纤维新材料及应用-2高技术课件.ppt

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1、l高技术纤维高技术纤维高强力高模量纤维高强力高模量纤维l定义：定义：一般把强度高于一般把强度高于3GPa或或20g/D纤维称为高强力纤维纤维称为高强力纤维l一般模量要在一般模量要在200GPa以上。以上。lPaKPaMPaGPaTPal强度模量强度模量l碳纤维（）碳纤维（）g/D4.6GPa1500g/D235GPal碳纤维（）碳纤维（）g/D2.1GPa2400g/D391GPal芳族纤维（）芳族纤维（）g/D3.2GPa520g/D66GPal芳族纤维（）芳族纤维（）g/D3.0GPa1000g/D127GPal玻璃纤维玻璃纤维g/D4.6GPa390g/D86GPal氧化铝氧化铝g/D2

2、.5GPa870g/D246GPal碳化硅碳化硅g/D2.9GPa870g/D196GPal硼纤维硼纤维g/D3.5GPa1780g/D413GPal纤维的理论强度：即极限强度将无限长的大分子链纤维的理论强度：即极限强度将无限长的大分子链完全牵伸平直的纤维的拉伸强度即分子链的强度完全牵伸平直的纤维的拉伸强度即分子链的强度ll极限强度（极限强度（g/d）l大分子共价键结合力密度分子截面积大分子共价键结合力密度分子截面积l键的结合力：键的结合力：.达因达因聚合物聚合物 分子截面积分子截面积 极限强度极限强度 纤维强度纤维强度 (nm (nm2 2)(g/d)(GPa)(g/d)(g/d)(GPa)

3、(g/d)PE 0.193 PE 0.193 372372 32 32 9.09.0NL6 0.192 NL6 0.192 316316 32 32 9.59.5PVA 0.228 PVA 0.228 236236 27 27 9.59.5PPTA 0.205 PPTA 0.205 235235 30 30 25.025.0PET 0.217 PET 0.217 232232 28 28 9.59.5PP 0.348 PP 0.348 218218 18 18 9.09.0PAN 0.304 PAN 0.304 196196 20 20 5.05.0PVC 0.294 PVC 0.294 16

4、9169 21 21 4.04.0 纤维实现高强度的必要条件：纤维实现高强度的必要条件：1.1.主键键强大。主键键强大。2.2.大分子横截面积小。大分子横截面积小。3.3.取向度高（能够实现高取向）取向度高（能够实现高取向）4.4.结晶度高，缺陷少。结晶度高，缺陷少。保障条件：保障条件：大分子之间缠结少。分子链规整。分子量大。合适的工艺条件。一、芳香族聚酰胺一、芳香族聚酰胺 聚对苯二甲酰对苯二胺，聚对苯二甲酰对苯二胺，PPTAPPTA，对位芳纶，对位芳纶，芳纶芳纶14141414，凯夫拉。，凯夫拉。杜邦公司杜邦公司19711971年试制成功。不久开始规模化年试制成功。不久开始规模化生产。生产。

5、8（一）制造方法（一）制造方法单体：对苯二酰氯单体：对苯二酰氯+对苯二胺对苯二胺聚合方法：溶液聚合法聚合方法：溶液聚合法溶剂：六甲基磷酰胺溶剂：六甲基磷酰胺（HMPA）、二甲基乙酰胺、二甲基乙酰胺（DMAC）、N-甲基吡咯烷酮甲基吡咯烷酮（NMP）、或、或HMPA/NMP混合溶剂。混合溶剂。聚合物沉淀，经分离、粉碎和干燥制成聚合物沉淀，经分离、粉碎和干燥制成PPTA树脂。树脂。9纺丝：液晶纺丝纺丝：液晶纺丝溶于浓硫酸中，温度溶于浓硫酸中，温度8010080100。液晶：有一类物质在从各向异性的晶态转入各向同性的液态时，先要液晶：有一类物质在从各向异性的晶态转入各向同性的液态时，先要经过各向异性

6、的液态，这一类物质的这种过渡状态称为液晶。一般由较经过各向异性的液态，这一类物质的这种过渡状态称为液晶。一般由较长的分子形成，分子具有明显的几何不对称性而取向。长的分子形成，分子具有明显的几何不对称性而取向。近晶相液晶：分子排列方向一致，分子轴垂直的平面内周期破坏。近晶相液晶：分子排列方向一致，分子轴垂直的平面内周期破坏。向列液晶：分子仅有排列方向一致，按轴向取向，而分子的轴向周期向列液晶：分子仅有排列方向一致，按轴向取向，而分子的轴向周期性破坏。性破坏。胆淄相液晶：分子成层状排列，螺旋结构。胆淄相液晶：分子成层状排列，螺旋结构。10纺丝时，首先将纺丝时，首先将PPTAPPTA溶解在浓硫酸中溶

7、解在浓硫酸中调制成浓度为约调制成浓度为约20%20%的溶液。的溶液。8080左右，转变为向列型液晶。左右，转变为向列型液晶。140时，变为各向同性夜。时，变为各向同性夜。喷丝头组件的温度不超过喷丝头组件的温度不超过80100.凝固浴：凝固浴：25%H2SO4水溶液，浴温水溶液，浴温10。11纺丝速度：纺丝速度：200m/min以上。以上。空气层高度：空气层高度：540mm。喷丝孔直径：喷丝孔直径：0.100.30mm.12液晶态的刚性大分子受剪切作用在喷液晶态的刚性大分子受剪切作用在喷丝孔道中沿流动方向发生高度取向。而丝孔道中沿流动方向发生高度取向。而纺丝细流离开喷丝板后的解取向作用远纺丝细流

8、离开喷丝板后的解取向作用远小于柔性大分子。初生纤维可以不经过小于柔性大分子。初生纤维可以不经过拉伸，只需经过充分水洗和热处理即可拉伸，只需经过充分水洗和热处理即可成为产品纤维。成为产品纤维。13喷丝头拉伸比（卷绕速度与挤出速度喷丝头拉伸比（卷绕速度与挤出速度之比）是芳纶纤维纺丝成形过程中的一之比）是芳纶纤维纺丝成形过程中的一个主要工艺参数，随着喷丝头拉伸比增个主要工艺参数，随着喷丝头拉伸比增大，纺丝细流的拉伸流动取向效应增强，大，纺丝细流的拉伸流动取向效应增强，纤维强度增大。当喷丝头拉伸比过低纤维强度增大。当喷丝头拉伸比过低（小于（小于3 3）时，刚性大分子沿纤维轴向）时，刚性大分子沿纤维轴向

9、的取向程度很低，所得纤维的使用价值的取向程度很低，所得纤维的使用价值不大。不大。14PPTAPPTA初生纤维进行干燥或在惰性气体初生纤维进行干燥或在惰性气体氛围下热处理，可以制成满足不同要求氛围下热处理，可以制成满足不同要求的纤维。的纤维。温度高，强度低、模量高。温度高，强度低、模量高。温度低，强度高、模量低。温度低，强度高、模量低。强度强度/cn/tex /cn/tex 模量模量 断裂伸长率断裂伸长率K29 203 4900 3.6K29 203 4900 3.6K49 208 7800 2.4K49 208 7800 2.4K149 168 11500 1.3K149 168 11500

10、1.3（二）结构与性能（二）结构与性能 1 1、结构、结构 分子链刚性强，链的缠结少，可以获得较高分子链刚性强，链的缠结少，可以获得较高取向度和结晶度。取向度和结晶度。分子链长度大，力学性能提高分子链长度大，力学性能提高 有皮芯结构有皮芯结构 属于单斜晶系。晶胞参数：属于单斜晶系。晶胞参数：a=0.78nm b=0.519nma=0.78nm b=0.519nm c=1.29nm c=1.29nm =90.=90.Z=2 Z=2 c c1.50g/cm1.50g/cm3 3（二）结构与性能（二）结构与性能 （实际强度只相当于理论强度的（实际强度只相当于理论强度的10%10%左右，如何进一步左右

11、，如何进一步提高强度仍是当前提高强度仍是当前PPTAPPTA纤维研究中的重要课题。）纤维研究中的重要课题。）PPTAPPTA的结构模型：的结构模型：存在由伸直分子链聚集而成的原纤。存在由伸直分子链聚集而成的原纤。纤维横截面存在皮芯结构上的差异。纤维横截面存在皮芯结构上的差异。纤维中原纤之间存在微孔。纤维中原纤之间存在微孔。沿纤维轴向存在周期长度约沿纤维轴向存在周期长度约150250nm150250nm、与结晶与结晶C C轴轴010010夹角的褶裥结构。夹角的褶裥结构。晶胞晶胞b轴沿纤维经向选择性取向。轴沿纤维经向选择性取向。2 2、性能：、性能：（1 1）热稳定性）热稳定性:Tg=345,:T

12、g=345,高温下高温下不熔不收缩。不熔不收缩。160 160 热空气中处理热空气中处理400400小时，强小时，强度基本不变。度基本不变。500 500 以上，炭化速度明显加快。以上，炭化速度明显加快。氮气环境下的热分解和碳化温度高氮气环境下的热分解和碳化温度高50605060度。度。极限氧指数极限氧指数25252929。具有自熄性。具有自熄性。（2 2）化学稳定性：不溶于有机溶）化学稳定性：不溶于有机溶剂、盐类溶液，有很好的耐化学剂、盐类溶液，有很好的耐化学药品性能。但耐酸、碱性较差。药品性能。但耐酸、碱性较差。特别是对强酸的抵抗力弱。特别是对强酸的抵抗力弱。抗紫外线能力差，不宜直接暴露抗

13、紫外线能力差，不宜直接暴露在日光下使用。在日光下使用。3 3、力学性能：抗反复拉伸能力强，尺、力学性能：抗反复拉伸能力强，尺寸稳定性好，是有机纤维中最好的。寸稳定性好，是有机纤维中最好的。弯曲疲劳性能较差。弯曲疲劳性能较差。4 4、其他：外观呈黄色，染色困难，用、其他：外观呈黄色，染色困难，用原液染色的方法可以获得绿色、深蓝、原液染色的方法可以获得绿色、深蓝、黑等颜色。黑等颜色。密度密度1.441.44。与橡胶的粘结能力介于脂肪族聚与橡胶的粘结能力介于脂肪族聚酰胺和聚酯纤维之间。酰胺和聚酯纤维之间。回潮率：回潮率：3.94.5%3.94.5%（三）应用（三）应用 1 1、复合材料：、复合材料：

14、飞机和集装箱织物（质量轻）飞机和集装箱织物（质量轻）压力容器（强力高）压力容器（强力高）造船（模量高）造船（模量高）运动器材（冲击强力高）运动器材（冲击强力高）塑料添加剂塑料添加剂 土木工程土木工程（三）应用（三）应用 2 2、防护服装：、防护服装：防弹服饰防弹服饰 耐热工作服（耐热性）耐热工作服（耐热性）消防毯（阻燃性）消防毯（阻燃性）阻燃纺织品阻燃纺织品 防割手套（耐割破性）防割手套（耐割破性）防割座椅面料防割座椅面料（三）应用（三）应用 3 3、轮胎：、轮胎：卡车和飞机轮胎（密度低）卡车和飞机轮胎（密度低）高速轮胎高速轮胎 摩托车轮胎（强度高）摩托车轮胎（强度高）自行车轮胎（尺寸稳定性）

15、自行车轮胎（尺寸稳定性）（收缩率低）（收缩率低）（耐刺破性）（耐刺破性）（三）应用（三）应用 4 4、机械橡胶制品：、机械橡胶制品：输送带（强力高）输送带（强力高）传送带（模量高）传送带（模量高）汽车用软管（尺寸稳定）汽车用软管（尺寸稳定）液压系统软管（耐热）液压系统软管（耐热）近海软管（耐化学性）近海软管（耐化学性）临时管缆临时管缆 随着随着欧美地区欧美地区开展禁止使用石棉的环境保护运动，开展禁止使用石棉的环境保护运动，芳纶浆粕芳纶浆粕纤维纤维得到了迅速的发展，它在橡胶制品领得到了迅速的发展，它在橡胶制品领域中也得到了广泛的应用，如在胶管、动力传送带、域中也得到了广泛的应用，如在胶管、动力传

16、送带、运输带、胶鞋鞋底等方面。与此同时，芳纶浆粕纤运输带、胶鞋鞋底等方面。与此同时，芳纶浆粕纤维在橡胶制品中的分散技术也得到发展。维在橡胶制品中的分散技术也得到发展。芳纶浆粕是对芳纶浆粕是对芳纶纤维芳纶纤维进行表面原纤化处理之后便进行表面原纤化处理之后便得到的，其独特的表面结构极大地提高了混合物的得到的，其独特的表面结构极大地提高了混合物的抓附力，因此非常适合作为一种增强纤维应用于摩抓附力，因此非常适合作为一种增强纤维应用于摩擦及密封产品中。擦及密封产品中。事实证明，通常只需添加少于10%的浆粕，得到产品的强度相当于50-60%石棉纤维增强的产品。用于增强摩擦、密封材料等制成品，可作为石棉的替

17、代品用于摩擦密封材料，高性能耐热绝缘纸以及增强复合材料。芳纶纤维是重要的国防芳纶纤维是重要的国防军工军工材料，为了适应现代战争的需材料，为了适应现代战争的需要，目前，美、英等发达国家的要，目前，美、英等发达国家的防弹衣防弹衣均为芳纶材质，芳均为芳纶材质，芳纶防弹衣、头盔的轻量化，有效提高了军队的快速反应能纶防弹衣、头盔的轻量化，有效提高了军队的快速反应能力和杀伤力。在海湾战争中，美、法飞机大量使用了力和杀伤力。在海湾战争中，美、法飞机大量使用了芳纶芳纶复合材料复合材料。除了军事上的应用外，现已作为一种高技术含。除了军事上的应用外，现已作为一种高技术含量的纤维材料被广泛应用于航天量的纤维材料被广

18、泛应用于航天航空航空、机电、建筑、机电、建筑、汽车汽车、体育用品等国民经济的各个方面。在航空、航天方面，芳体育用品等国民经济的各个方面。在航空、航天方面，芳纶由于质量轻而强度高，节省了大量的动力燃料，据国外纶由于质量轻而强度高，节省了大量的动力燃料，据国外资料显示，在宇宙飞船的发射过程中，每减轻资料显示，在宇宙飞船的发射过程中，每减轻1公斤的重公斤的重量，意味着降低量，意味着降低100万美元的成本。除此之外，科技的迅万美元的成本。除此之外，科技的迅猛发展正在为芳纶开辟着更多新的民用空间。据报道，目猛发展正在为芳纶开辟着更多新的民用空间。据报道，目前，芳纶产品用于防弹衣、头盔等约占前，芳纶产品用

19、于防弹衣、头盔等约占78%，航空航天，航空航天材料、体育用材料大约占材料、体育用材料大约占40%；轮胎轮胎骨架材料、传送带材骨架材料、传送带材料等方面大约占料等方面大约占20%左右，还有高强左右，还有高强绳索绳索等方面大约占等方面大约占13%。轮胎业也开始大量使用芳纶帘线来减轻重量，减少。轮胎业也开始大量使用芳纶帘线来减轻重量，减少滚动阻力滚动阻力（PPTA）自）自20世纪世纪60年代由美国杜邦（年代由美国杜邦（DuPont）公司成功）公司成功地开发出芳纶纤维并率先产业化后，在地开发出芳纶纤维并率先产业化后，在30多年的时间里，多年的时间里，芳纶纤维走过了由军用战略物资向民用物资过渡的历程，芳

20、纶纤维走过了由军用战略物资向民用物资过渡的历程，价格也降低了将近一半。现在国外芳纶无论是研发水平价格也降低了将近一半。现在国外芳纶无论是研发水平还是规模化生产都日趋成熟。美国的杜邦是芳纶开发的还是规模化生产都日趋成熟。美国的杜邦是芳纶开发的先驱，他们无论在新产品的研发、生产规摸上，还是在先驱，他们无论在新产品的研发、生产规摸上，还是在市场占有率上都是世界一流水平，仅他们生产的市场占有率上都是世界一流水平，仅他们生产的Kevlar纤纤维，目前就有维，目前就有Kevlar一一49、Kevlar29等十多个牌号，每等十多个牌号，每个牌号又有数十种规格的产品。杜邦公司在去年宣布将个牌号又有数十种规格的

21、产品。杜邦公司在去年宣布将扩大扩大Kevlar纤维的生产能力，该扩建项目预计在今年年底纤维的生产能力，该扩建项目预计在今年年底完工。帝人、完工。帝人、赫斯赫斯特等芳纶生产的知名企业也不甘示弱，特等芳纶生产的知名企业也不甘示弱，纷纷扩产或联合，并积极开拓市场，希望成为这个朝阳纷纷扩产或联合，并积极开拓市场，希望成为这个朝阳产业的生力军。产业的生力军。德国德国Acordis公司近期开发出高性能超细对位芳纶公司近期开发出高性能超细对位芳纶(Twaron)产品，它既不燃，也不会熔融，还有很高强度和极大杭切产品，它既不燃，也不会熔融，还有很高强度和极大杭切割能力，主要可用于生产涂层及非涂层割能力，主要可

22、用于生产涂层及非涂层织物织物、针织产品和、针织产品和针剌毡等既耐高温又抗切割的各种纺织服装装备。针剌毡等既耐高温又抗切割的各种纺织服装装备。Twaron超细长丝的细度仅为职业安全服常用对位芳纶的超细长丝的细度仅为职业安全服常用对位芳纶的60%，用，用它织造手套它织造手套其抗切割能力提高其抗切割能力提高l0%，用它生产梭织物和针，用它生产梭织物和针织产品，其手感更柔和，使用更舒适。织产品，其手感更柔和，使用更舒适。Twaron防切割手套防切割手套主要用于汽车制造业、玻璃工业及金属零部件生产厂，还主要用于汽车制造业、玻璃工业及金属零部件生产厂，还能为能为森林工业森林工业生产护腿用品，为公共运输行业

23、提供防破坏生产护腿用品，为公共运输行业提供防破坏装备等。利用装备等。利用Twaron的阻燃耐热性，可为消防队提供防护的阻燃耐热性，可为消防队提供防护套装和毡毯等装备，以及为铸造，炉窑、玻璃厂等高温作套装和毡毯等装备，以及为铸造，炉窑、玻璃厂等高温作业部门提供耐热防火服，以及生产飞机座阻燃防火包覆材业部门提供耐热防火服，以及生产飞机座阻燃防火包覆材料。用这一料。用这一高性能纤维高性能纤维还能创造还能创造汽车轮胎汽车轮胎、冷却软管、冷却软管、V型皮带等机件、光学纤维型皮带等机件、光学纤维电缆电缆和防弹背心等防护装备，还和防弹背心等防护装备，还能代替石棉做摩擦材料和密封材料等。能代替石棉做摩擦材料和

24、密封材料等。据有关部门统计，芳纶纤维世界总需求量在据有关部门统计，芳纶纤维世界总需求量在2001年年为为36万吨万吨/年，而在年，而在2005年达到年达到50万吨万吨/年。全球对年。全球对芳纶的需求呈现不断增长的态势，芳纶作为一种新芳纶的需求呈现不断增长的态势，芳纶作为一种新兴的高性能纤维进入了飞速发展的时期。兴的高性能纤维进入了飞速发展的时期。与海外芳纶纤维产业的红红火火相比，芳纶的国产与海外芳纶纤维产业的红红火火相比，芳纶的国产化才刚刚起步。由于芳纶纤维在我国的发展起步较化才刚刚起步。由于芳纶纤维在我国的发展起步较晚，国外公司对核心技术的封锁垄断等原因，目前晚，国外公司对核心技术的封锁垄断

25、等原因，目前我国芳纶纤维的技术水平、产品档次及生产能力都我国芳纶纤维的技术水平、产品档次及生产能力都与国外发达国家存在着一定的差距。据悉，近几年，与国外发达国家存在着一定的差距。据悉，近几年，我国电子、建筑、轮胎工业迅速发展，使得我国芳我国电子、建筑、轮胎工业迅速发展，使得我国芳纶用量迅猛增长。造成我国芳纶国产化如此艰难的纶用量迅猛增长。造成我国芳纶国产化如此艰难的原因主要有两点：一是生产的技术瓶颈难以突破；原因主要有两点：一是生产的技术瓶颈难以突破；二是大部分原料需要进口，特别是国产的二是大部分原料需要进口，特别是国产的溶剂溶剂不能不能过关。市场还远远没有饱和，值得去关注、去开发。过关。市场

26、还远远没有饱和，值得去关注、去开发。三大高性能纤维中，芳纶的产量和需求量是最大的，回顾三大高性能纤维中，芳纶的产量和需求量是最大的，回顾1995年世界对位芳纶的产量约年世界对位芳纶的产量约4.2万吨，万吨，2004-2005年期间年期间年对位芳纶世界总产量约年对位芳纶世界总产量约5.5万吨。对位芳纶的生产商主万吨。对位芳纶的生产商主要是要是Dupont公司和公司和Teijin公司两家，其产量分别约占世界公司两家，其产量分别约占世界对位芳纶总产量的对位芳纶总产量的55%和和45%，其它国家或公司仅有少量，其它国家或公司仅有少量生产。据报道，近年来世界对位芳纶需求年增长率为生产。据报道，近年来世界

27、对位芳纶需求年增长率为10以上。为此，以上。为此，Dupont公司计划在未来几年内把现有公司计划在未来几年内把现有Kevlar的产能提高的产能提高50；Teijin公司则从公司则从2000年收购年收购Twaron业务业务以来进行了三次大规模扩产，近期产能计划达到以来进行了三次大规模扩产，近期产能计划达到23000吨。吨。我国进行现代化建设也迫切需要发展高性能芳纶，目我国进行现代化建设也迫切需要发展高性能芳纶，目前年用量在前年用量在3000吨以上。上世纪吨以上。上世纪80年代起，我国开始进行年代起，我国开始进行对位芳纶的研制工作，先后多家单位开发过芳纶对位芳纶的研制工作，先后多家单位开发过芳纶、

28、芳纶、芳纶、芳纶、芳纶（类似俄罗斯芳纶），但一直处于小试和中试（类似俄罗斯芳纶），但一直处于小试和中试阶段，尚未实现产业化。目前，国内多家单位正在实现对阶段，尚未实现产业化。目前，国内多家单位正在实现对位芳纶产业化。位芳纶产业化。国际市场上开发的对位芳纶新产品：国际市场上开发的对位芳纶新产品：为了适应客户的需求，除标准型的芳纶外，芳纶生产商为了适应客户的需求，除标准型的芳纶外，芳纶生产商不断开发出新的产品。不断开发出新的产品。1.Teijin公司公司Teijin公司开发了分别专用于胶管和输送带增强的芳纶丝公司开发了分别专用于胶管和输送带增强的芳纶丝束束Twaron1014和和Twaron101

29、5，与标准型号，与标准型号Twaron1008相比，相比，除了力学性能更适用于胶管和输送带的要求外，这两种产品除了力学性能更适用于胶管和输送带的要求外，这两种产品还经过活化处理，应用时只需一步浸胶即可与橡胶基体粘合还经过活化处理，应用时只需一步浸胶即可与橡胶基体粘合良好。良好。Twaron2100是专为传动带开发的芳纶丝束，与标准是专为传动带开发的芳纶丝束，与标准型型Twaron1008相比，它有相当低的模量，改善了的耐弯曲相比，它有相当低的模量，改善了的耐弯曲和耐压缩疲劳性能，动态性能出色。和耐压缩疲劳性能，动态性能出色。Twaron2300则专为动则专为动力胶管和高性能传动带开发，特点是同

30、时具有高勾结强度和力胶管和高性能传动带开发，特点是同时具有高勾结强度和拉伸强度。开发了防弹专用的拉伸强度。开发了防弹专用的TwaronCT超细芳纶，显著提超细芳纶，显著提高了防弹性能。为了开发耐切割手套，开发了超细、有色的高了防弹性能。为了开发耐切割手套，开发了超细、有色的芳纶短纤。芳纶短纤。2.Dupont公司公司Dupont公司开发了高强高模的芳纶丝束公司开发了高强高模的芳纶丝束Kevlar49HS、用于橡胶工业的粘合活化芳纶长丝用于橡胶工业的粘合活化芳纶长丝KevlarHa、警用防弹、警用防弹衣织物衣织物KevlarProtera的超细芳纶，其强度达到的超细芳纶，其强度达到24.4cN/

31、dtex。Aracon是是Dupont公司开发的芳纶新产品，公司开发的芳纶新产品，用金属在芳纶纤维表面镀层，具有消除静电、屏蔽辐射、用金属在芳纶纤维表面镀层，具有消除静电、屏蔽辐射、传输电信号的功能，比金属线质轻、柔软。传输电信号的功能，比金属线质轻、柔软。Korex?芳纶纸芳纶纸蜂窝芯材是蜂窝芯材是Dupont公司开发的对位芳纶新材料，用于轻质公司开发的对位芳纶新材料，用于轻质高强的结构部件。高强的结构部件。Dupont公司开发了公司开发了KevlarM/B浓缩物和浓缩物和Kevlar浆粕增强弹性体，将芳纶浆粕或短纤维加工成橡胶浆粕增强弹性体，将芳纶浆粕或短纤维加工成橡胶预混产品，用于胶管胶

32、带和轮胎中可以增强橡胶制品的耐预混产品，用于胶管胶带和轮胎中可以增强橡胶制品的耐磨耗性和耐撕裂性。磨耗性和耐撕裂性。二、碳纤维二、碳纤维 白炽灯丝白炽灯丝工业化生产（工业化生产（1919世纪末爱迪生世纪末爱迪生）。）。实用价值的出现于上世纪实用价值的出现于上世纪5050年代年代 （一）碳纤维的类型（一）碳纤维的类型 原料：原料：纤维素基、聚丙稀腈基、沥青基纤维素基、聚丙稀腈基、沥青基 功能：功能：结构用、活性炭、导电、耐燃、耐结构用、活性炭、导电、耐燃、耐磨磨 力学性能：力学性能：高强型、高模型、通用型高强型、高模型、通用型 结构结构:普通普通碳纤维（碳纤维（1000230010002300度

33、度）、石墨纤维）、石墨纤维（23002300度以上）度以上）（二）制造方法（二）制造方法 纤维素基碳纤维：纤维素基碳纤维：纤维素纤维纤维素纤维（400 400 低温稳定化处理释放出低温稳定化处理释放出H H2 2O/CO/COO/CO/CO2 2）预制体预制体碳化（碳化（1000100015001500惰性气体惰性气体）碳纤维碳纤维90%90%石墨化石墨化（短时间适当张力短时间适当张力250025003000 3000 惰性气体惰性气体）石墨纤维石墨纤维100%100%碳碳 纤维素属于多糖类有机化合物，分子中含有大量的氢和氧纤维素属于多糖类有机化合物，分子中含有大量的氢和氧原子。理论碳化率原子

34、。理论碳化率55%55%，实际碳化率，实际碳化率1030%1030%。最早用于碳纤维原丝使用。最早用于碳纤维原丝使用。聚丙烯腈基碳纤维：聚丙烯腈基碳纤维：聚丙烯腈原丝聚丙烯腈原丝预氧化预氧化（张力防止收缩有利于取向。（张力防止收缩有利于取向。释放出释放出NHNH3 3、H H2 2O/HCN/COO/HCN/CO2 2200200300.300.颜色：白颜色：白-黄黄-棕褐色棕褐色-黑）黑）予氧予氧化丝化丝（惰性气体（惰性气体80080015001500）碳纤维碳纤维（含碳（含碳92%92%以上乱层石墨片状）以上乱层石墨片状）（2000200030003000密闭氩气或氦气。）密闭氩气或氦气。

35、）石墨纤维石墨纤维（类似石墨的（类似石墨的层状结晶结构）层状结晶结构）。生产碳纤维的的聚丙烯腈纤维与普通腈纶纤维不同。共聚组分丙烯醛、甲基生产碳纤维的的聚丙烯腈纤维与普通腈纶纤维不同。共聚组分丙烯醛、甲基丙烯酸、羟乙基丙乙烯腈、甲基乙基酮等的作用是为了促进预氧化和环化交丙烯酸、羟乙基丙乙烯腈、甲基乙基酮等的作用是为了促进预氧化和环化交联反应，分子量高联反应，分子量高910910万。万。分子结构发生变化。分子结构发生变化。沥青基碳纤维沥青基碳纤维 石油沥青石油沥青（熔融过滤、一次热处理）（熔融过滤、一次热处理）预制沥青预制沥青（二次热处理）（二次热处理）中间相沥青中间相沥青（纺丝）（纺丝）沥青纤

36、维沥青纤维（不熔化处理）（不熔化处理）不熔化沥青纤维不熔化沥青纤维碳化碳化（1000100015001500）碳纤维碳纤维石墨化石墨化（2500250030003000）石墨纤维石墨纤维。不熔化处理：先在空气不熔化处理：先在空气/O3、SO3、NO2等惰性气体等惰性气体中进行气相或者在中进行气相或者在HNO3、H2O2、HCL等氧化性等氧化性水溶液中进行液相不熔化处理，使沥青分子间发生水溶液中进行液相不熔化处理，使沥青分子间发生交联或缩合，熔点升高，具有热硬化性质。交联或缩合，熔点升高，具有热硬化性质。（三）结构与性能（三）结构与性能 石墨是典型的二维有序结构，层石墨是典型的二维有序结构，层间

37、碳原子以共价键连接，层与层之间间碳原子以共价键连接，层与层之间通过范得华力结合。通过范得华力结合。碳纤维不具备理想的石墨点阵结碳纤维不具备理想的石墨点阵结构，属于乱层石墨点阵结构，石墨层构，属于乱层石墨点阵结构，石墨层片是基本的结构单元，若干层片组成片是基本的结构单元，若干层片组成微晶，微晶堆砌成直径数十微晶，微晶堆砌成直径数十nmnm，长度，长度数百数百nmnm的原纤，原纤则构成单丝。的原纤，原纤则构成单丝。性能：性能：1 1、化学性质：与碳十分相似，在、化学性质：与碳十分相似，在室温下是惰性的，一般酸碱对碳纤维室温下是惰性的，一般酸碱对碳纤维不起作用，不起作用，有人在有人在1981年将年将

38、PAN基基CF浸泡在强碱浸泡在强碱NaOH溶液中，时间已过去溶液中，时间已过去20多多年，它至今仍保持纤维形态。年，它至今仍保持纤维形态。能被强氧化剂氧化。能被强氧化剂氧化。2 2、热学性质：、热学性质：当温度高于当温度高于400400时，在空时，在空气中会发生氧化反应，生成气中会发生氧化反应，生成COCO2 2和和COCO从纤维表面逸从纤维表面逸出。但在惰性气体下，耐热性十分突出，出。但在惰性气体下，耐热性十分突出，15001500以以上的高温，强度才开始降低。上的高温，强度才开始降低。3 3、力学性能：伸长极小（力学性能：伸长极小（0.50.52 2），），应力应变曲线为一直线，断裂过程应

39、力应变曲线为一直线，断裂过程在瞬间完成，不发生屈服。在瞬间完成，不发生屈服。径向分子间作径向分子间作用力弱，抗压性能较差，轴向抗压强度仅为抗张强用力弱，抗压性能较差，轴向抗压强度仅为抗张强度的度的10103030，且不能结节。剪切强度很低。，且不能结节。剪切强度很低。与传与传统的统的玻璃纤维玻璃纤维(GF)相比，相比，杨氏模量杨氏模量是其是其3倍多；它倍多；它与与凯芙拉纤维凯芙拉纤维(KF-49)相比，杨氏模量是其相比，杨氏模量是其2倍左右。倍左右。抗蠕变性能优良。抗蠕变性能优良。碳纤维是一种碳纤维是一种力学力学性能优异的新材料，它的比重不性能优异的新材料，它的比重不到钢的到钢的1/4，碳纤维

40、，碳纤维树脂树脂复合材料抗拉复合材料抗拉强度强度一般都一般都在在3500Mpa以上，是钢的以上，是钢的79倍，抗拉倍，抗拉弹性模量弹性模量为为2300043000Mpa亦高于钢。因此亦高于钢。因此CFRP的比强度即的比强度即材料的强度与其材料的强度与其密度密度之比可达到之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而以上，而A3钢的比强度仅为钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，则构件自其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的

41、广阔应用前景，综意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景，综观多种新兴的复合材料观多种新兴的复合材料(如高分子复合材料、如高分子复合材料、金属金属基复合材料基复合材料、陶瓷基复合材料、陶瓷基复合材料)的优异性能，不少的优异性能，不少人预料，人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一人预料，人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一个复合材料广泛应用的时代。个复合材料广泛应用的时代。通用型碳纤维强度为通用型碳纤维强度为1000MPa、模量为、模量为100GPa左左右。右。高性能型碳纤维又分为高强型（强度高性能型碳纤维又分为高强型（强度2000MPa、模、模量量250GPa）和高模型（模量）和高模型（模量30

42、0GPa以上）。强度以上）。强度大于大于4000MPa的又称为超高强型。的又称为超高强型。模量大于模量大于450GPa的称为超高模型。随着航天和航的称为超高模型。随着航天和航空工业的发展，还出现了高强高伸型碳纤维，其延空工业的发展，还出现了高强高伸型碳纤维，其延伸率大于伸率大于2。用量最大的是聚丙烯腈。用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纤基碳纤维。维。4、各向异性：径向的热膨胀系数比轴、各向异性：径向的热膨胀系数比轴向高数十倍，而轴向导热系数约为径向高数十倍，而轴向导热系数约为径向向20倍。倍。5、粘结性能好。自润滑性能优良。、粘结性能好。自润滑性能优良。6 6、主要物理性能指标、主要物理性能指标

43、品种多样，性能差异大。品种多样，性能差异大。S-230短纤短纤F-140长丝长丝F-500长丝长丝F-600长丝长丝密度密度1.651.952.112.15强度强度800180028003000模量模量35140500600断裂伸长断裂伸长2.01.30.550.50单丝直径单丝直径13-18111010比电阻比电阻1.6*10-31*10-35*10-43*10-4热分解温度热分解温度410540650710碳含量碳含量大于大于95大于大于98大于大于99大于大于99 （四）应用（四）应用碳纤维可加工成碳纤维可加工成织物织物、毡、席、带、纸及其他材、毡、席、带、纸及其他材料。传统使用中碳纤维

44、除用作绝热保温材料外，一料。传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为般不单独使用，多作为增强材料增强材料加入到树脂、金属、加入到树脂、金属、陶瓷陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。、混凝土等材料中，构成复合材料。（四）应用（四）应用1.航空航天领域：航空航天领域：在航天主导产品在航天主导产品(弹、箭、弹、箭、星、船星、船)上得到了广泛应用。上得到了广泛应用。如火箭发动机壳体、导弹的防热和头部材料、火箭发射筒、雷达天线、雷达罩、直升飞机螺旋桨、坦克部件、防弹材料、太空望远镜的测量桁架和天线、大型太空太阳能电池板、人造卫星天线支架、太阳能卫星发电站、宇宙空间站结构材料、鱼雷壳体

45、、反坦克火箭炮发射筒，宿营帐篷支架及通讯设备支架。（四）应用（四）应用2.体育器材：体育器材：体育休闲用品体育休闲用品(高尔夫球杆高尔夫球杆、渔、渔具、具、网球拍网球拍、羽毛球拍羽毛球拍、箭杆、箭杆、自行车自行车、赛艇等、赛艇等)。用途很广泛 （四）应用（四）应用3.3.工业交通建筑领域：工业交通建筑领域：新兴市场有新兴市场有增强塑增强塑料料、压力容器、建筑加固、压力容器、建筑加固、风力发电风力发电、摩擦材料、摩擦材料、钻井平台等；钻井平台等；新型建筑材料、汽车部件、刹车片、石油钻杆、弹新型建筑材料、汽车部件、刹车片、石油钻杆、弹簧板、传动轴、深海油田升降器结构材料、电动汽簧板、传动轴、深海油

46、田升降器结构材料、电动汽车飞轮转子、中空纤维分离膜、音响喇叭纸盆、高车飞轮转子、中空纤维分离膜、音响喇叭纸盆、高稳定性碳纤维增强橡胶同步皮带、高抗压轻型箱材、稳定性碳纤维增强橡胶同步皮带、高抗压轻型箱材、现代办公机器的零部件、碳纤维增强混凝土、离合现代办公机器的零部件、碳纤维增强混凝土、离合器等等。器等等。（四）应用（四）应用4.医用：人工韧带和腱、人工骨和关医用：人工韧带和腱、人工骨和关节、牙床、头盖骨等。节、牙床、头盖骨等。（五）其他相关的纤维材料（五）其他相关的纤维材料1.碳纳米管：极小的碳纤维，物理性能及其优异，碳纳米管：极小的碳纤维，物理性能及其优异，称为超级纤维。称为超级纤维。19

47、91年获得，制造年获得，制造C60用的碳弧工用的碳弧工艺得到的阴极沉积物时，发现直径在艺得到的阴极沉积物时，发现直径在450nm分为，分为，长度数微米的碳纤维。长度数微米的碳纤维。纤维有界限鲜明的多重壁纤维有界限鲜明的多重壁称为复壁碳纳米管，称为复壁碳纳米管，强度和硬度极高，具有导电性，用于场致静电子发强度和硬度极高，具有导电性，用于场致静电子发射装置中的电子发射器。射装置中的电子发射器。1993年，通过将过渡金属催化剂引向碳弧，制成单年，通过将过渡金属催化剂引向碳弧，制成单壁碳纳米管，几乎是无限长的，壁碳纳米管，几乎是无限长的，1.5nm直径，将这直径，将这些纤维聚集成绳，包含些纤维聚集成绳

48、，包含100根左右的单独的单壁碳根左右的单独的单壁碳纳米管，直径约纳米管，直径约100nm，达到，达到1.2TPa的杨氏模量，的杨氏模量，是人类已知的最刚硬材料。是人类已知的最刚硬材料。（五）其他相关的纤维材料（五）其他相关的纤维材料2.多孔性碳纤维：多孔性碳纤维：密度：密度：1.96（多孔性碳纤维）、（多孔性碳纤维）、2.25（多孔性石墨纤维）；（多孔性石墨纤维）；比表面积：2.58m2/g，2.52m2/g 用作补强用填充材料和层间化合物的主材料。将直径为0.8微米，长宽比为46的气相成长碳纤维，加热至1000度，并供入水蒸汽浓度80%的氮水混合气，可制得多孔碳纤维，若在氩气中2900度再

49、处理30min，可制得多孔石墨纤维。（五）其他相关的纤维材料（五）其他相关的纤维材料3.高导热碳纤维高导热碳纤维导热性极强的碳纤维，以沥青基和气相成长碳纤维导热性极强的碳纤维，以沥青基和气相成长碳纤维为主，其导热性为铜的为主，其导热性为铜的1.5-31.5-3倍和倍和5 5倍，可以通过它倍，可以通过它高效地释放出所需要排出的热量。高效地释放出所需要排出的热量。一般加入到树脂金属或陶瓷等基体中，作为复合材一般加入到树脂金属或陶瓷等基体中，作为复合材料的骨架材料。是制造飞船、火箭、导弹、高速飞料的骨架材料。是制造飞船、火箭、导弹、高速飞机、大型客机的组成原料。在原子能、机电、化学、机、大型客机的组

50、成原料。在原子能、机电、化学、冶金、运输等工业部门以及音响和体育用品（网球冶金、运输等工业部门以及音响和体育用品（网球拍、冰球拍、高尔夫、滑雪板、赛艇、帆船）等方拍、冰球拍、高尔夫、滑雪板、赛艇、帆船）等方面也有广泛用途。面也有广泛用途。（六）发展现状（六）发展现状世界碳纤维的消费结构集中在工业应用、航天航空和体育休闲三个方面，目前工业世界碳纤维的消费结构集中在工业应用、航天航空和体育休闲三个方面，目前工业应用约占总消费量的应用约占总消费量的58%；航空航天方面应用约占；航空航天方面应用约占23%，体育运动器材应用约占，体育运动器材应用约占19%。发达国家成熟产业，行业集中度高。世界碳纤维的生