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1、复合材料测试测试 技 术术 一、增强纤维纤维 性能测试测试 1 高性能纤维：芳族聚酰胺纤维，芳族聚酯，碳纤 维，超高分子量聚乙烯纤维，PBO纤维，玻璃纤维 2 其他纤维：晶须，石棉纤维， 碳化硅纤维，矿物 纤维，金属与陶瓷纤维，混杂纤维 高性能纤维的定义及特点高性能纤维的定义及特点 l l 定义：强度定义：强度17.6cN/17.6cN/dtexdtex，模量，模量440cN/440cN/dtexdtex l l 特点：特点： FF高强高模高强高模 FF耐热（热分解温度高）耐热（热分解温度高） FF密度低密度低 FF阻燃阻燃 服用纤维强度服用纤维强度 3 35cN/5cN/dtexdtex，
2、工业用纤维强度工业用纤维强度7 78cN/8cN/dtexdtex DONGHUA UNIVERSITY 3 高性能纤维的性能比较 纤维种类商品名 强度 GPa 伸长 % 模量 GPa 密度 g/cm3 熔点 对位芳纶Kevlar2.82.41321.44560(d) 间位芳纶Metamax0.50.835506.79.81.38430(d) 芳香族聚酯纤维Ekonol4.13.11341.40380 Vectra2.83.7691.40270 芳杂环类纤维PBZT4.21.42501.58600(d) PBO5.52.52801.59650(d) 高强聚乙烯纤维Dyneema3.42.016
3、00.98140 Spectra3.52.51560.97140 碳纤维Pyrofil1.93.50.41.23005001.80 Torayca371.52.42003001.80 钢纤维 2.8 200 7.8 1600 玻璃纤维 2.0-3.5 70-90 2.5 825 4 DONGHUA UNIVERSITY 芳香族聚酰胺纤维芳香族聚酰胺纤维 19621962NomexNomex ( ( 聚间苯二甲酰间苯二胺纤维聚间苯二甲酰间苯二胺纤维 ) ) 19661966Kevlar ( Kevlar ( 聚对苯二甲酰对苯二胺纤维聚对苯二甲酰对苯二胺纤维 ) ) DONGHUA UNIVERS
4、ITY 取代取代 聚酰胺大分子链变得坚聚酰胺大分子链变得坚 韧、熔点上升、吸湿性降韧、熔点上升、吸湿性降 低低 1960s1960s H. MarkH. Mark发现在发现在PA66PA66结构中用芳环取代脂肪环有性能的差异结构中用芳环取代脂肪环有性能的差异 ！ 5 聚对苯二甲酰对苯二胺聚对苯二甲酰对苯二胺 (PPTA)(PPTA)纤维纤维 单体和合成单体和合成 合成方法合成方法 FF界面缩聚界面缩聚 FF低温溶液缩聚低温溶液缩聚 FF固相缩聚固相缩聚 DONGHUA UNIVERSITY 6 聚对苯二甲酰对苯二胺聚对苯二甲酰对苯二胺 (PPTA)(PPTA)纤维纤维 DONGHUA UNIV
5、ERSITY 7 生产单位 及商品名 美国杜邦荷兰阿克苏日本帝人俄罗斯 Kevlar 29 Kevlar 129 Kevlar 149 Nomex Twaron R Twaron H TechnoraArmos 特性标准高强高模高强高伸标准高模高强高强高模 密度g/cm3 1.431.441.471.381.441.451.391.44 强度（ GPa） 2.93.42.33.36.23.03.13.44.45.5 模量（ GPa） 689617348717210972 135 145 伸长率% 3.63.31.535504.42.54.63.54 分解温度500500500500500500
6、500550 吸湿率% 771.23.56.53.527 8 芳纶性能总结 （1）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）； DONGHUA UNIVERSITY 9 热稳定、耐火、不溶、真空中长期使用温度为 160，-60也不脆； Tg =（250400）； 热膨胀系数低（300以下，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。 芳纶的化学性能 DONGHUA UNIV
7、ERSITY 10 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。 DONGHUA UNIVERSITY n n PPTAPPTA系列纤维的应用系列纤维的应用 FF产业用过滤布产业用过滤布 FF绝缘材料绝缘材料 FF产用防护服产用防护服 FF特殊防护衣特殊防护衣 FF增强复合材料增强复合材料 FF摩擦密封材料摩擦密封材料 FF体育运动服体育运动服 FF光缆光缆
8、 DONGHUA UNIVERSITY 11 碳纤维碳纤维 定义：化学组成中碳元素占总质量定义：化学组成中碳元素占总质量 90%90%以上的纤维以上的纤维 分类分类 DONGHUA UNIVERSITY 原料原料 制造方法制造方法 力学性能力学性能 纤维素基 聚丙烯腈基 沥青基 碳纤维 石墨纤维 活性碳纤维 气相生长碳纤维 通用级 高性能 12 13 力学性能 密度小，较高的比强度和比模量， 断裂伸长率低，弹性模量高 热性能 （1）耐高低温性能好 （2）导热性能好 （3）线性膨胀系数小 DONGHUA UNIVERSITY 14 化学性能 （1）碳纤维的耐药品性好，仅不耐硝酸、硫酸和次氯酸钠；
9、 （2）碳纤维在各种试剂中浸渍250天后，其直径、模量和强 度变化很小。 （3）碳纤维的耐氧化性较差，且PAN高强型碳纤维比高模型 的氧化失重更严重。 （4）碳纤维的表面活性比玻璃纤维低，因此需要表面处理。 电性能 碳纤维沿纤维方向的导电性好，其导电性可与铜相比 DONGHUA UNIVERSITY DONGHUA UNIVERSITY 碳纤维性能（碳纤维性能（TorayToray） 15 类型 通用型高强型高模型高强高模 T300T700SCT800HBT1000GBM46JBM50JBM35JBM40JB 密度 g/cm3 1.761.801.811.81.841.841.751.75 强
10、度（ GPa） 3.54.95.56.44.24.14.74.4 模量（ GPa） 230230294294436475343377 伸长率 % 1.52.11.92.20.90.91.41.2 纤维实际强度与极限强度存在差异的原因 F聚合物相对分子质量较小，末端多、缺陷多 F纤维最大拉伸倍数较小 解决方案 F尽可能提高聚合物相对分子质量 F尽可能提高非晶区缚结分子的含量 F尽可能减少晶区折叠链的含量，增加伸直链的含量 F尽可能将非晶区均匀分散到连续的结晶基质中去 超高倍拉伸超高倍拉伸凝胶纺丝工艺凝胶纺丝工艺 DONGHUA UNIVERSITY PE分子量对产品性能的影响： PE 7万30万
11、，板材，膜材，电缆等 UHMWPE 50104500104 高强度纤维，断裂强度 20CN/dtex 16 柔性链高性能纤维柔性链高性能纤维( (超高分子量聚乙烯）超高分子量聚乙烯） DONGHUA UNIVERSITY 17 公司及商品名 称DSM+ToyoboHoneywellMitsui Dyneema SK 60 Spectra 900 Spectra 1000 Spectra 2000 Tekmilon I Tekmilon II 拉伸强度/GPa3.03.03.53.83.32.8 拉伸模量/GPa10085115135113102 断裂伸长率, %3.83.93.42.93.93
12、.9 n n 高强高模聚乙烯纤维的用途高强高模聚乙烯纤维的用途 FF绳索类绳索类 FF防弹材料防弹材料 FF复合材料的增强材料复合材料的增强材料 DONGHUA UNIVERSITY 18 纤维形貌和规格纤维形貌和规格 Filament Chopped Fiber Staple Fiber Spun Yarn 纤维力学性能测试 1、纤维的强伸特性 任何纤维都必须具有一定的强力才有使用价值，强力测定是最基本的项 目。 表示强伸性能的指标都可从拉伸曲线上获得。 拉伸曲线（应力应变，或负荷伸长曲线）： l 表示纤维在拉伸过程中受力与变形的关系曲线 l 拉伸曲线能反映出纤维的特征性能 19 DONGH
13、UA UNIVERSITY 20 DONGHUA UNIVERSITY 断裂强力 指试样拉伸至断裂所能承受的最大负荷，与试样受力面积有关。 断裂伸长率 试样拉伸至断裂所增加的长度与标准预张力下试样夹持的初始长度之比。 断脱伸长率 试样拉伸至完全断脱的伸长率。 比强度 试样单位线密度的能承受的断裂强力。单位：/tex，c/tex，c/dtex 初始模量 应力应变曲线起始部分斜率。单位：N/tex，cN/tex，c/dtex 屈服点应力与应变 应力应变曲线中起始直线部分向延伸区过渡的转折点称为屈服点。相对应 的应力与应变称为屈服点应力与应变。 21 DONGHUA UNIVERSITY 测试条件对
14、测试结果的影响 环境温湿度 试样长度 拉伸试验速度 试样预加张力 22 DONGHUA UNIVERSITY 环境温湿度 23 DONGHUA UNIVERSITY 试样长度 试样在一定预张力下，未拉伸时两夹持器之间的长度为试样 初始长度。 长度不同测试结果不同。初始长度增加，测得的强力与伸长减 小。 拉伸试验速度 试样预加张力 预加张力应使试样伸直而不伸长。 24 DONGHUA UNIVERSITY 25 二、基体树脂及半成品分析 聚合物基体（Polymer Matrix ） 在复合材料中的作用有： v固结分散的增强体以形成复合材料整体和赋予制 件形状、 v保护增强体不受或少受环境的不利影
15、响. v在复合材料受力时，向增强体传递载荷使它们发 挥承力功能 v决定复合材料的加工性能 DONGHUA UNIVERSITY 26 聚合物基体的类型 聚合物基体包括热固性树脂和热塑性树脂两类。 热固性树脂(thermosetting resin) ： v受热会软化，发生分子链的交联反应，这种固化 反应使其由线型转化为体型高分子结构，成为不 熔不溶状态。 v上述为不可逆反应，冷却后再受热它不会变软和 熔化，强热则会分解破坏。 v三种代表性的热固性树脂为：环氧树脂、不饱和 聚脂树脂、热固性酚醛树脂等。 DONGHUA UNIVERSITY 27 热塑性树脂( thermoplastic resin)： v可以反复受热软化（或熔化）和冷却凝固。 v热塑性树脂是线型高分子化合物。 v以它为基体的复合材料能采用塑料加工的类似 工艺（如注射、模塑）来加工。 v热塑性聚合物包括：聚酰亚胺、双马来酰亚 胺、热塑性酚醛树脂、聚醚醚酮、聚醚酮酮 等。 DONGHUA UNIVERSITY 28 环氧树脂 环氧树脂（Epoxy resin）出现于20世纪30年代，由瑞士的Pierre Castam和美国的 S
