玻璃纤维 半岛体育官方网站- 豆丁网

　　11ReinforcementmaterialReinforcementmaterial222121211211添加剂添加剂（助剂或配合剂）能改善聚合物基体性能，而不明显影响聚合物分子结构的辅助材料。按按功能功能分类分类：：1提高提高稳定性稳定性：抗氧剂、光稳定剂、热稳定剂和防霉剂等：抗氧剂、光稳定剂、热稳定剂和防霉剂等2改善力学性能：强度、模量、硬度、韧性等，纤维增强剂、微粒填改善力学性能：强度、模量、硬度、韧性等，纤维增强剂、微粒填充剂、增韧剂、偶联剂等；充剂、增韧剂、偶联剂等；3加工性能：降低熔融温度，增加物料流动性，如增塑剂、润滑剂、加工性能：降低熔融温度，增加物料流动性，如增塑剂、润滑剂、脱模剂等；脱模剂等；4表面性能和外观：抗静电剂、防雾滴剂、着色剂和荧光增白剂表面性能和外观：抗静电剂、防雾滴剂、着色剂和荧光增白剂5耐燃性：阻燃剂耐燃性：阻燃剂33颗粒、薄片和颗粒、薄片和纤维纤维增强材料，是聚合物基复合材料的增强材料，是聚合物基复合材料的骨架骨架。它是。它是决定复合材料强度和刚度的主要因素。决定复合材料强度和刚度的主要因素。212212增强纤维的品种与性能增强纤维的品种与性能44551无机纤维1）玻璃纤维fiberglassOwenscorning美国；泰山、巨石、重庆复合材料有限公司；2）碳纤维：聚丙烯腈基、沥青基；日本:三菱3）硼纤维boron4）碳化硅纤维SiC5）氧化铝纤维Alumina有机纤维有机纤维11））刚性分子链刚性分子链对位芳酰胺对位芳酰胺：：kevlar,twaronkevlar,twaron；；聚苯并咪唑；聚苯并咪唑；22）柔性分子链）柔性分子链聚乙烯；聚乙烯醇聚乙烯；聚乙烯醇662222glassfiberglassfiber玻璃纤维：将熔融的玻璃液以极快的速度拉成细玻璃纤维：将熔融的玻璃液以极快的速度拉成细丝而成。丝而成。质地柔软，具有弹性，可并股、加捻、纺织成各质地柔软，具有弹性，可并股、加捻、纺织成各种玻璃布，玻璃带等织物。种玻璃布，玻璃带等织物。玻璃纤维无捻粗纱玻璃纤维无捻粗纱GlassFiberRovingGlassFiberRoving短切纤维短切纤维ARAR--GlassFiberChoppedStrandGlassFiberChoppedStrand772222玻璃纤维玻璃纤维221221玻璃纤维的玻璃纤维的组成和分类组成和分类222222玻璃纤维及玻纤制品的玻璃纤维及玻纤制品的制备制备223223玻璃纤维的玻璃纤维的结构结构224224玻璃纤维的玻璃纤维的性质性质225225玻璃纤维制品的玻璃纤维制品的品种和规格品种和规格88221221玻璃纤维的玻璃纤维的组成组成SiOSiO22及各种金属氧化物组成的硅酸盐类混合物，属于无定形离及各种金属氧化物组成的硅酸盐类混合物，属于无定形离子结构物质。子结构物质。（（11））SiOSiO22：作用：形成基本骨架，高熔点：作用：形成基本骨架，高熔点（（22））金属氧化物金属氧化物AlAl22OO33、、CaOCaO、、MgOMgO、、NaNa22OO、、BeOBeO、、BB22OO33作用：作用：改善制备玻璃纤维的工艺条件：改善制备玻璃纤维的工艺条件：NaNa22OO、、KK22OO；；使玻纤具有一定特性。使玻纤具有一定特性。BeOBeO：提高模量；：提高模量；BB22OO33：提高耐酸性，改善电性能，降低熔点、黏度。：提高耐酸性，改善电性能，降低熔点、黏度。但模量和强度下降。但模量和强度下降。99（（11）按）按化学组成化学组成（碱金属氧化物含量）（碱金属氧化物含量）有碱玻璃纤维有碱玻璃纤维12%;12%;中碱玻璃纤维中碱玻璃纤维6%~12%6%~12%；；低碱玻璃纤维低碱玻璃纤维2%6%2%微碱玻璃纤维微碱玻璃纤维2%2%（无碱玻璃纤维）（无碱玻璃纤维）（（22）按）按纤维使用纤维使用特性分特性分普通玻璃纤维（普通玻璃纤维（AA--GFGF：：averageaverage））电工用玻璃纤维电工用玻璃纤维（（EE玻璃纤维：玻璃纤维：electricalelectrical））高强型玻璃纤维高强型玻璃纤维（（S玻璃纤维玻璃纤维strengthstrength高模量型玻璃纤维（高模量型玻璃纤维（MM--GFGF：：modulusmodulus））耐化学药品玻璃纤维耐化学药品玻璃纤维（（CC玻璃纤维：玻璃纤维：chemicalchemical））耐碱玻璃纤维（耐碱玻璃纤维（ARAR玻璃纤维：玻璃纤维：alkalialkali--resistantresistant低介电玻璃纤维（低介电玻璃纤维（DD玻璃纤维：玻璃纤维：dielectricdielectric高硅氧玻璃纤维高硅氧玻璃纤维石英玻璃纤维石英玻璃纤维22）玻璃纤维的分类）玻璃纤维的分类101022--2中碱玻璃纤维中碱玻璃纤维1111（（33））按按产品特点产品特点分分按纤维长短分：按纤维长短分：定长纤维定长纤维（（6~50mm6~50mm））连续纤维连续纤维按纤维直径的大小：按纤维直径的大小：粗粗纤维（单丝直径纤维（单丝直径30um30um））初初级纤维（单丝直径级纤维（单丝直径20um20um））中中级纤维（单丝直径级纤维（单丝直径10~20um10~20um））高高级纤维（单丝直径级纤维（单丝直径3~9um3~9um）；按纤维外观分：按纤维外观分：连续纤维连续纤维短切纤维短切纤维空心玻璃纤维空心玻璃纤维磨细纤维磨细纤维玻璃粉玻璃粉纤维越细、纤维越细、缺陷越少、缺陷越少、强度越高强度越高121222222211）玻璃纤维的制备）玻璃纤维的制备P24P24石灰石石灰石硼酸硼酸熔炼炉熔炼炉玻璃球玻璃球铂金坩埚铂金坩埚漏丝板漏丝板玻璃纤维玻璃纤维1260126015~18mm15~18mm3~20um3~20um1000~3000mmin1000~3000mmin13001300坩埚拉丝法坩埚拉丝法：：制球制球和和拉丝拉丝（（102102、、204204、、408408孔，d=15~2mm,d=15~2mm,玻璃液玻璃液为为11901190））1313单丝单丝filamentfilament：从坩埚中拉出的每根纤维叫单丝；：从坩埚中拉出的每根纤维叫单丝；strandstrand：一个坩埚拉出的所有单丝经过浸润剂槽后，集束 ：一个坩埚拉出的所有单丝经过浸润剂槽后，集束 将玻璃配合料投入熔窑熔化后直接拉制成各种支数的连续将玻璃配合料投入熔窑熔化后直接拉制成各种支数的连续 玻璃纤维。 玻璃纤维。 省去制球工艺 省去制球工艺 生产能力高 生产能力高 可自动化控制，产品质量稳定； 可自动化控制，产品质量稳定； 适用于生产粗玻璃纤维； 适用于生产粗玻璃纤维； 废产品易回炉 废产品易回炉 14 14 22 绕后可以制成各种绕后可以制成各种 制品，如无捻粗纱 制品，如无捻粗纱 、短切纤维毡等。 、短切纤维毡等。 设备：纺纱机和织 设备：纺纱机和织 1515 无捻粗纱 无捻粗纱 Continuous Rovings Continuous Rovings 短切纤维毡 短切纤维毡 Chopped strand mat Chopped strand mat 表面毡 表面毡 Surface veils Surface veils 第一次课 第一次课2010 2010 16 16 33 玻璃纤维突出的弱点玻璃纤维突出的弱点:: 较脆而且不耐磨，纤维之间的摩擦系数大。在拉丝 较脆而且不耐磨，纤维之间的摩擦系数大。在拉丝 和纺织过程中，纤维就难免出现断裂现象； 和纺织过程中，纤维就难免出现断裂现象； 刚拉出的纤维容易受到空气中水蒸汽的侵蚀，使其 刚拉出的纤维容易受到空气中水蒸汽的侵蚀，使其 强度下降。 强度下降。 浸润剂的作用：浸润剂的作用： 使使单丝集束 单丝集束，便于后续的并股、纺织等工序； ，便于后续的并股、纺织等工序； 防止原纱缠绕成卷时，纤维相互黏结； 防止原纱缠绕成卷时，纤维相互黏结； 保护纤维，防止纺织时纤维的表面磨损而降低强度使 保护纤维，防止纺织时纤维的表面磨损而降低强度使 多根单丝集中成股，增加原纱的耐磨性和提高拉伸强度； 多根单丝集中成股，增加原纱的耐磨性和提高拉伸强度； 保护纤维免受大气和水分的侵蚀作用。 保护纤维免受大气和水分的侵蚀作用。 浸润剂 浸润剂：是一种 ：是一种乳液 乳液，包括： ，包括： 粘结 粘结组分 组分:2~15% :2~15% 润滑 润滑组分 组分:0~5% :0~5% 表面活性剂 表面活性剂 17 17 （（11））纺织型浸润剂 纺织型浸润剂 石蜡型浸润剂 石蜡型浸润剂 淀粉 淀粉--油浸润剂 油浸润剂 （（22））增强型浸润剂 增强型浸润剂 主要成分： 主要成分： （（33））化学处理剂 化学处理剂 偶联剂 偶联剂 成膜剂：聚酯、环氧、聚氨酯、聚醋酸乙烯 成膜剂：聚酯、环氧、聚氨酯、聚醋酸乙烯 酯，聚丙烯酸酯等； 酯，聚丙烯酸酯等； 还包括： 还包括：偶联剂 偶联剂、润滑剂、润湿剂、抗静电 、润滑剂、润湿剂、抗静电 剂等组分 剂等组分 ：石蜡、凡士林、矿物油、硬脂酸、表面活 ：石蜡、凡士林、矿物油、硬脂酸、表面活 ：淀粉、动植物油、阳离子胺类化合物、水溶：淀粉、动植物油、阳离子胺类化合物、水溶 性树脂等； 性树脂等； 18 18 223 223 玻璃纤维的结构 玻璃纤维的结构 一次结构： 一次结构： 以以SiO SiO 22 为基本骨架的无机离子型高聚物； 为基本骨架的无机离子型高聚物； 19 19 二次结构 二次结构：： 为为各向同性 各向同性的的无定形 无定形结构。 结构。 拉制出的玻璃纤维处于不 拉制出的玻璃纤维处于不 稳定状态，再次受热会发生收 稳定状态，再次受热会发生收 缩，其结构也应与玻璃的结构 缩，其结构也应与玻璃的结构 相同，为无定形的离子结构。 相同，为无定形的离子结构。 结结 晶晶 1190 1190 1135~1140 1135~1140 600 600 冷却速率 冷却速率 玻璃化温度 玻璃化温度 自由体积 自由体积 密度 密度 EE块状玻璃：块状玻璃：ρρ=258gcm =258gcm 33 玻璃纤维： 玻璃纤维：ρρ=252gcm =252gcm 33 20 20 224 224 11）力学性质 ）力学性质 （（11）玻璃纤维的拉伸应力－应变关系 ）玻璃纤维的拉伸应力－应变关系 应力 应力--应变关系为一条直线，无明显的屈服、塑性 应变关系为一条直线，无明显的屈服、塑性 阶段 阶段; 呈脆性材料特征呈脆性材料特征 （（22）玻璃纤维的 ）玻璃纤维的拉伸强度较高，但模量较低 拉伸强度较高，但模量较低。。 拉伸强度： 拉伸强度：10um 10um以下 以下1000MPa 1000MPa；；5um 5um以下 以下2400MPa 2400MPa；； 21 21 玻璃纤维强度具有以下特点： 玻璃纤维强度具有以下特点： 单丝直径越小，拉伸强度越高； 单丝直径越小，拉伸强度越高； 试样测试段长度越大，拉伸强度越低； 试样测试段长度越大，拉伸强度越低；P27 P27 22 22 化学组成对强度的影响： 化学组成对强度的影响： 强度的分散性较大 强度的分散性较大 受湿度影响： 受湿度影响：吸水后，湿态强度下降 吸水后，湿态强度下降 23 23 拉伸模量： 拉伸模量：70GPa 70GPa 断裂伸长率 断裂伸长率26~3%; 26~3%; 密度为 密度为250~256 250~256 gcm gcm 33 ，比有机纤维 ，比有机纤维 大，但比一般金属 大，但比一般金属 纤维密度低。 纤维密度低。 24 24 22）热性能 ）热性能 类似于无定形有机高聚物，存在 类似于无定形有机高聚物，存在TT gg 、、TT ff 两个转变； 两个转变； TT gg 较高，约 较高，约600 600；； 拉伸强度受温度的影响较大； 拉伸强度受温度的影响较大； 200~250 200~250：无明显影响 ：无明显影响 300 30024h 24h：：20% 20% 400 40024h 24h：：50% 50% 导热系数低，良好的绝热性能；热膨胀系数较低。 导热系数低，良好的绝热性能；热膨胀系数较低。 25 25 33 Na Na 22 22OO 离析，溶解 离析，溶解 酸酸 硅酸盐硅酸盐 硅酸 硅酸 胶体 胶体 （促进） （促进） 保护膜 保护膜 （减缓溶解过程） （减缓溶解过程） NaNa 22 22OO 溶解 溶解 碱性 碱性 SiO SiO 22 骨架破坏 骨架破坏 溶解玻纤所有成分，玻纤变细溶解玻纤所有成分，玻纤变细 26 26 碱含量越大，玻璃纤 碱含量越大，玻璃纤 维受水侵蚀的速率越快。 维受水侵蚀的速率越快。 在水中浸泡后，强度降低。 在水中浸泡后，强度降低。 一般来说，除氢氟酸外，对酸、稀碱、盐及有机 一般来说，除氢氟酸外，对酸、稀碱、盐及有机 溶剂都具有较好的耐腐蚀能力。 溶剂都具有较好的耐腐蚀能力。 27 27 44 （（11）电绝缘性好）电绝缘性好 玻璃纤维的体积电阻率为 玻璃纤维的体积电阻率为10 10 11 11 ~10 ~10 18 18 Ωcm Ωcm。玻璃钢大部分做 。玻璃钢大部分做 绝缘材料。 绝缘材料。 含碱量越越高高，电阻率越，电阻率越低低；； 湿湿度越 度越大大，电阻率越 ，电阻率越低低；； 温温度越 度越高高，电阻率越 ，电阻率越低低。。 （（22）良好的高频介电性能 ）良好的高频介电性能 玻璃纤维的 玻璃纤维的介电常数较小 介电常数较小，介质损耗很低，具有良好的高 ，介质损耗很低，具有良好的高 频介电性能，可做雷达罩，微波天线的天线罩。 频介电性能，可做雷达罩，微波天线 玻璃纤维纱玻璃纤维纱 11）常用的术语、参数 ）常用的术语、参数 （（11）原纱 ）原纱Strand Strand 玻璃纤维制造过程中的单丝经集束后的单股纱； 玻璃纤维制造过程中的单丝经集束后的单股纱； （（22）表示（原）纱粗细的指标 ）表示（原）纱粗细的指标 支数 支数: 纱的长度（纱的长度（mm）。 支数越大，原纱越细；支数越大，原纱越细； 特特（（tex tex））: 长纱的质量（长纱的质量（gg）） 旦或袋（DenierDenier））: 9000m 9000m长纱的质量（ 长纱的质量（gg）， 2929 （（33）捻度 ）捻度 纱的加捻程度，单位长度内纤维与纤维之间所加的 纱的加捻程度，单位长度内纤维与纤维之间所加的 转数，以捻／ 转数，以捻／mm为单位 为单位 （（44）股数 ）股数NN 由几根原纱合股组成。 由几根原纱合股组成。 玻璃纱的 玻璃纱的公称支数 公称支数为原纱支数 为原纱支数股数 股数 ZZ捻捻左捻 左捻，逆时针方向加捻； ，逆时针方向加捻； SS捻捻右捻 右捻，顺时针方向加捻。 ，顺时针方向加捻。 加捻的作用： 加捻的作用： 提高纤维的抱合力 提高纤维的抱合力 改善单纤维的受力状况， 改善单纤维的受力状况， 利于纺织工序的进行。 利于纺织工序的进行。 缺点： 缺点： 捻度过大不易被树脂浸透。 捻度过大不易被树脂浸透。 30 30 22 （（11）品种 ）品种 随合股数的不同分：随合股数的不同分：粗粗纱、 纱、细细纱纱 无捻粗纱 无捻粗纱：纤维平行排列，较松散，对树脂的 ：纤维平行排列，较松散，对树脂的 浸润性好，但易断头、起毛、不易编制。 浸润性好，但易断头、起毛、不易编制。 有捻细纱 有捻细纱：刚好相反。 ：刚好相反。 （（22）规格 ）规格 单丝直径： 单丝直径：4um 4um、、6um 6um、、8um 8um 原纱支数（ 原纱支数（mm））:40 :40、、80 80、、160 160 股数：有捻纱： 纱的公称支数（原丝支数纱的公称支数（原丝支数股数）、断裂强度及 股数）、断裂强度及 捻度等。 捻度等。 （（33）牌号表示法 ）牌号表示法 无碱纱44－－60026002：： 44－单丝直径 －单丝直径4um 4um；； 600 600－原纱支数； －原纱支数； 22－股数 －股数NN为为22无碱玻璃纱。 无碱玻璃纱。 31 31 33 纱的截面积： 纱的截面积： 折算断裂强度： 折算断裂强度： PP bb 纱的拉断力纱的拉断力 原纱的支数原纱的支数, 玻璃纱的公称支数，玻璃纱的公称支数，1g 1g 纱的长度，（ 纱的长度，（mm）） 密度（密度（gcm gcm 33 注意纱和原纱的区别，纱由注意纱和原纱的区别，纱由NN股数的原纱组成。 股数的原纱组成。 32 32 44 两者的测量标距不一样， 两者的测量标距不一样， 单丝： 单丝：10mm 10mm；纱： ；纱：200mm 200mm；； 各单丝准直不一，不可能同时受力，同时断裂， 各单丝准直不一，不可能同时受力，同时断裂， 最终断裂是强度最大的单丝； 最终断裂是强度最大的单丝； 加捻使得纤维承受附加的扭转力。 加捻使得纤维承受附加的扭转力。 33 33 11）布的品种与规格）布的品种与规格 （（11）玻璃布的品种 ）玻璃布的品种 按编织方法不同，分为： 按编织方法不同，分为： 平纹布、 平纹布、斜纹布、 斜纹布、缎纹布 缎纹布P31 P31 单向布 单向布 （无捻方格布）34 34 35 35 单向布经纬向拉断力相差 悬殊的玻璃布，经纱是密 无捻纱编制的玻璃布，比较常用的是平纹编织无 捻粗纱布。 无捻方格布 无捻方格布 单向布 单向布 36 36 37 37 （（22）主要规格 ）主要规格 表表22--77 编织方法： 编织方法： 布的厚度：反映纤维弯曲程度； 布的厚度：反映纤维弯曲程度； 布的幅度： 布的幅度： 排纱密度：为 排纱密度：为1cm 1cm布宽上排了多少根经纬纱， 布宽上排了多少根经纬纱， 面密度 面密度GG ff ：布单位面积的纤维质量， ：布单位面积的纤维质量，gm 22布在经、纬向的拉断力有很大差别的，这种布即单向布。 布在经、纬向的拉断力有很大差别的，这种布即单向布。 常有 常有4:1 4:1，，7:1 7:1，，11:1 11:1，，14:1 14:1的单向布供应。 的单向布供应。 （（33）牌号表示法 ）牌号表示法 平纹 平纹--100 100：厚度 ：厚度01mm 01mm的平纹布； 的平纹布； EW100A EW100A--90:E: 90:E:无碱； 无碱；WW：布； ：布；100 100：：01mm 01mm厚厚;A: ;A:类别； 类别； 90 90：幅宽 ：幅宽90cm 90cm。。 38 38 22）布的折算断裂强度 ）布的折算断裂强度 33）布强度低于纱强度的原因 ）布强度低于纱强度的原因 玻纤经过纺织以及在布中呈现弯曲和扭曲状态。 玻纤经过纺织以及在布中呈现弯曲和扭曲状态。 25cm 25cm——测试时布条的宽度 测试时布条的宽度 bb——排纱密度，根纱 排纱密度，根纱cm; cm; 39 39 （（11）编织情况 ）编织情况 编织方法对布的使用特点的影响： 编织方法对布的使用特点的影响： （（22）布厚度 ）布厚度 布越薄，纤维弯曲越小，纤维拉伸强度越高；易浸 布越薄，纤维弯曲越小，纤维拉伸强度越高；易浸 （（33）排纱密度）排纱密度 排纱密度越大，越不易浸透胶。 排纱密度越大，越不易浸透胶。 40 40 11）立体编织物）立体编织物 22）玻璃纤维毡片 ）玻璃纤维毡片 连续纤维毡连续纤维毡 缝合毡 缝合毡 表面毡（单丝毡） 表面毡（单丝毡） 33）缝编织物 ）缝编织物 44）无纬布 缝合毡缝合毡 41 41 23 23 231 231 碳纤维的 碳纤维的分类 分类 232 232 碳纤维的 碳纤维的制造 制造 233 233 碳纤维的 碳纤维的结构 结构 234 234 碳纤维的 碳纤维的性能 性能 235 235 碳纤维品种与规格 碳纤维品种与规格 236 236 碳纤维的发展 碳纤维的发展 42 42 23 23 1879 1879 爱迪生 爱迪生曾经用竹炭纤维作灯丝； 曾经用竹炭纤维作灯丝； 1959 1959 美国联合碳化物公司（ 美国联合碳化物公司（Union Carbide Corp Union Carbide Corp）） 由人造丝制碳纤维 由人造丝制碳纤维 Thornel Thornel 1961 1961 日本 日本进藤昭男 进藤昭男聚丙烯腈 聚丙烯腈 1963 1963 日本 日本大谷杉郎 沥青沥青 20 20世纪 世纪70 70年代，中国生产碳纤维 年代，中国生产碳纤维 （品种少，性能一般，产量低） （品种少，性能一般，产量低） ——是由有机纤维如黏胶纤维、聚丙烯腈纤维或沥青纤维是由有机纤维如黏胶纤维、聚丙烯腈纤维或沥青纤维 在保护气氛下热处理碳化成为含碳量 在保护气氛下热处理碳化成为含碳量90~99% 90~99%的纤维。 的纤维。 43 43 231 231 碳纤维的分类 碳纤维的分类 1按先驱体纤维原料类型分类按先驱体纤维原料类型分类 聚丙烯腈基碳纤维 聚丙烯腈基碳纤维 沥青基碳纤维 沥青基碳纤维 黏胶基碳纤维 黏胶基碳纤维 气相生长碳纤维 气相生长碳纤维 有机纤维炭化法 有机纤维炭化法 4444 2按碳纤维的制造方法不同分类按碳纤维的制造方法不同分类 碳纤维（ 碳纤维（800~1600 800~1600）） 石墨纤维（ 石墨纤维（2000~3000 2000~3000）） 氧化纤维（预氧化丝 氧化纤维（预氧化丝200~300 200~300）） 活性炭纤维 活性炭纤维 气相生长碳纤维（ 气相生长碳纤维（600 600～～1200 1200）） 45 45 通用级碳纤维（通用级碳纤维（GP GP）） 高性能碳纤维（ 高性能碳纤维（HP HP））:: 中强型MTMT 高强型 高强型HT HT 超高强型 超高强型UHT UHT 中模型 中模型IM IM 高模型 高模型HM HM 超高模型 超高模型UHM UHM 通用型碳纤维强度为 通用型碳纤维强度为1000MPa 1000MPa、、 模量为 模量为100GPa 100GPa 46 46 47 47 4按碳纤维应用领域分类：按碳纤维应用领域分类： 商品级碳纤维：大丝束，单丝数在 商品级碳纤维：大丝束，单丝数在24K 24K以上 以上 宇航级碳纤维：小丝束， 宇航级碳纤维：小丝束，12K 12K 按碳纤维功能分类：按碳纤维功能分类： 受力结构用碳纤维； 受力结构用碳纤维； 耐焰碳纤维； 耐焰碳纤维； 活性碳纤维； 活性碳纤维； 导电用碳纤维； 导电用碳纤维； 润滑用碳纤维； 润滑用碳纤维； 耐磨用碳纤维； 耐磨用碳纤维； 耐腐蚀用碳纤维 耐腐蚀用碳纤维 48 48 232 232 结构与力学性能的关系 结构与力学性能的关系 拉伸强度与实际值拉伸强度与实际值 理论值 理论值 模量 模量（（GPa GPa）） 1020 1020 强度 强度（（GPa GPa）） 180 180 实际值 实际值 模量（ 模量（GPa GPa）） 沥青系 沥青系 400 400 PAN PAN系系 300 300 强度（ 强度（GPa GPa））石墨晶须 石墨晶须 20 20 碳纤维 碳纤维 1拉伸强度拉伸强度 49 49 拉伸强度与缺陷拉伸强度与缺陷 脆性材料 易在裂纹尖端产生应力集中 以裂纹迅速传播和扩展来形成新的表面，使集 中的应力得以消除，导致在较低应力下就发生断裂。 裂纹 裂纹是制约强度的主要因素之一。 碳纤维存在多种缺陷，这些缺陷大致可分为表面 表面 和内部缺陷 和内部缺陷两大类型。 50 50 表面裂纹 表面裂纹 表面沉积物 表面沉积物 表面毛纤 表面毛纤 表面机械损伤 表面机械损伤 51 51 内裂纹 内裂纹 内孔洞 内孔洞 52 52 3强度与微晶的大小强度与微晶的大小 拉伸强度与微晶尺寸的平方根成反比。 拉伸强度与微晶尺寸的平方根成反比。 细晶化是提高材料强度的主要措施之一。是提高材料强度的主要措施之一。 原因： 原因： 减缓了在晶界处产生的残余应力，这也就减缓了产减缓了在晶界处产生的残余应力，这也就减缓了产 生裂纹的力； 生裂纹的力； 裂纹在穿越晶界继续扩张时要改变方向，消耗较多裂纹在穿越晶界继续扩张时要改变方向，消耗较多 能量； 能量； 晶界面积较大，塑性变形能大，裂纹在失稳扩张过晶界面积较大，塑性变形能大，裂纹在失稳扩张过 程中也需要消耗较大能量； 程中也需要消耗较大能量； 53 53 2杨氏模量杨氏模量 模量是材料的固有本性。石墨材料的理论模量 模量是材料的固有本性。石墨材料的理论模量 值为1020GPa 1020 GPa 碳纤维的杨氏模量与石墨微晶的择优取向密切 碳纤维的杨氏模量与石墨微晶的择优取向密切 相关。即石墨微晶在空间的轴向分布情况。 相关。即石墨微晶在空间的轴向分布情况。 3高强高模高强高模 高模量：微晶取向最佳化； 高模量：微晶取向最佳化； 高强度：各类缺陷最小化； 高强度：各类缺陷最小化； 4断裂伸长率断裂伸长率 在杨氏模量一定的条件下，碳纤维的断裂伸长 在杨氏模量一定的条件下，碳纤维的断裂伸长 将随着拉伸强度的提高而得到改善。 将随着拉伸强度的提高而得到改善。 54 54 232 232 以含CC量高的有机纤维作为先驱纤维量高的有机纤维作为先驱纤维（（precursor precursor））,, 在在NN 22 、、Ar Ar气氛保护 气氛保护和施加 和施加张力牵伸 张力牵伸下下，，通过 通过加热 加热（（碳化 碳化）） 去除大部分非碳元素 去除大部分非碳元素，，得到碳的石墨晶体结构为主体的 得到碳的石墨晶体结构为主体的 纤维材料 纤维材料。。 对于先驱体的 对于先驱体的要求 要求：： 碳化过程不熔融 碳化过程不熔融，，能保持纤维形态； 能保持纤维形态； 碳化收率较高； 碳化收率较高； 碳纤维强度 碳纤维强度、、模量等性能符合要求； 模量等性能符合要求； 能获得稳定连续长丝 能获得稳定连续长丝。。 55 55 11）黏胶纤维（再生纤维素） ）黏胶纤维（再生纤维素）C 66HH 10 10 OO 55 nn最早实现工业化，但技术难度大，设备复 最早实现工业化，但技术难度大，设备复 杂，成本高，碳化收率低 杂，成本高，碳化收率低20~40% 20~40%；； 22））沥青纤维 沥青纤维（（CC、、HH）） 沥青碳化收率高 沥青碳化收率高70~90% 70~90%，提高纤维模量方 ，提高纤维模量方 面有优势 面有优势 33））PAN PAN纤维 纤维C 33HH 33 nn碳化收率较高， 碳化收率较高，40~60% 40~60%。。 高高强度纤维 强度纤维主要 主要来来自自于于PAN PAN系。而 系。而沥沥 青基纤维 青基纤维主要用 主要用来来生生产高模量纤维 产高模量纤维！！ 56 56 沥青质的主要成分 沥青质的主要成分 稠环芳烃通过分子 稠环芳烃通过分子 间作用形成单元薄片 间作用形成单元薄片,,单单 元薄片相互堆积而形成 元薄片相互堆积而形成 具有部分有序的类晶结 具有部分有序的类晶结 5757 11 PAN PAN--CF CF 丙烯腈 丙烯腈 共聚单体 共聚单体 引发剂 引发剂 聚合 聚合 PAN PAN 纺丝 纺丝 干湿纺干湿纺 PANF PANF 预氧化工艺 预氧化工艺 炭化 炭化 石墨化 石墨化 表面处理 表面处理 CF CF系列产品 系列产品 空气介质 空气介质 200~300 200~300 几十 几十~~几百 几百min min 惰性气氛 惰性气氛 600~1600 600~1600 几分 几分~~几十 几十min min 惰性气氛 惰性气氛 2000~3000 2000~3000 几秒 几秒~~数十秒 数十秒 58 58 （（11））PAN PAN纤维的制备 纤维的制备 一步法：二甲基甲酰胺，二 一步法：二甲基甲酰胺，二 甲亚砜，硫的水溶液 甲亚砜，硫的水溶液 两步法：水 两步法：水;;二甲亚砜。 二甲亚砜。 溶液纺丝 溶液纺丝 高性能原丝应具有的性能：高纯度、高强度、高取向度 高性能原丝应具有的性能：高纯度、高强度、高取向度 高纯度 高纯度:: 聚合前的原料进行过滤； 聚合前的原料进行过滤； 聚合后的树脂充分洗涤； 聚合后的树脂充分洗涤； 无尘纺丝； 无尘纺丝； 高强度、高取向度 高强度、高取向度 提高聚合物分子量； 提高聚合物分子量； 采用合理的纺丝方法，如干喷湿纺。 采用合理的纺丝方法，如干喷湿纺。 59 59 预氧化的作用预氧化的作用 热塑性 热塑性PAN PAN线线 型大分子结构 型大分子结构 耐热梯型结构 耐热梯型结构 （（22））PAN PAN原丝的预氧化处理 原丝的预氧化处理 60 60 预氧化工艺条件预氧化工艺条件 预氧化工艺分 预氧化工艺分44段控温进行： 段控温进行： 200 200—— ——230 230—— ——250 250—— ——280 280 伸长 伸长10% 10% 定长或伸长 定长或伸长3% 3% 皮芯结构 皮芯结构 施加张力的目的： 施加张力的目的： 使纤维中形成的梯形结构取向 使纤维中形成的梯形结构取向 抑制收缩 收缩 外皮结构硬实 外皮结构硬实 芯子结构柔软 芯子结构柔软 达到 达到86% 86% 61 61 22 低温炭化： 低温炭化：300~1000 300~1000；； 高温炭化： 高温炭化：1100~1600 1100~1600 乱层石墨结构： 乱层石墨结构： 乱层石墨结构： 乱层石墨结构： 形成互相平行的二维六边形石墨网 形成互相平行的二维六边形石墨网 层与层之间有比较规则的间距层与层之间有比较规则的间距;; 层间叠层仍是杂乱无序 层间叠层仍是杂乱无序。。 62 62 33 2000~ 3000 2000~ 3000 的高温处理，使乱层石墨结构向三维石墨结 的高温处理，使乱层石墨结构向三维石墨结 构转化。 构转化。 目的： 目的：提高模量 提高模量 石墨化过程： 石墨化过程： 石墨晶体尺寸 石墨晶体尺寸，，结晶度 结晶度，，取向角 取向角，，层间距 层间距 dd 002 002 ，，从而较大提高纤维的模量 从而较大提高纤维的模量。。 石墨化： 石墨化： 硬碳：难石墨化 硬碳：难石墨化 软碳：易石墨化 软碳：易石墨化 中间相沥青＞聚丙烯腈＞黏胶丝 中间相沥青＞聚丙烯腈＞黏胶丝 中间相沥青＞聚丙烯腈＞黏胶丝 中间相沥青＞聚丙烯腈＞黏胶丝 63 63 44 碳纤维的表面活性低，必须进行表面处理（氧 碳纤维的表面活性低，必须进行表面处理（氧 化和上浆）以提高纤维表面的活性，从而提高复合材 化和上浆）以提高纤维表面的活性，从而提高复合材 料的性能。 料的性能。 上浆的作用 上浆的作用：： 保护碳纤维，防止损伤与起毛， 保护碳纤维，防止损伤与起毛， 作为碳纤维和树脂的偶联剂。 作为碳纤维和树脂的偶联剂。 64 64 22 沥青基碳纤维的原料： 沥青基碳纤维的原料： 天然沥青 天然沥青 煤焦油沥青 煤焦油沥青 石油沥青 石油沥青 热解沥青 热解沥青 合成沥青 合成沥青 指标 指标:: 元素组成，以 元素组成，以HC 表示；表示； 软化点； 软化点； 分子量范围大小 分子量范围大小 沥青 沥青：多种芳环缩聚物的混合物；软化点 ：多种芳环缩聚物的混合物；软化点100~200 100~200，， 相对分子质量分布很宽，平均相对分子质量在 相对分子质量分布很宽，平均相对分子质量在200 200以上， 以上， 含碳量大于 含碳量大于70% 70% 6565 通过溶剂使沥青分离成不同组分： 通过溶剂使沥青分离成不同组分： 沥青 沥青 苯或甲苯抽提 苯或甲苯抽提 喹啉不溶物喹啉不溶物 αα树脂 树脂 （高分子树脂） （高分子树脂） 喹啉溶解 喹啉溶解 ββ树脂 树脂 （中分子树脂） （中分子树脂） 可溶物 可溶物 γγ树脂 树脂 （低分子树脂） （低分子树脂） γγ树脂 树脂:500 :500 ββ树脂 树脂:300~2000 :300~2000 αα树脂 树脂:2000 :2000 66 66 （（11）各向同性碳纤维的制作 ）各向同性碳纤维的制作 沥青碳纤维的类型： 沥青碳纤维的类型： 通用级碳纤维，各向同性沥青碳纤维； 通用级碳纤维，各向同性沥青碳纤维； 中间相沥青碳纤维 中间相沥青碳纤维 a沥青的调制沥青的调制 化学组成 化学组成 分子量大小和分布 分子量大小和分布 流动性 流动性 将原料沥青的杂质 将原料沥青的杂质 微粒 微粒4μm 4μm去除后 去除后 经加热处理，制成 经加热处理，制成 软化点 软化点180 180以上 以上 的沥青 的沥青 67 67 熔融纺丝，温度比沥青的软化点高熔融纺丝，温度比沥青的软化点高50 50--150 150，沥青由 ，沥青由 玻璃态转变为粘流态 玻璃态转变为粘流态 稳定化处理，为了保持沥青纤维纺丝在碳化时不熔，稳定化处理，为了保持沥青纤维纺丝在碳化时不熔， 必须进行不熔化处理（酸性气体 必须进行不熔化处理（酸性气体250 250--400 400）） 炭化处理，氮气气体保护下在炭化处理，氮气气体保护下在1000 1000--1500 1500进行炭化 进行炭化 处理，去除 处理，去除HH、、NN等非 等非CC元素，结构转变成多晶石墨层片 元素，结构转变成多晶石墨层片 结构 结构 石墨化处理，惰性气体保护下，石墨化处理，惰性气体保护下，2500 2500--3000 3000进行石 进行石 墨化处理 墨化处理 68 68 （（22）中间相沥青碳纤维的制备 ）中间相沥青碳纤维的制备 中间相沥青的调制 中间相沥青的调制 沥青 沥青 喹啉 喹啉 80~120 80~120 除去喹啉不溶物 除去喹啉不溶物 中间相沥青 中间相沥青 300~350 300~350 脱氢脱氢 缩合 缩合 纺丝 纺丝 不熔化处理 不熔化处理 碳化 碳化 石墨化 石墨化 69 69 酸性气体 酸性气体 250 250--400 400 空气中进行处理 空气中进行处理 275~350 275~350 70 70 233 233 碳纤维的结构 碳纤维的结构 11）理想的石墨晶体结构 ）理想的石墨晶体结构 石墨晶体结构与乱层结构图 石墨晶体结构与乱层结构图 aa——石墨晶体的重叠状态； 石墨晶体的重叠状态；bb——乱层结构的重叠状态 乱层结构的重叠状态 71 71 22 CF CF 石墨层片 石墨层片 石墨微晶 石墨微晶 （乱层结构） （乱层结构） 石墨原纤 石墨原纤 （条带结构） （条带结构） 碳纤维 碳纤维 一级结构单元 一级结构单元 La20nm La20nm 二级结构单元 二级结构单元 十张十张 三级结构 三级结构 是宽度约为 是宽度约为20 20 nm nm，，长度为几 长度为几 百纳米的细长条 百纳米的细长条 带结构 带结构。。 微晶之间被无 微晶之间被无 定形结构隔开 定形结构隔开。。 乱层结构； 乱层结构； 层片之间的距离 层片之间的距离 较理想晶体大 较理想晶体大 条带不是笔直沿 条带不是笔直沿 纤维方向； 纤维方向； 条带之间有针形 条带之间有针形 孔隙 孔隙，，孔隙与纤 孔隙与纤 维轴有一定夹角 维轴有一定夹角。。 72 72 二维有序的乱层结构；二维有序的乱层结构； 层片之间的距离较理想晶体大；层片之间的距离较理想晶体大； 石墨微晶尺寸、层片间距石墨微晶尺寸、层片间距dd 002 002 及石墨化程度 及石墨化程度γγ等与制造过 等与制造过 程的热处理温度 程的热处理温度HTT HTT和时间有关。 和时间有关。 石墨化程度计算公式： 石墨化程度计算公式： HTT HTT La La，，Lc Lc，，dd 002 002 石墨微晶与理想石墨晶体的结构石墨微晶与理想石墨晶体的结构差别 差别：： 73 73 33 CF CF （（11）热处理温度（ ）热处理温度（HTT HTT）对 ）对CF CF强度和模量的影响 强度和模量的影响 模量升高是因为： 模量升高是因为： HTTLaLc HTTLaLc EE；； HTT HTT dd002 002 HTTHTT张力 张力 HTTHTT升高，模量提高，强度 升高，模量提高，强度σσ会出现峰值。 会出现峰值。 74 74 σσ（强度）有个极值： （强度）有个极值： 一方面， 一方面，HTT HTT升高，原纤之间或微晶之间的交联键数目增加 升高，原纤之间或微晶之间的交联键数目增加 ，并且 ，并且θθ 、、dd 002 002 、导致碳键密度 、导致碳键密度 另一方面，另一方面，HTT HTT升高，使 升高，使σ σ有如下的原因： 有如下的原因： T微晶尺寸微晶尺寸 空隙数目 空隙数目但空隙尺寸 但空隙尺寸 应力集中 应力集中；； 微晶尺寸小时，晶界面积大，裂纹扩展消耗能量大； 微晶尺寸小时，晶界面积大，裂纹扩展消耗能量大； 高温牵伸，有可能拉断原纤之间的交联键，削弱晶界之间的结合力； 高温牵伸，有可能拉断原纤之间的交联键，削弱晶界之间的结合力； 皮芯结构的皮和芯的热膨胀系数不同，温度升高，残余应力增大； 皮芯结构的皮和芯的热膨胀系数不同，温度升高，残余应力增大； 高温下碳纤维表面碳的蒸发，引起表面缺陷。 高温下碳纤维表面碳的蒸发，引起表面缺陷。 75 75 （（22）润湿与粘接 ）润湿与粘接 表面处理 表面处理 （（33））PAN PAN原丝本身质量、缺陷影响碳纤维的性能 原丝本身质量、缺陷影响碳纤维的性能 原丝分子量适中、多分散性小、取向度大； 原丝分子量适中、多分散性小、取向度大； 原丝中空隙、杂质少； 原丝中空隙、杂质少； 原丝的直径均一 原丝的直径均一 76 76 234 234 碳纤维的性能 碳纤维的性能 11）力学性能 ）力学性能 强度高、模量大。 强度高、模量大。 脆性大，冲击性能差 脆性大，冲击性能差 77 77 22）物理性能 ）物理性能 （（11）热性能：耐高低温性能好； ）热性能：耐高低温性能好； 导热性好，导热系数高； 导热性好，导热系数高；65WmK 65WmK 热膨胀系数沿纤维轴向具有负的温度效应，即 热膨胀系数沿纤维轴向具有负的温度效应，即 温度升高，碳纤维收缩； 温度升高，碳纤维收缩； （（22）与树脂粘接性差 33）化学性能）化学性能 （（11）氧化性 ）氧化性 200~290 200~290空气中发生氧化反应，其耐热性 空气中发生氧化反应，其耐热性 在空气中比玻纤差 在空气中比玻纤差 （（22）耐腐蚀性 ）耐腐蚀性 能被强氧化剂氧化，如浓硝酸、次氯酸及重铬 能被强氧化剂氧化，如浓硝酸、次氯酸及重铬 酸钾等。一般酸碱对它影响小，比玻璃纤维具有更好 酸钾等。一般酸碱对它影响小，比玻璃纤维具有更好 的耐腐蚀性。耐水性比玻纤好。 的耐腐蚀性。耐水性比玻纤好。 44）其他性能 ）其他性能:: 导电性好，比电阻：755uΩcm 78 78 性能 性能 玻璃纤维 玻璃纤维 碳纤维 碳纤维 密度（ 密度（gcm gcm 33 25~26175 25~26 175高强 高强 19~20 模量（模量（GPa GPa）） 70 220~250 390~460 70 220~250 390~460 强度（ 强度（GPa GPa）） 40 40（高强 （高强2# 2525 （（353 353）） 14~21 14~21 断裂伸长率（ 断裂伸长率（%%）） 26 10 05 26 10 05 电阻率（ 电阻率（Ωcm Ωcm）） 10 10 11 11 ~10 ~10 18 18 755*10 755*10 --66 导热系数（ 导热系数（WmK WmK）） 0034 65 0034 65 235 235碳纤维的 碳纤维的 品质和规格 品质和规格 使用最多，最普遍 使用最多，最普遍 的是日本东丽公司 的是日本东丽公司 T300 T300一类的碳纤维 一类的碳纤维 ，如ToraycaTorayca T300B 3000 T300B 3000--40B, 40B, 丝束单丝数量 丝束单丝数量3000 3000 8080 236 236 2011第三次课 11）产品性能不断提高 ）产品性能不断提高 22）中模高强型碳纤维的开发 ）中模高强型碳纤维的开发p49 p49表表22--18 18 33）高强高模 ）高强高模MJ MJ系列碳纤维 系列碳纤维 44）高模量沥青基碳纤维 ）高模量沥青基碳纤维 高强度，提高 高强度，提高 50~100% 50~100%；； 断裂应变提高， 断裂应变提高， 25% 25%；； 模量提高， 模量提高，30% 30% 81 81 24 24 芳香族聚酰胺（ 芳香族聚酰胺（PA PA）纤维：高强、高模、且韧性好。 ）纤维：高强、高模、且韧性好。 1935 1935年年美国杜邦公司 美国杜邦公司Carothers Carothers发明脂肪族聚酰胺； 发明脂肪族聚酰胺； 20 20世纪 世纪60 60年代，美国杜邦公司 年代，美国杜邦公司 胺纤维，正式商品名为胺纤维，正式商品名为Nomex Nomex（诺梅克斯）； 19661966年，杜邦公司 年，杜邦公司 聚对苯二甲酰对苯二胺纤维； 聚对苯二甲酰对苯二胺纤维； 1971 1971年，产业化，商品名为 年，产业化，商品名为Kevlar Kevlar。。 1974 1974年，美国正式把芳香族聚酰胺命名为：芳纶 年，美国正式把芳香族聚酰胺命名为：芳纶 （（Aramid Aramid）。 ——一种人工合成的长链聚酰胺纤维，其中至少一种人工合成的长链聚酰胺纤维，其中至少 85% 85%的酰胺键直接与 的酰胺键直接与两个 两个苯环基团连接。 苯环基团连接。 82 82 241 241 高性能纤维在结构上有三个共同特点： 高性能纤维在结构上有三个共同特点： 非常高的分子取向（结晶度）非常高的分子取向（结晶度） 有序的侧向排列有序的侧向排列 非常低的轴向缺陷含量非常低的轴向缺陷含量 已商业化的高性能有机纤维有： 已商业化的高性能有机纤维有： 11）刚性分子链有机纤维 ）刚性分子链有机纤维 （（11）芳香族聚酰胺纤维（芳纶） ）芳香族聚酰胺纤维（芳纶） （（22）聚芳酯纤维 ）聚芳酯纤维 83 83 （（33）聚苯并 唑（PBOPBO）纤维 ）纤维 （（11）聚乙烯（ ）聚乙烯（UHMWPE UHMWPE）纤维 ）纤维 （（22）聚乙烯醇纤维 ）聚乙烯醇纤维 22）柔性分子链有机纤维 ）柔性分子链有机纤维 聚亚苯基苯并二噻噻唑唑84 84 242 242 有间位和对位两种，对位的被用作先进复合材料。 有间位和对位两种，对位的被用作先进复合材料。 如凯夫拉纤维。 如凯夫拉纤维。 11）间位芳香族聚酰胺 ）间位芳香族聚酰胺 优点：高温性能好；绝热性能 优点：高温性能好；绝热性能 好；尺寸稳定性好，具有难燃 好；尺寸稳定性好，具有难燃 自熄性，氧化稳定性好等， 自熄性，氧化稳定性好等， 缺点： 缺点：强度、模量低 强度、模量低 不作增强材料； 不作增强材料； 用作夹层结构使用最多的夹芯材料 用作夹层结构使用最多的夹芯材料 美国杜邦的美国杜邦的Nomex Nomex，芳纶 ，芳纶1313 1313 85 85 22 （（11）聚对苯甲酰胺 ）聚对苯甲酰胺 （（22）聚对苯二甲酰对苯二胺 ）聚对苯二甲酰对苯二胺PPTA PPTA 芳纶1414 美国杜邦公司： 美国杜邦公司：kevlar kevlar纤维； 纤维； 荷兰阿克苏的 荷兰阿克苏的Twaron Twaron；； 芳纶14141414 86 86 243 Kevlar 243 Kevlar 分分缩聚 缩聚和和纺丝 纺丝两步： 两步： 制备出高分子量的对苯二甲酰氯对苯二胺聚合物； 制备出高分子量的对苯二甲酰氯对苯二胺聚合物； 通过干喷湿纺的液晶纺丝工艺制备纤维。 通过干喷湿纺的液晶纺丝工艺制备纤维。 550 550热处理 热处理 87 87 1界面缩聚界面缩聚 界面的产生、更新 界面的产生、更新 二胺的扩散速率 二胺的扩散速率 一、聚合物的制备 一、聚合物的制备 与普通界面缩聚原理一致。 与普通界面缩聚原理一致。 对苯二胺溶于水中 对苯二胺溶于水中 对苯二甲酰氯溶于与水不 对苯二甲酰氯溶于与水不 相混溶的有机溶剂中 相混溶的有机溶剂中 88 88 2低温溶液缩聚低温溶液缩聚 单体在非质子性极性溶剂如二甲基甲酰胺、 单体在非质子性极性溶剂如二甲基甲酰胺、NN--甲基 甲基 吡咯烷酮 吡咯烷酮NMP NMP等酰胺型溶剂中的进行的缩聚反应。 等酰胺型溶剂中的进行的缩聚反应。 反应条件比较温和，可在室温下进行，因此可以避 反应条件比较温和，可在室温下进行，因此可以避 免副反应发生，得到高分子量的聚合物。 免副反应发生，得到高分子量的聚合物。

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