先进复合材料－第2讲

《先进复合材料－第2讲》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第2讲高分子基复合材料研究历史塑料的出现塑料在1868年的出现，才使得人们大范围地制备复合材料20世纪初出现了苯酚塑料/颗粒的高分子复合材料颗粒的填充是为了提高强度1942年制备出玻璃纤维/不饱和聚酯树脂复合材料俗称“玻璃钢”之后，玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳香族聚酰胺合成纤维等具有高性能的纤维，制备出先进的高分子基复合材料，用在宇宙航空、造船、飞机、汽车、建筑、体育器材、医疗器械等各方面。高性能复合材料的研究和开发的重要方面是高性能纤维和基体材料的研究和开发。性能：（相对于传统的金属材料）高比刚度高比强度耐腐蚀耐疲劳易成

2、形1增强材料长纤维：玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚酯纤维等等短纤维晶须金属晶须，如铁晶须、铜晶须、镍晶须、铬晶须等陶瓷晶须，如碳化硅晶须、氧化铝晶须、氮化硅晶须等长纤维用于制造大型零件，一体化成形可以编织短纤维作为增强相，提高基体的性能注塑成形晶须单晶结构生长直径极小（<3um）强度接近于理论值纤维的特性高分子中的一大类塑料、橡胶、纤维纤维纤维是一种特殊的状态具有取向强度高于块体材料纤维强度高于块体的原因对于脆性断裂的Griffith微裂纹理论材料的强度，取决于内部缺陷的尺度对于纤维尺寸小晶粒小

3、、裂纹小、气孔小因此，具有比块体优异的强度常见的纤维玻璃纤维碳纤维凯夫拉纤维超高分子量聚乙烯纤维1.1玻璃纤维特点：非晶态主要成分：二氧化硅和三氧化硼添加剂：氧化钠、氧化钾、氧化铝、氧化镁、氧化锆…主要型号E型最常见C型耐酸腐蚀S型高强度，多用于宇航，成本高S－2低成本型ECR型（耐酸）无硼纤维AR型（耐碱）外观横截面一般为圆形，与天然纤维（蚕丝等）不同直径一般为5-20um物理性能各向同性物理性能力学性能C型E型S-2型ECC型AR型无硼密度(g/cm3)2.522.582.462.722.72.62线膨胀系数(10-6/

4、℃)-30~250℃6.35.41.65.96.56.0弹性模量（GPa）23℃68.972.386.972.373.180.5538℃-81.388.981.3--拉伸强度（GPa）23℃3.33.44.93.43.23.4371℃-2.64.42.2--538℃-1.72.41.7--玻璃纤维的制造——池窑法按配方加入原料熔化玻璃液从坩埚底下小孔流出机械牵引拉丝单丝涂浸润剂并集束缠绕到丝筒上后续纺织1.2碳纤维按原材料不同，分为三大类：PAN基市场占有率第一性能高以沥青为原料（Pitch基）第二大生产技术性能较PAN基差

5、一些黏胶基市场占有率很小在民用市场方面，利用其柔软与导电性制作电热产品，利用其孔隙结构发达和容易调控的特性制造活性碳纤维系列制品,是良好的环保材料和医用卫生材料。PAN基生产工艺基本工艺过程聚丙烯腈碳纤维原丝→预氧化→碳化→石墨化→表面处理→卷取→碳纤维详细过程生产中制取聚丙烯腈纤维的过程是：先由丙烯腈和其他少量第二、第三单体(丙烯酸甲醋、甲叉丁二脂等)共聚生成共聚聚丙烯腈树脂(分子量高于6～8万)然后树脂经溶剂(硫氰酸钠、二甲基亚矾、硝酸和氯化锌等)溶解，形成粘度适宜的纺丝液，经湿法、干法或干-湿法进行纺丝，再经水洗、牵伸

6、、干燥和热定型即制成聚丙烯腈纤维。若将聚丙烯腈纤维直接加热易熔化，不能保持其原来的纤维状态。因此，制备碳纤维时，首先要将聚丙烯腈纤维放在空气中或其他氧化性气氛中进行低温热处理，即预氧化处理。预氧化处理是纤维碳化的预备阶段。一般将纤维在空气下加热至约270℃，保温0.5h～3h，聚丙烯腈纤维的颜色由白色逐渐变成黄色、棕色，最后形成黑色的预氧化纤维。这是聚丙烯腈线性高分子受热氧化后，发生氧化、热解、交联、环化等一系列化学反应形成耐热梯型高分子的结果。再将预氧化纤维在氮气中进行高温处理(1600℃)，即碳化处理，则纤维进一步产生交

7、联环化、芳构化及缩聚等反应，并脱除氢、氮、氧原子，最后形成二维碳环平面网状结构和层片粗糙平行的乱层石墨结构的碳纤维。成品关键技术大容量聚合釜牵引机石墨化炉国外禁运上浆剂配套处理二甲基亚砜和丙烯腈的废水处理国内技术水平远低于国际水平成本~15W/t碳纤维生产直接成本主要包括：原丝成本、上浆油剂成本、碳纤维制备过程电力消耗成本、废气焚烧所用天然气或柴油成本、高纯氮气制备及消耗成本、循环水及其消耗成本、车间净化成本、配套设施运行维护等。年产500t碳纤维生产线直接成本单耗13.6688万元/t。固定资产折旧成本~2W/t人员0.3

8、W/t基础知识-强度与刚度两个重要的物理量弹性模量E、抗拉强度b碳纤维的物理性质纤维牌号密度(g/cm3)弹性模量(GPa)拉伸强度(GPa)线膨胀系数(20℃)(10-6/℃)T3001.762303.53-0.41T700S1.802304.90-0.38T10001.802946.