第九章 高性能纤维.pptVIP

第九章 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。 第二节 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。 二、碳纤维的制造方法 ⒈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，不能用于制造长丝。 ⒉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丝。 ⑴聚丙烯腈（PAN）基碳纤维 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。 进行预氧化处理的原因： PAN的Tg低于100℃，分解前会软化熔融，不能直接在惰性气体中进行碳化。先在空气中进行预氧化处理，使PAN的结构转化为稳定的梯形六元环结构，就不易熔融。另外，当加热足够长的时间，将产生纤维吸氧作用，形成PAN纤维分子间的化学键合。 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。 ⑵沥青基碳纤维 分为两大类：一类是通用级，由各向同性沥青制造纤维；另一类是高性能级，由各向异性中间相沥青制造纤维。以沥青纤维为原料时﹐碳化得率高达 80～90％﹐成本最低﹐是正在发展的品种。 ⑶粘胶基碳纤维 三、碳纤维的分类 根据使用要求和热处