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1、绵阳职业技术学院材料系先进复合材料成型工艺芳纶纤维增强的先进复合材料制品目录1 芳纶纤维增强的先进复合材料的应用 11.1 概况 11.2 芳纶品种及性能 11.3 芳纶纤维产品形态及复合材料的成型方法 31.4 芳纶纤维复合材料的应用 32 原材料 52.1 聚氨酯树脂 52.2 芳纶纤维 73 制作工艺 83.1 成形方法的选择 . 83.2 芳纶 1313 . 104 修补及性能检测 104.1 缺陷 104.2 芳纶表面改性 . 10 5 参考文献 131 先进复合材料成型工艺芳纶纤维增强的先进复合材料制品1 芳纶纤维增强的先进复合材料的应用1.1 概况目前 ,先进复合材料的增强材料主
2、要是S高强玻璃纤维非碳纤维和芳纶纤维。前两者介绍文章较多 , 本文主要针对芳纶复合材料及应用情况作概括介绍。芳纶纤维是芳香族聚酰胺类纤维的通称。它是一种强度高、模量高、低密度、耐折、耐磨性好的人工合成的有机纤维。据了解, 现在美国、荷兰、日本、德国、法国和俄罗斯等国都在开发芳纶纤维。我国也进行了这方面研制并取得了一定成绩。美国杜邦公司开发的芳纷纤维, 商品名“凯芙拉” (K velar)有多种规格出售, 年产量已达2t 。荷兰阿克苏 (AKZO)公司研制的芳纶纤维,商品名“特瓦纶” (Twaron), 年产量在5000t 以上。 日本帝人公司开发的共聚芳纶纤维, 商品名“太库诺拉”,年产量为5
3、00t 以上。 德国赫斯特公司(HOECHST)生产芳纶纤维年产量为150t 。 我国 1981 年研制成功芳纶I,1985年研制成功芳纶,1994 年北京燕山石化公司研究院研制成功溶致液晶全芳香族聚酰胺(PPTA), 通过专家鉴定, 为今后中石、 工业化生产开辟了途径。在世界范围内, 芳纶纤维正以年增长率20% 左右的速度发展, 并从单一军用向民用转移。芳纶纤维用于汽车及防护用品方面占68%,用于造船业达21%,其余为航空、航天及军用。1.2 芳纶品种及性能芳纶纤维 , 因选择原料的不同及合成工艺不同,又可分为间位芳香族聚酰胺纤维, 商品名为“欧梅克斯” (Nomex) 对位芳香族聚酰胺纤维
4、, 商品名“凯芙拉”（Kevlar) 和芳香族聚酰胺共聚纤维,商品名“太库诺拉”等。表 1 将具有代表性的“凯芙拉”纤维和我国研制的芳纶I 、芳纶主要性能列出 , 同时与 S高强玻璃纤维及碳纤维进行比较。从表 1 中可以发现芳纶纤维密度最小, 拉伸强度与S2玻璃纤维和碳纤维接近, 拉伸模量居中。此外 , 芳纶纤维的热稳定性好, 可在180下长期使用, 短期可耐300, 对强度无大的影响。在-170下也不会变脆, 仍保持其性能。芳纶纤维的力学性能在有机纤维中是非常突出的，与无机纤维比也不逊色，芳纶纤维除强酸、强碱外, 几乎不受有机溶剂、油类影响。但芳纶纤维对紫外线敏感, 若长期暴露在阳光下，其强
5、度会有很大的损失，因此, 在使用中应加保护层。2 表 1 芳纶纤维主要品种与S高强玻纤、碳纤维性能比较纤维名称密度（ g/cm3）拉伸强度（ MPa ）拉伸模量（ MPa ）延伸率（ % ）Nomex 1.38 6471 17052 22 Kevlar 1.44 2940 71736 3.6 Kevlar-29 1.44 2940 71736 3.6 Kevlar-49 1.45 2842 108780 2.4 Kevlar-119 1.44 3038 54586 4.4 Kevlar-129 1.44 3332 96530 3.3 Kevlar-149 1.47 2352 144060 1.
6、5 Kevlar-100 1.44 2744 60368 3.9 芳纶1.465 2744 88200 1.8 芳纶1.44 2548 147000 2.0 S2高强玻纤2.54 2940 81340 - 碳纤维 T300 1.75 2744 225400 1.2 表 2 芳纶纤维、碳纤维、E 玻纤树脂浸渍纱带性能测试项目密度（ g/cm3）拉伸强度（ MPa ）拉伸模量（ MPa ）延伸率（ % ）Kevlar-29 1.44 3616 82320 4.4 Kevlar-49 1.45 3616 124460 2.9 碳纤维 T300 1.75 3097 220500 1.25 E玻纤2.5
7、0 2411 68600 1.5 表 3 芳纶纤维、碳纤维、E 玻纤单向纤维板性能测试项目Kevlar-49 碳纤维 T300 E玻纤密度（ g/cm3）1.38 1.52 2.07 拉伸强度0。（MPa ）90。（MPa ）1382 27.4 1235 34.3 1098 41.2 压缩强度0。（MPa ）90。（MPa ）274 137 1098 137 588 137 层间剪切强度（MPa ）68.6 98.0 78.4 备注：单向纤维板树脂为环氧Vf=60% ，0。为纤维方向芳纶纤维作为复合材料的增强材料性能优良。表 2 列出芳纶纤维、 碳纤维和E玻璃纤维的树脂浸渍纱带性能 , 表 3
8、 列出单向纤维板性能。国内已有对芳纶增强丁腈橡胶、环氧树脂的研究报道。如有研究做出的芳纶/ 环氧复合材料3 与常规材料力学性能的比较1-2。表 4 芳纶 / 环氧复合材料与常规材料力学性能的比较材料密度（ g/cm3）拉 伸 强 度（GPa）比强度（1x107mm）拉 伸 模 量（GPa）比模量（1x109mm）芳纶 / 环氧2.1 1.6 7.5 220 10.5 钢7.8 1.4 1.8 210 2.7 铝合金2.8 0.5 1.7 77 2.8 钛合金4.5 1.0 2.2 110 2.4 尼龙 6 1.2 0.1 0.1 3 0.02 1.3 芳纶纤维产品形态及复合材料的成型方法芳纶纤
9、维和玻璃纤维一样, 产品形态有有捻纱、无捻粗纱, 各种规格布、带、毡及短切原丝等。常与芳纶纤维匹配的树脂有环氧、酚醛、不饱和聚脂、乙烯基脂、聚酰亚胺等, 近年来还与尼龙、PBT等复合使用。成型方法也和玻璃钢等成型方法一样, 有缠绕法、手糊法、预浸渍法、真空袋法、加压法以及注射法等, 可根据需要选择。1.4 芳纶纤维复合材料的应用1.4.1 在航空、航天、军需方面的应用芳纶纤维可制作大型飞机的二次结构材料, 如机舱门、窗、整流罩体表面、机翼有关部件。也可制机内天花板、隔板、舱壁、行李架、座椅等。采用芳纶纤维复合材料可以减轻飞机自重30% 左右。如 L 一 1011 三星式客机总的芳纶纤维复合材料
10、用量达1135kg, 使机重减轻365kg; 波音 757、767 使用芳纶纤维复合材料, 减轻机重454kg；DHC-7短程飞机减轻机重91kg。S-76 商用直升机的外蒙皮使用芳纶复合材料已达50% ；喷气式教练机T-4 也采用芳纶纤维复合材料。芳纶纤维复合材料可制造火箭发动机壳体、压力容器、宇宙飞船驾驶舱等。芳纶纤维复合材料还可制造坦克、装甲车、飞机、潜艇的防弹板和头盔及防弹衣等。1.4.2 在造船方面的应用芳纶纤维复合材料可制造快艇、帆船、赛艇、渔船、独木舟等。采用芳纶纤维复合材料造船,船自重比玻璃钢和铝都好, 船体可减轻3O% 左右 , 节约燃料30% 以上 ,可相应增加航程。 由于
11、芳纶纤维复合材料具有吸收振动及承受连续冲击的能力, 船航行稳，使人感到安静、舒适。1.4.3 在体育器材方面的应用芳纶复合材料可用来制造高尔夫球棒、网球拍、滑雪橇、雪车、钓鱼杆、弓、标枪等。1.4.4 在汽车方面的应用芳纶纤维可取代石棉, 因而可降低对环境和人体健康的危害, 它可制造刹车片、 离合器、整流器、引擎垫片、汽车车身。尤其赛车可减轻车重, 提高强度 , 增加车速。1.4.5 在建筑方面的应用芳纶纤维复合材料在建筑领域越来越受到重视。芳纶纤维可取代石棉用来增强水泥,可提供轻结构、高强度构件, 并防止水泥制品开裂。加拿大蒙特楼市奥运体育馆采用芳纶纤维复合材料制成4 的可伸缩性屋顶, 面积
12、达 5600m2,具有抗强风及承受大雪负荷的强度。近年来,国外正在开发芳纶纤维增强胶粘层压木梁的技术, 这种增强材料称作FiRptm。它的出现意味着用低级木材可取代高级、贵重木材 ,而且安全、 经济。这种增强胶粘层压梁比钢筋水泥构件还经济。目前 , 美国、 德国、日本、澳大利亚、加拿大等国都在研究采用, 有广阔的发展前景。1.4.6芳纶在信息技术产业上的应用由于 IT 技术的发展3，光纤铺设量猛增，全球光纤总长度2001 年为 1.6 亿 km ，到 2003 年增至 2.0 亿 km 。对位芳纶可用作光缆中的“张力构件(Fension member) “(或称芯捍 ) ，有了这种具有高模量性
13、能的张力构件，可保护细小而脆弱的光纤在受到拉力时不致伸长，从而不使光传输性能受到损害。目前用于此张力构件的对位芳纶约3000-4000t ，据业者预测，其实际短缺量约4000-5000t 。41.4.7 其他方面的应用芳纶是用于增强子午线轮胎及机械用橡胶制品，如软管、 输送带及动力传送皮带而专门设计制造的品种。芳纶纤维还可作增强橡胶的材料, 可制轮胎、传动带、胶管、绳索等。5中国芳纶纤维研制始于20 世纪 70 年代末， 80 年代中期完成小试和中试鉴定。芳纶 1414 接近Kevlar-49的水平。由于芳纶纤维价格颇高，目前国内还只有航空、航天、船舶及体育器械等系统使用，且根据最终产品用途不
14、同，成型工艺和加工方法亦不完全一致，其应用领域随着中国高新技术的发展会具有广阔的应用前景。5 2 原材料2.1 聚氨酯树脂2.1.1 聚氨酯化学和物理性质聚氨酯 (PU) 树脂是由异氰酸酯与多元醇反应制成的一种具有氨基甲酸酯链段重复结构单元的聚合物。有机异氰酸酯化合物含有高度不饱和键的异氰酸醋基团(NCO ，结构式（ -N=C=O)，因而化学性质非常活泼。由于氮和氧原子上的电子云密度较大，其电负性较大，NCO 基团的氧原子电负性最大，是亲核中心，可吸引含活性氢化物分子上的氢原子而生成轻基，但不饱和碳原子的轻基不稳定，重排成为氨基甲酸酯 ( 若反应物为醇) 或脲 ( 若反应物为胺 ) 。碳原子电
15、子云密度最低，呈较强的正电性，为亲电中心， 易受到亲核试剂的进攻。异氰酸酯与活泼氢化合物的反应，就是由于活泼氢化合物分子中的亲核中心进攻NCO 基的碳原子而引起的6。反应机理如下: 异氰酸酯是生产聚氨酯的主要原料之一，主要有MDI, TDI, HDI, NDI, IPDI,HMDI等，其中以 MDI和 TDI 最为常用。 纯 MDI在室温下为白色晶体，在使用前需先加热熔融，在室温下长期贮存会产生自聚反应生成二聚体和脲类不溶化合物，使产品色泽加深，熔化后液体混浊，出现不溶性细微颗粒影响产品质量。甲苯二异氰酸酯(TDI) 有两种异构体 : 聚氨酯是由长链原料和短链原料聚合而成的，是一种嵌段聚合物。
16、一般长链二元醇构成软段，而硬段则是由多异氰酸酯和扩链剂构成。软段和硬段的种类影响着材料的软硬程度、强度等性能。影响各种聚氨酯制品性能的因素很多，一般影响性能的基本因素为: 基团的内聚能、氢键、结晶性、交联度、分子量、温度。软段在聚氨酯中占大部分，软段的分子量对聚氨酯的力学性能有影响，一般来说，假定聚氨酯分子量相同，其软段若为聚酯，则聚氨醋的强度随着聚酯二醇分子量的增加而提高， 软段的结晶性的提高对聚氨酯制品的性能是有利的。异氰酸酯的结构影响聚氨酯的刚性。聚氨酯材料是一类性能较为全面的材料，具有良好的物理机械性能、优异的耐候性、 弹性及软硬度随温度变化不太大等优点，在涂料、 胶粘剂及油墨等许多领域都得到了广泛的应用。聚氨酯弹性体是一种介于橡胶与塑料之间的高分子材料，它在具有一定弹性的同时，还有很好的耐磨、 耐温和抗撕裂性能， 如将聚氨酯与无机非金属硬质填料结合制成复合材料磨机衬板，既可以增加材料的6 耐磨性， 又可缓解研磨体对衬板的冲击力，从而提高衬板的使用寿命。同时，随着硬质填料的加入，还可大大降低衬板的成本，提
