凯夫拉纤维与碳纤维

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1、凯夫拉纤维一、凯夫拉纤维的发展l也称Kevlar或芳纶，即芳香族聚酰胺纤维 1）1960年，美国杜邦研制出Nomex聚间 苯二甲酰间苯二胺纤维，即芳纶1313，耐 热纤维 2）1965年，杜邦研制出Kevlar聚对苯二 甲酰对苯二胺纤维，即芳纶1414，高强高 模量纤维 3）1974年，美国联邦通商委员会把全芳香族 聚酰胺命名为Aramid。一、凯夫拉纤维的发展l聚对苯二甲酰对苯二胺商业名称：美国Kevlar、日本帝人Technora、荷兰阿 克苏Twaron、中国芳纶1414聚间苯二甲酰间苯二胺美国Nomex、日本帝人Conex、荷兰阿克苏 Twaron 中国芳纶1313一、凯夫拉纤维的发展

2、凯夫拉(Kevlar)纤维国内发展l起步阶段：技术水平、产品档次及生产能力都 与国外发达国家存在着一定的差距。 产品种类：l轮胎帘子线l光缆补强件 艰难的原因l生产的技术瓶颈难以突破l大部分原料需要进口高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、低密度芳纶纤维：芳香族聚酰胺类纤维的通称，国外商 品牌号为凯芙拉 (Kevlar) 纤维 (美国杜邦 公司1968年开始研究，1973年研制成功) ，我国命名为芳纶纤维。芳纶纤维的历史芳纶纤维的历史很短，发展很快。1968年美国杜邦公司杜邦公司开始研制。1972年以B B纤维为名纤维为名发表了专利并提供产品。 1972年又研制了以PRD-49PRD-49命名的纤维

3、。1973年正式登记的商品名称为ARAMIDARAMID纤维。ARAMIDARAMID纤维纤维包括三种牌号的产品，并重改名称。PRD-49-IVPRD-49-IV改称为芳纶芳纶-29-29；PRD-49-IIIPRD-49-III改称为芳纶芳纶-49-49；B B纤维纤维改称为芳纶芳纶。主要用于绳索、电 缆、涂漆织物、带 和带状物，以及防 弹背心等。用于航空、 宇航、造船 工业的复合 材料制件。主要用于橡胶增强，制造轮 胎、三角皮带、同步带等聚对苯二甲酰对苯二胺纤维 Poly (P-Phenlene terephthalamide) 简称PPTA纤维聚对苯二甲酰对苯二胺是属于一种液态结晶性棒状

4、 分子 Kevlar具有非常好的热稳定性，抗火性，抗化学性，绝 缘性，以及高强度及模数，将Kevlar品牌芳纶纤维的物 性与其它纤维作一比较，可以发现，lKevlar品牌纤维是石棉的2到11倍强度；是高强度石墨的 1.6倍强度；是玻璃纤维的3倍强度；是相同重量下钢纤维 的5倍强度。且Kevlar品牌芳纶纤维密度非常低，几乎只 有石棉密度的一半。而却拥有很高的破裂延伸度，除了高 强度外，更有以下好处： l 热稳定性，Kevlar品牌纤维在热试验中（TGA）非常 稳定，直至600才有明显的重量丧失； l 低侵蚀性，具有高含量的Kevlar品牌纤维试片，表现 出比半金属片低的侵蚀性； l 耐磨性，与

5、石棉纤维制成的刹车片比较，在Kevlar品 牌纤维开松良好的状态下，体现出非常低的磨耗性。 l 维持预成型刹车片的强度，保持填充剂的持久性。 凯芙拉纤维的应用l凯芙拉品牌纤维密度低、强度高、韧性好、耐高温、易于加工和成型，因而 受到人们的重视，并已经广泛应用到人们的日常生活中。由于凯芙拉品牌材 料坚韧耐磨、刚柔相济，具有刀抢不入的特殊本领。在军事上被称之为“装甲 卫士 “。 大家知道，坦克、装甲车已逐渐成为现代陆军的主要装备之一。其 原因就在于这两种兵器都具有坚硬的装甲，在战争中有消灭敌人保护自己的 作用。有了矛就出现了盾，有了坦克、装甲车之后，就发明了反坦克炮、反 坦克导弹。反坦克武器的出现

6、，又促使人们改进坦克、装甲车的装甲性能。 通常要提高坦克、装甲车的防护性能，就要增加金属装甲的厚度，这样势必 影响它的灵活机动性能。凯芙拉品牌材料的出现使这个问题迎刃而解，坦克 、装甲车的防护性能提高到了一个崭新的阶段。 与玻璃钢相比，在相同的防 护情况下，用凯芙拉品牌材料时重量可以减少一半，并且凯芙拉品牌层压薄 板的韧性是钢的3倍，经得起反复撞击。凯芙拉品牌薄板与钢装甲结合使用更 是威力无比。如果采用“钢枣芳纶枣钢“型复合装甲，能防穿甲厚度为700毫米 的反坦克导弹，还可防中子弹。 l 目前凯芙拉品牌层压薄板与钢、铝板的复合装甲，不仅已广泛应用于坦 克、装甲车，而且用于核动力航空母舰及导弹驱

7、逐舰，使上述兵器的防护性 能及机动性能均大为改观。凯芙拉品牌材料与碳化硼等陶瓷的复合材料是制 造直升飞机驾驶舱和驾驶座的理想材料。据试验，它抵御穿甲子弹的能力比 玻璃钢和钢装甲好得多。 为了提高战场人员的生存能力，人们对避弹衣的研 制越来越重视。凯芙拉品牌材料还是制造避弹衣的理想材料。据报道，用凯 芙拉品牌材料代替尼龙和玻璃纤维，在同样情况下，其防护能力至少可增加 一倍，并且有很好的柔韧性，穿着舒适。用这种材料制作的防弹衣只有23 公斤重，穿着行动方便，所以已被许多国家的警察和士兵采用。 凯芙拉纤维的前景l 中国航天科工集团公司第六研究院有关专家介绍说， 由该院自主研制、具有完全自主知识产权的

8、高科技产品F- 12高强度有机纤维，填补了中国高强有机纤维材料的空白 。F-12高强有机纤维属芳纶类纤维（凯芙拉品牌纤维原料 ），具有高比强度、高比模量、低压缩强度和低密度等优 异性能，性能远远超过国内已量产的芳纶II纤维，是芳纶 纤维类产品的佼佼者。 l 几根F-12高强有机纤维绳可以吊起46吨的重物，而同 样粗细的钢丝绳只能吊起8吨的重物。F-12高强有机纤维 不仅广泛应用于航天、航空、高性能飞艇等领域，还可广 泛应用于光缆增强纤维、增强电力电缆、升降机缆绳及各 类高性能体育运动器材等领域，可为中国国防军工及高端 民用产品的研制提供强有力的支撑，因而具有广阔的市场 前景。 Kevlar纤维

9、或产品Kevlar纤维或产品Kevlar纤维或产品Kevlar纤维或产品Kevlar纤维或产品碳纤维 （Carbon Fiber）CF是有机纤维在惰性气氛中经高温碳化而成的 纤维状碳化合物。或：纤维化学组成中碳元素占总质量90以上的纤维。其中含碳量高于99%的称石墨纤维。 Notes：l 只有在碳化过程中不熔融，不剧烈分解的有机纤维才能作为CF的原料。l 有些纤维要经过予氧化处理后才能满足这个要求。 o碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构 。 o o碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不 到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都 在3500Mpa以上，是钢的79倍，抗拉弹性

10、模量 为230430Gpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即 材料的强度与其密度之比可达到 2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为 59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。材料 的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则 构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在 工程的广阔应用前景。 CF分类按原丝类型按碳纤维性能按碳纤维的功能按制造条件和方法CF分类方法按原丝类型分类聚丙烯腈基粘胶基沥青基木质素纤维基其他有机纤维基按碳纤维 性能分类高强度CF （HS）高模量CF （HM）超高强CF （UHS）超高模CF （UHM）高强高模CF中强中模CF 等通用级CF：拉伸强

11、度1.4GPa，拉伸模量140GPa高性能CF按碳纤维的 功能分类受力结构用CF耐焰用CF导电用CF润滑用CF耐磨用CF活性CF按制造条件和 方法分类碳纤维：碳化温度12001500oC，碳含量95以上。石墨纤维：石墨化温度2000oC以上，碳含量99以上。活性炭纤维：气体活化法，CF在600 1200oC，用水蒸汽、CO2、空气等活化。气象生长碳纤维：惰性气氛中将小分子有机物在高温下沉积成纤维 晶须或短纤维。制备l 碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或 酚醛纤维经碳化制得；按状态分为长丝、短纤维和短切纤 维；按力学性能分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强 度为1000兆帕（MPa）

12、、模量为100GPa左右。高性能型 碳纤维又分为高强型（强度2000MPa、模量250GPa）和 高模型（模量300GPa以上）。强度大于4000MPa的又称 为超高强型；模量大于450GPa的称为超高模型。随着航 天和航空工业的发展，还出现了高强高伸型碳纤维，其延 伸率大于2%。用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纤维。 l 目前应用较普遍的碳纤维主要是聚丙烯腈碳纤维和沥 青碳纤维。碳纤维的制造包括纤维纺丝、热稳定化（预氧 化）、碳化、石墨化等4个过程。其间伴随的化学变化包 括，脱氢、环化、预氧化、氧化及脱氧等。 CF的表面处理l碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，耐 疲劳性好，比热及导电性介于非金

13、属和金 属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤 维的密度低，X射线透过性好。但其耐冲击 性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧 化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳 及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用 前须进行表面处理。 l表面处理的目的提高碳纤维增强复合材料中CF与基体的结合强度。lCF表面处理的途径 清除表面杂质； 在纤维表面形成微孔或刻蚀沟槽，增加表面能； 引进具有极性或反应性官能团，并能与树脂起作用的中 间层，如COOH，NH2，OH， 等 碳纤维表面处理的方法气相氧化法、液相氧化法及电化学氧化处理法应用领域l 碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。传统使用中碳纤维 除用作绝热保

14、温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金 属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作 飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造 火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。1994年至2002年左 右，随着从短纤碳纤维到长纤碳纤维的学术研究，使用碳纤维制作发热材料 的技术和产品也逐渐进入军用和民用领域。现在国内已经有使用长纤碳纤维 制作国家电网电缆的使用案例多处。同时，碳纤维发热产品，碳纤维采暖产 品，碳纤维远红外理疗产品也越来越多的走入寻常百姓家庭。 l 碳纤维是军民两用新材料，属于技术密集型和政治敏感的关键材料。以 前，

15、以美国为首的巴黎统筹委员会(COCOM)， 对当时的社会主义国家实行 禁运封锁政策，1994年3月，COCOM虽然已解散，但禁运封锁的阴影仍笼罩 在上空，先进的碳纤维技术仍引不进来，特别是高性能PAN基原丝技术，即 使中国进入WTO，形势也不会发生大的变化。因此，除了国人继续自力更生 发展碳纤维工业外，别无其它选择。因此，国外尤其是碳纤维生产技术领先 的日韩等国对中国的碳纤维材料及制品的出口一直保持相当谨慎的态度，只 有为数很少的中国企业能够与其建立合作关系，拥有其产品的进口渠道。 l 碳纤维广泛用于民用，军用，建筑，化工，工业，航天以及超级跑车领 域。 产业现状l 目前世界碳纤维产量达到4万

16、吨/年以上，全世界主要是日本东丽、东邦 人造丝和三菱人造丝三家公司以及美国的HEXCEL、ZOLTEK、ALDILA三家 公司，以及德国SGL西格里集团，韩国泰光产业，中国台湾省的台塑集团， 等少数单位掌握了碳纤维生产的核心技术，并且有规模化大生产。 l 中国对碳纤维的研究开始于20世纪60年代，80年代开始研究高强型碳纤 维。多年来进展缓慢，但也取得了一定成绩。进入21世纪以来发展较快，安 徽华皖碳纤维公司率先引进了500吨/年原丝、200吨/年PAN基碳纤维（只有 东丽碳纤维T300水平），使中国碳纤维工业进入了产业化。随后，一些厂家 相继加入碳纤维生产行列。 l 从2000年开始中国碳纤维向技术多元化发展，放弃了原来的硝酸法原丝 制造技术，采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法纺丝技术获得成功。目前 利用自主技术研制的少数国产T300、T700碳纤维产品已经达到国际同类产品 水平。 l