碳纖維論文(碳纖維論文西班牙語)

許昌加固設(shè)計公司 3周前 ( 11-23 18:25 ) 7694 搶沙發(fā)

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本文目錄一覽：

1、碳纖維能用于火箭和航天器？
2、碳纖維乙烯基酯類上漿劑對碳纖維及其復(fù)合材料性能的影響論文的文獻綜述怎么寫啊
3、高性能纖維概述的論文

碳纖維能用于火箭和航天器？

1、

碳纖維——含炭量在90%以上碳纖維論文的高強度高模量纖維。耐高溫居所有化纖之首。用腈綸和粘膠纖維做原料碳纖維論文，經(jīng)高溫氧化碳化而成。是制造航天航空等高技術(shù)器材的優(yōu)良材料。

2、在碳纖維行業(yè)中碳纖維論文，日本獨占鰲頭，尤其是東麗等公司做的比較好，而中國尚有差距！

3、具體可以參考論文碳纖維論文：

一篇文章讀懂碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用淺析

碳纖維復(fù)合材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用《中國光學(xué)》

高性能PAN基碳纖維及其復(fù)合材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用《高科技纖維與應(yīng)用》

碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用《玻璃鋼》

碳纖維乙烯基酯類上漿劑對碳纖維及其復(fù)合材料性能的影響論文的文獻綜述怎么寫啊

從力學(xué)性能講環(huán)氧的最好，而且日本的碳纖維上江劑也是基本滿足環(huán)氧類的，但是在中國國內(nèi)，上將劑的水平還是相對比較低的，一來國內(nèi)碳纖維行業(yè)是個技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，而且國產(chǎn)碳纖維也沒有產(chǎn)業(yè)化，二來科研力度和資金的相對薄弱。說實話，乙烯基絕不是最佳的選擇，界面的性能沒有環(huán)氧的好，但是鑒于國內(nèi)碳纖維的民用化以及低端化，對力學(xué)性能等不適要求很高，同時考慮到成型工藝常用手糊和導(dǎo)入，而很少用成本高的預(yù)浸料模壓或者熱壓罐成型，比如汽車的引擎蓋，尾翼之類，所以才使用乙烯基的樹脂。

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高性能纖維概述的論文

高性能纖維性能分析【摘要】分析碳纖維論文了碳纖維、超高強聚乙烯纖維、芳香族聚酰胺纖維、聚對苯撐苯并雙惡唑 (POB)纖維和 M5 纖維等高性能纖維碳纖維論文的重要特性以及它們的應(yīng)用狀況。【關(guān)鍵詞】高性能纖維;先進復(fù)合材料;分子結(jié)構(gòu);重要特性;應(yīng)用 [中圖分類號]TS102碳纖維論文，528 [文獻標(biāo)識碼]A [文章編號]1002-3348（2005）01-0054-04 高性能纖維 (High-Performance Fibers)是從 20 世紀(jì) 60 年代開始研發(fā)并推廣的纖維材料，它的出現(xiàn)使傳統(tǒng)紡織工業(yè)產(chǎn)生了巨大變革。所謂高性能纖維是指有高的拉伸強度和壓縮 3 強度、耐磨擦、高的耐破壞力、低比重(g/m )等優(yōu)良物性的纖維材料，它是近年來纖維高分子材料領(lǐng)域中發(fā)展迅速的一類特種纖維。高性能纖維可用于防彈服、蹦床布等特種織物的加工及纖維復(fù)合材料中的加固材料，其發(fā)展涉及許多不同的領(lǐng)域。本文分析和比較了碳纖維、超高強聚乙烯纖維、芳香族聚酰胺纖維、聚對苯撐苯并雙惡唑(PBO)纖維、M5 纖維等高性能纖維的特性以及它們的應(yīng)用狀況。 1 高性能纖維 1·1 高性能纖維分類無機纖維:碳纖維、硼纖維、陶瓷纖維等。有機纖維:超高強聚乙烯纖維(HPPE)、芳香族聚酰胺纖維、聚對苯撐苯并雙惡唑(PBO) 纖維、M5 纖維等。 1·2 碳纖維碳纖維的生產(chǎn)始于 20 世紀(jì) 60 年代末 70 年代初，由有機纖維如腈綸(PAN)纖維、粘膠纖維或瀝青纖維經(jīng)預(yù)氧化、炭化和石墨化加工而成。碳纖維的石墨六方晶體結(jié)構(gòu)決定了其強度大、模量高等優(yōu)良性能，如日本東麗公司生產(chǎn)的 T-400 碳纖維，拉伸強度可達 4.2GPa，斷裂伸長率為 1.5%。碳纖維不燃燒，化學(xué)性能穩(wěn)定，不受酸、鹽等溶媒侵蝕。 1·3 超高強聚乙烯纖維高強高模聚乙烯在 20 世紀(jì) 70 年代出現(xiàn)，具有超高分子量，高取向度，且分子間距很近， 3 使纖維具備高強高模的特征，其密度具有 0.97g/cm ，是唯--能浮在水面上的高強高模纖維。除此之外，其他機械性能亦比較突出，如良好的韌性和耐疲勞性能，耐高速沖擊性等。 1·4 芳香族聚酰胺纖維 20 世紀(jì) 70 年代，人們開始從事液晶態(tài)紡絲技術(shù)的研究，用于紡制高性能纖維，與普通紡絲的分子結(jié)構(gòu)截然不同，液晶態(tài)紡絲時形成的分子鏈只有剛棒狀高取向的有序結(jié)構(gòu)。圖 1 液態(tài)高聚物分子的構(gòu)型示意圖 (a)為典型普通大分子，為無規(guī)則線團;(b)為剛性大分子，在沒有良好側(cè)向作用和導(dǎo)向情況下的狀態(tài);(c)為無規(guī)的棒狀液晶;(d)為向列型液晶芳香族聚酰胺是最為人所熟知的，通過液晶紡絲紡制的高性能纖維，如 Kevlar(聚對苯二甲酰對苯二胺纖維)、 Twaron(聚對苯二甲酰間苯二胺纖維)、 Technora(聚對苯二甲酰對苯二胺纖維)等，如圖 3 所示，為芳香族聚酰胺高結(jié)晶和高取向分子結(jié)構(gòu)。這類纖維性能比較均衡，具有高強伸性能，高韌性、耐腐蝕、耐沖擊、較好的熱穩(wěn)定性，不導(dǎo)電，除了強酸和強堿外，具有較強的抗化學(xué)性能。圖 3 芳香族聚酰胺晶體結(jié)構(gòu)圖聚對苯撐苯并雙惡唑(PBO)纖維 1998 年國際產(chǎn)業(yè)纖維展覽會上，日本東洋紡展出了商品名為 Zylon 的 PBO 纖維，其化學(xué)名為聚對苯撐苯并雙惡唑，化學(xué)結(jié)構(gòu)為: 1·5 PBO 纖維采用液晶紡絲法紡絲，由苯環(huán)和苯雜環(huán)組成的剛棒狀分子結(jié)構(gòu)以及分子鏈的高取向度，決定了它的優(yōu)良性能。 PBO 初紡普通絲(AS 絲-標(biāo)準(zhǔn)型)就具有 3.5N/tex 以上的強度和 10.84N/tex 以上彈性模量，經(jīng)熱處理后可得到強度不變、模量達 176.4N/tex 的高模量絲 (HM 絲-高模量型)。PBO 作為一種新型高性能纖維，具有高強度、高模量、耐熱性、阻燃性 4 大特點，其強度與模量相當(dāng)于 Kevlar (凱夫拉)的 2 倍，限氧指數(shù)(L01)為 68，熱分解溫度高達 650℃，在有機纖維中為最高，被認(rèn)為是目前具有最高耐熱性能的有機材料之一。表 1 PBO 纖維的性能性能 PBO 一 AS PBO—HM 密度(g/cm3) 1.54 1.56 抗拉強度(GPa) 5.8 5.8 拉伸模量(GPa) 180 280 斷裂延伸率(%) 3.5 2.5 熱分解溫度(℃) 650 650 L01(%) 68 68 表 2 PBO 纖維與其他纖維的主要性能比較性能 PBO-HM Kevlar-49 宇航級碳纖維密度(g/cm ) 纖維直徑(?m) 抗拉強度(Gpa) 拉伸模量(CPa) 斷裂延伸率(%) 3 1.56 24 5.8 280 2.5 1.45 12 3.2 115 2.0 1.80 6 3.58 230 0.5 熱分解溫度(℃) 650 550 一 1·6 M5 纖維 PBO 纖維推出的幾年后，阿克卓·諾貝爾(Akzo Nobel)公司開發(fā)了一種新型液晶芳族雜環(huán)聚合物:聚[2,5-二烴基-1,4-苯撐吡啶并二咪唑]，簡稱 "M5"或 PlPD，化學(xué)結(jié)構(gòu)為: M5 纖維的結(jié)構(gòu)與 PBO 分子相似——剛棒結(jié)構(gòu)。 M5 分子鏈的方向上存在大量的-OH 和-NH 在基團，容易形成強的氫鍵。如圖 4 所示，與芳香族聚酰胺晶體結(jié)構(gòu)不同，M5 在分子內(nèi)與分子間都有氫鍵存在，形成了氫鍵結(jié)合網(wǎng)絡(luò)。圖 4 為 M5 纖維沿分子鏈軸方向的晶體結(jié)構(gòu)，虛線為氫鍵。圖 4 M5 晶體結(jié)構(gòu) 比較圖 3 與圖 4 可以清楚地看出，M5 大分子所形成的雙向氫鍵結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)，類似一個蜂窩。這種結(jié)構(gòu)加固了分子鏈間的橫向作用，使 M5 纖維具有良好的壓縮與剪切特性，壓縮和扭曲性能為目前所有聚合物纖維之最。 2 高性能纖維特性分析比較碳纖維石墨層面上碳-碳共價交鍵的存在，使作用于碳纖維上的應(yīng)力，從一個石墨層轉(zhuǎn) 移到相鄰層面，這些共價交鍵保證了碳纖維具有高的拉伸模量和壓縮強度。但這些共價鍵為純彈性鍵，一旦被打破，不可復(fù)原，即不顯示任何屈服行為。所以碳纖維受力時，應(yīng)力-應(yīng) 變曲線是線性關(guān)系，纖維斷裂是突然發(fā)生的。有機纖維的性能取決于分子結(jié)構(gòu)、分子鏈內(nèi)鍵及分子鏈間結(jié)合鍵。如前所述，超高強聚乙烯纖維、PBO 纖維都具有優(yōu)良的性能，但由于超高強聚乙烯纖維大分子鏈間的結(jié)合鍵為弱的范德華鍵，使其纖維易產(chǎn)生蠕變，壓縮強力較低，另外超高強聚乙烯纖維耐熱性和表面粘合性有限，因而不適合用作加固纖維。而 PBO 纖維也因大分子鏈間沒有形成氫鍵結(jié)合、作用力較弱，使得其壓縮和扭曲性能較低，加之纖維表面惰性強，與樹脂的結(jié)合能力較差，在復(fù) 合材料成型過程中，有明顯的界面層，從而影響也限制了 PBO 的應(yīng)用。芳香族聚酰胺纖維高結(jié)晶度、高取向度的分子結(jié)構(gòu)，使其具有高強伸性能，也是由于大分子鏈間弱的作用力 (范德華鍵)，造成大分子鏈間剪切模量及壓縮強度低。芳香族聚酰胺纖維由氫鍵結(jié)合成的薄片狀結(jié)構(gòu)在受壓縮載荷作用時易塑性變形，薄片相對容易斷開，在嚴(yán) 重過載時會出現(xiàn)原纖化，最終導(dǎo)致壓縮失效。分子鏈間結(jié)合鍵以 M5 比較理想， M5 大分子間和大分子內(nèi)的 N-H-O 和 O-H-N 的雙向氫在鍵結(jié)構(gòu)，是其具有高抗壓性能的原因所在，熱處理后的 M5 纖維，拉伸模量可達 360GPa，拉伸強度超過 4GPa，剪切模量和抗壓強度可達 7GPa 和 1.7GPa。此外 M5 而大分子鏈上含有羥基，使它與樹脂基體的粘結(jié)性能優(yōu)良，采用 M5 纖維加工復(fù)合材料產(chǎn)品時，無需添加任何特殊的粘合促進劑，且具有優(yōu)良的耐沖擊和耐破壞性。有資料顯示，以 M5 為加固纖維的復(fù)合材料，在壓縮過載的情況下，測試樣品仍能繼續(xù)承受顯著的(壓縮)載荷，與之相比，碳纖復(fù) 合材料會粉碎，而芳香族聚酰胺復(fù)合材料則會被擠成纖絲狀薄片(原纖化)。如圖 5、圖 6 分別為一個碳纖維和一個 MS 纖維復(fù)合材料的失效測試條，顯示了脆性與韌性失效之間的明顯差異。此外，M5 纖維的剛棒結(jié)構(gòu)又決定了它有高的耐熱性和高的熱穩(wěn)定性，空氣中熱分解溫度達到了 530℃，超過了芳香族聚酰胺纖維，與 PBO 接近，極限氧指數(shù)（LOI）為 59，在阻燃性方面也優(yōu)于芳綸。圖 5 碳纖維復(fù)合材料測試條的失敗圖 6 M5 纖維料測試條的失敗表 1 為幾種高性能纖維力學(xué)及物理特性。表 1 高性能纖維的力學(xué)和物理特性特性高強度超高強聚高模量芳香族高模量高模量 M5 纖碳纖維乙烯纖維聚酰胺纖維 PBO 纖維維（實驗值）抗拉強度(GPa) 伸長率(%) 拉伸模量(GPa) 壓縮強度(GPa) 壓縮應(yīng)變(%) 密度(克/cm ) 標(biāo)準(zhǔn)回潮率(%) 限氧指數(shù)（LOI） 3 3.58 1.5 230 2.10 0.90 1.80 0.0 一 3.43 4.0 98.0 一一 0.97 一一 3.2 2.0 115 0.58 0.50 1.45 3.5 29 5.8 2.5 280 0.40 0.15 1.56 0.6 68 5.0 1.5 330 1.70 0.50 1.70 2.0 59 空氣中熱老化起 800 150 450 550 530 始溫度(℃) 從表 1 看，M5 纖維的各種性能指標(biāo)都接近或超過其它高性能纖維，為綜合性能優(yōu)良的高性能纖維。 3 應(yīng)用與前景目前超高強聚乙烯纖維的應(yīng)用主要是加工防彈用特種織物、防彈板、漁業(yè)用繩網(wǎng)、極低溫絕緣材料、混凝土補強加固用試驗片材、光纜補強材料、降落傘繩帶、汽車保險杠等。芳香族聚酰胺纖維常見的品種 Kevlar、Twaron、Technora 纖維等，主要應(yīng)用有作為復(fù)合材料的增強體、漁業(yè)工業(yè)等用繩網(wǎng)、防彈服、防彈板、頭盔、混凝土補強材料等。碳纖維的優(yōu)良特性使其廣泛用于航空、航天、軍工、體育休閑等結(jié)構(gòu)材料，應(yīng)用于宇宙機械、電波望遠(yuǎn)鏡和各種成型品，還有直升飛機的葉片、飛機剎車片和絕熱材料、密封填料和濾材、電磁波屏蔽材料、防靜電材料、醫(yī)學(xué)材料等。PBO 纖維從問世以來就受到人們的關(guān)注，其應(yīng)用主要有防沖擊方面的加固補強材料、復(fù)合材料中的加固材料，用于防護的防彈服、防彈頭盔、消防服、高性能及耐高溫傳動帶、輪胎簾子線、光纖電纜承載部分、架橋用纜繩、耐熱墊材等。與各種高性能纖維相比，M5 纖維的綜合性能更優(yōu)越，這使得它的應(yīng)用領(lǐng)域更廣泛。尤其是 M5 纖維的抗沖擊力和耐破壞性，使它在制造經(jīng)濟、高效的結(jié)構(gòu)材料方面有廣闊的應(yīng)用前景，如應(yīng)用于航空航天等高科技領(lǐng)域，在高性能纖維增強復(fù)合材料中 M5 也具有很強的競爭力。當(dāng)前 M5 纖維的研究比較活躍，隨著研究的深人，其性能和應(yīng)用將得到不斷的提高和拓展。高性能纖維的不斷創(chuàng)新是高性能產(chǎn)業(yè)用紡織品及復(fù)合材料用纖維領(lǐng)域的重要進步，隨著世界高新技術(shù)、纖維合成與紡絲工藝的發(fā)展，以及軍事、航空航天、海洋開發(fā)、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的迫切需要，高性能纖維的開發(fā)與應(yīng)用前景將更為廣闊。

新型高性能纖維M5的研究與應(yīng)用

摘要:本文介紹了一種新型液晶芳族雜環(huán)聚合物,聚(2,5-二羥基-1,4-苯撐吡啶并二咪唑){poly[2,6-diimidazo(4,5-b:4',5'-e)pyridinylene-1,4(2,5-dihydroxy)phenylen],PIPD}纖維(簡稱M5).簡述了M5纖維的制作方法,M5纖維特殊的分子結(jié)構(gòu)特征,并通過與其它高性能纖維的比較,闡述了M5纖維優(yōu)良的性能,特別是其良好的壓縮與剪切特性.除此之外,M5纖維的高極性還使其更容易與各種樹脂基體粘接,這使M5纖維的綜合機械性能比目前其它高性能纖維都好.文中還展望了M5纖維的應(yīng)用前景.

前言

近年來,隨著對有機高性能纖維的不斷深入研究,在剛性高性能纖維領(lǐng)域已經(jīng)取得了很大的進展.但大多數(shù)高性能纖維,因分子間結(jié)合力的薄弱而導(dǎo)致某些力學(xué)性能上的不足,如PBO纖維大分子鏈間較弱的結(jié)合力,使其壓縮和扭曲性能較差.纖維材料的壓縮性能,主要取決于纖維大分子之間的相互作用程度[1,2].通常纖維扭轉(zhuǎn)模量可作維表征大分子之間相互作用程度的一個量度.因此,如何增強大分子鏈之間的相互作用,已成為進一步強化剛性聚合物纖維力學(xué)性能的一個重要問題.

作為Akzo-Nobel實驗室的研究成果,一種新型的高性能纖維,即著稱的M5已經(jīng)被研究出來.聚合物是聚(2,5-二羥基-1,4-苯撐吡啶并二咪唑){poly[2,6-diimidazo(4,5-b:4',5'-e)pyridinylene-1,4(2,5-dihydroxy)phenylen],PIPD}纖維(簡稱M5)[3].由于M5纖維沿纖維徑向即大分子之間存在特殊的氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),所以M5纖維不僅具有類似PBO纖維的優(yōu)異抗張性能,而且還顯示出優(yōu)于PBO纖維的抗壓縮性能.

1高性能纖維M5

1.1 單體的選擇及M5的合成[4]

在M5聚合物的制備過程中,其關(guān)鍵步驟是單體2,3,5,6-四氨基吡啶(2,3,5,6-tertraaminopyridine,TAP))的合成.TAP可由2,6-二氨基吡啶(2,6diaminopyridine,DAP)經(jīng)硝化還原后制成,反應(yīng)方程式如下所示:

在M5的合成過程中,TAP需經(jīng)鹽酸化處理并以鹽酸鹽形式參與聚合反應(yīng).若TAP直接以磷酸鹽的形式參與反應(yīng),不但可以避免鹽酸腐蝕作用,還可以加快聚合反應(yīng)速度,但卻易發(fā)生氧化作用.

另一單體2,5-二羥基對苯二甲酸(2,5-Dihydroxyterephthalicacid,DHTA)的合成也是制備M5聚合物的重要環(huán)節(jié),可由2,5-二羥基對苯二甲酸二甲酯(2,5-dihydroxy-1,4-dimethylterephthalate,DDTA)水解后制得,反應(yīng)方程式如下所示:

M5纖維的聚合過程與聚對苯撐苯并二惡唑(poly(p-phenylenebenzobisoxazole),PBO)相似,可將TAP和DHTA兩種單體按一定的等當(dāng)比同時加入到聚合介質(zhì)多聚磷酸(polyphosphoric acid,PPA)中,脫除HCI后逐漸升溫至180℃,反應(yīng)24h,得到M5聚合物,反應(yīng)方程式如下所示:

2 M5的分子結(jié)構(gòu)特征及聚合物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)

2.1 M5的分子結(jié)構(gòu)特征

M5纖維在分子鏈的方向上存在著大量的-OH和-NH基團,容易在分子間和分子內(nèi)形成強烈的氫鍵.因此,其壓縮和扭曲性能為目前所有聚合物纖維之最.M5纖維的剛棒狀分子結(jié)構(gòu)特點決定了M5纖維具有較高的耐熱性.由于M5大分子鏈上含有羥基,M5纖維的高極性使其能更容易與各種樹脂基體粘接.圖1熱處理后PIPD-HT單斜晶胞的雙向氫鍵網(wǎng)絡(luò)晶體結(jié)構(gòu)示意圖[5].圖2熱處理后PIPD單斜晶胞沿C軸的分子結(jié)構(gòu)示意圖[5].圖1和圖2都顯示了熱處理后PIPD纖維的微觀二維結(jié)構(gòu),即在大分子間和大分子內(nèi)分別形成了N-H-O和O-H-N的氫鍵結(jié)構(gòu),這種雙向氫鍵的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)正是M5纖維具有高抗壓縮性能的原因在.

圖1 熱處理后PIPD-HT單斜晶胞的雙向氫鍵網(wǎng)絡(luò)晶體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 熱處理后PIPD單斜晶胞沿C軸的分子結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 M5的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)

圖3 PIPD-AS沿C軸方向的分子結(jié)構(gòu)示意圖

如圖3所示,為含有21%左右水分子的PIPD-AS纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu).由于PIPD-AS纖維中存在著大量的水,因而使得PIPD-AS纖維有很大的質(zhì)量熱容,而且具有良好的耐燃性能.表2和表3所列出的實驗結(jié)果也證實了這一結(jié)論[16,19].

如圖4所示,為不同熱處理溫度的PIPD-AS纖維WAXD圖[16].從圖4可以看出,PIPD-AS纖維在熱處理過程中晶體中的水分被脫出,變成無水聚合物晶體,從而在垂直于纖維方向的平面內(nèi)形成二維氫鍵網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).有實驗表明,經(jīng)過熱處理后PIPD纖維的結(jié)晶度和取向度都有很大的提高.

圖4 不同熱處理溫度的PIPD-AS纖維WAXD圖

Klop EA等[22]通過PIPD晶體結(jié)構(gòu)的X射線衍射實驗研究發(fā)現(xiàn),因PIPD試樣的處理溫度不同,在PIPD的分子內(nèi)部可出現(xiàn)不同形式的結(jié)晶結(jié)構(gòu)—單斜結(jié)晶晶胞和三斜結(jié)晶晶胞(如圖5和圖6所示).單斜和三斜的晶胞參數(shù)分別為:

單斜結(jié)晶: a=12.49 ,b=3.48 ,c=12.01 ,=90°,=107°,=90°

三斜結(jié)晶:a=6.68 ,b=3.48 ,c=12.02 ,=84,=110°,=107°

Takahashi等[20,21]采用中子方法測得的PIPD-HT晶胞參數(shù)為:

a=13.33 ,b=3.462 ,c=12.16 ,=84°,=105.4°,空間結(jié)構(gòu)為P21/,

單斜晶胞區(qū)別于三斜晶胞的不同之處在于,三斜晶胞的氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)僅僅是靠沿對角線平面的大分子連接的,而單斜晶胞可在垂直于纖維方向的平面內(nèi)形成了二維氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),顯然這種二維氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),使得M5具有其它高性能纖維所無法比擬的高剪切強度,剪切模量和壓縮強度.

圖5 PIPD單斜晶胞在ab面和ac面上的投影圖6 PIPD三斜晶胞在ab面上的投影

3 M5纖維的紡絲工藝[9,16]

3.1 M5纖維的成形

M5纖維的紡絲是將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18~20%左右的PIPD/PPA紡絲漿液(聚合物的MW為6.0×104~1.5×105)進行干噴濕紡,空氣層的高度為5-15cm,紡絲溫度為180℃,以水或多聚磷酸水溶液為凝固劑,可制成PIPD的初生纖維.其中,實驗用噴絲孔直徑范圍為65-200 m,噴頭拉伸比取決于噴絲空的直徑,可達70倍,所得纖維直徑為8-14 m.所得M5的初生纖維需在熱水中進行水洗,以除去附著在纖維表面的溶劑PPA,并進行干燥.

圖7 M5纖維的熱處理示意圖

3.2 M5纖維的熱處理

為了進一步提高初生纖維取向度和模量,對初生纖維在一定的預(yù)張力下進行熱處理,如圖7所示.在這一過程中,M5纖維取向度將伴隨著由其分子結(jié)構(gòu)的改變引起的剪切模量的增加而增大.對M5初生纖維進行熱處理能夠改善纖維的微觀結(jié)構(gòu),從而提高纖維的綜合性能.M5初生纖維再進一步用熱水洗滌除去殘留的多聚磷酸水溶液(PPA)和干燥后,在氮氣環(huán)境下于400℃以上進行大約20s的定張力熱處理,最終可得到高強度,高模量的M5纖維.在此需要特別指出的是,如果熱處理溫度過低或處理時間過短,則PIPD-AS和PIPD-HT的轉(zhuǎn)變是可逆的.因此,熱處理溫度與熱處理時間對M5纖維的模量影響很大.

4 M5纖維的性能

4.1 力學(xué)性能

圖8 PIPD-AS和PIPD-HT纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

如圖8所示,熱處理后的PIPD纖維同PIPD的初生纖維相比較,二者的力學(xué)性能截然不同,PIPD-AS纖維存在屈服,而PIPD-HT纖維不存在這種現(xiàn)象.Lammwers M[18]等研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)過200℃熱處理的初生纖維壓縮強度由原來的0.7Gpa提高到1.7Gpa,而經(jīng)過400℃熱處理的初生纖維壓縮強度由原來的0.7Gpa提高到1.1Gpa.顯然對于PIPD的初生纖維來講,并非熱處理溫度越高越好.通過用偏光顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn):在400℃熱處理的纖維中存在裂紋,這可能是導(dǎo)致壓縮強度下降的原因,因此,熱處理溫度不宜太高.

表1[9-14]給出了幾種高性能纖維的力學(xué)性能和其它性能的對比數(shù)據(jù),其中的力學(xué)性能包括拉伸強度,斷裂伸長,模量以及抗壓縮強度等.與其它3種纖維相比,M5的抗斷裂強度稍低于PBO,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于芳綸(PPTA)和碳纖維,其斷后延伸率為1.4%;與其它高性能纖維相比,M5纖維的模量是最高的,達到了350GPa;M5的壓縮強度低于碳纖維,但卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Twaron-HM纖維和PBO纖維,這歸因于M5的二維分子結(jié)構(gòu)[17].

表1 M5纖維與其它高性能纖維的比較

纖維

拉伸強獨/Gpa

斷裂伸長/%

初始模量

/ Gpa

壓縮強度

/ Gpa

壓縮應(yīng)變

/ %

密度/(g.cm-3)

回潮率

/%

Twaron-HM

3.2

2.9

115

0.48

0.42

1.45

3.5

C-HS

3.5

1.4

230

2.10

0.90

1.80

0.0

PBO

5.5

2.5

280

0.42

0.15

1.56

0.6

M5

5.3

1.4

350

1.60

0.50

1.70

2.0

纖維

空氣中的熱穩(wěn)定性

/℃

LOI

/%

電導(dǎo)性

抗沖擊性

抗破壞性

編制性能

耐紫外性

Twaron-HM

450

29

-

++

+

-

C-HS

800

N/A

++

--

++

PBO

550

68

-

++

N/A

+/-

--

M5

530

50

-

++

+

++

M5纖維特殊的分子結(jié)構(gòu),使其除具有高強和高模外,還具有良好的壓縮與剪切特性,剪切模量和壓縮強度分別可達7GPa和1.6GPa,優(yōu)于PBO纖維和芳香族聚酰胺纖維,在目前所有聚合物纖維中最高.

圖9 M5纖維的軸向壓縮SEM圖

一般來講,當(dāng)高性能纖維受到來自外界的軸向壓縮力時,其纖維內(nèi)部的分子鏈取向會因軸向壓縮力的存在而發(fā)生改變,即沿著纖維軸向出現(xiàn)變形帶結(jié)構(gòu).而對M5纖維來講只有當(dāng)這種軸向壓縮力很大時才會出現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)[11].如圖9所示,當(dāng)M5纖維受到外界的軸向壓縮力時,壓縮變形后的M5纖維中也會出現(xiàn)一條變形帶結(jié)構(gòu),但與其它高性能纖維(如PBO)相比較,M5纖維的變形程度要小很多.

4.2 阻燃性能

表2 PIPD-AS和PIPD-HT纖維耐燃性能的重要參數(shù)[5]

試樣

PHRR①

(kWm-2)

TTI②

(s)

SEA③

FPI④

(sm2kW-1)

殘留量

(%)

PIPD-AS

43.7

77

224

1.760

61

PIPD-HT

53.7

48

844

0.890

62

PBO-HM

47.7

56

2144

1.170

72

Twaron

204.4

20

70816

0.098

11

Nomex

160.4

14

38670

0.087

24

PVC

253.0

14

113937

0.055

15

注:①熱量釋放最大速率(PHRR);②引燃時間(TTI);③比消光面積(SEA);④耐燃性能指數(shù)(FPI)

表2所列數(shù)據(jù)是熱量計熱流為75kW/m2時測得的,也就是在試樣表面溫度為890℃左右時測得的值.纖維試樣放在一塊1cm2的線網(wǎng)上.試樣原始重量在10.3g-11.5g之間.

從表2可以看出,PIPD-AS纖維熱量釋放最大速率(PHRR)為43.7kWm-2,也就是說單位時間內(nèi)PIPD-AS釋放出最小的熱量,與其它高聚物相比是一種較好的阻燃劑用材料.PIPD-AS纖維的點燃時間最長為77s,遠(yuǎn)高于Nomex纖維.SEA是用來衡量單位物質(zhì)燃燒時產(chǎn)生的煙霧量,PIPD-AS纖維達到了224m3/kg,而Nomex纖維為38670m3/kg,二者相比PIPD-AS纖維的SEA值遠(yuǎn)低于Nomex纖維,說明PIPD-AS纖維燃燒時產(chǎn)生的煙霧量要遠(yuǎn)少于Nomex纖維.同表2中的其它高聚物相比,PIPD-AS纖維的耐燃性能指數(shù)(FPI)最高為1.76sm2kW-1.從表2中各項耐燃性能參數(shù)可以看出PIPD纖維在耐燃性方面,要好于其它高性能纖維,即PIPD纖維在耐燃性方面將具有較好多應(yīng)用前景.

M5纖維的剛棒狀分子結(jié)構(gòu)決定了它具有較高的耐熱性和熱穩(wěn)定性.從表2中可以看出,PIPD-HT纖維具有與聚對苯亞基苯并雙嗯哇(PBO)纖維相似的FPI值,但它在燃燒過程中更不容易產(chǎn)生煙.M5在空氣中的熱分解溫度為530℃,超過了芳香族聚酰胺纖維,與PBO纖維接近.M5纖維的極限氧指數(shù)(LOI)值超過50,不熔融,不燃燒,具有良好的耐熱性和穩(wěn)定性[7].

4.3 界面粘合性能

與PBO,聚乙烯或芳香族聚酰胺纖維相比,由于M5大分子鏈上含有羥基,M5纖維的高極性使其能更容易與各種樹脂基體粘接.采用M5纖維加工復(fù)合材料產(chǎn)品時,無需添加任何特殊的粘合促進劑.M5纖維在與各種環(huán)氧樹脂,不飽和聚酯和乙烯基樹脂復(fù)合成形過程中,不會出現(xiàn)界面層,且具有優(yōu)良的耐沖擊和耐破壞性[6,8].

4.4 熱力學(xué)性能

圖10 四種不同含水量M5纖維的DSC掃描圖

圖10為M.G.NoRTHoLIT[19]等用SetaramC80D熱量計測得的四種不同含水量M5纖維的DSC譜圖.研究發(fā)現(xiàn)將1g試樣材料放在一個開放的測試槽內(nèi),以0.2℃/min的速度,在30℃-200℃范圍內(nèi)得到一張掃描圖,如圖5所示.從DSC譜圖可以看出,四種不同含水量M5纖維的吸熱峰面積及位置與開放測試槽內(nèi)水分的蒸發(fā)有關(guān).從表3可以看出,含有結(jié)晶水的M5初生纖維的熱吸收值與不含結(jié)晶水的M5纖維的熱吸收值之間存在著較大的差別,而PIPD初生纖維和PIPD HT試樣的熱吸收值之間幾乎沒有什么差別.通過以上研究發(fā)現(xiàn)完全干燥的PIPD初生纖維的晶體結(jié)構(gòu)與PIPD-HT試樣結(jié)構(gòu)類似.

表3 不同含水量的PIPD纖維的熱吸收值

試樣

熱吸收值(J/g)

PIPD初生纖維(含水量20%)

637

PIPD初生纖維(干燥)

163

PIPD HT(含水量7%)

378

PIPD HT(干燥)

185

5 應(yīng)用及展望

作為一種先進復(fù)合材料的增強材料,M5纖維具有許多其它有機高性能纖維不具備的特性,這使得M5纖維在許多尖端科研領(lǐng)域具有更加廣闊的應(yīng)用前景;M5纖維可用于航空航天等高科技領(lǐng)域;用于國防領(lǐng)域如制造防彈材料;用于制造運動器材如網(wǎng)球拍,賽艇等.

M5纖維特殊的分子結(jié)構(gòu)決定了其具有許多高性能纖維所無法比擬的優(yōu)良的力學(xué)性能和粘合性能,使它在高性能纖維增強復(fù)合材料領(lǐng)域中具有很強的競爭力.與碳纖維相比,M5纖維不僅具有與其相似的力學(xué)性能,而且M5纖維還具有碳纖維所不具有的高電阻特性,這使得M5纖維可在碳纖維不太適用的領(lǐng)域發(fā)揮作用,如電子行業(yè).由于M5大分子鏈上含有羥基,M5纖維的高極性使其能更容易與各種樹脂基體粘接.

正是由于M5纖維具有許多其他高性能纖維所無法比擬的性能和更加廣闊的應(yīng)用前景,這使得眾多的科研工作者都積極地致力于M5纖維的研究.相信在不久的將來,隨著對M5纖維研究的進一步深入,作為新一代的有機高性能纖維—M5纖維必將得更加廣泛的應(yīng)用.