氧化气氛时，碳纤维具有突出的时，碳纤维具有突出的耐热性耐热性。当碳纤维当碳纤维在高于在高于1500 时时，强度强度才开始下降；才开始下降；而而其它类型材料其它类型材料包括包括A12O3晶须在内，晶须在内，在此温度下在此温度下，其性能已大大下降。其性能已大大下降。67第67页，讲稿共99张，创作于星期日另外，碳纤维还有良好的另外，碳纤维还有良好的耐低温性能耐低温性能耐低温性能耐低温性能，如，如在液在液氮温度下氮温度下也也不脆化不脆化不脆化不脆化。它还有。它还有耐油耐油耐油耐油、抗放射抗放射、抗辐射抗辐射、吸收有毒气体吸收有毒气体吸收有毒气体吸收有毒气体和和减速中子减速中子减速中子减速中子等特性。等特性。68第68页，讲稿共99张，创作于星期日无机纤维无机纤维:v 玻璃纤维玻璃纤维 v 碳纤维碳纤维v 硼纤维硼纤维 v 氧化铝纤维氧化铝纤维v 碳化硅纤维碳化硅纤维 v 氮化硼纤维氮化硼纤维2.几种合成纤维的制备方法和性能几种合成纤维的制备方法和性能有机纤维有机纤维:v聚酰胺纤维聚酰胺纤维 （尼龙、锦纶）（尼龙、锦纶）v聚芳酰胺纤维聚芳酰胺纤维 （芳纶）（芳纶）v聚乙烯纤维聚乙烯纤维合成纤维的种类合成纤维的种类69第69页，讲稿共99张，创作于星期日（3）聚芳酰胺纤维）聚芳酰胺纤维1）聚芳酰胺纤维的化学组成）聚芳酰胺纤维的化学组成2）聚芳酰胺纤维的制造）聚芳酰胺纤维的制造3)聚芳酰胺纤维的结构聚芳酰胺纤维的结构4）聚芳酰胺纤维的性能）聚芳酰胺纤维的性能70第70页，讲稿共99张，创作于星期日 聚芳酰胺：聚芳酰胺：主链至少含主链至少含85的直接与两个芳的直接与两个芳环相连的酰胺基团的聚合物。耐热、强度高环相连的酰胺基团的聚合物。耐热、强度高和耐化学腐蚀，主要用作纤维。聚芳酰胺可和耐化学腐蚀，主要用作纤维。聚芳酰胺可用低温溶液缩聚或界面缩聚制备。用低温溶液缩聚或界面缩聚制备。1）聚芳酰胺纤维的化学组成）聚芳酰胺纤维的化学组成71第71页，讲稿共99张，创作于星期日聚间苯二甲酰间苯二胺聚间苯二甲酰间苯二胺该化合物的纤维产品名称：该化合物的纤维产品名称：HT-1纤维，国外商品名纤维，国外商品名 Nomex，中国芳纶，中国芳纶1313 由间苯二胺和间苯二甲酰氯合成的由间苯二胺和间苯二甲酰氯合成的聚间苯二甲酰间苯二胺，聚间苯二甲酰间苯二胺，它可在它可在二甲基乙酰胺溶剂中纺丝，分解温度达二甲基乙酰胺溶剂中纺丝，分解温度达 370，耐高温、耐辐射、耐化，耐高温、耐辐射、耐化学腐蚀、高温绝缘性、耐燃，用于防燃工作服、飞行服、高温工业滤学腐蚀、高温绝缘性、耐燃，用于防燃工作服、飞行服、高温工业滤材、电器绝缘纸、绝热毡等。材、电器绝缘纸、绝热毡等。72第72页，讲稿共99张，创作于星期日聚对苯二甲酰对苯二胺聚对苯二甲酰对苯二胺 （PPTA）属于液晶高分子，可加工成纤维，具有高强度、高模量、高耐温属于液晶高分子，可加工成纤维，具有高强度、高模量、高耐温特点，综合性能优于特点，综合性能优于 Nomex。根据纤维大分子链节中酰胺键与亚。根据纤维大分子链节中酰胺键与亚胺键的位置，有不同的品种，例如胺键的位置，有不同的品种，例如Kevlar29、Kevlar 49等。等。该化合物的纤维产品名称：该化合物的纤维产品名称：B纤维，国际商品名纤维，国际商品名Kevlar，中国商品名芳纶，中国商品名芳纶1414。73第73页，讲稿共99张，创作于星期日v聚合物的制备聚合物的制备v聚合物溶液纺丝聚合物溶液纺丝2）聚芳酰胺纤维的制造）聚芳酰胺纤维的制造聚对苯二甲酰对苯二胺聚对苯二甲酰对苯二胺 （PPTA）74第74页，讲稿共99张，创作于星期日简单流程图简单流程图75第75页，讲稿共99张，创作于星期日缩聚反应缩聚反应76第76页，讲稿共99张，创作于星期日简单流程图简单流程图77第77页，讲稿共99张，创作于星期日1 1）高聚物不溶于一般的溶剂，仅溶于强酸，如硫酸、氯）高聚物不溶于一般的溶剂，仅溶于强酸，如硫酸、氯酸、硝酸等。一般用酸、硝酸等。一般用硫酸。硫酸。2 2）高聚物溶液呈）高聚物溶液呈液晶高聚物液晶高聚物的特点。体积分数的特点。体积分数12%20%,20%,高取向的液晶高取向的液晶,各向异性。各向异性。3 3）聚合物体积分数）聚合物体积分数18-22%18-22%，温度，温度9090处于可纺性良好的处于可纺性良好的低粘度区。低粘度区。溶液的特性溶液的特性78第78页，讲稿共99张，创作于星期日干喷湿纺工艺干喷湿纺工艺 高高浓浓度、高温度的度、高温度的PPTAPPTA液液晶溶液在晶溶液在较较高的高的喷丝喷丝速度下速度下喷丝喷丝，喷丝进喷丝进入温度入温度0 -50 -5的凝固液浴，的凝固液浴，中中间间空气空气层间层间隙可使高温隙可使高温纺丝喷丝纺丝喷丝头头和低温凝固浴保持温差，同和低温凝固浴保持温差，同时时在在空气空气层层中中进进行适宜的行适宜的喷头喷头拉伸，在拉伸，在凝固液浴中，凝固液浴中，经过经过一个一个纺丝纺丝管，在管，在凝固液的作用下形成凝固液的作用下形成丝丝束，束，绕绕到到绕绕丝辊丝辊上，再上，再经经洗洗涤涤，在，在张张力下力下热辊热辊上干燥。最后在惰性气体中于上干燥。最后在惰性气体中于较较高高的温度下的温度下进进行行热处热处理。理。纺丝纺丝速度可速度可达达2000m/min.2000m/min.79第79页，讲稿共99张，创作于星期日 各向异性的各向异性的PPTA溶液通溶液通过喷丝过喷丝孔抽伸孔抽伸时时，靠近，靠近细细孔壁孔壁时产时产生剪切，当成形生剪切，当成形丝丝凝凝结时结时，将保持高取向分子，将保持高取向分子结结构，形成构，形成较较高的高的洁净洁净度和度和较较高的取向高的取向结结构。构。80第80页，讲稿共99张，创作于星期日3）聚芳酰胺纤维的结构）聚芳酰胺纤维的结构分子内部是共价键、分子之间以氢键连接成片层，分子内部是共价键、分子之间以氢键连接成片层，分子内部是共价键、分子之间以氢键连接成片层，分子内部是共价键、分子之间以氢键连接成片层，片层之间以范德华力结合，纤维分为芯层和表皮层片层之间以范德华力结合，纤维分为芯层和表皮层片层之间以范德华力结合，纤维分为芯层和表皮层片层之间以范德华力结合，纤维分为芯层和表皮层81第81页，讲稿共99张，创作于星期日v纤维的大分子刚性极佳，链缠结少纤维的大分子刚性极佳，链缠结少,取向度、结晶度高，取向度、结晶度高，分子链几乎处于完全伸直状态，这种结构使纤维表分子链几乎处于完全伸直状态，这种结构使纤维表现出良好的强度、模量及热稳定性现出良好的强度、模量及热稳定性。v 纤维密度小，只有钢丝的纤维密度小，只有钢丝的15。v 可耐可耐240高温。高温。v 拉伸强度高，耐屈折、耐疲劳、耐腐蚀，膨胀系数小。拉伸强度高，耐屈折、耐疲劳、耐腐蚀，膨胀系数小。v 是一种性能优异的纤维。是一种性能优异的纤维。4）聚芳酰胺纤维的性能）聚芳酰胺纤维的性能82第82页，讲稿共99张，创作于星期日物理性质：物理性质：(1)(1)黄色，黄色，Kevlar49Kevlar49为深黄色为深黄色(2)(2)密度：大部分密度：大部分1.43-1.44g/cm1.43-1.44g/cm3 3 锦纶锦纶1.141.14，聚酯，聚酯1.381.38，碳纤维，碳纤维1.81.8 玻璃纤维玻璃纤维2.252.25，钢丝，钢丝7.87.883第83页，讲稿共99张，创作于星期日机械性能：机械性能：Kevlar纤维纤维的的拉伸拉伸强强度度约为约为E玻璃玻璃纤维纤维的的1.5倍，倍，与碳与碳纤维纤维相当或略高。拉相当或略高。拉伸模量伸模量仅仅次于碳次于碳纤维纤维和硼和硼纤维纤维。芳。芳纶纤维纶纤维的断裂伸的断裂伸长长在在5左右，接近玻璃左右，接近玻璃纤维纤维。84第84页，讲稿共99张，创作于星期日芳芳纶纤维纶纤维的的强强度和模量高，密度低，度和模量高，密度低，因而此种增因而此种增强强纤维纤维有很高的比有很高的比强强度和比模量。度和比模量。各类增强纤维比强度比模量各类增强纤维比强度比模量机械性能：机械性能：85第85页，讲稿共99张，创作于星期日比强