復(fù)合材料學(xué)課件

復(fù)合材料學(xué)

第1章緒論

一、材料學(xué)的發(fā)展

材料是人類一切生產(chǎn)和生活活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，歷來是社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展的標(biāo)志。

舊石器時(shí)代f新石器時(shí)代f銅器時(shí)代f鐵器時(shí)代f現(xiàn)代鋼鐵材料（制造業(yè)發(fā)展，為

二十世紀(jì)物質(zhì)文明奠定基礎(chǔ)）一鋅、硅單晶材料（半導(dǎo)體、集成電路）

從以上可看出：材料發(fā)展對(duì)社會(huì)生產(chǎn)力的提高，起不可估量的作用，為社會(huì)生產(chǎn)力的標(biāo)志。

新材料是當(dāng)今材料發(fā)展中最活躍、最有生命力的部分。

新材料的研究方向：

1材料的復(fù)合化

2低維材料

3梯度功能材料

二、復(fù)合材料的發(fā)展

1、什么是復(fù)合材料

①常見的復(fù)合材料

②復(fù)合材料的定義（composite）

指由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性能不同的材料，通過一定的工藝過程復(fù)合而成，

具有優(yōu)越于原材料特性的多相固體材料。

③復(fù)合材料的特點(diǎn)

1多相固體體系（液體、氣體不行）

2復(fù)合效果

④復(fù)合材料的含義

1廣義：指由兩種或多種物理相組成的固體材料

2狹義：僅指纖維（玻璃、C、B、陶瓷、晶須、Kevlar）增強(qiáng)塑料、金屬和陶瓷

狹義中的一類：玻璃纖維增強(qiáng)塑料（glassfiberreinforcedplastics,GFRP）即玻璃

鋼更常見。

⑤復(fù)合材料的組分

「增強(qiáng)材料——分散相\

〉界面---------構(gòu)成統(tǒng)一結(jié)構(gòu)

一基體材料---分散介質(zhì)/

I—金屬材料（晶須、纖維、片材）

增強(qiáng)材料T—無機(jī)非金屬材料（陶瓷纖維）

有機(jī)材料（kevlar纖維）

I-金屬材料（Al、Mg、Ti等合金）

基體材料J--------無機(jī)非金屬材料（陶瓷、水泥、石膏、碳素）

|_聚合物（熱固性、熱塑性）

2、復(fù)合材料的命名

1增強(qiáng)材料名+基體材料名+復(fù)合材料

2增強(qiáng)材料名縮寫/基體材料名縮寫+復(fù)合材料

3為了突出增強(qiáng)材料或基體材料，可簡(jiǎn)寫“增強(qiáng)材料名+復(fù)合材料”或“基體材料名+

復(fù)合材料”

例如：增強(qiáng)材料：碳纖維，基體材料：環(huán)氧樹脂

3、復(fù)合材料的分類

1以增強(qiáng)物的外形分類

①連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

②纖維織物或片狀材料增強(qiáng)復(fù)合材料

③短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

④粒狀增強(qiáng)復(fù)合材料

2以基體材料類型分類

①金屬基復(fù)合材料

②聚合物基復(fù)合材料

③無機(jī)非金屬材料基復(fù)合材料

3以增強(qiáng)纖維類型分類

①碳纖維復(fù)合材料

②玻纖復(fù)合材料

③有機(jī)纖維復(fù)合材料

④硼纖維復(fù)合材料

⑤混雜纖維復(fù)合材料

4以復(fù)合效果分類

①力學(xué)復(fù)合材料

②功能復(fù)合材料

4、復(fù)合材料的性能

優(yōu)點(diǎn)：

①輕質(zhì)高強(qiáng)

②可設(shè)計(jì)性

③工藝性好，成型方法多

④耐疲勞性好

⑤減震性好

缺點(diǎn)：

①工藝穩(wěn)定性差

②分散性大

③長(zhǎng)期耐高溫、老化性不好

④抗沖擊性能低，橫向強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度不夠好

總的說來，發(fā)展不夠完善，還有很大的發(fā)展空間。

5、復(fù)合材料的應(yīng)用

6、復(fù)合材料的發(fā)展歷程

原始復(fù)合材料-現(xiàn)代復(fù)合材料一先進(jìn)復(fù)合材料

三、本書結(jié)構(gòu)

第二部分增強(qiáng)材料

1增強(qiáng)材料的種類

1、定義

在復(fù)合材料中，凡是能夠提高基體材料機(jī)械強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能的

材料。

2、分類

-纖維狀增強(qiáng)材料（應(yīng)用最廣、作用最明顯）（分為GF（應(yīng)用最廣）、CF、

BF、KF等）

-片狀增強(qiáng)材料

-顆粒狀增強(qiáng)材料

3、發(fā)展歷程

4、作用

承載

2玻璃纖維

§2.1概論

一、玻纖的發(fā)展?fàn)顩r

二、玻纖的分類

1、按原料成分分

廠無堿

-中堿

一有堿

匚高堿

2、按性能分

高強(qiáng)玻纖（S-glass）

高模玻纖（M-glass）

普通玻纖：有堿（A-glass）

無堿（E-glass）

耐酸玻纖（C-glass）

耐堿玻纖（AR-glass）

耐輻射玻纖（L-glass）

耐高溫玻纖

3、按單絲的直徑分

粗纖維

初級(jí)纖維

中級(jí)纖維

高級(jí)纖維

超細(xì)纖維

4、按纖維的外形分

連續(xù)纖維

短切纖維

空心玻璃纖維

玻璃粉及磨細(xì)纖維

§2.2玻纖的結(jié)構(gòu)與組成

一、玻纖的物態(tài)

玻纖是纖維狀玻璃。

二、玻纖的結(jié)構(gòu)

玻纖與塊狀玻璃外觀不同，拉伸強(qiáng)度也相差20-50倍，但兩者的結(jié)構(gòu)完全相同。

玻璃結(jié)構(gòu)有很多假說，最著名的科學(xué)假說有兩個(gè)：

1、Randell（蘭德爾）1930年提出微晶結(jié)構(gòu)假說

玻璃由微晶、無定形物質(zhì)兩部分組成。微晶是晶體，為有序排列，所以體現(xiàn)為短程有序;

無定形物質(zhì)是非晶體，為無序排列，所以體現(xiàn)為長(zhǎng)程無序。

2、ZachariasOn（查哈里阿森）1932年提出網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)假說

玻璃是由Si。2的四面體相互連成不規(guī)則的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)間的空隙由Na\K\

Ca\Mg+等陽離子填充。

Si、。分別在網(wǎng)絡(luò)的什么地方？

為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所以遠(yuǎn)程有序。該圖還有一個(gè)鍵垂直紙面，未畫，體現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)。

三、玻纖的化學(xué)組成

1主要有SiCh、B2O3、AI2O3、CaO、MgO

2以SiO?為主，稱為硅酸鹽玻璃

以B2O3為主，稱為硼酸鹽玻璃

以單組分SiC>2為主，稱為石英玻璃

3玻纖中Na2。、KO作用：助熔劑，降低玻璃的熔化溫度和粘度，使玻璃液中氣泡容易排

出。但Na?。、肉0含量高了，導(dǎo)致玻纖的機(jī)械強(qiáng)度、電絕緣性能和化學(xué)穩(wěn)定性降低。

§2.3玻纖的性能

-、物理性能

1外觀

玻纖為衣面光滑的圓柱體,其橫截面呈完整的圓形。

外觀的影響：a表面光滑，纖維間抱合力小，不利于和樹脂粘結(jié)

b呈圓柱體，玻纖相互靠近時(shí)，空隙可以緊密填充，這對(duì)于提高玻纖含量有利。

2比重

與A1相同，這就有可能在航空工業(yè)替代Ti-Al合金的可能。

二、力學(xué)性能

1拉伸強(qiáng)度

①玻纖拉伸強(qiáng)度的大小

見教材P120,表7-3,可知道玻纖的拉伸強(qiáng)度比高強(qiáng)度合金鋼高，比塊狀玻璃更高。

②玻纖拉伸強(qiáng)度比塊狀玻璃高15-30倍，但比其理論強(qiáng)度低2-5倍、原因：

有各種假說解釋：

微裂紋假說

Griffith提出，玻璃和玻纖中存在數(shù)量不等、尺寸不同的微裂紋，因而導(dǎo)致強(qiáng)度大大降

低。微裂紋分布在玻璃和玻纖的整個(gè)體積中，但以表面的微裂紋危害最大。由于微裂紋

的存在，使玻璃在外力作用下受力不均，在微裂紋處產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而使強(qiáng)度下降。

玻纖拉伸強(qiáng)度比塊狀玻璃高，是由于玻纖減少了玻璃液的不均一性，使微裂紋產(chǎn)生的機(jī)

會(huì)減少；同時(shí)玻纖的斷面積小，隨斷面積減小，微裂紋存在的幾率也小

分子取向假說

玻纖在成型中，由于拉絲機(jī)的牽引力作用，使分子產(chǎn)生定向排列，從而提高玻纖的強(qiáng)度。

凍結(jié)高溫結(jié)構(gòu)假說

玻纖在成型過程中冷卻速度快，使熔融態(tài)玻璃的結(jié)構(gòu)被“凍結(jié)”起來，因而玻纖中的結(jié)

晶、多晶轉(zhuǎn)變以及微觀分層都較塊狀玻璃少得多，所以強(qiáng)度高。

③影響玻纖拉伸強(qiáng)度的因素

玻纖直徑

影響：玻纖直徑越小，拉伸強(qiáng)度越大

原因：玻纖直徑越小，斷面積越小，微裂紋存在得兒率越小，因而其拉伸強(qiáng)度越大

玻纖長(zhǎng)度

影響：玻纖長(zhǎng)度越小，拉伸強(qiáng)度越大

原因：玻纖長(zhǎng)度越小，微裂紋存在得幾率越小，因而其拉伸強(qiáng)度越大

含堿量

影響：含堿量越高，拉伸強(qiáng)度越低（無堿比有堿高20%）

原因：無堿玻纖，成型溫度高，硬化速度快，使熔融態(tài)玻璃得結(jié)構(gòu)被“凍結(jié)”起來，減

少了分層，所以強(qiáng)度高。

存放時(shí)間

影響：存放時(shí)間越長(zhǎng)，拉伸強(qiáng)度越小

原因：存放時(shí)間越長(zhǎng)，空氣中水分對(duì)玻纖的侵蝕越厲害。水分對(duì)有堿玻纖的侵蝕比無堿

厲害（原因？）。

施加教荷時(shí)間

影響：施加載荷時(shí)間越長(zhǎng)，拉伸強(qiáng)度越小

原因：外力作用下，微裂紋擴(kuò)展速度加快。

溫度

影響：250C以下，溫度對(duì)玻纖強(qiáng)度的影響不大：250C以上，溫度升高，強(qiáng)度下降。

原因：微裂紋擴(kuò)展速度

成型工藝方法、條件

影響：由具體情況決定。如玻纖冷卻時(shí).，硬化速度快，其強(qiáng)度越高。

2彈性模量和延伸率

彈性模量：在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的比例常數(shù)。E=6/e

玻纖的彈性模量比一般金屬低很多，則其彈性好。

延伸率：玻纖在外力的作用下，直至拉斷時(shí)的伸長(zhǎng)百分率。

玻纖的延伸率比有機(jī)纖維低，為3%左右。

3耐磨性、耐折性

耐磨性：纖維抵抗磨擦的能力

耐折性：纖維抵抗折斷的能力

玻纖的這兩個(gè)性能都很差。提高這兩方面的性能，須進(jìn)行表面處理。

三、熱性能

1導(dǎo)熱性

玻纖導(dǎo)熱系數(shù)低，為0.034W/m.k（玻璃為0.7-1.3W/m.k）,其是一種優(yōu)良的絕熱材料。

2耐熱性

玻纖的耐熱性好，其軟化點(diǎn)為550-580℃?

其影響因素：

①溫度

250℃以下，溫度對(duì)玻纖強(qiáng)度的影響不大；250℃以上，溫度升高，強(qiáng)度下降。

②熱作用時(shí)間

玻璃布雖然熱處理很高，但熱作用時(shí)間短，因此強(qiáng)度降低不大。

四、電性能

1電的絕緣體。無堿比有堿電絕緣性能好。因?yàn)闊o堿中金屬離子少。

2要獲得導(dǎo)電纖維，可在玻纖的表面涂覆金屬或石墨。

五、耐化學(xué)腐蝕性能

1玻璃除HF、NaOH、KOH、濃H3P。3夕卜，對(duì)所有的化學(xué)藥品都有良好的耐腐蝕性能。而

玻纖因?yàn)楸砻娣e增加，耐腐蝕性能降低。

2無堿與有堿玻纖都不耐堿

3有堿玻纖耐酸性能好

++

有堿玻纖中發(fā)生反應(yīng)Na2SiO3+2H-2Na+H2SiO3(膠體)，H2SiO3(膠體)附在玻

纖表面形成一層保護(hù)膜，減緩酸的浸蝕。

4無堿玻纖耐水性能好

水使玻纖表面的Na?。、a0溶解，使水溶液呈堿性，破壞SiC>2的骨架結(jié)構(gòu)。

反應(yīng)機(jī)理：

①交換反應(yīng)

-Si-ONa++FfOH型-Si-OH+NaOH

②水化反應(yīng)

IpH

-Si-OH+H+OH-HO-Si-OH

1loH

③中和反應(yīng)

Si(OH)4+NaOH-[Si(OH)3O]Na+H2O

§2.4玻纖的生產(chǎn)工藝

一、玻纖的生產(chǎn)工藝

1、玻纖的生產(chǎn)工藝應(yīng)用最廣泛的有玷煙拉絲和池窯拉絲。

(1)堀埸拉絲(國內(nèi))

制球

備料

I

原料初碎、粉碎、篩分、入庫

I

稱量、配比

池窯熔制玻璃

I

制球

I

球的熱處理玻璃熟料

t廢絲

入倉/拉絲

A

選球稱量包裝原絲

入庫織造

外調(diào)

拉絲

（2）池窯拉絲（國外多采用）

優(yōu)點(diǎn)：①省去制球工藝，簡(jiǎn)化工藝流程；

②集中控制；

③生產(chǎn)能力大，可裝10塊至上萬塊漏板；

④可生產(chǎn)粗纖維；

⑤廢紗可回爐。

2、玻纖制品的生產(chǎn)工藝

長(zhǎng)玻纖：制作方法如上——可生產(chǎn)連續(xù)纖維氈課本：P127圖：7-4

短玻纖：（又稱礦渣樣）——可生產(chǎn)短切纖維氈。

玻璃液從噴嘴中流出時(shí)，立即受到變速壓縮空氣的沖擊，勁吹，并使其吹落而制得。

3、玻纖生產(chǎn)廠家簡(jiǎn)介：

美國歐文斯?科寧公司全球最大的玻纖生產(chǎn)廠家，在中國有幾個(gè)合資企業(yè)。

湖北鐘祥共同投資5000萬元建廠。

二、基本概念

1、a、玻璃纖維紗分為無捻紗和加捻紗。

無捻紗：由原絲直接并膠、絡(luò)紗制成。——用增強(qiáng)型浸潤劑

有捻紗：由原絲經(jīng)過退繞、加捻、并膠、絡(luò)紗而制成。——用紡織型浸潤劑

b、加捻：（用打繩作比喻）順時(shí)針加捻：左捻Z

逆時(shí)針加捻：右捻S

捻度：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度內(nèi)纖維與纖維之間所加的轉(zhuǎn)數(shù)。單位：捻/m

c、加捻以后：優(yōu):提高纖維的抱合力，改變單紗維的受力狀況，有利于紡織工序的進(jìn)

行。

缺:捻念過大，不利于樹脂浸透。

2、國產(chǎn)玻纖紗的牌號(hào)：

絲類型一單絲公稱直徑——原紗支數(shù)/合膠數(shù)

a、纖維支數(shù)兩種表示方法

i、定重法：1g原紗具有的長(zhǎng)度。纖維支數(shù)=纖維長(zhǎng)度/纖維質(zhì)量

ii、定長(zhǎng)法：1000m長(zhǎng)原紗的質(zhì)量?！獓H統(tǒng)一法：稱為“Tex”

見課本P128o

b、合膠數(shù)：原絲的束數(shù)。一根原絲太細(xì)，幾根會(huì)用，每根原絲指一股。

3、玻纖制品

a、玻璃布（大量紡織成立）。工藝：和紡織廠一樣。

分為：平紋布、斜紋布、鍛紋布、方格布、單向布、無紡布。

b、玻璃纖維氈。工藝：制成原紗，隨機(jī)鋪放，并以中間粘接劑，粘接所得氈狀物。

分為：表面氈（用作模具表層，起鍍面效果）、短切纖維氈、連續(xù)纖維氈。

C、玻璃布帶：實(shí)際也可認(rèn)為玻璃布，只是比玻璃布窄些。

§2.5玻纖的表面處理

一、為什么要進(jìn)行表面處理？

①單絲成紗時(shí)，加浸潤性粘合成股。否則，易散紗。

②玻纖與樹脂不易浸潤。進(jìn)行處理后，易浸潤。

二、表面處理分為兩部分：

①單絲處理——浸潤劑

②纖維和織物的表面處理——中間粘合劑

三、浸潤劑

1、定義：在拉絲過程中所用的浸潤油，起聯(lián)結(jié)單絲，而成原絲的作用。

2、作用：

a、減少膠性；

b、粘合成膠；

c、保護(hù)纖維不受大氣和水分的侵蝕。

3、分類：

a、紡織型浸潤劑：為了滿足紡織工序的需要。

需注意：這類玻纖使用前需進(jìn)行處理，脫蠟，然后再覆一層處理劑。

配方：對(duì)有堿45支的處理：

重量比：石蠟3.2,凡士林2.2,變壓器油2.5,硬脂酸1.0,平平加1.1,

固色劑5.2,水：余量。

b、增強(qiáng)型浸潤劑

在浸潤劑中直接加化學(xué)處理劑，紡織后，直接使用，作玻璃鋼。

①比較

前處理法，用增強(qiáng)型浸潤劑簡(jiǎn)單，工藝也簡(jiǎn)便，國外大量采用。

國內(nèi)：采用后處理法，紡織型浸潤劑。

因?yàn)樵鰪?qiáng)型浸潤劑，既要滿足拉絲、紡織工序的要求，同時(shí)又要

滿足樹脂的浸潤，這是?個(gè)技術(shù)問題。

②酉己方：（常州253）

4114型（雙氧酚醛）

KH-550（有機(jī)硅烷,偶聯(lián)劑）0.7份，水溶性環(huán)氧662（粘接劑）3.0份,

固色劑（粘結(jié)劑）3.0份，密胺樹脂（粘結(jié)劑）0.8份，

二丁脂（潤滑劑）L0份，平平加（乳化劑）0.5份

水余量

7001型（聚脂）

聚脂：5.5份，乙醇：2.5份，固色劑：5份，二丁脂：10份，平平加：5份,

水：余量。

四、表面處理劑

1、玻纖與樹脂并向——復(fù)合材料界面（一門學(xué)科）

界面理論：

a、化學(xué)鍵理論（偶聯(lián)劑理論，1949年L.Bjorksten,L.Yeager）

偶聯(lián)系含有兩種官能團(tuán)，一種與玻纖表面的Si—0H反應(yīng)，通過共價(jià)鍵與玻纖表面

結(jié)合。另一種官能團(tuán)與樹脂結(jié)合，于是偶聯(lián)劑就像“橋”，將玻纖與樹脂連接起來。

2、表面處理：就是加入表面處理劑，即偶聯(lián)劑。

偶聯(lián)劑分類：有機(jī)絡(luò)：汰蘭

有機(jī)硅:KH-550,-560,-570

鈦酸脂：

五、表面處理方法

1、前處理法

處理劑直接加入浸潤劑中。制作玻璃鋼時(shí)可直接使用。

2、后處理法

必須先除浸潤劑，脫蠟后，再加處理劑，然后才能使用。

除浸潤劑方法兩種：

洗滌法：采用有機(jī)溶劑洗滌

熱處理法：利用加熱將石蠟揮發(fā)、碳化、灼燒后除去。

3、遷移法

將偶聯(lián)劑加入樹脂中，使玻纖在浸膠的同時(shí)包覆偶聯(lián)劑，從而產(chǎn)生偶聯(lián)作用。

優(yōu)點(diǎn)：工藝操作簡(jiǎn)單，不需大設(shè)備

缺點(diǎn)：處理效果不如前兩種明顯

3碳纖維

§3.1緒論

作為ACW的代表，從60年代開始發(fā)展,一直是引人注目的。

玻纖拉伸強(qiáng)度，彈性模量不太高，使用時(shí)，表現(xiàn)為剛度不足。而C纖維拉伸強(qiáng)度與玻纖

相近，彈性模量比它高3—5倍，彌補(bǔ)了玻纖的不足，所以CF被大量的應(yīng)用在航空、航天領(lǐng)

域。

汽車上：（主要是玻纖增強(qiáng)樹脂，CF成本太高）

驅(qū)動(dòng)軸：鋼-CF/GFRP

鋼板彈簧：鋼一CFRP：CF/GFRP

車輪：鋼一CFRP

車身：（車篷門、防護(hù)板）:鋼一CFRP：GFRP

飛機(jī)上：主翼、尾翼

FT8戰(zhàn)斗機(jī)CF增強(qiáng)樹脂，占結(jié)構(gòu)重量的10.3%

YAU-8B瑤式戰(zhàn)斗機(jī)：CF增強(qiáng)樹脂，占結(jié)構(gòu)重量的15%（其主翼用整體成型，因而

制造工時(shí)少，但原材料CF昂貴，所以造價(jià)仍高。

美國海馬圖實(shí)驗(yàn)機(jī)（無線電控制飛行，收集情報(bào)的無人駕駛飛機(jī)）向整個(gè)機(jī)體均為

碳纖維增強(qiáng)樹脂發(fā)展。

碳的同素異形體：石墨、金剛石。

石墨：

六方晶體結(jié)構(gòu)。S/雜化，層間六角網(wǎng)格碳原子組成。

層間以共價(jià)鍵連接（鍵能為627kJ?mol'）

層間以范德華力連接（鍵能為5.43kJ'）

當(dāng)平行于層面方向施加應(yīng)力時(shí)，即拉伸共價(jià)鍵時(shí)，呈現(xiàn)高的彈模；

當(dāng)垂直于層面方向施加應(yīng)力時(shí)，由于面層間結(jié)合力小，彈模低。

金剛石：

四面體結(jié)構(gòu)sp,雜化

§3.2碳纖維的分類與制造

一、分類

1、按性能分類

a、高性能碳纖維：高強(qiáng)度碳纖維（HS）超高（VHS）

高模量碳纖維（HM）中模（MM）超高（VHM）

b、低性能碳纖維（通用碳纖維）：耐火纖維

碳質(zhì)纖維

石墨纖維

2、按原絲類型分類

a、聚丙烯晴（PAV）基碳纖維

b、粘膠基碳纖維

c、瀝青基碳纖維

d、木質(zhì)纖維素基碳纖維

e、其他有機(jī)纖維基

3、按功能分類

a、受力結(jié)構(gòu)用碳纖維；

b、耐焰碳纖維；

c、活性碳纖維；

d、導(dǎo)電用碳纖維；（美軍塑料飛機(jī)）

e、潤滑用碳纖維；

3耐磨用碳纖維。

4、制品種類分：

a、連續(xù)長(zhǎng)纖維，短纖維

b、碳布，碳帶

c、碳?xì)?/p>

d、混雜織物

二、碳纖維的制造

C3~?CF目前還不能實(shí)現(xiàn)

原因：①至今未能找到溶解C的溶劑；

②lOOatm,3800℃熔融，這樣的條件苛刻。

目前采用：含碳量較高的材料

碳化就是把材料上其他原子除去，只剩下C原子

用來制造CF的有機(jī)纖維應(yīng)具備條件：

a、碳化時(shí)，纖維不熔融；

b、碳化率高；

c、CF力學(xué)性能好；

d、產(chǎn)品為連續(xù)長(zhǎng)絲，應(yīng)可牽伸。

符合條件的有機(jī)纖維：

聚丙烯月青fPAN基CF

瀝青一瀝青基CF

粘膠纖維一粘膠基CF

碳纖維是將有機(jī)纖維燒結(jié)后得到的一種含C量在90%以上的纖維。

碳纖維的發(fā)展：

a、最早生產(chǎn)的碳纖維，愛迪生在白熾燈中使用，它是將竹子的纖維碳化而成。

b、1959年，美國UCC（UnionCarbideCompany）研制出人造絲的碳纖維，人們現(xiàn)在還在

從事這方面的研究，主要是碳化率低，至今仍未取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

c、1969年，PAN基碳纖維，人們用盡最大努力集中改進(jìn)此方法，使其成為制造高性能碳纖

維中最有競(jìng)爭(zhēng)力的方法，而且是最普遍的方法。

d、1970年，瀝青基碳纖維，瀝青是成本低價(jià)格便宜，容易獲得的原始材料，適于取代相當(dāng)

昂貴的PAN,這打開了新的眼界。

*以PAN為原料制造CF：

這是目前制造高性能CF（主要包括HSCF,HMCF）的主要方法。

（-）PAN的性質(zhì)

1、PAN的化學(xué)組成及合成

丙烯懵單體CH產(chǎn)CH

,CN

中的一CN極性很強(qiáng)，使電子云偏向自己，結(jié)果無取代基的碳原子的帶正電。

+-

CH產(chǎn)CH-C三N-CH2-CH=C=N

因此丙烯睛可以通過自由基或陽離子引發(fā)而聚合，形成PAN

nCHkCH-C三N-?叼聆n

IJzC-CN.....................................H-C-CN

H2c'CH?

FNC-CN.......................................H心CN

儀/

II\-CN.....................................ii-e^

/、

鏈狀PAN大分子形成氫鍵

實(shí)際所用原絲不是PAN均聚物，而是競(jìng)聚率與丙烯晴相當(dāng)?shù)墓簿畚铩?/p>

因?yàn)椋孩俟簿畚锟蓪AN的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度從140℃降至45-85C,從而使纖維

可在熱水中牽絲。

②還可延緩PAN熱處理時(shí)的放熱反應(yīng)，減少纖維的熱失重。

2、PAN纖維的合成

a、濕法紡絲（常用方法）

以硫氟酸鈉、硝酸、二甲基亞颯為溶劑，一般在低粘度，低濃度溶液中紡絲

（也即是把聚合物擠壓出來）。

b、干法紡絲

以二甲基酰胺為溶劑，在空氣中將聚合物擠壓出來，在洗滌牽伸過程中應(yīng)盡

可能除去溶劑。

3、PAN的結(jié)構(gòu)形態(tài)

PAN無一般纖維的結(jié)晶區(qū)，也無無定型區(qū)。它是單向的，具有結(jié)晶相和無定型相

的共同性質(zhì)。

光學(xué)顯微鏡：PAN內(nèi)部有缺陷，如：直徑為0.5Tum的不透明的無機(jī)粒子等。

要得到高性能碳纖維，則要求PAN：

a、分子結(jié)構(gòu)中分子鏈沿軸向取向度要高，以得到HMCF

b、PAN強(qiáng)度要高，以得到高強(qiáng)度CF

c、纖維粗細(xì)要均勻

（二）PAN基CF制造工藝

丙烯月青單體q—?聚丙烯啥儂-PAN原絲網(wǎng)化A預(yù)氧絲一碳化一石墨化

II

表面處理

II

上漿

II

CF石墨F

I成型制品

連續(xù)纖維短切纖維紡織織物編織織物預(yù)浸產(chǎn)品無緯布其他

（1）預(yù)氧化

PAN如果直接熱處理，碳化，就分解破壞，不能得到CF。

預(yù)氧化目的：提高預(yù)氧絲的熱穩(wěn)定性，為后續(xù)工序做準(zhǔn)備。碳化時(shí)，溫度達(dá)

1000-1800℃,為了承受這樣高的溫度，故需預(yù)氧化。

預(yù)氧化作用：PAN為線性結(jié)構(gòu)，不能直接熱處理，如果在較低溫度（200-300℃）的

空氣中加熱，使其轉(zhuǎn)變?yōu)楣捕筇菪谓Y(jié)構(gòu)，耐熱能力增強(qiáng)（后者結(jié)構(gòu)的耐熱性比前者強(qiáng)）。

預(yù)氧化中施加張力

a、影響：

200-230℃,施加張力較小，但纖維伸長(zhǎng)率較大，一般促使纖維伸長(zhǎng)10缸

230-280℃,施加張力較大，但纖維伸長(zhǎng)率較小，一般促使纖維伸長(zhǎng)3%（因?yàn)槔w維

本身的強(qiáng)度和剛度已經(jīng)大大提高了）。

b、作用：

i、限制纖維收縮（減少加熱收縮）。

ii、使纖維分子取向，以使纖維獲得較高的軸向強(qiáng)度和模量，提高最終CF的力學(xué)性

能。

iii、促進(jìn)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化（向共燒梯形結(jié)構(gòu)方向）

該階段的現(xiàn)象：白一黃一深褐色一黑色（顏色越來越深）

該階段的反應(yīng)：

-CH-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH-CH2-

IIlli（PAN聚合物）

CNCNCNCNCN

（氧化PAN梯形結(jié)構(gòu)）

（2）碳化

作用：在高純度的惰性氣體（He、N2）保護(hù)下，將預(yù)氧絲加熱到1000-1800℃,以除去其中

的非碳原子（0、II、N等），生成含碳約為95%的CF,其結(jié)構(gòu)也向石墨晶體轉(zhuǎn)換。

H<600生成上0、NhHCN、CH,放出

〉600℃,生成HCN、CH,放出

N<600℃,生成阿hHCN放出

〉600℃,生成HCN、弗放出

0>700℃,生成HQ、CO、CO?放出

條件：

a、連續(xù)纖維的碳化在碳化爐中進(jìn)行;

b、整個(gè)碳化過程需要在N2保護(hù)，沖氮三次，是2純度達(dá)99.99%。

惰性氣體作用：

a、防止纖維氧化;

b、排除裂變產(chǎn)物（非碳元素從聚合物中裂變出來）;

c、傳遞能量介質(zhì)一次要作用。

施加張力作用：

a、有利于減少纖維收縮；

b、提高最終纖維的力學(xué)性能。

爐化溫度：1000T800C

碳化時(shí)間：10分鐘一1小時(shí)

施加張力大?。簩?duì)角束纖維（1000根纖維）施加50g張力

碳化溫度的影響：（見課本P143圖8-6）

1500℃以前，最終CF的強(qiáng)度和模量，隨溫度升高而升高。

a、強(qiáng)度在1300-1500℃范圍內(nèi)處理后達(dá)最大值，溫度再升高，則反而降低（因?yàn)槔w維

內(nèi)部缺陷增多）。

b、模量一直到3000℃都在上升。

升溫速度的影響：

a、在低溫階段（＜600℃）,升溫速度應(yīng)較慢（因?yàn)榇藭r(shí)PAN正處于裂解反應(yīng)階段）。

b、＞600℃,升高溫度可快些（因?yàn)榇藭r(shí)碳網(wǎng)已漸形成）

（3）石墨化

碳化一碳纖維（半導(dǎo)體）：熱處理溫度到1000T500℃的高強(qiáng)度纖維。

石墨化一石墨纖維（導(dǎo)體）：加熱到2000-3000C的高彈性模量纖維。

作用：消除CF的結(jié)構(gòu)缺陷，使其進(jìn)一步向石墨晶體方向轉(zhuǎn)變，因此CF的彈性模量

隨石墨化程度的提高而增大。

條件：

a、需在Ar氣保護(hù)下進(jìn)行

b、石墨化溫度2500-3000C

c、處理時(shí)間：數(shù)秒一1分鐘

d、張力：對(duì)角束纖維施加100—200g張力

張力作用：使石墨微晶擇優(yōu)取向提高，從而提高了彈性模量。施加張力愈大，則石墨晶

體基面與纖維軸的夾角愈小，因而彈性模量也愈高。

碳布的編織：

①碳化后編織，強(qiáng)度好，但編織技術(shù)要求高；

②編織后碳化，強(qiáng)度不夠好；

③CF與GF混雜編織，改善了性能，也容易編織，而且降低了成本。

實(shí)際應(yīng)用中，已經(jīng)用到混雜編織，如用于生產(chǎn)汽車轉(zhuǎn)動(dòng)軸、鋼板彈簧。

§3.3碳纖維的結(jié)構(gòu)與性能

一、碳纖維的結(jié)構(gòu)

碳纖維和石墨纖維的結(jié)構(gòu)類似于人造石墨,屬于多晶系，為亂層石墨結(jié)構(gòu).碳的亂層結(jié)

構(gòu)與石墨晶體有相似之處，也有不同之處。

相似之處：兩者的層平面都是由六元芳環(huán)組成。

相異之處：亂層結(jié)構(gòu)的層與層之間碳原子無規(guī)則的固定位置，缺乏三維有序，層間距

也比石墨晶體大。其層面的微晶的平均厚度與平均寬度也更小。

幾個(gè)概念：

a、六角形碳原子的層晶格是構(gòu)成多晶結(jié)構(gòu)的單元，層晶格組成層平面，即所謂石墨層

片。

b、帶狀石墨層面組成微原纖，微原纖又組成原纖，原纖是以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)存在，原纖維是

組成CF的單絲。

影響CF強(qiáng)度最重要的因素是纖維的缺陷，見教材P146。

二、碳纖維的缺陷

來源：

1、原絲中的缺陷

回憶：PAN原絲中存在缺陷，后來在碳化、石墨化過程中消失了一部分，但大部分

被留下來。

2、碳化過程產(chǎn)生的缺陷

回憶：碳化過程,非碳原子的除去,以各種氣體C02,CO、&0、N&、上、HCN、N2

等形式逸出，使纖維表面及其內(nèi)部生成空穴和缺陷。放出氣體越劇烈，則纖維表面和

內(nèi)部生成的空穴和缺陷更為嚴(yán)重。

三、碳纖維的性能

1、力學(xué)性能

a、影響CF的模量的直接因素來是晶粒的取向度，而熱處理?xiàng)l件的張力是影響這種取向的

主要因素。

回憶：預(yù)氧化、碳化、石墨化過程中都需施加張力，其目的還是提高取向度，從而提

高其模量。

b、CF是彈性體，呈彈性特性，即應(yīng)力——應(yīng)變是一種直線關(guān)系。

c、高強(qiáng)度CF

高模量CF

2、物理性能

密度：1.5—2.Og/mL

熱膨脹系數(shù)：平行纖維方向：負(fù)值，垂直纖維方向：正值。

導(dǎo)熱率：隨溫度升高而下降。

導(dǎo)電性：石墨纖維為導(dǎo)體。

潤滑性：

3、化學(xué)性能

在室溫下，CF對(duì)空氣基本呈惰性，在300℃以下，仍呈不活潑性；在400C以上開始發(fā)

生明顯氧化，氧化物以CO、CO?的形式從表面散失。但在惰性氣體中，即使加熱至2000C以

上，CF仍具有承載能力。

除了可被氧化外，CF對(duì)大多數(shù)腐蝕介質(zhì)非常穩(wěn)定。例如：CF在H2S0.I(95%),HNOs(60%)

或NaOII(50%)等介質(zhì)中，性能不變。而GF在5%1毋0,或HNQ,中浸泡240h后，強(qiáng)度分別降

低41%、39%,它對(duì)強(qiáng)堿和純堿均不穩(wěn)定。

§3.4碳纖維的表面處理

目的：提高CF與基體的結(jié)合強(qiáng)度。

CF尤其是高模量的石墨纖維的表面是化學(xué)惰性的，未處理，則其與樹脂粘接不良，

表現(xiàn)為很低的層間剪切強(qiáng)度，為了克服它，必須進(jìn)行表面處理。

一、表面清潔法

CF表面有水(吸水性)，碳化后剩余的有機(jī)熱解物,將它們除去,可改善纖維與樹脂的粘

接.

方法：CF在惰性氣體的保護(hù)下加熱。

特點(diǎn)：只除去了妨礙粘接的物質(zhì)，并未改變表面的物化性能。

類型：a、表面清潔法

b、氣相氧化法

c、液相氧化法：HNOs氧化法

NaClO氧化法

KMnO”氧化法

電解NaOH氧化法

d、表面涂層法：聚合物涂層溶液還原法

化學(xué)氣相沉淀法

表面接枝法

氧化法應(yīng)用最為廣泛，如上海碳素廠

PANfCF----------------------?除有聚合物涂層的CF

利用聚價(jià)物涂層冷泄道原法

二、氣相氧化法

原理：使CF的表面積增大，活化官能團(tuán)增多，從而提高粘接。

方法：CF經(jīng)過CO”溫度為900—1300℃的反應(yīng)爐，并在爐內(nèi)停留一定時(shí)間。

三、液相氧化法

1、硝酸法

原理：使表面積增大，官能團(tuán)增多。

方法：60%的HN03,在120℃的回流溫度下，煮沸24小時(shí)，然后洗去酸液。

2、其他液相氧化法

可用到NaClO、NaOH、H2SO?KMnO,、KC103,NazCnO?等。它們亦可組合使用。

3、電解氧化法

原理：CF作陽極，銀板或石墨電極作陰極，在電解質(zhì)溶液中通電，靠電解產(chǎn)生的

初生態(tài)氧進(jìn)行氧化刻蝕。

這種方法常見，可直接接在生產(chǎn)線上，操作簡(jiǎn)單，反應(yīng)也易控制。

四、表面涂層法

1、溶液還原法

1）纖維通過溶液并且干燥；

2）加熱使纖維表面的沉淀物分解，生成能與纖維起反應(yīng)的產(chǎn)物。

2、化學(xué)氣相沉淀法（CVD）

原理：在高溫或還原性氣氛中，燒類、金屬鹵化物等以C、碳化物、硅化物等形式

在碳纖維表面形成沉積膜或成長(zhǎng)晶須。因此，既可改善纖維表面的形態(tài)結(jié)構(gòu)，又可

引入所希望的新元素使之具有某種特殊性能。

在CVD過程中，有代表性的化學(xué)反應(yīng)有以下四類：

1、熱分解：CHLCI+2H2（熱解碳）

2、氫還原反應(yīng)：SiCh+2H2fsiI+4HC1（硅單晶）

3、復(fù)合反應(yīng)：3SiCl4+4NH3-*Si3N4I+12HC1（涂層膜）

4、與基體反應(yīng):SiCl,+2H2+C-SiCI+4HC1（晶須）

以瀝青為原料制造CF

①瀝青制備CF,最早用到的是各向同性瀝青，只能得到低性能CF。

②1974年，美國將各向同性瀝青在400℃左右的惰性氣體中進(jìn)行熱處理，生成球

型液晶，這種球型液晶是一個(gè)中間相，其中40%以上已成為各向異性瀝青（稱

為中間相瀝青）。利用其可生產(chǎn)高性能CF。

碳纖維發(fā)展展望：

1、人造絲類CF,為GP(generalpurpose),前景不大。

2、高性能CF中，PAN類占主導(dǎo)地位。性能也在不斷提高，決定了它的應(yīng)用領(lǐng)域也將擴(kuò)

大。

目前，因價(jià)格較高，只應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，在汽車、建筑業(yè)等一般領(lǐng)域需求量大,

但很難普及。

3、瀝青類CF

各向同性制得的CF為GP,前景不大；

各向異性制得的CF為高性能，正在開發(fā)，價(jià)格較低，前景廣闊。

4其他無機(jī)纖維增強(qiáng)材料

§4.1硼纖維

一、開發(fā)的原因：

GP的強(qiáng)度高，但彈性模量低，表現(xiàn)為剛度不足。為彌補(bǔ)，只有增強(qiáng)壁厚。航空

航天領(lǐng)域所用的材料，要求比強(qiáng)度、比彈模高，還要經(jīng)受惡劣的溫度條件。為了滿

足這些，就需開發(fā)新的纖維，使其性能超過GF。于是就研制了BF。

二、制備：

開始：B:修＞硼纖維(這種方法不可行,因?yàn)锽很脆)

后來：化學(xué)氣相沉積法CVD(chemicalvapordeposition)：在來氣氛中,將B氣相

沉積到已加熱的鴇纖維或比通常直徑大的CF上制造。

該圖為美國AVCD公司的生產(chǎn)設(shè)備

將芯纖維直接通電，加熱到HOOT300℃,使其連續(xù)地通過裝有BCb、上的混合氣

體的反應(yīng)器中，通過

2BCL+3H2-2B+6HC1

反應(yīng)，將B析出在芯纖維的表面。

三、應(yīng)用

美國：麥道公司F—15戰(zhàn)斗機(jī)水平尾翼，垂直尾翼

法國：幻影一2000

滑雪板，滑雪桿，高爾夫球桿，網(wǎng)球拍，魚桿。

航天飛機(jī)中用的BF/A1,作管狀支柱。

四、性能

彈性模量高，低密度，高強(qiáng)度等。

§4.2SiC纖維

?、生產(chǎn)

最初，70年代初期，美國AVC0公司用熱分解，將SiC鍍覆在鴇芯線(2.5um)

的表面上，從而得到80—100um的碳化硅人造絲。

后來發(fā)展成碳化硅連續(xù)纖維的制法。

硅橡膠、硅油一二甲基二氯硅烷一聚二甲基硅烷一聚碳硅烷一聚碳硅烷纖維一

SiC纖維

二、特性與應(yīng)用

1、與金屬有良好的浸潤性——可制作金屬基復(fù)合材料，這引起人們的極大興

趣。

課本P153,圖表9-2,SiC與金屬很高溫度都不反應(yīng)，且與金屬浸潤性又好，

故適用于制作金屬基復(fù)合材料。

2、耐熱性好——可制作耐熱材料

應(yīng)用：高溫物質(zhì)傳輸帶等。

3,力學(xué)性質(zhì)優(yōu)良

4、化學(xué)穩(wěn)定性好

附：SiC纖維增強(qiáng)復(fù)合金屬材料

SiC優(yōu)點(diǎn)為耐熱性好，若基體選用樹脂(本身不耐熱)，就難發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，所以基體選

金屬，以發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)。

制造方法：片狀的SiC纖維和鋁在密閉容器中加熱，使鋁熔化后，在加壓成形，即熱壓

法。

§4.3氧化鋁纖維

氧化鋁具有多種晶體結(jié)構(gòu)。目前，所制造的氧化鋁纖維可分為2種：

1、在1000℃以上的灼熱狀態(tài)下得到的a—ALOs它具有穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。

2、含有SiC的尖晶石結(jié)構(gòu)的Y—ALOa

美國Dupont公司最早開發(fā)，Dupont3M公司生產(chǎn)，日本住友公司生產(chǎn)。

一、氧化鋁纖維的制造

a、淤漿法(Dupont)

a-AlzOs的微小晶粒，分散到溶解有A1化合物的水中，形成粘度較高的淤漿,

將淤漿從小孔噴嘴中擠出來，經(jīng)干式噴絲，燒結(jié)，得到a-ALOs

b、溶膠法(3M)

在a—ALOs的溶膠中混進(jìn)硅溶液和硼酸，制成具有粘性的液體，將其噴絲后

得到纖維,在900℃左右燒結(jié),再在張力作用下，1000C左右燒結(jié)，即得Y—AIG

c、預(yù)聚合法(日本住友)

聚鋁氧烷這種由A1-0聯(lián)結(jié)成的無機(jī)高分子和硅酸脂等的硅化合物溶解到

溶劑中，形成粘稠溶液,經(jīng)干式噴絲后,得纖維,700—1200℃空氣中燒結(jié)，得Y

一Ak()3纖維。

二、特點(diǎn)

強(qiáng)度比CF的強(qiáng)度低，但耐熱性、電性質(zhì)以及金屬與樹脂的粘接性方面又比CF

好，但目前價(jià)格昂貴。

§4.4晶須

一、晶須是指直徑為幾微米的針狀單晶體。

二、晶須是長(zhǎng)在Ag、Cu等金屬上的象霉菌一樣的東西。早在1574年，就有人報(bào)道

過。但直到20世紀(jì)50年代，人們發(fā)現(xiàn)它的強(qiáng)度接近于晶體的理論值，而且?guī)?/p>

乎沒有任何缺陷，是一種強(qiáng)度非常高的材料，因而受到關(guān)注。

三、晶須是目前已知纖維中強(qiáng)度最高的一種，很有發(fā)展前途?，F(xiàn)有SiC晶須，氮化

硅晶須，AI2O3晶須，石墨晶須等。

四、晶須直徑在lum左右，長(zhǎng)度為直徑的幾十倍到幾千倍，所以它不能單獨(dú)作為

一種材料使用。

五、應(yīng)用：

晶須(whisker)增強(qiáng)材料(WRP)：制作鐘表、照相機(jī)等的精密零件以及電氣電子

零件之類產(chǎn)品。

§4.5石棉

見課本

§4.6硅灰石

不講

5芳綸纖維

一、故事引出CF的應(yīng)用

1、距現(xiàn)在最近的最大戰(zhàn)爭(zhēng)——海灣戰(zhàn)爭(zhēng)

美軍裝備，防彈衣，防彈頭盔，明顯減少了傷亡。

K—29纖維，比強(qiáng)度是鋼琴鋼絲的5倍多，比模量是鋼絲的3倍多，子彈襲來時(shí)，它

能把子彈的動(dòng)能迅速傳到整個(gè)防彈衣，并被吸收掉。槍林彈雨中“閑庭信步”不是神話了。

2、二十世紀(jì)八十年代初，一架稱為戈斯曼.艾伯特羅斯的飛機(jī)創(chuàng)造了只用人力飛躍多

巴海峽的輝煌記錄，這架人力飛機(jī)之所以能夠獲得成功，用高模高強(qiáng)的KF,CF制成。總重

量25kg。

二、發(fā)展?fàn)顩r

最早由美國Dupont公司研制出來，1968年研制。

1972年開始工業(yè)化生產(chǎn)，起步晚，發(fā)展快，應(yīng)用廣。

作為尖端復(fù)合材料?，KF的增加，勢(shì)必?cái)[脫人們對(duì)CF的依賴。

目前，kevler的世界市場(chǎng)由美國Dupont公司掌握著主導(dǎo)權(quán)。

三、品種及用途

1、kevler：輪胎，三角帶，同步帶

2、kevler—29：防彈

3、kevler-49：航空航天部門

§5.1結(jié)構(gòu)與特性

一、結(jié)構(gòu)分類

分為三類：

1、對(duì)位結(jié)果，分為兩種：

a、由對(duì)氨基苯甲酸合成的聚對(duì)苯甲酰氨纖維，簡(jiǎn)稱：PBA纖維

命名：“B”纖維（美國Dupont公司）,HGA纖維（原蘇聯(lián)）,芳綸I（中國）

b、由對(duì)苯二甲酰氨和對(duì)苯二胺聚合而成聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺纖維，簡(jiǎn)稱：

PPTA纖維

命名：kevler、kevler—29、kevler—49（美國Dupont公司），TePJIOH（原蘇

聯(lián)），芳綸H（中國）

這類纖維為目前世界上的主要產(chǎn)品。

2、間位結(jié)構(gòu)，分為兩種：

a、聚間苯二甲酰間苯二胺纖維

命名：Nomex（美國Dupont公司）Conox（日本帝人公司）芳綸1313（中國）

優(yōu)點(diǎn)：耐高溫性好

缺點(diǎn)：強(qiáng)度、模量低

用途：利用其優(yōu)點(diǎn)，避免其缺點(diǎn)，強(qiáng)度、模量低，就不作為主要承力構(gòu)件，可做易燃

易爆環(huán)境的工作服，如消防服，隔熱手套，耐高溫絕緣材料。

b、聚N,N,一間苯雙一（間苯甲酰胺）對(duì)苯二甲酰胺纖維

用途：抗燃纖維，耐高溫絕緣材料

3、共聚結(jié)構(gòu)

以上產(chǎn)品均為縮聚反應(yīng)得，為縮聚產(chǎn)物。

為了制得更高性能的纖維，并且改善纖維的耐疲勞性，目前采用芳環(huán)和雜環(huán)的二胺、二

酰氯，與對(duì)苯二酰氯和對(duì)苯二胺共聚。正處于研發(fā)階段。

二、結(jié)構(gòu)分析：

芳綸纖維結(jié)構(gòu)的橫向?yàn)楣矁r(jià)鍵作用（力強(qiáng)），縱向?yàn)闅滏I作用（力弱）。

①高聚物分子比較僵直，不能折疊，呈伸展?fàn)?，所以具有高模量?/p>

②線性結(jié)構(gòu)，使聚合物分子內(nèi)排列緊密，所以單位面積內(nèi)可容納很多聚合物分子，這種

緊密性使其具有較高強(qiáng)度。

③由于苯環(huán)結(jié)構(gòu)上環(huán)內(nèi)電子共腕作用，使其具有化學(xué)穩(wěn)定性。

④苯環(huán)結(jié)構(gòu)具有剛性，使高聚物具有晶體的本質(zhì)，具有高溫穩(wěn)定性。

三、芳綸纖維的基本性能

1、力學(xué)性能

密度小，比強(qiáng)度是鋼琴鋼絲的5倍多，比模量是鋼絲的3倍多，蠕變速度與鋼絲相近。

2、熱性能

性能在180C以下，仍保持不受影響。在400℃以下將完全氧化

3、耐化學(xué)穩(wěn)定性

除強(qiáng)酸強(qiáng)堿以外，芳綸耐酸、堿。

對(duì)紫外線敏感，因紫外線破壞其骨架。

總結(jié)：高的比強(qiáng)度和比剛度；

優(yōu)良的耐沖擊性

優(yōu)異的蠕變斷裂特性

好的耐疲勞性

良好的耐溶劑性

好的耐酸堿性

好的減振性

優(yōu)異的電絕緣性

優(yōu)良的自熄性

在180c可長(zhǎng)期工作

§5.2制造方法

分為兩個(gè)階段：1、合成；2、紡絲

一、合成：對(duì)苯二胺、對(duì)苯二甲酸酰氯縮聚合成聚對(duì)苯撐對(duì)苯二甲酰胺。

1、聚對(duì)苯撐為剛性結(jié)構(gòu)，一般的溶劑不能溶解。常用溶劑：六甲基磷酰胺、

N-甲基毗咯烷酮、二甲基乙酰胺

2、為什么要用溶劑？

因?yàn)樯鲜隹s聚反應(yīng)進(jìn)行得很快，在反應(yīng)開始的瞬間，即有產(chǎn)物，產(chǎn)生分離。

而此產(chǎn)物為小分子，為了得到高分子量的聚合物，必須選擇好合適的溶劑，增

加生成物的溶解能力，使反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。

3、為防止對(duì)苯二甲酰胺易水解，對(duì)含水量應(yīng)嚴(yán)格控制。

二、紡絲工藝

PAN拉絲.灼燒'眼匕____?CF

KF與上述兩者不同，是一種新方法：液晶紡絲工藝

1、液晶的基本理論

定義：液態(tài)與晶態(tài)之間的過渡態(tài)，它兼具有液態(tài)和晶態(tài)性質(zhì)。

類型：近晶態(tài)、向列態(tài)、膽淄態(tài)

分子排列：

近晶態(tài)：分子平行，且成層狀排列

向列態(tài)：分子平