第二章 增強(qiáng)材料

第二章增強(qiáng)材料

Reinforcementmaterial1顆粒、薄片和纖維增強(qiáng)材料，是聚合物基復(fù)合材料的骨架。它是決定復(fù)合材料強(qiáng)度和剛度的主要因素。2.1.2增強(qiáng)纖維的品種與性能23纖維材料的性能優(yōu)勢(shì)4商品化的纖維品種：1.無(wú)機(jī)纖維

1）玻璃纖維fiberglass

Owenscorning

美國(guó)；泰山、巨石、重慶復(fù)合材料有限公司；

2）碳纖維：聚丙烯腈基、瀝青基；日本:東麗三菱

3）硼纖維boron

4）碳化硅纖維SiC

5）氧化鋁纖維Alumina2.有機(jī)纖維

1）剛性分子鏈對(duì)位芳酰胺：

kevlar,twaron；聚苯并咪唑；聚芳酯；

2）柔性分子鏈聚乙烯；聚乙烯醇52.2玻璃纖維glassfiber玻璃纖維：將熔融的玻璃液以極快的速度拉成細(xì)絲而成。質(zhì)地柔軟，具有彈性，可并股、加捻、紡織成各種玻璃布，玻璃帶等織物。玻璃纖維無(wú)捻粗紗GlassFiberRoving短切纖維AR-GlassFiberChoppedStrand62.2玻璃纖維

2.2.1玻璃纖維的組成和分類

2.2.2玻璃纖維及玻纖制品的制備

2.2.3玻璃纖維的結(jié)構(gòu)

2.2.4玻璃纖維的性質(zhì)

2.2.5玻璃纖維制品的品種和規(guī)格

72.2.1玻璃纖維的組成及分類1)玻璃纖維的組成

SiO2及各種金屬氧化物組成的硅酸鹽類混合物，屬于無(wú)定形離子結(jié)構(gòu)物質(zhì)。（1）SiO2：作用：形成基本骨架，高熔點(diǎn)（2）金屬氧化物

Al2O3、

CaO、MgO、Na2O、BeO、B2O3等，作用：①

改善制備玻璃纖維的工藝條件：Na2O、K2O；②使玻纖具有一定特性。

BeO：提高模量；

B2O3：提高耐酸性，改善電性能，降低熔點(diǎn)、黏度。但模量和強(qiáng)度下降。8（1）按化學(xué)組成（堿金屬氧化物含量）

有堿玻璃纖維>12%;中堿玻璃纖維6%~12%；低堿玻璃纖維2%~6%；微堿玻璃纖維<2%（無(wú)堿玻璃纖維）（2）按纖維使用特性分

普通玻璃纖維（A-GF：average）

電工用玻璃纖維（E玻璃纖維：electrical）

高強(qiáng)型玻璃纖維（S玻璃纖維strength

）高模量型玻璃纖維（M-GF：modulus）

耐化學(xué)藥品玻璃纖維（C玻璃纖維：chemical）耐堿玻璃纖維（AR玻璃纖維：alkali-resistant）低介玻璃纖維（D玻璃纖維：dielectric）高硅氧玻璃纖維石英玻璃纖維2）玻璃纖維的分類9表2-2常用玻璃纖維的化學(xué)成分中堿玻璃纖維鋁硼硅酸鹽。具有良好的電氣絕緣性及機(jī)械性能硅酸鋁－鎂玻璃纖維,4.9GPa堿金屬氧化物含量接近0也叫中堿玻璃纖維10（3）按產(chǎn)品特點(diǎn)分按纖維長(zhǎng)短分：

定長(zhǎng)纖維（6~50mm）

連續(xù)纖維按纖維直徑的大小：

粗纖維（單絲直徑30um）

初級(jí)纖維（單絲直徑20um）

中級(jí)纖維（單絲直徑10~20um）

高級(jí)纖維（單絲直徑3~9um）；按纖維外觀分：

連續(xù)纖維短切纖維空心玻璃纖維磨細(xì)纖維玻璃粉中空玻璃纖維玻璃粉纖維越細(xì)、缺陷越少、強(qiáng)度越高112.2.2玻璃纖維及玻纖制品的制備1）玻璃纖維的制備

砂石灰石硼酸熔煉爐造球機(jī)玻璃球鉑金坩堝漏絲板玻璃纖維1260℃15~18mm3~20um1000~3000m/min1300℃坩堝拉絲法：制球和拉絲

（102、204、408孔，d=1.5~2mm,玻璃液為1190℃）122011第一次課單絲filament：從坩堝中拉出的每根纖維叫單絲；原紗strand：一個(gè)坩堝拉出的所有單絲經(jīng)過(guò)浸潤(rùn)劑槽后，集束成一根原紗；池窯法將玻璃配合料投入熔窯熔化后直接拉制成各種支數(shù)的連續(xù)玻璃纖維。省去制球工藝生產(chǎn)能力高可自動(dòng)化控制，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；適用于生產(chǎn)粗玻璃纖維；132）玻纖制品的制造玻纖經(jīng)原紗退繞后可以制成各種制品，如無(wú)捻粗紗、短切纖維氈等。設(shè)備：紡紗機(jī)和織布機(jī)14無(wú)捻粗紗ContinuousRovings

短切纖維氈Choppedstrandmat表面氈Surfaceveils第一次課2010153）玻璃纖維浸潤(rùn)劑玻璃纖維突出的弱點(diǎn):

較脆而且不耐磨，纖維之間的摩擦系數(shù)大。在拉絲和紡織過(guò)程中，纖維就難免出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象；剛拉出的纖維容易受到空氣中水蒸汽的侵蝕，使其強(qiáng)度下降。浸潤(rùn)劑的作用：使單絲集束，便于后續(xù)的并股、紡織等工序；防止原紗纏繞成卷時(shí)，纖維相互黏結(jié)；保護(hù)纖維，防止紡織時(shí)纖維的表面磨損而降低強(qiáng)度使多根單絲集中成股，增加原紗的耐磨性和提高拉伸強(qiáng)度；保護(hù)纖維免受大氣和水分的侵蝕作用。

浸潤(rùn)劑：是一種乳液，包括：

粘結(jié)組分:2~15%

潤(rùn)滑組分:0~5%

表面活性劑

16浸潤(rùn)劑類型:（1）紡織型浸潤(rùn)劑

石蠟型浸潤(rùn)劑

淀粉-油浸潤(rùn)劑（2）增強(qiáng)型浸潤(rùn)劑主要成分：

（3）化學(xué)處理劑偶聯(lián)劑成膜劑：聚酯、環(huán)氧、聚氨酯、聚醋酸乙烯酯，聚丙烯酸酯等；還包括：偶聯(lián)劑、潤(rùn)滑劑、潤(rùn)濕劑、抗靜電劑等組分：石蠟、凡士林、礦物油、硬脂酸、表面活性劑等；：淀粉、動(dòng)植物油、陽(yáng)離子胺類化合物、水溶性樹脂等；172.2.3玻璃纖維的結(jié)構(gòu)一次結(jié)構(gòu)：以SiO2為基本骨架的無(wú)機(jī)離子型高聚物；

18二次結(jié)構(gòu)：為各向同性的無(wú)定形結(jié)構(gòu)。拉制出的玻璃纖維處于不穩(wěn)定狀態(tài)，再次受熱會(huì)發(fā)生收縮，其結(jié)構(gòu)也應(yīng)與玻璃的結(jié)構(gòu)相同，為無(wú)定形的離子結(jié)構(gòu)。結(jié)晶1190℃1135~1140℃600℃冷卻速率↑→玻璃化溫度↑→自由體積↑→密度↓E塊狀玻璃：ρ=2.58g/cm3玻璃纖維：ρ=2.52g/cm3192.2.4玻璃纖維的性質(zhì)1）力學(xué)性質(zhì)（1）玻璃纖維的拉伸應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為一條直線，無(wú)明顯的屈服、塑性階段;呈脆性材料特征（2）玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度較高，但模量較低。拉伸強(qiáng)度：10um以下1000MPa；5um以下2400MPa；

20玻璃纖維強(qiáng)度具有以下特點(diǎn)：①單絲直徑越小，拉伸強(qiáng)度越高；②試樣測(cè)試段長(zhǎng)度越大，拉伸強(qiáng)度越低；

21③化學(xué)組成對(duì)強(qiáng)度的影響：④強(qiáng)度的分散性較大⑤受濕度影響：吸水后，濕態(tài)強(qiáng)度下降22拉伸模量：70GPa斷裂伸長(zhǎng)率2.6~3%;密度為2.50~2.56g/cm3，比有機(jī)纖維大，但比一般金屬纖維密度低。232）熱性能類似于無(wú)定形有機(jī)高聚物，存在Tg、Tf兩個(gè)轉(zhuǎn)變；

Tg

較高，約600℃；拉伸強(qiáng)度受溫度的影響較大；

200~250℃：無(wú)明顯影響300℃24h：↓20%400℃24h：↓50%導(dǎo)熱系數(shù)低，良好的絕熱性能；熱膨脹系數(shù)較低。243）耐介質(zhì)性能Na2O/K2O離析，溶解酸玻纖硅酸鹽硅酸膠體（促進(jìn)）保護(hù)膜（減緩溶解過(guò)程）水玻纖Na2O/K2O溶解堿性SiO2骨架破壞濃堿玻纖溶解玻纖所有成分，玻纖變細(xì)25堿含量越大，玻璃纖維受水侵蝕的速率越快。在水中浸泡后，強(qiáng)度降低。一般來(lái)說(shuō)，除氫氟酸外，對(duì)酸、稀堿、鹽及有機(jī)溶劑都具有較好的耐腐蝕能力。264）電性能（1）電絕緣性好玻璃纖維的體積電阻率為1011~1018?.cm。玻璃鋼大部分做絕緣材料。含堿量越高，電阻率越低；

濕度越大，電阻率越低；

溫度越高，電阻率越低。（2）良好的高頻介電性能

玻璃纖維的介電常數(shù)較小，介質(zhì)損耗很低，具有良好的高頻介電性能，可做雷達(dá)罩，微波天線的天線罩。

272.2.5玻璃纖維制品的品種與規(guī)格1玻璃纖維紗

1）常用的術(shù)語(yǔ)、參數(shù)（1）原紗Strand玻璃纖維制造過(guò)程中的單絲經(jīng)集束后的單股紗；（2）表示（原）紗粗細(xì)的指標(biāo)

支數(shù):1g紗的長(zhǎng)度（m）。支數(shù)越大，原紗越細(xì)；

特（tex）:1000m長(zhǎng)紗的質(zhì)量（g）旦或袋（Denier）:9000m長(zhǎng)紗的質(zhì)量（g），特和旦數(shù)越大，紗越粗。

28（3）捻度紗的加捻程度，單位長(zhǎng)度內(nèi)纖維與纖維之間所加的轉(zhuǎn)數(shù)，以捻／m為單位（4）股數(shù)N由幾根原紗合股組成。玻璃紗的公稱支數(shù)為原紗支數(shù)/股數(shù)Z捻(左捻)，順時(shí)針?lè)较蚣幽?；S捻(右捻)，逆時(shí)針?lè)较蚣幽?。加捻的作用：提高纖維的抱合力改善單纖維的受力狀況，利于紡織工序的進(jìn)行。缺點(diǎn)：捻度過(guò)大不易被樹脂浸透。

292）紗的品種和規(guī)格（1）品種

有捻紗和無(wú)捻紗隨合股數(shù)的不同分：粗紗、細(xì)紗

無(wú)捻粗紗：纖維平行排列，較松散，對(duì)樹脂的浸潤(rùn)性好，但易斷頭、起毛、不易編制。

有捻細(xì)紗：剛好相反。（2）規(guī)格單絲直徑：4um、6um、8um原紗支數(shù)（m）:40、80、160

股數(shù)：有捻紗：2~8股；無(wú)捻紗：5~60股；紗的公稱支數(shù)（原絲支數(shù)/股數(shù)）、斷裂強(qiáng)度及捻度等。（3）牌號(hào)表示法無(wú)堿紗4－600/2：4－單絲直徑4um；

600－原紗支數(shù)；2－股數(shù)N為2無(wú)堿玻璃紗。303）折算斷裂強(qiáng)度紗的截面積：折算斷裂強(qiáng)度：Pb-紗的拉斷力β0-原紗的支數(shù),β0=Nβ

β-玻璃紗的公稱支數(shù)，1g紗的長(zhǎng)度，（m）ρf-密度（g/cm3）注意紗和原紗的區(qū)別，紗由N股數(shù)的原紗組成。314）紗強(qiáng)度低于單絲強(qiáng)度的原因①兩者的測(cè)量標(biāo)距不一樣，單絲：10mm；紗：200mm；②各單絲準(zhǔn)直不一，不可能同時(shí)受力，同時(shí)斷裂，最終斷裂是強(qiáng)度最大的單絲；③加捻使得纖維承受附加的扭轉(zhuǎn)力。322玻璃布1）布的品種與規(guī)格（1）玻璃布的品種按編織方法不同，分為：

平紋布、

斜紋布、緞紋布

單向布

無(wú)緯布

無(wú)捻布（無(wú)捻方格布）3334單向布經(jīng)緯向拉斷力相差懸殊的玻璃布，經(jīng)紗是密紗或強(qiáng)紗，緯紗是稀紗或弱紗。與無(wú)緯布不同。無(wú)捻布

無(wú)捻紗編制的玻璃布，比較常用的是平紋編織無(wú)捻粗紗布。無(wú)捻方格布單向布3536（2）主要規(guī)格表2-7編織方法：布的厚度：反映纖維彎曲程度；布的幅度：排紗密度：為1cm布寬上排了多少根經(jīng)緯紗，面密度Gf：布單位面積的纖維質(zhì)量，g/m2

布在經(jīng)、緯向的拉斷力有很大差別的，這種布即單向布。常有4:1，7:1，11:1，14:1的單向布供應(yīng)。（3）牌號(hào)表示法平紋-100：厚度0.1mm的平紋布；

EW100A-90:E:無(wú)堿；W：布；100：0.1mm厚;A:類別；90：幅寬90cm。372）布的折算斷裂強(qiáng)度3）布強(qiáng)度低于紗強(qiáng)度的原因玻纖經(jīng)過(guò)紡織以及在布中呈現(xiàn)彎曲和扭曲狀態(tài)。2.5cm—測(cè)試時(shí)布條的寬度b—排紗密度，根紗/cm;384）布的使用特點(diǎn)（1）編織情況編織方法對(duì)布的使用特點(diǎn)的影響：

（2）布厚度布越薄，纖維彎曲越小，纖維拉伸強(qiáng)度越高；易浸透膠，但糊制層數(shù)多。（3）排紗密度排紗密度越大，越不易浸透膠。393.其他玻纖制品1）立體編織物2）玻璃纖維氈片①短切原絲氈②連續(xù)纖維氈③縫合氈④表面氈（單絲氈）3）縫編織物4）無(wú)緯布

短切原絲氈縫合氈402.3碳纖維2.3.1碳纖維的分類2.3.2碳纖維的制造2.3.3碳纖維的結(jié)構(gòu)2.3.4碳纖維的性能2.3.5碳纖維品種與規(guī)格2.3.6碳纖維的發(fā)展412.3碳纖維1880愛(ài)迪生曾經(jīng)用竹炭纖維作燈絲；1959美國(guó)聯(lián)合碳化物公司（UnionCarbideCorp.）人造絲Thornel1962日本進(jìn)藤昭男聚丙烯腈1963日本大谷杉郎瀝青20世紀(jì)70年代，中國(guó)生產(chǎn)碳纖維（品種少，性能一般，產(chǎn)量低）

——是由有機(jī)纖維如黏膠纖維、聚丙烯腈纖維或?yàn)r青纖維在保護(hù)氣氛下熱處理碳化成為含碳量90~99%的纖維。422.3.1碳纖維的分類1.按先驅(qū)體纖維原料類型分類

聚丙烯腈基碳纖維瀝青基碳纖維黏膠基碳纖維氣相生長(zhǎng)碳纖維有機(jī)纖維炭化法氣相法442.按碳纖維的制造方法不同分類碳纖維（800~1600℃）石墨纖維（2000~3000℃）氧化纖維（預(yù)氧化絲200~300℃）活性炭纖維氣相生長(zhǎng)碳纖維（600～1200℃）453.按纖維力學(xué)性能分類

通用級(jí)碳纖維（GP）

高性能碳纖維（HP）:

中強(qiáng)型MT高強(qiáng)型HT（強(qiáng)度2000MPa、模量250GPa）超高強(qiáng)型UHT(強(qiáng)度大于4000MPa)中模型IM高模型HM高模型（模量300GPa以上）超高模型UHM(模量大于450GPa)通用型碳纖維強(qiáng)度為1000MPa、模量為100GPa46474.按碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域分類：商品級(jí)碳纖維：大絲束，單絲數(shù)在48K以上宇航級(jí)碳纖維：小絲束，<12K5.按碳纖維功能分類：受力結(jié)構(gòu)用碳纖維；耐焰碳纖維；活性碳纖維；導(dǎo)電用碳纖維；潤(rùn)滑用碳纖維；耐磨用碳纖維；耐腐蝕用碳纖維K：每束碳纖維的根數(shù)，1k：100048活性炭纖維（ActivatedCarbonFiber，簡(jiǎn)稱ACF），亦稱纖維狀活性炭?；钚蕴坷w維是經(jīng)過(guò)活化的含炭纖維，將某種含碳纖維（如PAN基纖維、黏膠基纖維、瀝青基纖維等）經(jīng)過(guò)高溫活化（不同的活化方法活化溫度不一樣），使其表面產(chǎn)生納米級(jí)的孔徑，增加比表面積，從而改變其物化特性。2.3.2結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的關(guān)系1)拉伸強(qiáng)度與實(shí)際值理論值模量（GPa）1020

強(qiáng)度（GPa）180實(shí)際值模量（GPa）瀝青系400

PAN系300強(qiáng)度（GPa）石墨晶須20碳纖維3~61.拉伸強(qiáng)度512).拉伸強(qiáng)度與缺陷脆性材料易在裂紋尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中以裂紋迅速傳播和擴(kuò)展來(lái)形成新的表面，使集中的應(yīng)力得以消除，導(dǎo)致在較低應(yīng)力下就發(fā)生斷裂。

裂紋是制約強(qiáng)度的主要因素之一。碳纖維存在多種缺陷，這些缺陷大致可分為表面和內(nèi)部缺陷兩大類型。52表面裂紋表面沉積物表面毛纖表面機(jī)械損傷53內(nèi)裂紋內(nèi)孔洞543).強(qiáng)度與微晶的大小拉伸強(qiáng)度與微晶尺寸的平方根成反比。細(xì)晶化是提高材料強(qiáng)度的主要措施之一。原因：

減緩了在晶界處產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，這也就減緩了產(chǎn)生裂紋的力；裂紋在穿越晶界繼續(xù)擴(kuò)張時(shí)要改變方向，消耗較多能量；晶界面積較大，塑性變形能大，裂紋在失穩(wěn)擴(kuò)張過(guò)程中也需要消耗較大能量；552.楊氏模量模量是材料的固有本性。石墨材料的理論模量值為1020GPa.碳纖維的楊氏模量與石墨微晶的擇優(yōu)取向密切相關(guān)。即石墨微晶在空間的軸向分布情況。3.高強(qiáng)高模高模量：微晶取向最佳化；高強(qiáng)度：各類缺陷最小化；4.斷裂伸長(zhǎng)率在楊氏模量一定的條件下，碳纖維的斷裂伸長(zhǎng)將隨著拉伸強(qiáng)度的提高而得到改善。562.3.2碳纖維的制法以含C量高的有機(jī)纖維作為先驅(qū)纖維（precursor）,在N2、Ar氣氛保護(hù)和施加張力牽伸下，通過(guò)加熱（碳化）去除大部分非碳元素，得到碳的石墨晶體結(jié)構(gòu)為主體的纖維材料。

對(duì)于先驅(qū)體的要求：碳化過(guò)程不熔融，能保持纖維形態(tài)；碳化收率較高；碳纖維強(qiáng)度、模量等性能符合要求；能獲得穩(wěn)定連續(xù)長(zhǎng)絲。57滿足要求的原絲1）黏膠纖維（再生纖維素）(C6H10O5)n

最早實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，但技術(shù)難度大，設(shè)備復(fù)雜，成本高，碳化收率低20~40%；2）瀝青纖維（C、H）瀝青碳化收率高70~90%，提高纖維模量方面有優(yōu)勢(shì)3）PAN纖維(C3H3N)n

碳化收率較高，40~60%。高強(qiáng)度纖維主要來(lái)自于PAN系。而瀝青基纖維主要用來(lái)生產(chǎn)高模量纖維！58瀝青質(zhì)的主要成分稠環(huán)芳烴通過(guò)分子間作用形成單元薄片,單元薄片相互堆積而形成具有部分有序的類晶結(jié)構(gòu)。瀝青基纖維主要用來(lái)生產(chǎn)高模量纖維.591）聚丙烯腈基碳纖維（PAN-CF）的制造丙烯腈共聚單體引發(fā)劑聚合PAN紡絲濕紡干濕紡PANF預(yù)氧化工藝炭化石墨化表面處理CF系列產(chǎn)品空氣介質(zhì)200~300℃幾十~幾百min惰性氣氛600~1600℃幾分~幾十min惰性氣氛2000~3000℃幾秒~數(shù)十秒60（1）PAN纖維的制備一步法：二甲基甲酰胺，二甲亞砜，硫氰化鈉的水溶液兩步法：水;二甲亞砜。溶液紡絲高性能原絲應(yīng)具有的性能：高純度、高強(qiáng)度、高取向度高純度:聚合前的原料進(jìn)行過(guò)濾；聚合后的樹脂充分洗滌；無(wú)塵紡絲；高強(qiáng)度、高取向度提高聚合物分子量；采用合理的紡絲方法，如干噴濕紡。61①預(yù)氧化的作用

熱塑性PAN線型大分子結(jié)構(gòu)耐熱梯型結(jié)構(gòu)（2）PAN原絲的預(yù)氧化處理62指碳纖維原絲在碳化前須經(jīng)的預(yù)氧化過(guò)程。以聚丙烯腈原絲的預(yù)氧化為例，要在200～400℃的空氣中，在適當(dāng)張力下經(jīng)歷分子鏈的環(huán)化、交聯(lián)、脫氫、氧化等一系列的復(fù)雜反應(yīng)，使它轉(zhuǎn)化成熱穩(wěn)定并具有半導(dǎo)體電阻值的吡啶環(huán)梯形結(jié)構(gòu)，其耐熱性、抗燃性和導(dǎo)電性等均有所提高。②預(yù)氧化工藝條件預(yù)氧化工藝分4段控溫進(jìn)行：200℃——230℃——250℃——280℃

10%定長(zhǎng)或3%皮芯結(jié)構(gòu)施加張力的目的：使纖維中形成的梯形結(jié)構(gòu)取向抑制收縮外皮結(jié)構(gòu)硬實(shí)芯子結(jié)構(gòu)柔軟達(dá)到86%64（2）碳化處理低溫炭化：300~1000℃；高溫炭化：1100~1600℃亂層石墨結(jié)構(gòu)：形成互相平行的二維六邊形石墨網(wǎng)狀層;層與層之間有比較規(guī)則的間距;層間疊層仍是雜亂無(wú)序。65（3）石墨化處理2000~3000℃的高溫處理，使亂層石墨結(jié)構(gòu)向三維石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化。目的：提高模量石墨化過(guò)程：石墨晶體尺寸↑，結(jié)晶度↑，取向角↓，層間距d002↓，從而較大提高纖維的模量。石墨化：硬碳：難石墨化軟碳：易石墨化中間相瀝青＞聚丙烯腈＞黏膠絲66（4）上漿與表面處理碳纖維的表面活性低，必須進(jìn)行表面處理（氧化和上漿）以提高纖維表面的活性，從而提高復(fù)合材料的性能。

上漿的作用：保護(hù)碳纖維，防止損傷與起毛，作為碳纖維和樹脂的偶聯(lián)劑。672）瀝青基碳纖維的制造瀝青基碳纖維的原料：天然瀝青煤焦油瀝青石油瀝青熱解瀝青合成瀝青指標(biāo):①元素組成，以H/C表示；②軟化點(diǎn)；③分子量范圍大小瀝青：多種芳環(huán)縮聚物的混合物；軟化點(diǎn)100~200℃，相對(duì)分子質(zhì)量分布很寬，平均相對(duì)分子質(zhì)量在200以上，含碳量大于70%。68通過(guò)溶劑使瀝青分離成不同組分：瀝青苯或甲苯抽提不溶物喹啉不溶物α樹脂（高分子樹脂）喹啉溶解β樹脂（中分子樹脂）可溶物γ樹脂（低分子樹脂）γ樹脂:<500β樹脂:300~2000α樹脂:>200069（1）各向同性碳纖維的制作瀝青碳纖維的類型：通用級(jí)碳纖維，各向同性瀝青碳纖維；中間相瀝青碳纖維①瀝青的調(diào)制

化學(xué)組成分子量大小和分布流動(dòng)性將原料瀝青的雜質(zhì)微粒(>4μm)去除后經(jīng)加熱處理，制成軟化點(diǎn)180℃以上的瀝青70（2）中間相瀝青碳纖維的制備中間相瀝青的調(diào)制瀝青喹啉80~120℃除去喹啉不溶物中間相瀝青300~350℃脫氫縮合紡絲不熔化處理碳化石墨化71酸性氣體250-400℃空氣中進(jìn)行處理275~350℃722.3.3碳纖維的結(jié)構(gòu)1）理想的石墨晶體結(jié)構(gòu)

石墨晶體結(jié)構(gòu)與亂層結(jié)構(gòu)圖a—石墨晶體的重疊狀態(tài)；b—亂層結(jié)構(gòu)的重疊狀態(tài)732）CF的結(jié)構(gòu)石墨層片石墨微晶（亂層結(jié)構(gòu)）石墨原纖（條帶結(jié)構(gòu)）碳纖維一級(jí)結(jié)構(gòu)單元La<20nm二級(jí)結(jié)構(gòu)單元數(shù)張或數(shù)十張三級(jí)結(jié)構(gòu)是寬度約為20nm，長(zhǎng)度為幾百納米的細(xì)長(zhǎng)條帶結(jié)構(gòu)。微晶之間被無(wú)定形結(jié)構(gòu)隔開。亂層結(jié)構(gòu)；層片之間的距離較理想晶體大條帶不是筆直沿纖維方向；條帶之間有針形孔隙，孔隙與纖維軸有一定夾角。74二維有序的亂層結(jié)構(gòu)；層片之間的距離較理想晶體大；石墨微晶尺寸、層片間距d002及石墨化程度γ等與制造過(guò)程的熱處理溫度HTT和時(shí)間有關(guān)。石墨化程度計(jì)算公式：HTT↑→La↑，Lc↑，d002↓，γ↑。石墨微晶與理想石墨晶體的結(jié)構(gòu)差別：753）CF結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系（1）熱處理溫度（HTT）對(duì)CF強(qiáng)度和模量的影響

模量升高是因?yàn)椋篐TT↑→La↑Lc↑→E↑；HTT↑→d002↓→E↑；HTT↑(張力)→θ↓→E↑。HTT升高，模量提高，強(qiáng)度σ會(huì)出現(xiàn)峰值。76σ有個(gè)極值：一方面，HTT升高，原纖之間或微晶之間的交聯(lián)鍵數(shù)目增加，并且θ↓

、d002↓、導(dǎo)致碳鍵密度↑→σ↑。

另一方面，HTT升高，使σ↓有如下的原因：

①T↑→微晶尺寸↑→空隙數(shù)目↓但空隙尺寸↑→應(yīng)力集中↑；②微晶尺寸小時(shí)，晶界面積大，裂紋擴(kuò)展消耗能量大；③高溫牽伸，有可能拉斷原纖之間的交聯(lián)鍵，削弱晶界之間的結(jié)合力；④皮芯結(jié)構(gòu)的皮和芯的熱膨脹系數(shù)不同，溫度升高，殘余應(yīng)力增大；⑤高溫下碳纖維表面碳的蒸發(fā)，引起表面缺陷。77（2）潤(rùn)濕與粘接表面處理（3）PAN原絲本身質(zhì)量、缺陷影響碳纖維的性能原絲分子量適中、多分散性小、取向度大；原絲中空隙、雜質(zhì)少；原絲的直徑均一782.3.4碳纖維的性能1）力學(xué)性能強(qiáng)度高、模量大。脆性大，沖擊性能差

792）物理性能（1）熱性能：耐高低溫性能好；導(dǎo)熱性好，導(dǎo)熱系數(shù)高；6.5W/(m.K)線膨脹系數(shù)沿纖維軸向具有負(fù)的溫度效應(yīng)，即溫度升高，碳纖維收縮；（2）與樹脂粘接性差

3）化學(xué)性能（1）氧化性

200~290℃空氣中發(fā)生氧化反應(yīng)，其耐熱性在空氣中比玻纖差（2）耐腐蝕性能被強(qiáng)氧化劑氧化，如濃硝酸、次氯酸及重鉻酸鉀等。一般酸堿對(duì)它影響小，比玻璃纖維具有更好的耐腐蝕性。耐水性比玻纖好。4）其他性能:

導(dǎo)電性好，比電阻：755uΩ.cm80碳纖維與玻璃纖維性能比較性能玻璃纖維碳纖維密度（g/cm3）2.5~2.61.75(高強(qiáng))1.9~2.0（高模）模量（GPa）70220~250390~460強(qiáng)度（GPa）4.0（高強(qiáng)2#）2.5（3.53）1.4~2.1斷裂伸長(zhǎng)率（%）2.61.00.5電阻率（Ω.cm）1011~1018755*10-6導(dǎo)熱系數(shù)（W/m.K）0.0346.5812.3.5碳纖維的品質(zhì)和規(guī)格使用最多，最普遍的是日本東麗公司T300一類的碳纖維，如ToraycaT300B3000-40B,絲束單絲數(shù)量3000根。2.3.6碳纖維的發(fā)展1）產(chǎn)品性能不斷提高2）中模高強(qiáng)型碳纖維的開發(fā)3）高強(qiáng)高模MJ系列碳纖維4）高模量瀝青基碳纖維高強(qiáng)度，提高50~100%；斷裂應(yīng)變提高，25%；模量提高，30%832.4芳綸芳香族聚酰胺（PA）纖維：高強(qiáng)、高模、且韌性好。

1935年美國(guó)杜邦公司Carothers發(fā)明脂肪族聚酰胺；

20世紀(jì)60年代，美國(guó)杜邦公司聚間苯二甲酰間苯二胺纖維，正式商品名為Nomex；

1966年，杜邦公司聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺纖維；1971年，產(chǎn)業(yè)化，商品名為Kevlar。

1974年，美國(guó)正式把芳香族聚酰胺命名為：Aramid。

——一種人工合成的長(zhǎng)鏈聚酰胺纖維，其中至少85%的酰胺鍵直接與兩個(gè)苯環(huán)基團(tuán)連接。842.4.1高模量有機(jī)纖維高性能纖維在結(jié)構(gòu)上有三個(gè)共同特點(diǎn)：非常高的分子取向（結(jié)晶度）有序的側(cè)向排列非常低的軸向缺陷含量已商業(yè)化的高性能有機(jī)纖維有：

1）剛性分子鏈有機(jī)纖維（1）芳香族聚酰胺纖維（芳綸）（2）聚芳酯纖維

85（3）聚苯并噁唑（PBO）纖維（1）聚乙烯（UHMWPE）纖維（2）聚乙烯醇纖維2）柔性分子鏈有機(jī)纖維聚亞苯基苯并二噁唑聚亞苯基苯并二噻唑862.4.2芳綸的種類

有間位和對(duì)位兩種，對(duì)位的被用作先進(jìn)復(fù)合材料。如凱夫拉纖維。1）間位芳香族聚酰胺優(yōu)點(diǎn)：高溫性能好；絕熱性能好；尺寸穩(wěn)定性好，具有難燃自熄性，氧化穩(wěn)定性好等，缺點(diǎn)：強(qiáng)度、模量低

不作增強(qiáng)材料；用作夾層結(jié)構(gòu)使用最多的夾芯材料；美國(guó)杜邦的Nomex，芳綸1313872）對(duì)位芳香族聚酰胺（1）聚對(duì)苯甲酰胺（2）聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺PPTA芳綸14美國(guó)杜邦公司：kevlar纖維；荷蘭阿克蘇的Twaron；芳綸1414882.4.3Kevlar纖維的制備分縮聚和紡絲兩步：制備出高分子量的對(duì)苯二甲酰氯對(duì)苯二胺聚合物；通過(guò)干噴濕紡的液晶紡絲工藝制備纖維。550℃熱處理891.界面縮聚

界面的產(chǎn)生、更新二胺的擴(kuò)散速率一、聚合物的制備與普通界面縮聚原理一致。對(duì)苯二胺溶于水中對(duì)苯二甲酰氯溶于與水不相混溶的有機(jī)溶劑中902.低溫溶液縮聚單體在非質(zhì)子性極性溶劑如二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮NMP等酰胺型溶劑中的進(jìn)行的縮聚反應(yīng)。反應(yīng)條件比較溫和，可在室溫下進(jìn)行，因此可以避免副反應(yīng)發(fā)生，得到高分子量的聚合物。關(guān)鍵因素：純度（%）特性粘數(shù)99.915.5099.704.3099.423.92單體的純度91二、PPTA的紡絲成型紡絲技術(shù)：典型由剛性鏈聚合物形成液晶性紡絲溶液，即干噴濕紡1）紡絲原液的制備

PPTA的紡絲：濃硫酸為溶劑，形成具有溶致型液晶體系的大分子溶液質(zhì)子化作用，促進(jìn)溶解過(guò)程92液晶：是介于液體和晶體間的中間相，宏觀上具有液體的流動(dòng)性和連續(xù)性，微觀上具有晶體的有序性，在光、電、力性質(zhì)上各向異性。向列型液晶（分子軸向排列）、近晶型液晶（分子層狀排列）和膽甾型液晶（分子層狀排列，螺旋結(jié)構(gòu)）。93PPTA黏度與濃度的關(guān)系臨界濃度黏度與溫度的關(guān)系高濃度、低粘度943）干濕法紡絲-干噴濕紡采用干噴濕紡的原因：90℃時(shí)，18~20%的紡絲液處于可紡性良好的低粘度區(qū)；低溫凝固浴的溫度為0~5℃；中間空氣層間隙可使高溫噴絲頭和低溫凝固浴保持溫差在空氣層中進(jìn)行適宜的噴頭拉伸，增加取向度紡絲速度也比濕式紡絲快得多干噴濕紡的優(yōu)點(diǎn)：95凝固液流設(shè)計(jì)：利用凝固液流的流動(dòng)將噴絲孔流出的聚合物溶液邊凝固邊取向保護(hù)尚無(wú)強(qiáng)度的初生絲不被拉斷若加大凝固液的流速，可直接制得短纖維噴絲頭拉伸比卷繞速率/噴絲速率964）熱處理

Kevlar-29150~550℃Kevlar-49張力熱處理的目的：使分子鏈進(jìn)一步取向，提高結(jié)晶率（96%），纖維的σ↑E↑但εfu↓。972.4.4Kevlar纖維的結(jié)構(gòu)1）化學(xué)結(jié)構(gòu)PPTA分子間纏結(jié)少，剛性很強(qiáng)。①含有大量苯環(huán)，內(nèi)旋轉(zhuǎn)困難，處于拉伸狀態(tài)的剛性伸直鏈晶體；②苯環(huán)與酰胺鍵交替排列，全處于對(duì)位，規(guī)律性好，對(duì)稱性好，結(jié)晶性好；③分子間有氫鍵，形成梯形化合物。98結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響①模量高。Kevlar-49：125GPa，剛性大②強(qiáng)度高。Kevlar-49：3.62GPa③各向異性。④韌性比CF好。主鏈仍有柔性鏈節(jié)。⑤耐熱性好。尺寸穩(wěn)定性好。剛性結(jié)構(gòu)，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高于300℃。⑥耐腐蝕性耐大多數(shù)有機(jī)溶劑，但耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿能力較差。992）微觀結(jié)構(gòu)微纖的寬度為0.4um，長(zhǎng)度不等，最長(zhǎng)可達(dá)幾十微米。微纖又是由更小的結(jié)構(gòu)單元-橢圓形片狀結(jié)構(gòu)依次相互交疊組成。橢圓形片狀結(jié)構(gòu)相互交疊的部分，分子鏈?zhǔn)窍嗷ヘ灤┑摹?002.4.5Kevlar-49纖維的性能1）力學(xué)性能

名稱密度/gcm-3

強(qiáng)度/GPa模量/GPa伸長(zhǎng)率/%E-玻璃纖維2.543.4372.53.0碳纖維T3001.763.532301.5Kevlar-491.453.621252.5(5)（6）各向異性（7）抗壓性能、抗扭性能差。（8）強(qiáng)度分散性大。（9）紡織性能好。（10）抗蠕變性好，抗疲勞性好1012）熱性能良好的熱穩(wěn)定性和耐低溫性能；耐火，不燃燒；高溫下不熔融；熱脹系數(shù)各向異性

3）化學(xué)性能耐有機(jī)溶劑，除強(qiáng)酸、強(qiáng)堿；由于苯環(huán)存在，耐紫外光性能差，避光保存。吸水性：6%的水，使強(qiáng)度下降；

4）其它性能

與樹脂的界面黏結(jié)性差，甚至比CF還差。介電性能好。1022.5超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE）

2.5.1UHMWPE纖維概述

由分子量為100萬(wàn)～500萬(wàn)的聚乙烯所紡出的纖維，密度為0.97g/cm3、超輕、高比強(qiáng)度、高比模量、成本低的高性能有機(jī)纖維。高模高強(qiáng)纖維