10高性能纤维教案.ppt

第十章 高性能纤维 第一节 概述 什么是高性能纤维？ 高性能纤维是近些年来纤维高分子材料领域发展迅速的一类特种纤维，它是具有高强度、高模量、耐高温、耐气候、耐化学试剂等所谓高物性纤维的统称。 高性能纤维是国防建设和国民经济发展的重要材料。 高强高模型 碳纤维、芳纶1414、高强高模聚乙烯纤维。 耐高温型 芳纶1313、芳砜纶、聚苯硫醚纤维（PPS）、玄武岩纤维等。 国外高性能纤维产业近年来发展迅速。 芳纶：2005年全世界总产能是4.6万吨，而2007年则达到了5.4万吨，增长了39％。 碳纤维：2005年全世界总产能是3.5万吨，而2007年是5.1万吨，增长了46％。 高强高模聚乙烯纤维：2005年全世界总产能是6500吨，2007年达到了1.1万吨，增长了69％（已含我国）。 现全世界高性能纤维的总产能约20万吨，虽然只占化纤总产能的0.5%，但它的战略意义、重要性以及销售额和利润都是极大的。 发展迅速的主要原因： 1.政治和军事方面 中东战乱及国际形势在一些地方趋于紧张，有关各国纷纷战备，使高性能纤维材料的需求量激增，用于作战飞机、火箭、导弹、装甲防护材料等领域。 2.在工业应用方面 对新材料需求增加，高性能纤维的复合材料在飞机、能源、建筑、环保、海洋产业等的应用迅速增长。在运动休闲器材方面也在增加。 碳纤维 一、碳纤维概念 是一种强度比钢大（重量是钢铁的1/4而强度是其10倍）、密度比铝小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。 碳纤维是一种纤维状碳材料。由有机纤维或低分子烃气体原料在惰性气氛中经高温（1500oC）碳化而成的纤维状碳化合物，其碳含量在90%以上。 碳纤维是一种 性能优异、应用广泛的新材料， 号称“材料之王” 碳纤维的制法 对先驱体纤维的要求：碳化过程不熔；碳化收率高；强度、 模量等性能符合要求；能获得稳定长丝。 原理：以含碳量高的有机纤维作为先驱纤维，在N2、Ar气氛保护和施加张力牵伸下，通过加热（碳化）去除大部分非碳元素，得到碳的石墨晶体结构为主体的纤维材料。 黏胶纤维（再生纤维素）(C6H10O5)n ；沥青纤维(C、H)；PAN纤维(C3H3N)n 满足上述四点要求且有工业化意义的原丝有以下三种： 碳纤维的优点： 强度和模量高、密度小； 具有很好的耐酸性；热膨胀系数小，甚至为负值； 具有很好的耐高温蠕变性能，一般在1900℃以上才呈现出永久塑性变形； 摩擦系数小、润滑性好、导电性高； 具有纤维般的柔曲性，比强度和比模量超过一般的增强纤维； 它和树脂形成的复合材料的比强度和比模量比钢和铝合金还高3倍。 碳纤维的缺点： 价格昂贵，比玻璃纤维贵25倍以上。 抗氧化能力较差，在高温下有氧存在时会生成二氧化碳。 20世纪50年代，美国研发大型火箭和人造卫星以及全面提升飞机性能，急需新型结构材料及耐腐蚀材料，使碳纤维重新出现在新材料的舞台上，并逐步形成了黏胶基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维的三大原料体系。 用聚丙烯腈纤维制备碳纤维的制造工序大体分为四步：预氧化、碳化、石墨化和表面处理。 PAN法生产CF的工艺过程为： PAN纤维 预氧化 碳化 石墨化 表面处理 原丝 预氧化丝 CF-Ⅱ，高强CF，σ高，E较低 CF-Ⅰ，高模CF，石墨纤维，σ较低，E高 聚丙烯腈基碳纤维（PAN-CF）的制造 PAN原丝制备碳纤维的过程分为三个阶段： 预氧化： 200℃～300℃的氧化气氛中，原丝受张力情况下进行。 碳化： 在400℃～1900℃的惰性气氛中进行，碳纤维生成的主要阶段。除去大量的氮、氢、氧等 非碳元素，改变了原PAN纤维的结构， 形成了碳纤维。碳化收率40％~45％， 含碳量95%左右。 石墨化 在2500℃～3000℃的温度下，密封装置，施加压力，在保护气体中进行。目的是使纤维中的结晶碳向石墨晶体取向，使之与纤维轴方向的夹角进一步减小以提高碳纤维的弹性模量。 碳纤维的表面处理 目的：提高碳纤维增强复合材料中碳纤维与基体的结合强度。 途径：清除表面杂质；在纤维表面形成微孔或刻蚀沟槽，从类石墨层面改性成碳状结构以增加表面能；引进具有极性或反应性官能团；形成能与树脂起作用的中间层。 生产聚丙烯腈基碳纤维不采用民用腈纶，而是采用特殊组分且性能优良的专用PAN基纤维。PAN原丝经一系列热处理后，由有机合成纤维转化为含碳量在92﹪以上的无机碳纤维。 聚丙烯腈基碳纤维是力学性能最佳、应用面最广、需求量最大、发展最快的碳纤维。 四、碳纤维的用途 ⒈航天工业 用作导弹防热及结构材料如火箭喷管、鼻锥、大面积防热层；航天飞机机头，机翼前缘和舱门等制件。