第九章 高性能纤维

机身材料的50％为 碳纤维复合材料
美国B-2隐形轰炸机除主体结构是钛复合材料外，其它部分均由碳纤 维和石墨等复合材料构成，不易反射，表面具有良好的吸波性能。
目前商用飞机上复合材料仅占全机重量的50%，而 某些直升机早已达到90%。
荷兰计划研发新型绿色环保飞机，外形将酷似飞碟，另一个设想就是使用
耐高温纤维制成的消防人员的服装
一、芳纶纤维的分类
全芳族聚酰胺纤维
主要包括对位的聚对苯二甲酰对苯二胺和 聚对苯甲酰胺纤维、间位的聚间苯二甲酰间苯 二胺和聚间苯甲酰胺纤维、共聚芳酰胺纤维以 及如引入折叠基、巨型侧基的其它芳族聚酰胺 纤维。
杂环芳族聚酰胺纤维
是指含有氮、氧、硫等杂质原子的二胺和 二酰氯缩聚而成的芳纶纤维，如有序结构的杂 环聚酰胺纤维等。
碳纤维制卫星天线
CFRP在空间站大型结构 以及太阳能电池支架中的应用
空间工作站
⒉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/环氧树脂 碳纤维/芳纶/环氧树脂
玻璃纤维增强塑料
芳纶/杜邦聚酰胺
芳纶/泡沫芯板 碳纤维/杜邦聚酰胺
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。
高性能纤维在国防领域的应用 （导弹、火箭、卫星、士兵防护、装甲防护、战斗机、舰艇等）
高性能纤维在国民经济领域的应用 （航空、风能发电、汽车轻量、海洋产业、环保、建筑、工业器材等）
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。
PAN原丝 PAN基碳纤维制备过程中化学反应示意图
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：
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。
按力学性能可将碳纤维分成高强度碳纤维、高 模量碳纤维和普通碳纤维。
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。
大推力、高涵道比涡扇发动机大量运用了复合材 料或钛合金空心宽弦叶片、整体叶盘。
卫星构架、天线、太阳能翼片底板、卫星火箭结合部件。哈勃太空望远镜的测量构架， 太阳能电池板和无线电天线。
（1）压缩性差，压缩强度仅有不到拉伸强度的1/5 （2）紫外线照射时强度大幅下降
三、芳纶纤维的结构与特性
对位芳香族聚酰胺纤维
⑴聚对苯甲酰胺（PBA）纤维
中国于80年代初期曾试生产此纤维，定名为芳纶 14（芳纶I）。芳纶I的拉伸强度比芳纶II低约20%， 但拉伸模量却高出50%以上。芳纶I耐热老化性能好， 这些性能用作某些复合材料的增强剂是很有利的。
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。
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。
碳化后的PAN纤维
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
复合材料，如纤维增强塑料。这种复合材料强度可与金属媲美，而重量却比金 属轻得多，因此可以节省燃油。
中国自研大飞机面临发动机与复合材料两大难 题
⒊国防军工
复合材料军用吉普车
玻璃纤维/碳纤维 增强树脂、 美洲轻木、泡沫
⒋交通运输
用作汽车传动轴、板簧、构架和刹车片等
制件；海底电缆、潜水艇、雷达罩、深海油田 的升降器和管道。
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。
据中国气象科学研究院预测的风能储量
– 我国陆地风能理论储量：32.3亿kw – 可开发利用储量 ：2.53亿kw – 近海可利用风能储量 ：7亿kw – 可利用风能储量合计 ：10亿kw ，居世 界前列
碳纤维在风力发 电叶轮中应用
使用碳纤维量估算
– 每台5000kw风力发电机，叶片长达90米，需用1吨碳纤维 – 到2010年，新增装机容量241万kw，约需500吨碳纤维 – 到2020年，装机容量3000万kw，则需6000吨碳纤维 – 由此可见，如风力发电的叶片都用碳纤复合材料，则碳纤用 量将达500吨/年。
沥青基碳纤维制备工艺示意图 沥青基碳纤维制备过程中化学反应示意图
⑶粘胶基碳纤维
三、碳纤维的分类
根据使用要求和热处理温度的不同﹐碳纤维分 为耐燃纤维﹑碳纤维和石墨纤维。例如 300～ 350℃ 热处理时得耐燃纤维﹔1000～1500℃ 热处理时得碳纤维﹐含碳量为 90～95％﹔碳 纤维经 2000℃以上高温处理可以制得石墨纤 维﹐含碳量高达 99％以上。
碳纤维
Torayca 3-7 200-300 1.8
高强 PVA Kuvaion 2.1 46
1.32 245*
* 为分解温度
第二节 碳纤维
一、碳纤维概念
碳纤维是一种 性能优异、应用广泛的新材料，
号称“材料之王”
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。
⒐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。生体和医疗器材如人造骨骼、牙 齿、韧带、X光机的床板和胶卷盒。编织机用的剑竿 头和剑竿防静电刷。其它还有电磁屏蔽、音响、减磨、 储能及防静电等材料也已获得广泛应用。
胶卷盒
音箱
复合材料被用来预防受伤，矫正生理 生物医学制品和以体育运动器
纤维种类 商品名
强度 模量 密度 熔点 (Gpa) (Gpa) (g/cm3) (℃)
对位芳纶 Kevlar 2.8 132 1.44 560*
聚芳酯
Vectran 2.8 69
1.4 270
芳杂环纤维 PBO
5.5 280 1.59 650*
高强 PE Dyneema 3.4 160 0.98 140
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）。
二、芳纶纤维的特点
优点（例如Kevlar，凯芙拉 ） ： （1）不熔融 （2）高温能保持高强度与高弹性模量 （3）耐热、不易燃烧 （4）尺寸稳定、几乎不发生蠕变 （5）耐药性好，在有机溶剂及油中性能不下降 （6）耐疲劳性、耐磨性好 （7）对放射性射线的抵抗性大 （8）非导电、且诱电性能优越 （9）与无机纤维相比振动吸收性好、减衰速度快 缺点：
C/C作为刹车盘
超级跑车（大量应用碳纤维复合材料）
船舶和海洋工程用作制造渔船、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；
⒌风力发电叶片
目前风力发电叶片用碳纤维基本为美国供应。随 着全球性的清洁能源发展趋势，我国也陆续出台相关 扶持政策，预计该行业对碳纤维的需求增长幅度 100%-200%，三年后可达到万吨的用量，主要产品 为24K-48K碳纤维。
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、雪车等。其中高尔夫球杆、 网球拍和钓鱼竿是体育用品用碳纤维复合材料的三大支柱产品， 约占该类产品的80%
碳纤维自行车
碳纤维高尔夫球杆及保龄球
滑雪杆
⒏土木建筑
幕墙、嵌板、间隔壁板、桥梁、架设跨度大的管线、 海水和水轮结构的增强筋、地板、窗框、管道、海洋浮杆、 面状发热嵌板、抗震救灾用补强材料。
碳纤维构件试验ຫໍສະໝຸດ 利用碳纤维布加固钢筋混凝土构件以提高承载 力及延长寿命是目前比较流行的方法，在建筑业中 有着广泛的发展前景。
碳纤维加固是近年来美日等国家开发 的新型土木建筑结构加固增强技术
碳纤维片材 用于建筑物补强加固