3.复合材料的增强材料课件

复合材料的增强材料,3.1玻璃纤维3.2碳纤维3.3高性能有机纤维3.4超高分子量聚乙烯纤维3.5碳化硅纤维晶须和碳纳米管3.6纳米增强材料蒙脱土无机纳米粒子,3.1.1玻璃纤维的类型、成分及性能(1),E玻璃纤维无碱玻璃，一种硼硅酸盐玻璃（碱金属氧化物含量低）；良好的电气绝缘性及机械性能，但易被无机酸侵蚀；广泛用于生产电绝缘材料、玻璃钢等。C玻璃纤维中碱玻璃，耐酸性优于无碱玻璃，但电气性能、机械强度差低；我国中碱玻纤占据玻纤产量的60%，广泛用于玻璃钢的增强以及过滤织物，包扎织物等的生产，因其价格低而有较强的竞争力。A玻璃高碱玻璃，即钠硅酸盐玻璃，耐水性很差，很少用于生产玻璃纤维。,玻璃纤维的类型、成分及性能(2),AR玻璃纤维耐碱玻璃纤维，主要用于增强水泥基体。E-CR玻璃纤维一种改进的无硼无碱玻纤，用于生产耐酸耐水性好的玻纤，其耐水性比无碱玻纤高78倍，耐酸性比中碱玻纤优越，专为地下管道、贮罐等开发的新品种。D玻璃纤维低介电玻纤，用于生产介电强度高的玻璃纤维制品。高强度（S）、高模量（M）玻璃纤维用它们生产的玻璃钢制品多用于军工产品、运动器械等。,玻璃纤维的分类（按直径、外观）,粗纤维：30mm初级纤维：20mm中级纤维：10-20mm高级纤维（纺织纤维）：3-10mm无捻粗纱（捻：捻度、左捻、右捻）有捻粗纱短切纤维空心玻璃纤维磨细纤维,按直径,按外观,玻璃纤维的物理性能,玻璃纤维的性能：拉伸强度高，防火、防霉、防蛀、耐高温和电绝缘性能好等；但性脆、不耐腐、有皮肤刺激性。,玻璃纤维的力学性能拉伸强度,几种纤维与玻璃纤维的性能比较,影响玻璃纤维强度的因素直径,玻璃纤维的拉伸强度与直径的关系,玻璃纤维的拉伸强度随直径减小而增加！,影响玻璃纤维强度的因素长度,玻璃纤维的拉伸强度与长度的关系,玻璃纤维的拉伸强度随长度增加而下降！,影响玻纤强度的因素化学组成、表面缺陷,表面缺陷越少，纤维强度越高；玻璃的碱含量越低，纤维强度越高！,影响玻纤强度的因素其它,存放时间不同成分的纤维对大气水分的敏感性不同。有碱玻璃纤维更敏感。施加负荷时间纤维疲劳疲劳的产生在于水分吸附并渗透到纤维的微裂纹中，外力作用下，裂纹的扩展加速。纤维的成型方法与成型条件玻璃纤维硬化速度快，强度高。,玻璃纤维的力学性能弹性,断裂伸长率较低（3%），弹性模量也比钢低。,三种典型玻璃纤维的力学性能,E-玻璃纤维综合性价比高；S-玻璃纤维拉伸强度高，M-玻璃纤维弹性模量高！,玻璃纤维的耐磨性和耐折性,玻璃纤维的耐磨性和耐折性都较差！,玻璃纤维的热性能,导热性：玻璃导热系数低为0.6-1.1卡/米时度，而玻璃纤维只有0.03卡/米时度，可用作优良的绝热材料。耐热性：耐热性能较好，软化点550-580oC，热膨胀系数为4.810-6/oC。但经高温（250oC以上）热处理后，强度明显下降。如，300oC处理24小时，强度下降20%；600oC处理24小时，强度下降80%。,玻璃纤维的化学性能,玻璃纤维的化学稳定性取决于化学成分SiO2和M2O的含量。增加碱金属氧化物含量会降低化学稳定性。纤维中增加SiO2或Al2O3,或加入ZrO2、TiO2可提高耐酸性并大大提高耐水性；增加SiO2或加入CaO、ZrO2、ZnO可提高耐碱性。纤维的比表面越大，化学稳定性越差。,3.1.2玻璃纤维制品品种与用途,无捻粗纱(有碱、无碱)玻璃纤维（加捻）纱(有碱、无碱)短切原丝与磨碎纤维玻璃纤维织物：布、带、立体织物组合玻璃纤维增强材料,无捻粗纱,无捻粗纱是由平行原丝或平行单丝集束而成的。纤维直径从1223mm，号数从150号到9600号（TEX）。无捻粗纱可直接用于某些复合材料工艺成型方法中，如缠绕、拉挤工艺，因其张力均匀，也可织成无捻粗纱织物，在某些用途中还将无捻粗纱进一步短切。,纤维支数通常的表示方法,重量法：用1克重原纱的长度(m)来表示。例如，60支纱，即指1克重原纱的长度是60m定长法:用一定长度(1000m)原纱的重量(g)来表示。例如，2“TEX”，指1000m原纱重2g.又如,3旦,指9000m原纱重3g.,不同用途无捻粗纱的性能要求(1),喷射用无捻粗纱（通常每股原丝含200根玻纤单丝）良好的切割性，在连续高速切割时产生的静电少；分束率高，通常要求90%以上；优良的覆模性，可覆盖在模具的各个角落；树脂浸透快，易于被辊平且易于驱赶气泡；原丝筒退解性能好，粗纱线密度均匀，适合于各种喷枪。SMC用无捻粗纱（一般为2400TEX，切成25mm的长度）短切性好，毛丝少，抗静电性优良；对于着色SMC，能被高颜料含量的树脂糊浸透。,不同用途无捻粗纱的性能要求(2),缠绕用无捻粗纱（一般为1200-9600TEX）成带性好，呈扁带状；退解性好，从纱筒退解时不脱圈，不形成“鸟巢”状乱丝；张力均匀，无悬垂现象；线密度均匀，一般须小于7%；捻粗纱浸透性好，从树脂槽通过时易为树脂润湿及浸透。拉挤用无捻粗纱拉挤用于制造断面一致的各种型材，其特点是玻纤含量高，单向强度大。拉挤用无捻粗纱可以是多股原丝并合的也可以是直接的无捻粗纱，其线密度范围为1100号到4400号。性能要求与缠绕无捻粗纱大体相同。,不同用途无捻粗纱的性能要求(3),织造用无捻粗纱(织造各种厚度的方格布或单向无捻粗纱织物)良好的耐磨性；良好的成带性；无捻粗纱张力均匀，悬垂度应符合一定标准；无捻粗纱退解性好；无捻粗纱浸透性好。预型体用无捻粗纱在预型体工艺中，无捻粗纱被短切并喷附在预定形状的网上，同时喷少量树脂使纤维网固定成形，然后将成形的纤维网片移入金属模具中，注入树脂热压成形，即得制品。对于这种工艺的无捻粗纱的性能要求与对喷射无捻粗纱的要求基本相同。,短切原丝与磨碎纤维,短切原丝用于玻璃钢的短切原丝又分为热固性树脂（BMC）用短切原丝和热塑性树脂用短切原丝两大类。增强热塑性塑料要求用无碱玻璃纤维，它强度高、电绝缘性好、原丝集束性好、流动性好、白度较高。增强热固性塑料要求原丝集束性好、浸透树脂快、机械强度及电气性能好。磨碎纤维磨碎纤维系由锤磨机或球磨机将短切纤维磨碎而成。磨碎纤维主要在增强反应注射工艺（RRIM）中用作增强材料，在制造浇铸制品、模具等制品时用作树脂的填料用以改善表面裂纹现象，降低模塑收缩率。,E-玻璃短切原丝,广泛用于模压塑料，玻璃钢制品，窑井盖，欧饰构件及石膏板等增强型短纤维。纤维长度一般为3.0-25.4mm。适用于NYLON，PET，PS，PVC，ABS等材料增强、绝缘、隔热、消音等。,玻璃纤维纱,玻璃纤维纱是玻璃纤维的加捻合股纱.它的电绝缘性能好,强度高,吸湿少,耐高温,适用于作电机电器绕组线的绝缘材料和其它工业用纱。,无碱玻璃纤维纱,玻璃纤维布,常见类型：无捻粗纱布（方格布）、平纹布、斜纹布、缎纹布、罗纹布、席纹布、无纺布等。无碱玻璃布:用于生产各种电绝缘层压板、印刷线路板、车辆车体、贮罐、船艇、模具等。中碱玻璃布:用于生产涂塑包装布。决定织物特性(重量、厚度和断裂强度等)的因素:纤维性能、经纬密度、纱线结构和织纹。经纬密度由纱结构和织纹决定。,玻璃纤维布,无碱无捻粗纱布(方格布),无碱无捻粗纱布、电子级无碱玻纤布适用于不饱和聚脂树脂、乙烯基树脂和环氧树脂等。浸透速度快、敷层及脱泡性能好，广泛用于手糊和机械成型产品，如船艇、容器、飞机和汽车部件、家具、运动设施等。,电子级无碱玻纤布,玻璃纤维毡,分为短切原丝毡、连续原丝毡、表面毡、针刺毡、缝合毡等。短切原丝毡将玻璃原丝或无捻粗纱切割成50mm长，随机但均匀地铺陈在网带上，随后施以乳液粘结剂或撒布上粉末粘结剂经加热固化后粘结而成。主要用于手糊、连续制板和SMC工艺中。连续原丝毡将拉丝过程中形成的玻璃原丝或从原丝筒中退解出来的连续原丝呈8字形铺敷在连续移动网带上，经粉末粘结剂粘合而成。连续玻纤原丝毡中纤维是连续的，对复合材料的增强效果较短切毡好。主要用在拉挤法、压力袋法及等工艺中。,玻璃纤维毡,无碱玻纤短切原丝毡,短切原丝毡在手糊工艺中用量最大，也用于缠绕、模压、连续制板等工艺。主要产品有各种板材、船艇、浴室成套设备、汽车部件和冷却塔等.,硅酸铝针刺毯,针刺毯采用特制长丝纤维针刺成型，大大提高了纤维的交织密度、抗分层性能、抗拉强度，柔性不受影响。不使用结合剂，在高温下具有良好的可靠性和稳定性。,其它玻璃纤维织物,玻璃纤维带玻璃带分为有织边带和无织边带（毛边带），常用于制造高强度、介电性能好的电气设备零部件。单向织物单向织物是一种粗经纱和细纬纱织成的长轴缎纹织物。在经纱方向上具有高强度。异形织物异形织物的形状和它所要增强的制品的形状非常相似，必须在专用的织机上织造。对称形状的异形织物有：圆盖、锥体、帽、哑铃形织物等，也可以制成箱、船壳等不对称形状。,无碱玻纤带,绝缘性能好；耐高温；耐冲击；耐酸碱用于电机或电气的绝缘绑扎材料，能延长使用寿命、缩小体积和减轻重量。,立体织物和槽芯织物,立体织物立体织物具有三维结构特征，以此为增强体的复合材料具有良好的整体性和仿形性，大大提高了复合材料的层间剪切强度和抗损伤容限。应用于航天、航空、兵器、船舶、汽车、体育运动器材、医疗器械等。槽芯织物槽芯织物是由两层平行的织物，用纵向的竖条连接起来所组成的织物，其横截面形状可以是三角形或矩形。,3.1.3特种玻璃纤维,高强度（S）玻璃纤维包括镁硅酸盐玻纤和硼硅酸盐玻纤，拉伸强度约4400-4900MPa,比E-玻璃纤维高33%；弹性模量为7.4-9104MPa。高模量（M）玻璃纤维玻璃成分为：SiO2、CaO、MgO、BeO、TiO2、ZrO2、Li2O等拉伸强度与E-玻璃纤维相当；弹性模量为9.4-11.8104MPa。耐高温玻璃纤维石英纤维：软化温度高达1250oC，电性能好、透光率高、耐100-200oC浓酸浸蚀、膨胀系数小。空心玻璃纤维质轻、刚性好，用于航空、海底装备。,玄武岩纤维,由天然玄武岩矿经熔融、拉丝等加工而成的矿物纤维性能独特：拉伸、弹性模量高出普通玻纤20%，高出S-玻纤10%，高出M-玻纤5%；生产成本约为玻璃纤维的1.5倍，而S-玻纤和M-玻纤的生产成本是普通玻纤的十几倍；使用温度范围广，可在（270960oC）使用；具有吸波、防辐射、耐酸碱性能。典型玄武岩矿成份：SiO2（56.43%）、Al2O3（13.33%）、Fe2O3（4.3%）、CaO（3.6%）、MgO（1.22%）.,玄武岩纤维及制品,无捻粗纱,拉挤型材,复合板材,纱,玄武岩纤维单向布,产品应用：1）雷达罩、发动机部件、雷达天线；2）坦克装甲车车体、结构件、车轮毂、扭力杆和套管；3）体育运动滑水板、滑雪板、冲浪板；4）用于建筑桥梁柱体抗震加固的BFRP性能非常接近CFRP，某些指标比BFRP更优越，具有更突出的综合性能和性价比。,玄武岩纤维三维立体结构织物,结构特点：按经向“8”字形与纬向“1”字形编织成多层面芯、整体连续的空芯结构立柱织物，织物层面（26层）、厚度（350mm）、面密度和芯密度可调。适用范围：航空、航天、国防等特殊领域；船舶、火车、汽车、建筑、风力发电、石油化工等民用领域。,中国鼓励引进技术目录（2006）,17纺织业11.碳纤维、芳纶1414、芳纶1313、中空纤维反渗透膜、PPS等高技术纤维生产技术31非金属矿物制品业04.光学玻璃纤维精密拉丝技术及关键设备技术05.纤维增强聚合物六轴缠绕技术及设备的关键技术06.预浸料制造技术及关键设备技术12.T800、T1000碳纤维生产技术14.年产1000吨以上连续玄武岩纤维生产技术16.三维增强纤维基材缝合、针刺技术及设备的关键技术17.新型玻璃纤维覆膜滤材制备技术与装备技术,中华人民共和国商务部、国家税务总局,年产1000吨以上连续玄武岩纤维生产技术,编号：053114G技术名称：年产1000吨以上连续玄武岩纤维生产技术技术说明：1.玄武岩石及辅助原料选用和粉碎、均化、配制等处理技术2.稳定、规模化熔制、成纤全套生产及控制技术，原丝成品率80左右，纤维拉伸强度30003500MPa，弹性模量79.393.1GPa，伸长率3.2，生产成本不高于无碱玻纤的1.5倍3.耐热、耐腐及高性能复合材料中的应用技术,三维增强纤维基材缝合、针刺技术及设备的关键技术,编号：053116G技术名称：三维增强纤维基材缝合、针刺技术及设备的关键技术技术说明：1.玻纤、碳纤、芳纶纤维等不同材料三维增强基材的选材及结构设计技术2.三维增强基材的缝合、针刺加工技术及装备，包括针型、变向头控制技术及装备技术3.三维纤维增强基材复合化应用技术,T800、T1000碳纤维生产技术,编号：053112G技术名称：T800、T1000碳纤维生产技术技术说明：1.聚丙烯腈树脂合成技术2.原料纯度、可纺性、结构可控性的聚丙烯腈原丝生产技术3.预氧化、低温碳化、高温碳化、碳纤维表面处理等技术,3.2碳纤维概述,碳纤维是由有机纤维或小分子烃类原料加热至1500oC以上所形成的纤维状碳材料，其碳含量在90%以上。碳（石墨）纤维具有低密度、高强度、高模量、耐高温、抗化学腐蚀、低电阻、高热导、低热膨胀、耐化学辐射等优良特性。此外，还具有纤维的柔曲性和可编性，比强度和比模量优于其它纤维增强体。,碳纤维的制造工艺,气相法烃类原料在惰性气氛中经高温沉积获得晶须或短纤维。有机纤维碳化法以聚丙烯腈、人造丝、沥青等原料经以下阶段制备连续碳纤维：拉丝牵伸（100300oC进行）稳定（400oC加热氧化）碳化（10002000oC进行）石墨化（20003000oC进行）,碳纤维的用途,宇航工业用作隔热及结构材料，如火箭喷管、鼻锥、防热层；卫星构架、天线、太阳能翼片底板、卫星-火箭结合部件；航天飞机机头，机翼前缘和舱门等制件；哈勃太空望远镜的测量构架，太阳能电池板和无线电天线。航空工业用作主承力结构材料，如主翼、尾翼和机体；次承力构件，如方向舵、起落架、副翼、扰流板、发动机舱、整流罩及座板等，此外还有C/C刹车片。,碳纤维的用途,交通运输用作汽车传动轴、板簧和刹车片等制件；制造渔船、鱼雷快艇、快艇和巡逻艇，以及赛艇的桅杆、航杆、壳体及划水浆；海底电缆、潜水艇、雷达罩、深海油田的升降器和管道。运动器材用作网球、羽毛球、和壁球拍及杆，棒球、曲棍球和高尔夫球杆、自行车、赛艇、钓杆、滑雪板、滑雪车等。其它工业化工用的防腐泵、阀、槽、罐；催化剂，吸附剂和密封制品等。医疗器材如人造骨骼、牙齿、韧带、X光机的床板和胶卷盒。其它还有电磁屏蔽、音响、减磨、储能及防静电等材料。,碳纤维的结构与力学性能,乱层石墨结构：石墨片层（结构单元）微晶原丝（直径在纳米尺度）单丝（直径数微米）,纤维缺陷：结构不匀、直径变异、微孔、裂纹、气孔、杂质等,强度和模量高，但断裂伸长率小，抗压性能较差,石墨的片层结构,聚丙烯腈基碳纤维的种类和性能,沥青基碳纤维的性能,碳纤维的物理性能,比重：1.5-2.0，取决于原丝结构、碳化处理温度。热膨胀系数：各向异性轴向：0.720.9010-6/oC径向：322210-6/oC导热率：各向异性,随温度升高而下降轴向：0.04卡/s.m.oC径向：0.002卡/s.m.oC比电阻：与纤维类型有关,碳纤维的化学性能,对一般酸碱惰性空气中，400oC以上明显氧化惰性环境，1500oC强度开始下降低温（液氮温度）下不脆化,PAN基碳纤维的生产与消费现状,原丝生产关键技术（严格保密）成熟技术拥有者：日本东丽、东邦和三菱人造丝。处于技术完善阶段：美国Hexcel,Amoco,Zoltek等。成熟技术：,FA:fumarate,PAN基碳纤维主要供应商的产能,20052008年PAN基碳纤维主要供应商的产能(T),2010年组建的江苏航科复合材料科技有限公司()，已建成25T/年的T800碳纤维生产线,PAN基碳纤维的生产与消费现状,售价:聚合物原丝:4050元/Kg;碳纤维:200元/Kg;预浸料:500元/Kg.,2008年各地区消费结构,3.3高性能有机纤维,高性能纤维的结构特点:非常高的分子取向、有序的侧向排列、非常低的轴向缺陷含量。,柔性分子链有机纤维,3.3.4超高分子量聚乙烯纤维,刚性分子链有机纤维,3.3.1芳香族聚酰胺纤维（芳纶）,3.3.2聚对亚苯基苯并双恶/噻/咪唑纤维,3.3.3聚2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑(PIPD或M5)纤维,3.3.1芳纶纤维(AramidFiber),聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)纤维：1414Fiber;聚对苯甲酰胺(PBA)纤维:14Fiber;聚间苯二甲酰间苯二胺(PMIA)纤维：1313Fiber;芳砜纶；芳纶共聚纤维：芳酰胺共聚纤维由对苯二甲酰氯、对苯二胺及3，4-二氨基二苯醚经低温共聚而成。芳酰胺苯并咪唑纤维由对苯二甲酰氯、对苯二胺及苯并咪唑类杂环二胺，经低温缩聚、纺丝，再经高温热拉伸而成。2005年产量约5.3万吨，大部分由杜邦、日本帝人垄断。,芳纶1414纤维(KevlarFiber),商品名：KevlarFiber(DuPontCo.)，TwaronFiber(AkzoNobel），TechnoraFiber(日本帝人公司)，TerlonFiber(俄罗斯)等。,具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸碱、重量轻等优良性能。其强度是钢丝的1.52倍，模量为玻璃纤维的23倍，韧性是钢丝的2倍，而重量仅为钢丝的1/5左右，在560oC下不分解、不融化。具有良好的绝缘性和抗老化性能，具有很长的生命周期。,Kevlar纤维的制备,对苯二甲酰氯,对苯二胺,溶剂,缩聚,沉淀、洗涤、干燥,溶解,浓硫酸,纺丝原液,干-湿法纺丝,洗涤,干燥,热处理,卷绕,Kevlar-29,Kevlar-49,550oC/N2,Kevlar纤维的结构特征,纤维轴向,含大量苯环，内旋转困难，为处于拉伸状态的刚性伸直链晶体；苯环与酰胺键交替排列，全处于对位，规律性强，对称性好，结晶率高（达96%）；分子间有氢键，交联成梯形聚合物。,Kevlar纤维的力学性能（比较）,几种Kevlar纤维的性能比较,Kevlar纤维的力学性能,弹性模量高：Kevlar-49拉伸模量Ef125GPa，比玻纤高强度高：Kevlar-49拉伸强度fu3620MPa，与碳纤维相当-曲线为直线，具有脆性材料特征，fu断裂延伸率2.5%，高于碳纤维密度小：Kevlar-49的密度1.45g/cm3，导致比强度高良好的韧性：分子主链苯环间有柔顺链节，分子间氢键连接，使纤维具有柔性各向异性：横向强度与模量远低于纵向抗压性能、抗扭性能较低纺织性能好抗蠕变性、抗疲劳性好,Kevlar纤维的其它性能,热性能Kevlar-49具有良好的热稳定性和耐低温性，在160oC以下的空气中可长期使用，-196oC低温不变脆。化学性能除强酸、强碱，几乎不受任何有机溶剂、油类的影响；但耐紫外光老化性能差。其它介电性能比玻璃纤维好，可用于雷达罩透波材料；但与基体材料的界面黏结性不好。,Kevlar纤维的市场、应用,复合材料（航空航天、舰船、体育用品、汽车工业）大约占40%；高速轮胎帘子线、传送带材料等约占20%左右；防弹衣、防弹头盔、硬质防弹装甲板、特殊防护服等约占78%；高强绳索等方面大约占13%。,芳纶1313纤维,商品名：Nomex（DuPont）、Conex（帝人）、纽士达（烟台氨纶）、Fenilon（俄罗斯）等。俗称“防火纤维”，是一种集耐高温、阻燃、绝缘等特性于一体的特种合成纤维。,芳纶1313的特性与用途,特性：高温下耐老化、绝缘性能好，可在220oC使用十年以上。熔点400oC，密度1.37g/cm3，极限氧指数29-30，耐化学性能优良。用途：广泛用作特种防护服、高温过滤材料和阻燃纺织品；芳纶1313绝缘纸是世界公认的最佳绝缘材料，可以大幅度提高机电产品的耐温绝缘等级；用芳纶纸制造的蜂窝结构材料在航空航天领域更有不可替代的重要作用。,芳砜纶纤维,突出的耐热、耐燃性能，在300oC的空气中加热100h，强度损失只有5%。还有较好的电绝缘性和抗辐射性能,芳砜纶纤维的应用,防护制品；过滤材料：烟道气除尘过滤袋（高温抗热氧老化）、稀有金属回收袋、耐腐蚀材料等。电绝缘材料：机电产品用H级（180oC）绝缘纸。蜂窝结构材料：飞机、赛艇等的复合材料，隔音、隔热和自熄材料等。,芳纶共聚纤维,Technora,中航科集团六院,F-12纤维,F-12纤维的性能,拉伸强度：4.25.3GPa弹性模量：135180GPa断裂伸长率：4.0%吸水率：3.0%耐热性：200(有氧环境)100hr后，强度保持率为90%湿热老化性：80(相对湿度90%)条件下，2500hr内，强度保持率为80100%,中国航天科工集团六院，已实现50吨/年稳定生产,3.3.2聚对亚苯基苯并二恶/噻/咪唑纤维,PBO纤维,PBT纤维,PBI纤维,新型溶致性液晶杂环聚合物，由全芳杂环组成的刚性直棒状高分子,超级纤维PBO,1998年日本东洋纺首次实现PBO纤维的工业化生产，商品名“Zylon”。2008年，产量达到1000T/年，主要销往欧美和日本对中国禁售，售价2000元/Kg。,纺丝：空气间隙干喷-湿纺(冷冻液为水或稀酸)，经水洗、干燥得通用纺丝纤维(AS-PBO)，在经热处理(600oC)得高模量纤维(HM-PBO),超级纤维PBO的性能,此外，高温高湿下的强度保存率高、耐化学性优良(几乎对所有的有机溶剂和碱液都稳定的)、耐磨、耐冲击(为芳纶纤维的2倍)、蠕变低、绝缘性好。,3.3.3PlPD/M5纤维,最初为解决PBO纤维的轴向压缩性能较差的问题，由荷兰AkzoNobeI研究中心开发，现由MageIlanSystcmsInternational公司生产。由于沿纤维径向存在特殊的氢键网络结构，所以PIPD纤维除具有类似PBO纤维的优异抗张性能外，还显示出优于PBO纤维的抗压缩性。,聚(2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑)Poyl2,6-diimidazo(4,5-b:4,5e)pyridinylene-1,4-(2,5-dihydroxy)phenylene,PIPD,PIPD/M5纤维的制备,纺丝：空气间隙干喷-湿纺(冷冻液为水或稀酸)，经水洗、干燥得通用纺丝纤维(AS-PIPD)，再经热处理(200oC)得高模量纤维(HT-PIPD),PIPD/M5纤维的性能,突出性能：压缩强度较高，与基体材料易于粘结。,3.3.4超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）,用分子量100400万的聚乙烯，经冻胶纺丝超倍热拉伸技术（GelSpinningMethod-UltraDrawingTechnology）制得，具有超轻、高比强度、高比模量、低成本等特点，是继碳纤维、芳纶纤维之后的第三代高强度、高模量纤维如，DyneemaVOF公司的DyneemaSK76,fu3.6GPa，Ef116GPa，fu3.8%，f0.97g/cm3又如，AlliedSignal公司的Spectra1000,fu3.09GPa，Ef172GPa，fu3.0%，f0.97g/cm3,UHMWPE纤维的应用,高性能纤维：从海上油田的系泊绳到高性能轻质复合材料，现代化战争和宇航、航空、航天、海域防御装备等领域。如轻质军用、赛车用和作业用头盔，防护板、体育用品、超导线圈管、汽车部件等各种耐冲击吸收部件。如，从2002年起，我国将UHMWPE应用于“神舟”飞船的回收系统；Dyneema已用于防弹胸插垫板、防弹运动车、高级警车、轻型装甲车和运兵车等。,第三次作业,1.指出玻璃纤维的优势与不足,影响玻璃纤维强度的因素有哪些?如何影响。2.与玻璃纤维相比,玄武岩纤维有哪些独特性能?3.简要介绍Kevlar纤维的结构特征和突出的性能特点。4.查阅相关文献资料，分析Kevlar纤维、PBO纤维和M5纤维在晶体结构上的差异，比较它们的性能特点。,3.5碳化硅纤维,碳化硅（SiC）纤维属陶瓷纤维，具有高强度、高模量及优异耐高温氧化、耐化学腐蚀、耐辐射、吸波等独特性能。用于增强金属和陶瓷，制耐高温金属或陶瓷基复合材料。制造方法：气相沉积法和烧结法。高性能的SiC纤维是由聚二甲基硅烷经热分解重排转化为聚碳硅烷（PCS），再以PCS为先驱体经熔融纺丝、不熔化处理及高温烧结而成。气相沉积法制造的纤维单丝直径为95-140mm，而烧结法的纤维直径可达10mm。,碳化硅纤维的性能,力学性能拉伸强度：2800MPa；杨氏模量：2.0105MPa；断裂伸长率：1.5%。热性能1000oC以下，力学性能基本不变，可长期使用。耐化学性能80oC下耐强酸；30%NaOH浸蚀20h力学性能不变；1000oC与金属不反应，浸润良好，有利于与金属复合。耐辐射性能高通量（3.21010中子/s）的快中子辐照1.5h，纤维强度无明显下降。,3.6.1晶须(whisker),晶须是一种单晶纤维，直径从纳米级到几微米，长度在毫米至厘米级。由于它的直径非常小，容纳不下能使晶体削弱的空隙、位错和不完整等缺陷，因而强度极高。主要用于高温、高强、增韧的材质。如：航天材料、高速切削刀具等。,晶须的基本性能,3.6.2碳纳米管(CarbonNanotubes）,Electronmicrographsofnanotubeswithdifferentnumbersofgraphenelayers.Theoutdiametersofthenanotubesare6.7nm(left),5.5nm(middle),6.5nm(right).,Differentformsofcarbon-basedmaterials.,S.Iijima.Nature1991,354,56.,StructureofMWCNTs,由多层同心管套叠而成，直径约4-50nm,层间距0.34-0.36nm，长径比一般大于1000。,StructureofSWCNTs,由极细小的石墨片卷成的无缝、中空碳笼管。直径约0.8-2nm,长度为几微米至几毫米,长径比一般大于1000。,碳纳米管(CarbonNanotubes,CNTs),CNTsaremolecular-scaletubesofgraphiticcarbonwithoutstandingproperties.Theyareamongthestiffestandstrongestfibresknown,andhaveremarkableelectronicpropertiesandmanyotheruniquecharacteristics.A23000milecablefromspacestationtoearth.Forthesereasonstheyhaveattractedhugeacademicandindustrialinterest,withthousandsofpapersonnanotubesbeingpublishedeveryyear.,TheTensileStrengthofCNTs,TheElasticModuliofCNTs,EstimatedYoungsmodulusofmulti-walledcarbonnanotubes,Theelasticmodulus:270GPa1TPa.,SynthesisofCNTs,Thearc-evaporationmethod,whichproducesthebestqualitynanotubes,involvespassingacurrentofabout50ampsbetweentwographiteelectrodesinanatmosphereofhelium,requirestheadditionofasmallamountofmetalcatalyst,whichincreasetheyieldofthenanotubes.Thelaserablation,whichusesapowerfullasertovaporiseametal-graphitetarget.Thiscanbeusedtoproducesingle-walledtubeswithhighyield.Thethermalandplasmaenhancedchemicalvapou