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芳纶纤维复合材料 芳纶是由芳香族聚酰胺树脂纺成的纤维 凡聚合物大分子的主链由芳香环和酰胺键构成 且其中至少有85 的酰胺基直接键合在芳香环上 每个重复单元的酰胺基中的氮原子和羰基直接与芳香环中的碳原子相连接并置换其中一个氢原子的聚合物 称为芳香族聚酰胺树脂 国外称为芳酰胺纤维 我国定名为芳纶 实用于高性能复合材料的芳纶纤维的主要品种 美国杜邦公司生产 聚对苯二甲酰对苯二胺 PPTA 纤维 聚对苯甲酰胺 PBA 纤维日本帝人公司生产 对位芳酰胺共聚纤维 Technora 俄罗斯生产 聚对芳酰胺苯并咪唑纤维 CBM APMOC纤维 杜邦公司PPTA纤维的主要牌号 在复合材料中应用最普遍的是PPTA纤维 Dupont公司PPTA纤维的主要牌号有 第一代 RI型 Kevlar 29 Kevlar 49 第二代 Hx系列 Ha 高粘接型 Ht Kevlar 129 高强型 He Kevlar 100 原液着色型 Hp Kevlar 68 高性能中模型 Hm Kevlar 149 高模型 He Kevlar 119 高伸长型 我国于20世纪70年代跟踪研制 于80年代初期试生产出聚对苯甲酰胺 PBA 纤维 定名为芳纶 芳纶14 又于80年代中期试生产出PPTA纤维 定名为芳纶 芳纶1414 可批量生产 我国芳纶纤维的主要牌号 1 聚对苯甲酰胺 PBA 纤维 原料 对氨基甲苯甲酰氯盐或亚硫酸胺苯甲酰氯PBA纤维工艺过程 在有机极性溶剂中 经低温缩聚得到PBA树脂 溶液纺丝 或制成粉末 再在溶剂中配成向列型液晶再纺丝 虽然芳纶 比芳纶 的拉伸强度低约20 但拉伸模量却高出50 以上 相当于Kevlar 49的水平 芳纶 的起始分解温度 474 比Kevlar 49的 520 低 但分解终点温度相近 芳纶 在高温下的强度保持率和热老化性能优于Kevlar 49 2 PPTA的结构 PPTA化学结构的特点是 由苯环和酰胺基按一定规律有序排列构成 酰胺基的位置接在苯环的对位上 在芳纶中 分子内的骨架原子通过强共价键结合 高聚物分子间是酰胺基 由于酰胺基是极性基团 其上的氢能够与另一个链段上酰胺基团中可供电子的羰基 CO 结合成氢键 构成梯形聚合物 这种聚合物具有良好的规整性 因此具有高度的结晶性 芳纶沿分子链方向 平行于纤维轴向 为强共价键 垂直于纤维轴向的分子间以氢键相连 因而纤维显现各向异性 在轴向 和E高 在横向 和E均较低 苯环呈大共轭键 键 它难于旋转 所以 大分子链具有线性刚性伸直链 棒状 构型 从而赋予Kevlar纤维高强度 高模量和耐热性 芳纶 与芳纶 力学性能的比较 纤维名称密度拉伸强度初始模量延伸率 g cm3 cN dt cN dt 芳纶 原丝1 428 8 10 1340 4005 5 6 5热丝处理1 4616 0 17 7903 10621 5 2 0芳纶 原丝1 4419 5 21 2354 4003 5 5 5热丝处理1 4519 5 21 2624 7032 5 3 5 3 芳纶的性能 物理性能 密度小 为1 44g cm3 比强度高 高于碳纤维和硼纤维 比模量虽然较高 但低于碳纤维和硼纤维 韧性好 抗冲击性好 加工性好 压缩强度不高 为拉伸强度的1 5 剪切强度不高 为拉伸强度的1 17 Kevlar 149的弹性模量高于Kevlar 49 Kevlar 149的高温强度保留率最高 热稳定 耐火 不溶 自熄性材料 真空中长期使用温度为160 60 也不脆 Tg 250 400 热膨胀系数低 300 以下 纵向 为负值 具有良好的耐化学介质性 但不耐强酸 强碱 耐疲劳 耐磨 电气绝缘 透电磁波 对紫外线敏感 芳纶的化学性能 芳纶的不足 耐光性差 暴露于可见光和紫外线时会产生光致降解 即力学性能下降和褪色 用高吸收率材料对Kevlar纤维增强聚合物基复合材料作表面涂层 可以减缓其光致降解 溶解性差 抗压强度低 吸湿性强 吸湿后纤维性能变化大 因此应密封保存 在制备复合材料前应增加烘干工序 芳纶的缺陷 沿纵向排列的杂质Na2SO4 孔洞 表皮轴向裂纹 长20 24nm 宽6 11nm 碳纤维 a 芳纶纤维 b 和玻璃纤维 c 的断口比较 a b c 4 芳纶复合材料的应用 芳纶复合材料被誉为全球材料皇冠上的钻石 位列三大高性能材料之一 其产业化进程对我国国防建设 主导型工业项目 如大型飞机 高速列车 造船 电力 电子信息 建材等 具有至关重要的影响 在军工领域 芳纶复合材料大量应用于飞机 舰船 潜艇 坦克 导弹 雷达的高性能结构件和特种电子设备 在民用领域 主要用于航天 航空 高速列车及汽车的高性能结构件 轨道交通 核电 水电和电网工程中大型电机 变压器高端绝缘材料 建筑用高性能隔热阻燃材料 高端电路板和印刷 医用材料等 应用于战略导弹 20世纪70年代初期 用缠绕法制造了Kevlar 49增强环氧树脂复合材料如下结构件 美国核潜艇 三叉戟 C4潜地导弹的固体火箭发动机壳体 美国战略型号MX陆基机动洲际导弹的三级发动机和新型潜地 三叉戟 D5导弹的第三级发动机 前苏联SS 24 SS 25铁路和公路机动洲际导弹各级固体发动机 法国的M4导弹的402K的壳体 应用于战术导弹 采用芳纶 环氧复合材料制作 潘兴 的航天顶级发动机 卫星变轨固体发动机的壳体 应用于耐热隔热功能材料 芳纶短切纤维或浆粕增强的三元乙丙 EPDM 橡胶基复合材料的软片或带材用于最新的各种发动机的内绝热层 芳纶在军事工业中的应用 芳纶应用于防弹制品 硬质防弹装甲板芳纶复合材料板 芳纶与金属复合装甲板 芳纶与陶瓷复合装甲板广泛用于防弹装甲车 防弹运钞车 直升飞机防弹板 战舰装甲防护板和防弹头盔 软质防弹背心第一代防弹芳纶是Kevlar 29和Twaron 1000 第二代防弹芳纶是Kevlar 129和TwaronCT 2000 最新的软质防弹背心材料是GoldFlex 这是一种由高档防弹芳纶的无纬布与高性能聚乙烯薄膜制成的柔性片组合而成的 比超高分子量聚乙烯纤维的防弹性能和耐热性更佳 用于先进发电机的发动机舱 中央发动机整流罩 机翼与机身整流罩挂架整流罩 机翼前缘 襟翼 方向舵和升降舵后缘 安定面翼尖 货舱衬壁 天花板 应急出口门和窗 发动机调节系统管道等 用于直升飞机上的机身外蒙皮 旋翼 螺旋浆和雷达天线罩等 ARALL超混复合层板以芳纶环氧无纬布与薄铝板交叠铺层 再热压制成的聚合物 金属复合材料 称为超混杂复合材料 是具有许多超混杂优异性能 比强度高 比模量高 疲劳寿命是铝的100 1000倍 阻尼和耐噪声性能较铝好 加工性能较芳纶 环氧好 的新型结构材料 荷兰和美国的多家飞机公司利用ARALL制造机翼下蒙皮和机身段蒙皮以及机舱门 游艇 赛艇 帆船 小型渔船 救生艇 充气船 巡逻艇的艇壳材料 战舰及航空母舰的防护装甲以及建造声纳导流罩等 芳纶应用于汽车工业 用作橡胶轮胎的帘子线 它的橡胶基和树脂基复合材料用作高压软管 排气管 摩擦材料和刹车片 三角皮带 同步齿轮的传送带 大型运输车和冷藏车的车厢 用芳纶 环氧或碳 环氧外全缠热塑性塑料内料制作全复合材料的天然气气瓶 它能清洁能源 安全可靠 比钢瓶减重一半以上 国外研制将它用于电动汽车和电 气混用汽车的贮能飞轮 芳纶应用于传送带 芳纶纤维增强橡胶基复合材料的运输传送带已大量应用于煤矿 采石厂 港口 利用芳纶耐热性好的特点 还可用于热玻璃器皿坯料 如玻璃显像管 的生产线传输和食品烘干线的传送带 芳纶在缆绳方面的应用 航空航天的降落伞绳 光纤通讯电缆的加强件和复合材料芯杆 芳纶应用于特种防护服装 对位芳纶和间位芳纶或芳砜纶混纺织物可用于防火和消防工作服 芳纶布用于森林伐木工作服 赛车服 运动服和手套 袜子等 芳纶在体育运动器材方面的应用 弓箭 弓弦 羽毛球拍 与其他纤维混杂的复合材料制作高尔夫球棍 滑雪板 雪橇 自行车架和轮毂等 集成电路和低膨胀系数的印刷电路板 扬声器的嗽叭盒 芳纶在电子设备方面的应用 芳纶在基础设施和建材方面的应用 芳纶短切纤维用环氧系列的粘合剂缓慢地固化后 放入揽拌机中与水泥混合 然后在挤出成型机中制成一定厚度的预制件 用芳纶连续纤维作为加强筋 加入混凝土或上述短纤维增强的混凝土中代替钢筋 将连续纤维编织物增强环氧的网状固化物铺入混凝土内进行加强 芳纶增强混凝土用于桥梁 桥墩 高楼壁板及大型建筑物及它们的修复 海洋工程结构 化工厂设施等 具有强度高 质量轻 耐腐蚀和寿命长的优点 外粘芳纶纤维布补强加固混凝土结构 外粘芳纶纤维布首先应用于钢筋混凝土桥的抗弯补强和约束钢筋混凝土柱中 此后外粘芳纶布补强加固技术迅速扩展到砌件结构 木结构乃至金属结构 1抗弯补强当混凝土结构构件不能提供足够的抗弯强度和使用性能时 必须进行加固 此时可选用外粘芳纶纤维布进行补强加固 在梁 柱 板的受拉面粘贴芳纶纤维布 同时使芳纶纤维丝方向与主拉应力方向平行 可明显提高梁 柱 板的受弯承载力并且同时使梁 柱 板裂缝开展受到约束 从而提高构件的抗弯刚度 降低挠度 2抗剪补强在梁 柱的剪压区段内横向包裹芳纶纤维布可抑制斜裂缝出现或开展 明显提高构件的抗剪强度 提高梁 柱的刚度 延性和抗震耗能能力 芳纶纤维布加固后的试件最大承载力均发生在芳纶纤维布剥离后 拉断前 在此过程中 芳纶纤维布承担的剪力不断增大 使总剪力仍然保持在较高的水平改善了构件变形能力 芳纶纤维布加固量越大 试件延性越好 采用芳纶纤维布加固混凝土柱 可防止斜裂缝出现或限制斜裂缝开展 显著提高柱的受剪承载力 实现强剪弱弯的抗震要求 同时芳纶纤维布对提高高轴压比试件延性的作用更加明显 包裹方式分为间隔包裹 连续包裹 封闭包裹 非封闭包裹 采用夹具锚固包裹和非夹具锚固包裹等 芳纶纤维在地下工程中的应用 芳纶纤维布维修加固地下工程结构与其它传统方相比有以下优点 1 采用芳纶纤维对混凝土衬砌进行维修加固不需要占用隧道净空 2 采用芳纶纤维对混凝土衬砌进行维修加固 其施工工艺非常简单 可以最大限度的利用空间 不需要大型的机械设备 不需要大量的人工和现场技术人员 3 采用芳纶纤维对混凝土衬砌进行维修加固相对于其它的方法大大的缩短了施工工期 同时不需要专门的养护措施 4 芳纶纤维布在浸透了树脂以后成为完全不透水的防水材料 可以在对衬砌进行加固的同时起到防水 防渗漏的作用 5 芳纶纤维物理 化学性能稳定 具有很好的耐腐蚀性 不需要特别的防腐处理 容易维修管理 同时它还能保护混凝土不受有害气体对的腐蚀 6 芳纶纤维具有优良的绝缘性 特别适用于隧道 地铁等电路和通信设备较多的场所 它能有效的防止杂散电流对结构的腐蚀 这也是其它FRP材料所不具备的 芳纶纤维的发展 1芳纶纤维BMCBMC 即块状模塑料 一种短纤维增强热固性树脂混料 通常采用玻璃纤维 应用已经相当广泛 技术上也相当成熟 如果用芳纶纤维取代玻璃纤维 BMC制品的机械性能和电气性能与前者大致相当 耐磨性能则明显改善由于芳I纶纤维太贵 不可能全部取代玻璃纤维制做BMC 只能用于那些耐磨性能和冲击性能是关键因素的高速运动部件 例如断路器等等 2 热塑性复合材热塑性复合材料的应用 任何一篇谈及发展动向的文章 几乎无一不加叙述 芳纶纤维增强的热塑性复合材料 主要利它的高强良 耐冲击 耐热 坑磨损及低磨擦性能 制造齿轮 承轴保持架 轴瓦 离合器 动密封部件以及高温密封垫等