1、芳綸纖維復(fù)合材料,1,芳綸是由芳香族聚酰胺樹脂紡成的纖維。 凡聚合物大分子的主鏈由芳香環(huán)和酰胺鍵構(gòu)成，且其中至少有85%的酰胺基直接鍵合在芳香環(huán)上，每個重復(fù)單元的酰胺基中的氮原子和羰基直接與芳香環(huán)中的碳原子相連接并置換其中一個氫原子的聚合物，稱為芳香族聚酰胺樹脂。 國外稱為芳酰胺纖維,我國定名為芳綸,2,3,4,5,實用于高性能復(fù)合材料的芳綸纖維的主要品種,美國杜邦公司生產(chǎn)： 聚對苯二甲酰對苯二胺(PPTA)纖維 聚對苯甲酰胺(PBA)纖維 日本帝人公司生產(chǎn)： 對位芳酰胺共聚纖維（Technora） 俄羅斯生產(chǎn)： 聚對芳酰胺苯并咪唑纖維(CBM) APMOC纖維,6,杜邦公司PPTA纖維的主要

2、牌號,在復(fù)合材料中應(yīng)用最普遍的是PPTA纖維，Du pont公司PPTA纖維的主要牌號有： 第一代（RI型）：Kevlar-29、Kevlar-49 第二代(Hx系列）：Ha（高粘接型）、Ht（Kevlar-129、高強(qiáng)型）、He（Kevlar-100、原液著色型）、Hp（Kevlar-68、高性能中模型）、Hm（Kevlar-149、高模型）、He（Kevlar-119、高伸長型）。,我國于20世紀(jì)70年代跟蹤研制，于80年代初期試生產(chǎn)出聚對苯甲酰胺（PBA）纖維，定名為芳綸（芳綸14） ； 又于80年代中期試生產(chǎn)出PPTA纖維，定名為芳綸（芳綸1414），可批量生產(chǎn)。,我國芳綸纖維的主要牌

3、號,7,（1）聚對苯甲酰胺（PBA）纖維,原料：對氨基甲苯甲酰氯鹽或亞硫酸胺苯甲酰氯 PBA纖維工藝過程： 在有機(jī)極性溶劑中，經(jīng)低溫縮聚得到PBA樹脂。 溶液紡絲（或制成粉末，再在溶劑中配成向列型液晶再紡絲）。,雖然芳綸比芳綸的拉伸強(qiáng)度低約20%，但拉伸模量卻高出50%以上，相當(dāng)于Kevlar-49的水平。 芳綸的起始分解溫度（474）比Kevlar-49的（520）低，但分解終點(diǎn)溫度相近。 芳綸在高溫下的強(qiáng)度保持率和熱老化性能優(yōu)于Kevlar-49。,8,（2）PPTA的結(jié)構(gòu),PPTA化學(xué)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是： 由苯環(huán)和酰胺基按一定規(guī)律有序排列構(gòu)成。酰胺基的位置接在苯環(huán)的對位上。,9,在芳綸中，分子

4、內(nèi)的骨架原子通過強(qiáng)共價鍵結(jié)合；高聚物分子間是酰胺基，由于酰胺基是極性基團(tuán)，其上的氫能夠與另一個鏈段上酰胺基團(tuán)中可供電子的羰基（-CO-)結(jié)合成氫鍵，構(gòu)成梯形聚合物，這種聚合物具有良好的規(guī)整性，因此具有高度的結(jié)晶性。 芳綸沿分子鏈方向（平行于纖維軸向）為強(qiáng)共價鍵；垂直于纖維軸向的分子間以氫鍵相連，因而纖維顯現(xiàn)各向異性（在軸向，和E高；在橫向，和E均較低）。 苯環(huán)呈大共軛鍵（鍵），它難于旋轉(zhuǎn)，所以，大分子鏈具有線性剛性伸直鏈（棒狀）構(gòu)型，從而賦予Kevlar纖維高強(qiáng)度、高模量和耐熱性。,10,芳綸與芳綸力學(xué)性能的比較,纖維名稱 密度 拉伸強(qiáng)度 初始模量 延伸率 (g/cm3) (cN/dt) (c

5、N/dt) ( %) 芳綸 原絲 1.42 8.810.1 340400 5.56.5 熱絲處理 1.46 16.017.7 9031062 1.52.0 芳綸 原絲 1.44 19.521.2 354400 3.55.5 熱絲處理 1.45 19.521.2 624703 2.53.5,11,（3）芳綸的性能,物理性能 密度小，為1.44g/cm3 比強(qiáng)度高（高于碳纖維和硼纖維） 比模量雖然較高，但低于碳纖維和硼纖維； 韌性好、抗沖擊性好、加工性好； 壓縮強(qiáng)度不高（為拉伸強(qiáng)度的1/5）； 剪切強(qiáng)度不高（為拉伸強(qiáng)度的1/17）； Kevlar-149的彈性模量高于Kevlar-49； Kevl

6、ar-149的高溫強(qiáng)度保留率最高。,12,熱穩(wěn)定、耐火、不溶、自熄性材料。真空中長期使用溫度為160，-60也不脆； Tg =（250400）； 熱膨脹系數(shù)低（300以下，縱向為負(fù)值）； 具有良好的耐化學(xué)介質(zhì)性（但不耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿）； 耐疲勞、耐磨、電氣絕緣、透電磁波。 對紫外線敏感。,芳綸的化學(xué)性能,13,芳綸的不足,耐光性差，暴露于可見光和紫外線時會產(chǎn)生光致降解（即力學(xué)性能下降和褪色）。用高吸收率材料對Kevlar纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料作表面涂層，可以減緩其光致降解； 溶解性差； 抗壓強(qiáng)度低； 吸濕性強(qiáng)，吸濕后纖維性能變化大，因此應(yīng)密封保存，在制備復(fù)合材料前應(yīng)增加烘干工序。,14,芳綸的缺

7、陷,沿縱向排列的雜質(zhì)Na2SO4； 孔洞； 表皮軸向裂紋（長2024nm、寬611nm）。,15,碳纖維(a)、芳綸纖維(b)和玻璃纖維(c)的斷口比較,(a),(b),(c),16,（4）芳綸復(fù)合材料的應(yīng)用,芳綸復(fù)合材料被譽(yù)為全球材料皇冠上的鉆石，位列三大高性能材料之一。其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程對我國國防建設(shè)、主導(dǎo)型工業(yè)項目（如大型飛機(jī)、高速列車、造船、電力、電子信息、建材等）具有至關(guān)重要的影響。在軍工領(lǐng)域、芳綸復(fù)合材料大量應(yīng)用于飛機(jī)、艦船、潛艇、坦克、導(dǎo)彈、雷達(dá)的高性能結(jié)構(gòu)件和特種電子設(shè)備。在民用領(lǐng)域，主要用于航天、航空、高速列車及汽車的高性能結(jié)構(gòu)件、軌道交通、核電、水電和電網(wǎng)工程中大型電機(jī)、變壓器高

8、端絕緣材料，建筑用高性能隔熱阻燃材料，高端電路板和印刷、醫(yī)用材料等。,17,應(yīng)用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈： 20世紀(jì)70年代初期，用纏繞法制造了Kevlar-49增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料如下結(jié)構(gòu)件： 美國核潛艇“三叉戟”C4潛地導(dǎo)彈的固體火箭發(fā)動機(jī)殼體； 美國戰(zhàn)略型號MX陸基機(jī)動洲際導(dǎo)彈的三級發(fā)動機(jī)和新型潛地“三叉戟”D5導(dǎo)彈的第三級發(fā)動機(jī)； 前蘇聯(lián)SS-24、SS-25鐵路和公路機(jī)動洲際導(dǎo)彈各級固體發(fā)動機(jī)； 法國的M4導(dǎo)彈的402K的殼體。,應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈： 采用芳綸/環(huán)氧復(fù)合材料制作“潘興”的航天頂級發(fā)動機(jī)、衛(wèi)星變軌固體發(fā)動機(jī)的殼體。 應(yīng)用于耐熱隔熱功能材料： 芳綸短切纖維或漿粕增強(qiáng)的三元乙丙(EPDM)橡

9、膠基復(fù)合材料的軟片或帶材用于最新的各種發(fā)動機(jī)的內(nèi)絕熱層。,芳綸在軍事工業(yè)中的應(yīng)用,18,芳綸應(yīng)用于防彈制品,硬質(zhì)防彈裝甲板 芳綸復(fù)合材料板、芳綸與金屬復(fù)合裝甲板、芳綸與陶瓷復(fù)合裝甲板廣泛用于防彈裝甲車、防彈運(yùn)鈔車、直升飛機(jī)防彈板、戰(zhàn)艦裝甲防護(hù)板和防彈頭盔。 軟質(zhì)防彈背心 第一代防彈芳綸是Kevlar-29和Twaron-1000；第二代防彈芳綸是Kevlar-129和Twaron CT-2000;最新的軟質(zhì)防彈背心材料是Gold Flex,這是一種由高檔防彈芳綸的無緯布與高性能聚乙烯薄膜制成的柔性片組合而成的，比超高分子量聚乙烯纖維的防彈性能和耐熱性更佳。,19,20,用于先進(jìn)發(fā)電機(jī)的發(fā)動機(jī)艙

10、、中央發(fā)動機(jī)整流罩、機(jī)翼與機(jī)身整流罩掛架整流罩、機(jī)翼前緣、襟翼、方向舵和升降舵后緣、安定面翼尖、貨艙襯壁、天花板、應(yīng)急出口門和窗、發(fā)動機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)管道等。 用于直升飛機(jī)上的機(jī)身外蒙皮、旋翼、螺旋漿和雷達(dá)天線罩等。, ARALL超混復(fù)合層板 以芳綸環(huán)氧無緯布與薄鋁板交疊鋪層、再熱壓制成的聚合物-金屬復(fù)合材料，稱為超混雜復(fù)合材料。是具有許多超混雜優(yōu)異性能（比強(qiáng)度高、比模量高、疲勞壽命是鋁的1001000倍，阻尼和耐噪聲性能較鋁好，加工性能較芳綸/環(huán)氧好）的新型結(jié)構(gòu)材料。 荷蘭和美國的多家飛機(jī)公司利用ARALL制造機(jī)翼下蒙皮和機(jī)身段蒙皮以及機(jī)艙門。,游艇、賽艇、帆船、小型漁船、救生艇、充氣船、巡邏艇的

11、艇殼材料； 戰(zhàn)艦及航空母艦的防護(hù)裝甲以及建造聲納導(dǎo)流罩等。,21,芳綸應(yīng)用于汽車工業(yè),用作橡膠輪胎的簾子線。它的橡膠基和樹脂基復(fù)合材料用作高壓軟管、排氣管、摩擦材料和剎車片、三角皮帶、同步齒輪的傳送帶、大型運(yùn)輸車和冷藏車的車廂。 用芳綸/環(huán)氧或碳/環(huán)氧外全纏熱塑性塑料內(nèi)料制作全復(fù)合材料的天然氣氣瓶。它能清潔能源，安全可靠，比鋼瓶減重一半以上。 國外研制將它用于電動汽車和電、氣混用汽車的貯能飛輪。,22,芳綸應(yīng)用于傳送帶,芳綸纖維增強(qiáng)橡膠基復(fù)合材料的運(yùn)輸傳送帶已大量應(yīng)用于煤礦、采石廠、港口。 利用芳綸耐熱性好的特點(diǎn)，還可用于熱玻璃器皿坯料（如玻璃顯像管）的生產(chǎn)線傳輸和食品烘干線的傳送帶。,芳綸在

12、纜繩方面的應(yīng)用,航空航天的降落傘繩 光纖通訊電纜的加強(qiáng)件和復(fù)合材料芯桿,23,24,芳綸應(yīng)用于特種防護(hù)服裝,對位芳綸和間位芳綸或芳砜綸混紡織物可用于防火和消防工作服； 芳綸布用于森林伐木工作服、賽車服、運(yùn)動服和手套、襪子等。,芳綸在體育運(yùn)動器材方面的應(yīng)用,弓箭、弓弦、羽毛球拍； 與其他纖維混雜的復(fù)合材料制作高爾夫球棍、滑雪板、雪橇、自行車架和輪轂等。,集成電路和低膨脹系數(shù)的印刷電路板 揚(yáng)聲器的嗽叭盒,芳綸在電子設(shè)備方面的應(yīng)用,25,芳綸在基礎(chǔ)設(shè)施和建材方面的應(yīng)用,芳綸短切纖維用環(huán)氧系列的粘合劑緩慢地固化后，放入攬拌機(jī)中與水泥混合，然后在擠出成型機(jī)中制成一定厚度的預(yù)制件； 用芳綸連續(xù)纖維作為加強(qiáng)

13、筋，加入混凝土或上述短纖維增強(qiáng)的混凝土中代替鋼筋； 將連續(xù)纖維編織物增強(qiáng)環(huán)氧的網(wǎng)狀固化物鋪入混凝土內(nèi)進(jìn)行加強(qiáng)。 芳綸增強(qiáng)混凝土用于橋梁、橋墩、高樓壁板及大型建筑物及它們的修復(fù)、海洋工程結(jié)構(gòu)、化工廠設(shè)施等。具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕和壽命長的優(yōu)點(diǎn)。,26,外粘芳綸纖維布補(bǔ)強(qiáng)加固混凝土結(jié)構(gòu),外粘芳綸纖維布首先應(yīng)用于鋼筋混凝土橋的抗彎補(bǔ)強(qiáng)和約束鋼筋混凝土柱中，此后外粘芳綸布補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)迅速擴(kuò)展到砌件結(jié)構(gòu)，木結(jié)構(gòu)乃至金屬結(jié)構(gòu)。 1 抗彎補(bǔ)強(qiáng) 當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件不能提供足夠的抗彎強(qiáng)度和使用性能時，必須進(jìn)行加固，此時可選用外粘芳綸纖維布進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。在梁、柱、板的受拉面粘貼芳綸纖維布，同時使芳綸纖維絲方向與

14、主拉應(yīng)力方向平行，可明顯提高梁、柱、板的受彎承載力并且同時使梁、柱、板裂縫開展受到約束，從而提高構(gòu)件的抗彎剛度，降低撓度,27,2 抗剪補(bǔ)強(qiáng) 在梁、柱的剪壓區(qū)段內(nèi)橫向包裹芳綸纖維布可抑制斜裂縫出現(xiàn)或開展，明顯提高構(gòu)件的抗剪強(qiáng)度，提高梁、柱的剛度、延性和抗震耗能能力。芳綸纖維布加固后的試件最大承載力均發(fā)生在芳綸纖維布剝離后、拉斷前，在此過程中，芳綸纖維布承擔(dān)的剪力不斷增大，使總剪力仍然保持在較高的水平改善了構(gòu)件變形能力。芳綸纖維布加固量越大，試件延性越好。采用芳綸纖維布加固混凝土柱，可防止斜裂縫出現(xiàn)或限制斜裂縫開展，顯著提高柱的受剪承載力，實現(xiàn)強(qiáng)剪弱彎的抗震要求，同時芳綸纖維布對提高高軸壓比試件

15、延性的作用更加明顯。包裹方式分為間隔包裹、連續(xù)包裹，封閉包裹、非封閉包裹，采用夾具錨固包裹和非夾具錨固包裹等。,28,芳綸纖維在地下工程中的應(yīng)用,芳綸纖維布維修加固地下工程結(jié)構(gòu)與其它傳統(tǒng)方相比有以下優(yōu)點(diǎn): (1)采用芳綸纖維對混凝土襯砌進(jìn)行維修加固不需要占用隧道凈空。 (2)采用芳綸纖維對混凝土襯砌進(jìn)行維修加固，其施工工藝非常簡單，可以最大限度的利用空間，不需要大型的機(jī)械設(shè)備，不需要大量的人工和現(xiàn)場技術(shù)人員。 (3)采用芳綸纖維對混凝土襯砌進(jìn)行維修加固相對于其它的方法大大的縮短了施工工期。同時不需要專門的養(yǎng)護(hù)措施。,29,(4)芳綸纖維布在浸透了樹脂以后成為完全不透水的防水材料，可以在對襯砌進(jìn)行加固的同時起到防水、防滲漏的作用。 (5)芳綸纖維物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，具有很好的耐腐蝕性，不需要特別的防腐處理，容易維修管理。同時它還能保護(hù)混凝土不受有害氣體對的腐蝕。 (6)芳綸纖維具有優(yōu)良的絕緣性，特別適用于隧道、地鐵等電路和通信設(shè)備較多的場所。它能有效的防止雜散電流對結(jié)構(gòu)的腐蝕。(這也是其它FRP材料所不具備的),30,芳綸纖維的發(fā)展,1芳綸纖維BMC BMC，即塊狀模塑料，一種短纖維增強(qiáng)熱固性樹脂混料，通常采用玻璃纖維，應(yīng)用