芳纶纤维.ppt

碳纤维?碳纤维的特点?碳纤维的制造?碳纤维的结构与性能各级结构单元等 1 8 碳纤维 概述碳纤维是有机纤维在惰性气氛中经高温碳化而成的纤维状碳化合物。具有高的比强度和高模量,热膨胀系数小, 尺寸稳定性好。被大量用作复合材料的增强材料。用碳纤维制成的树脂基复合材料比模量比钢和铝合金高 5 倍,比强度高 3倍以上,同时耐腐蚀、耐热冲击、耐烧蚀性能均优越,因而在航空和航天工业中得到应用并得到迅速发展。高强碳纤维 T-400 :拉伸强度 4118MPa , 断裂伸长率 % 高模量碳纤维 M-46: 弹性模量 451GPa , 拉伸强度 2255MPa , 断裂延伸率为 % 2 碳纤维:以碳为主要成分的纤维状材料。不同于有机纤维或无机纤维,不能用熔融法或溶液法直接纺丝,只能以有机物为原料,采用间接方法来制造。制造的方法有: 气相法:在惰性气氛中将小分子有机物,如烃或芳烃等在高温下沉积成纤维。此法用于制造晶须或短纤维,不能用于制造长纤维。有机纤维碳化法:将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤维,然后再在惰性气氛中于高温下进行焙烧碳化,使有机纤维失去部分碳和其他非碳原子,形成以碳为主要成分的纤维状物。此法用于制造连续长纤维。用于制备碳纤维的纤维加热时不熔融,可牵伸,碳纤维产率高 碳纤维的制造 3 碳纤维的结构与性能 碳纤维的结构材料的性能主要取决于材料的结构。结构包括化学结构和物理结构。理想的石墨点阵结构属六方晶系,真实的碳纤维结构属于乱层石墨结构。其中最基本的结构单元仍是石墨层片。碳纤维的二级结构单元为由数张到数十张层片组成石墨微晶。层片之间的距离为面间距 d 碳纤维的三级结构单元为石墨微晶再组成原纤维,直径 50nm 左右,长度数百纳米。原纤维呈现弯曲、彼此交叉的许多条带状结构组成,条带状的结构之间存在针形空隙,大体沿纤维轴平行排列。最后由原纤维组成碳纤维的单丝 4 碳纤维结构中的石墨微晶的取向度影响着纤维模量的高低。碳纤维的皮层结构: 碳纤维由表皮层和芯子两部分组成,中间是连续的过渡区。皮层的微晶较大,排列较整齐有序,占直径的 14%,芯子占 39%,由皮层到芯子,微晶减小,排列逐渐紊乱, 结构不均匀形愈来愈显著。 PAN 碳纤维结构是高倍拉伸的、沿轴向择优选向的原纤维和空穴构成的高度有序织态结构。原丝带来的缺陷在碳化过程中可能消失小部分,而大部分将变成碳纤维的缺陷。同时在碳化过程中,由于大量的元素以气体形式逸出,使纤维表面及其内部生成空穴和缺陷。绝大多数纤维断裂是发生在有缺陷或裂纹的地方。 56 碳纤维的应力- 应变曲线是一条直线,纤维在断裂前是弹性体, 断裂是瞬间开始和完成的。碳纤维的力学性能除取决于纤维的结构外,与纤维的直径等有关。一般作为结构材料用的碳纤维直径为 6μm~11 μm 7 芳纶纤维 1 概述芳纶纤维是芳香族聚酰胺类纤维的通称,国外商品牌号为凯芙拉( Kevlar )纤维(美国杜邦公司 1968 年开始研究, 1973 年研制成功),我国命名为芳纶纤维。凯芙拉纤维是一种高强度和高模量、耐高温、耐腐蚀、低密度的新型有机纤维。由于它具有一系列优异性能,在很多重要工业部门得到了广泛应用。三种不同牌号的芳纶纤维用途不同: Kevlar 主要用于增强塑料、制造轮胎、三角皮带、同步带等。 Kevlar-29 主要用于绳索、电缆、涂漆织物、带和带状物、防弹板、防弹头盔等。 Kevlar-49 主要用作航空、航天、国防、造船等部门应用的各类复合材料的增强材料,例如火箭发动机壳体,飞机的各种部件等。 8 用Kevlar-29 织物做成的手套,在不损失舒适感觉的同时具有意想不到的抵抗性。其断裂性高于棉花手套 倍。穿孔性高于棉花 2倍。高的抵抗性和低热传导率使 Kevlar -29手套具有较好保护性。此外还具有耐火焰性。在 427 ℃才开始烧焦,可与 538 ℃的物料接触使用。许多钢铁员工带着 Kevlar- 29手套在 760 ℃高温下工作,也不致灼伤皮肤。用Kevlar -49做成的防护服装、背心等,可以抵挡大部分的手枪子弹。这种柔软的防卫装备比旧式尼龙装备要轻 50%。不仅穿着舒适,更能提高工作效率。制备成的绳索及电缆比相等重量的尼龙或聚酯纤维产品强度约高 2倍,比钢丝制成的强度虽然相同,但它的重量只有钢丝产品的 1/4 。 9 2 芳纶纤维的结构与特性 芳纶纤维的结构 1、对位芳香族聚酰胺纤维(1)聚对苯甲酰胺(聚对胺基苯甲酰)纤维 Poly ( P- benzamide ) 简称 PBA 纤维。其分子结构式为: 由对氨基苯甲酰缩聚,纺丝而制得。这类纤维有“B”纤维(美国杜邦公司早期产品)、我国的芳纶 I和 HGA 纤维(苏联)。 10