碳纤维复合材料论文3000字怎样写

碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。因此碳纤维复合材料制品也继承了碳纤维的这些优点

复合材料的成型工艺简单。纤维增强复合材料一般适合于整体成型，因而减少了零部件的数目，从而可减少设计计算工作量并有利于提高计算的准确性。另外，制作纤维增强复合材料部件的步骤是把纤维和基体粘结在一起，先用模具成型，而后加温固化，在制作过程中基体由流体变为固体，不易在材料中造成微小裂纹，而且固化后残余应力很小。

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现面以结构加固用的碳纤维布为例说明碳纤维的性能：碳纤维布加固技术是利用碳素纤维布和专用结构胶对建筑构件进行加固处理，该技术采用的碳素纤维布强度是普通二级钢的10倍左右。具有强度高、重量轻、耐腐蚀性和耐久性强等优点。厚度仅为2mm左右，基本上不增加构件截面，能保证碳素纤维布与原构件共同工作。 1、碳纤维介绍碳纤维根据原料及生产方式的不同，主要分为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维及沥青基碳纤维。碳纤维产品包括PAN基碳纤维（高强度型）及沥青基碳纤维（高弹性型）。 2、环氧树脂不同类型的树脂还可以保证其对砼具有良好的渗透作用，例如底涂树脂；以及对碳纤维片与砼结构的粘接作用，例如环氧粘结树脂等。（1）环氧树脂简介仅仅依靠碳纤维片本身并不能充分发挥其强大的力学特性及优越的耐久性能，只有通过环氧树脂将碳纤维片粘附于钢筋混凝土结构表面并与之紧密地结合在一起形成整体共同工作，才能达到补强的目的。因此，环氧树脂的性能是重要的关键之一。环氧树脂因类型不同而有不同的性能，适应于各个部位的不同要求。例如底涂树脂对混凝土具有良好的渗透作用，能渗入到混凝土内一定深度；粘贴碳纤维片的环氧树脂易于"透"过碳纤维片，有很强的粘结力。依使用温度的不同，树脂还分为夏用及冬用类树脂。2、碳纤维材料与其他加固材料对比（1）抗拉强度：碳纤维的抗拉强度约为钢材的10倍。（2）弹性模量：碳纤维复合材料的拉伸弹性模量高于钢材，但芳纶和玻璃纤维复合材料的拉伸弹性模量则仅为钢材的一半和四分之一。（3）疲劳强度：碳纤维和芳纶纤维复合材料的疲劳强度高于高强纲丝。金属材料在交变应力作用下，疲劳极限仅为静荷强度的30%～40%。由于纤维与基体复合可缓和裂纹扩展，以及存在纤维内力再分配的可能性，复合材料的疲劳极限较高，约为静荷强度的70%～80%，并在破坏前有变形显著的征兆。（4）重量：约为钢材的五分之一。（5）与碳纤维板的比较：碳纤维片材可以粘贴在各种形状的结构表面，而板材更适用于规则构件表面。此外，由于粘贴板材时底层树脂的用量比片材多、厚度大，与混凝土界面的粘接强度不如片材。

★ ★ dfq0730(金币+2，VIP+0):资源不少，可以分享一下吗？也省得老是发邮件的 1-4 13:48高吸水性树脂（英文名为Super Absorbent Resin，简写为SAR），或者称为高吸水性聚合物（英文名为Super Absorbent Polymer，简写为SAP），是一种含有羧基等强亲水性基团并具有一定交联度的水溶胀型高分子聚合物。与传统吸水材料如海绵、纤维素、硅胶相比，它不溶于水，也不溶于有机溶剂，却又有着奇特的吸水性能和保水能力，同时又具备高分子材料的优点。高吸水性树脂的吸水量高，可达到自重的千倍以上，而且保水性强，即使在受热、加压条件下也不易失水，对光、热、酸碱的稳定性好，还具有良好的生物降解性能。高吸水性树脂的开发与研究只有几十年的历史。是一种典型的功能高分子材料，具有一般高分子化合物的基本特性。它能够吸收并保持自身质量数百倍乃至数千倍的水分或都数十倍的盐水，并且能够保水贮水，即使加压也很难把水分离出来。这是由于其分子结构上带有大量具有很强亲水性的化学基团，而这些化学基团又可形成各种相应的复杂结构，从而赋予该材料良好的高吸水和高保水特性。高吸水性树脂与水有很强的亲和力使它在个人卫生用品方面得到广泛应用，并在农业、土木建筑、保鲜材料、改造环境等方面的应用也显示出广阔的前景。如婴儿纸尿片、老年失禁纸尿片布、妇女用卫生巾等，广大发展中国家在这方面的需求不断增长，各国纷纷扩大生产，增加研究和开发力度。高吸水性树脂作为通讯电缆的防水剂、湿度调节剂、凝胶转动装置、活体酶载体、人造雪等方面也得到了大量的研究和应用。高吸水性树脂在农艺园林方面的应用也已表现出令人鼓舞的前景，它有利于节水灌溉、降低植物死亡率、提高土壤保肥保水能力、提高作物发芽率等。高吸水树脂在沙漠治理方面的应用更是具有无可估量的社会效益。由此可见进一步开发高吸水性树脂仍然有很重大的意义。国外状况高吸水树脂的研究开发始于20世纪60年代后期。1966年美国农业部北方研究所Fan-ta等进行了淀粉接枝丙烯腈的研究，从此开始了高吸水树脂的发展。Fanta等在论文中提出：淀粉衍生物的吸水性树脂具有优越的吸水能力，吸水后形成的膨润凝胶体保水性很强，即使加压也不与水分离，甚至还具有吸湿放湿性，这些材料的吸水性能都超过以往的高分子材料。该树脂最初在Henkel Corporation工业化成功，其商品名为SGP(Starch Graft Polymer)。1971年Grain Processing公司以硝酸铈盐作引发剂，采用丙烯腈接枝在淀粉或纤维素上的方法合成出高吸水树脂。在这一时期，美国Hercules、National Starch、General MillsChemical，日本住友化学、花王石碱、三洋化成工业等公司相继成功开发出了高吸水树脂，德国、法国等世界各国对高吸水树脂的制备、性能和应用等领域也进行了广泛的研究，并取得大量成果。其中成效最大的是美国和日本。此后，国外对SAP的研制、生产和应用便以惊人的速度发展起来。1978年日本实现了SAP工业化生产。高吸水树脂的生产与消费增长很快，1980年，世界高吸水性树脂生产能力约为5 kt/a，1990年增加到207 kt/a，1999年猛增到1292 kt/a。目前，世界SAP的最大生产商是日本触媒化学公司，其次是Deggusa/Huels集团的Stockhausen公司，第三位是美国Amcol公司的全资子公司Chemdal公司，这3家公司合计能力约占世界总能力的2％。欧洲高吸水性树脂的主要生产厂家有法国Atofina公司和SNF Floerger公司，比利时的BASF公司和Nippon Shokubai公司，德国BASF公司、Stockhausen公司和Dow化学公司、英国Industrial Zeolite公司等。美国是世界上最大的高吸水性树脂消费国，消费量约为280 kt，约占世界总消费量的0％。欧洲高吸水性树脂的消费量约为200 kt，约占总消费量的0％；日本高吸水性树脂的消费量约为80 kt，约占世界总消费量的0％；其他地区的消费量约占0％。根据预测，2005年世界高吸水性树脂的消费量将达到1000～1100kt，消费量年均增长速度为8％～5％。随着其产品多样化及性能的提高，高吸水树脂的应用领域也必将不断扩大。1973年美国UCC公司开始将高吸水树脂应用于农业方面，接着又扩展到农林园艺的土壤保水、苗木培育及输送、育种方面。接着日本、法国等也展开了吸水性树脂的应用研究。现在，高吸水树脂已经广泛应用于农林园艺、医疗卫生、建筑材料、石油工业、食品行业、日用品行业、人工智能材料等各个领域。 2 国内状况国内高吸水性树脂的研究工作起步较晚，始于20世纪80年代初，与国外相比，我国高吸水性树脂的研究开发与应用相对比较缓慢，2004年我国高吸水性树脂的生产能力也只在30kt/a左右，生产企业近30家，但规模都不大，生产能力在1kt以上的仅7家。国内有三十多家单位在从事高吸水性树脂的研究。例如上海大学、吉林石油化工研究所、中国科学院化学所、中国科学院兰州化学物理研究所、广州化学所、天津大学、北京化工大学、广东工业大学化工研究所等，这些单位的工作大都着重于水性树脂的合成研究。在应用方面，吉林、黑龙江、新疆、河南等省把高吸水性树脂应用于农业生产中取得了较为可喜的成就。目前，国内高吸水剂的研究工作绝大部分仍处于实验室阶段，有的已转入中试阶段，但工业化的很少，主要还是依靠进口。目前，在我国高吸水性树脂大部分为进口产品，进口价为5－8万元/t。国内高吸水性树脂生产成本在2－5万元/t，售价为8－2万元/t。预计到 2010年国内高吸水性树脂的需求量将达到100kt。在我国吸水树脂的消费主要以卫生用品应用为主。在今后我国吸水树脂应用方面卫生材料仍是主流，其需求量还将不断增大。由于我国水资源十分贫乏，水土流失严重，荒漠化土地日趋扩展;并且我国正处于工业化、城市化的加速发展阶段，城市草坪业和花卉业将有巨大的发展空间。吸水树脂作为土壤改良剂，保水保肥剂，种子及苗木移植涂覆剂在农业、林业、园林绿化、改造沙漠等方面将起着重要的作用，有关专家认为，再经过七八年的努力作为保水剂的吸水树脂有可能成为继化肥、农药、地膜之后最受广大农民欢迎的农用化学品之一，其市场前景十分广阔。高吸水性树脂是一种发展迅速的新材料，在我国极具市场潜力。随着人们对SAP研究的深入，具有耐盐、保水、保肥等多功能SAP的研究已经取得了巨大的进展，但是我国SAP的生产及应用均落后于发达国家，迫切需要快速发展。我国地大物博，土壤沙漠化严重， SAP在农业上的应用具有巨大的潜力，加强对具有抗旱保墒，且具有缓释肥功能的绿色环保型SAP的研究，建立以多功能新型SAP为中心的完整化学抗旱、节水、保水技术体系，并开展大面积的示范推广也是今后研究的重点。此外，目前应用于工业化生产的SAP大多是丙烯酸盐类，原料成本高，不利于大范围应用。加强对非金属矿物/保水复合材料的研究，同时研究简化生产工艺，减少聚合后半成品水分含量从而减少产成品干燥时间和干燥能耗，对于降低SAP成本，扩大SAP应用范围具有重要意义。另外，应该尽快利用原料和市场需求两个优势，引进国外先进技术，并依托国内科研力量进行开发，建设经济规模工业化装置，以便迅速占领这一高增长的市场。

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碳纤维复合材料是随着军事工业发展起来的新型材料，它主要由碳元素组成的特种纤维，含碳量90%以上，拥有一般碳素材料的特性，例如耐高温、耐摩擦、导电、导热以及耐腐蚀等，既可以作为结构材料，又能作为功能材料发挥作用，被誉为21世纪的新材料。它在航天、汽车、化学、能源、交通、建筑等众多领域都有应用。碳纤维加固:1984年，伊拉克的Kajima首次使用了碳纤维增强混凝土外墙墙板，随后，日本的的一栋大楼也使用了碳纤维墙板，减轻了40%的重量。现在较为常见的建筑材料为碳纤维增强混凝土、碳纤维棒材、碳纤维片材等。除了补强加固房屋，还可以用于制作非承重墙、防水房顶涂层、电磁屏蔽和导线板、防腐蚀涂层、耐磨铺地材料等。不同于国外，中国将碳纤维使用在建筑材料时间要晚一些，而且多用于建筑的加固工程，其作用机理是利用树脂将碳纤维片粘贴在混凝土表面，形成一个共同作用体，充分发挥它的优越性，进而达到修复加固的效果。不过经过这么多年，也有了一定的市场。　　用碳纤维加固建筑，方法简单，效果好，对施工环境没有特殊的要求，也不会动用到大型机械，受到专业人士的欢迎。每年，碳纤维的产量都在增加，市场也在不断扩大，它在筑领域的应用前景是非常广阔的。

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高性能纤维性能分析【摘要】分析了碳纤维、超高强聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚对苯撑苯并双恶唑 (POB)纤维和 M5 纤维等高性能纤维的重要特性以及它们的应用状况。【关键词】高性能纤维;先进复合材料;分子结构;重要特性;应用 [中图分类号]TS102，528 [文献标识码]A [文章编号]1002-3348（2005）01-0054-04 高性能纤维 (High-Performance Fibers)是从 20 世纪 60 年代开始研发并推广的纤维材料，它的出现使传统纺织工业产生了巨大变革。所谓高性能纤维是指有高的拉伸强度和压缩 3 强度、耐磨擦、高的耐破坏力、低比重(g/m )等优良物性的纤维材料，它是近年来纤维高分子材料领域中发展迅速的一类特种纤维。高性能纤维可用于防弹服、蹦床布等特种织物的加工及纤维复合材料中的加固材料，其发展涉及许多不同的领域。本文分析和比较了碳纤维、超高强聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚对苯撑苯并双恶唑(PBO)纤维、M5 纤维等高性能纤维的特性以及它们的应用状况。 1 高性能纤维 1·1 高性能纤维分类无机纤维:碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维等。有机纤维:超高强聚乙烯纤维(HPPE)、芳香族聚酰胺纤维、聚对苯撑苯并双恶唑(PBO) 纤维、M5 纤维等。 1·2 碳纤维碳纤维的生产始于 20 世纪 60 年代末 70 年代初，由有机纤维如腈纶(PAN)纤维、粘胶纤维或沥青纤维经预氧化、炭化和石墨化加工而成。碳纤维的石墨六方晶体结构决定了其强度大、模量高等优良性能，如日本东丽公司生产的 T-400 碳纤维，拉伸强度可达 2GPa，断裂伸长率为 5%。碳纤维不燃烧，化学性能稳定，不受酸、盐等溶媒侵蚀。 1·3 超高强聚乙烯纤维高强高模聚乙烯在 20 世纪 70 年代出现，具有超高分子量，高取向度，且分子间距很近， 3 使纤维具备高强高模的特征，其密度具有 97g/cm ，是唯--能浮在水面上的高强高模纤维。除此之外，其他机械性能亦比较突出，如良好的韧性和耐疲劳性能，耐高速冲击性等。 1·4 芳香族聚酰胺纤维 20 世纪 70 年代，人们开始从事液晶态纺丝技术的研究，用于纺制高性能纤维，与普通纺丝的分子结构截然不同，液晶态纺丝时形成的分子链只有刚棒状高取向的有序结构。图 1 液态高聚物分子的构型示意图 (a)为典型普通大分子，为无规则线团;(b)为刚性大分子，在没有良好侧向作用和导向情况下的状态;(c)为无规的棒状液晶;(d)为向列型液晶芳香族聚酰胺是最为人所熟知的，通过液晶纺丝纺制的高性能纤维，如 Kevlar(聚对苯二甲酰对苯二胺纤维)、 Twaron(聚对苯二甲酰间苯二胺纤维)、 Technora(聚对苯二甲酰对苯二胺纤维)等，如图 3 所示，为芳香族聚酰胺高结晶和高取向分子结构。这类纤维性能比较均衡，具有高强伸性能，高韧性、耐腐蚀、耐冲击、较好的热稳定性，不导电，除了强酸和强碱外，具有较强的抗化学性能。图 3 芳香族聚酰胺晶体结构图聚对苯撑苯并双恶唑(PBO)纤维 1998 年国际产业纤维展览会上，日本东洋纺展出了商品名为 Zylon 的 PBO 纤维，其化学名为聚对苯撑苯并双恶唑，化学结构为: 1·5 PBO 纤维采用液晶纺丝法纺丝，由苯环和苯杂环组成的刚棒状分子结构以及分子链的高取向度，决定了它的优良性能。 PBO 初纺普通丝(AS 丝-标准型)就具有 5N/tex 以上的强度和 84N/tex 以上弹性模量，经热处理后可得到强度不变、模量达 4N/tex 的高模量丝 (HM 丝-高模量型)。PBO 作为一种新型高性能纤维，具有高强度、高模量、耐热性、阻燃性 4 大特点，其强度与模量相当于 Kevlar (凯夫拉)的 2 倍，限氧指数(L01)为 68，热分解温度高达 650℃，在有机纤维中为最高，被认为是目前具有最高耐热性能的有机材料之一。表 1 PBO 纤维的性能性能 PBO 一 AS PBO—HM 密度(g/cm3) 54 56 抗拉强度(GPa) 8 8 拉伸模量(GPa) 180 280 断裂延伸率(%) 5 5 热分解温度(℃) 650 650 L01(%) 68 68 表 2 PBO 纤维与其他纤维的主要性能比较性能 PBO-HM Kevlar-49 宇航级碳纤维密度(g/cm ) 纤维直径(?m) 抗拉强度(Gpa) 拉伸模量(CPa) 断裂延伸率(%) 3 56 24 8 280 5 45 12 2 115 0 80 6 58 230 5 热分解温度(℃) 650 550 一 1·6 M5 纤维 PBO 纤维推出的几年后，阿克卓·诺贝尔(Akzo Nobel)公司开发了一种新型液晶芳族杂环聚合物:聚[2，5-二烃基-1，4-苯撑吡啶并二咪唑]，简称 "M5"或 PlPD，化学结构为: M5 纤维的结构与 PBO 分子相似——刚棒结构。 M5 分子链的方向上存在大量的-OH 和-NH 在基团，容易形成强的氢键。如图 4 所示，与芳香族聚酰胺晶体结构不同，M5 在分子内与分子间都有氢键存在，形成了氢键结合网络。图 4 为 M5 纤维沿分子链轴方向的晶体结构，虚线为氢键。图 4 M5 晶体结构比较图 3 与图 4 可以清楚地看出，M5 大分子所形成的双向氢键结合的网络，类似一个蜂窝。这种结构加固了分子链间的横向作用，使 M5 纤维具有良好的压缩与剪切特性，压缩和扭曲性能为目前所有聚合物纤维之最。 2 高性能纤维特性分析比较碳纤维石墨层面上碳-碳共价交键的存在，使作用于碳纤维上的应力，从一个石墨层转移到相邻层面，这些共价交键保证了碳纤维具有高的拉伸模量和压缩强度。但这些共价键为纯弹性键，一旦被打破，不可复原，即不显示任何屈服行为。所以碳纤维受力时，应力-应变曲线是线性关系，纤维断裂是突然发生的。有机纤维的性能取决于分子结构、分子链内键及分子链间结合键。如前所述，超高强聚乙烯纤维、PBO 纤维都具有优良的性能，但由于超高强聚乙烯纤维大分子链间的结合键为弱的范德华键，使其纤维易产生蠕变，压缩强力较低，另外超高强聚乙烯纤维耐热性和表面粘合性有限，因而不适合用作加固纤维。而 PBO 纤维也因大分子链间没有形成氢键结合、作用力较弱，使得其压缩和扭曲性能较低，加之纤维表面惰性强，与树脂的结合能力较差，在复合材料成型过程中，有明显的界面层，从而影响也限制了 PBO 的应用。芳香族聚酰胺纤维高结晶度、高取向度的分子结构，使其具有高强伸性能，也是由于大分子链间弱的作用力 (范德华键)，造成大分子链间剪切模量及压缩强度低。芳香族聚酰胺纤维由氢键结合成的薄片状结构在受压缩载荷作用时易塑性变形，薄片相对容易断开，在严重过载时会出现原纤化，最终导致压缩失效。分子链间结合键以 M5 比较理想， M5 大分子间和大分子内的 N-H-O 和 O-H-N 的双向氢在键结构，是其具有高抗压性能的原因所在，热处理后的 M5 纤维，拉伸模量可达 360GPa，拉伸强度超过 4GPa，剪切模量和抗压强度可达 7GPa 和 7GPa。此外 M5 而大分子链上含有羟基，使它与树脂基体的粘结性能优良，采用 M5 纤维加工复合材料产品时，无需添加任何特殊的粘合促进剂，且具有优良的耐冲击和耐破坏性。有资料显示，以 M5 为加固纤维的复合材料，在压缩过载的情况下，测试样品仍能继续承受显著的(压缩)载荷，与之相比，碳纤复合材料会粉碎，而芳香族聚酰胺复合材料则会被挤成纤丝状薄片(原纤化)。如图 5、图 6 分别为一个碳纤维和一个 MS 纤维复合材料的失效测试条，显示了脆性与韧性失效之间的明显差异。此外，M5 纤维的刚棒结构又决定了它有高的耐热性和高的热稳定性，空气中热分解温度达到了 530℃，超过了芳香族聚酰胺纤维，与 PBO 接近，极限氧指数（LOI）为 59，在阻燃性方面也优于芳纶。图 5 碳纤维复合材料测试条的失败图 6 M5 纤维料测试条的失败表 1 为几种高性能纤维力学及物理特性。表 1 高性能纤维的力学和物理特性特性高强度超高强聚高模量芳香族高模量高模量 M5 纤碳纤维乙烯纤维聚酰胺纤维 PBO 纤维维（实验值）抗拉强度(GPa) 伸长率(%) 拉伸模量(GPa) 压缩强度(GPa) 压缩应变(%) 密度(克/cm ) 标准回潮率(%) 限氧指数（LOI） 3 58 5 230 10 90 80 0 一 43 0 0 一一 97 一一 2 0 115 58 50 45 5 29 8 5 280 40 15 56 6 68 0 5 330 70 50 70 0 59 空气中热老化起 800 150 450 550 530 始温度(℃) 从表 1 看，M5 纤维的各种性能指标都接近或超过其它高性能纤维，为综合性能优良的高性能纤维。 3 应用与前景目前超高强聚乙烯纤维的应用主要是加工防弹用特种织物、防弹板、渔业用绳网、极低温绝缘材料、混凝土补强加固用试验片材、光缆补强材料、降落伞绳带、汽车保险杠等。芳香族聚酰胺纤维常见的品种 Kevlar、Twaron、Technora 纤维等，主要应用有作为复合材料的增强体、渔业工业等用绳网、防弹服、防弹板、头盔、混凝土补强材料等。碳纤维的优良特性使其广泛用于航空、航天、军工、体育休闲等结构材料，应用于宇宙机械、电波望远镜和各种成型品，还有直升飞机的叶片、飞机刹车片和绝热材料、密封填料和滤材、电磁波屏蔽材料、防静电材料、医学材料等。PBO 纤维从问世以来就受到人们的关注，其应用主要有防冲击方面的加固补强材料、复合材料中的加固材料，用于防护的防弹服、防弹头盔、消防服、高性能及耐高温传动带、轮胎帘子线、光纤电缆承载部分、架桥用缆绳、耐热垫材等。与各种高性能纤维相比，M5 纤维的综合性能更优越，这使得它的应用领域更广泛。尤其是 M5 纤维的抗冲击力和耐破坏性，使它在制造经济、高效的结构材料方面有广阔的应用前景，如应用于航空航天等高科技领域，在高性能纤维增强复合材料中 M5 也具有很强的竞争力。当前 M5 纤维的研究比较活跃，随着研究的深人，其性能和应用将得到不断的提高和拓展。高性能纤维的不断创新是高性能产业用纺织品及复合材料用纤维领域的重要进步，随着世界高新技术、纤维合成与纺丝工艺的发展，以及军事、航空航天、海洋开发、产业应用的迫切需要，高性能纤维的开发与应用前景将更为广阔。新型高性能纤维M5的研究与应用摘要:本文介绍了一种新型液晶芳族杂环聚合物，聚(2，5-二羟基-1，4-苯撑吡啶并二咪唑){poly[2，6-diimidazo(4，5-b:4'，5'-e)pyridinylene-1，4(2，5-dihydroxy)phenylen]，PIPD}纤维(简称M5)简述了M5纤维的制作方法，M5纤维特殊的分子结构特征，并通过与其它高性能纤维的比较，阐述了M5纤维优良的性能，特别是其良好的压缩与剪切特性除此之外，M5纤维的高极性还使其更容易与各种树脂基体粘接，这使M5纤维的综合机械性能比目前其它高性能纤维都好文中还展望了M5纤维的应用前景前言近年来，随着对有机高性能纤维的不断深入研究，在刚性高性能纤维领域已经取得了很大的进展但大多数高性能纤维，因分子间结合力的薄弱而导致某些力学性能上的不足，如PBO纤维大分子链间较弱的结合力，使其压缩和扭曲性能较差纤维材料的压缩性能，主要取决于纤维大分子之间的相互作用程度[1，2]通常纤维扭转模量可作维表征大分子之间相互作用程度的一个量度因此，如何增强大分子链之间的相互作用，已成为进一步强化刚性聚合物纤维力学性能的一个重要问题作为Akzo-Nobel实验室的研究成果，一种新型的高性能纤维，即著称的M5已经被研究出来聚合物是聚(2，5-二羟基-1，4-苯撑吡啶并二咪唑){poly[2，6-diimidazo(4，5-b:4'，5'-e)pyridinylene-1，4(2，5-dihydroxy)phenylen]，PIPD}纤维(简称M5)[3]由于M5纤维沿纤维径向即大分子之间存在特殊的氢键网络结构，所以M5纤维不仅具有类似PBO纤维的优异抗张性能，而且还显示出优于PBO纤维的抗压缩性能1高性能纤维M1 单体的选择及M5的合成[4]在M5聚合物的制备过程中，其关键步骤是单体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)经硝化还原后制成，反应方程式如下所示:在M5的合成过程中，TAP需经盐酸化处理并以盐酸盐形式参与聚合反应若TAP直接以磷酸盐的形式参与反应，不但可以避免盐酸腐蚀作用，还可以加快聚合反应速度，但却易发生氧化作用另一单体2，5-二羟基对苯二甲酸(2，5-Dihydroxyterephthalicacid，DHTA)的合成也是制备M5聚合物的重要环节，可由2，5-二羟基对苯二甲酸二甲酯(2，5-dihydroxy-1，4-dimethylterephthalate，DDTA)水解后制得，反应方程式如下所示:M5纤维的聚合过程与聚对苯撑苯并二恶唑(poly(p-phenylenebenzobisoxazole)，PBO)相似，可将TAP和DHTA两种单体按一定的等当比同时加入到聚合介质多聚磷酸(polyphosphoric acid，PPA)中，脱除HCI后逐渐升温至180℃，反应24h，得到M5聚合物，反应方程式如下所示:2 M5的分子结构特征及聚合物的聚集态结构1 M5的分子结构特征M5纤维在分子链的方向上存在着大量的-OH和-NH基团，容易在分子间和分子内形成强烈的氢键因此，其压缩和扭曲性能为目前所有聚合物纤维之最M5纤维的刚棒状分子结构特点决定了M5纤维具有较高的耐热性由于M5大分子链上含有羟基，M5纤维的高极性使其能更容易与各种树脂基体粘接图1热处理后PIPD-HT单斜晶胞的双向氢键网络晶体结构示意图[5]图2热处理后PIPD单斜晶胞沿C轴的分子结构示意图[5]图1和图2都显示了热处理后PIPD纤维的微观二维结构，即在大分子间和大分子内分别形成了N-H-O和O-H-N的氢键结构，这种双向氢键的网络结构正是M5纤维具有高抗压缩性能的原因在图1 热处理后PIPD-HT单斜晶胞的双向氢键网络晶体结构示意图图2 热处理后PIPD单斜晶胞沿C轴的分子结构示意图2 M5的聚集态结构图3 PIPD-AS沿C轴方向的分子结构示意图如图3所示，为含有21%左右水分子的PIPD-AS纤维的结晶结构由于PIPD-AS纤维中存在着大量的水，因而使得PIPD-AS纤维有很大的质量热容，而且具有良好的耐燃性能表2和表3所列出的实验结果也证实了这一结论[16，19]如图4所示，为不同热处理温度的PIPD-AS纤维WAXD图[16]从图4可以看出，PIPD-AS纤维在热处理过程中晶体中的水分被脱出，变成无水聚合物晶体，从而在垂直于纤维方向的平面内形成二维氢键网状结构有实验表明，经过热处理后PIPD纤维的结晶度和取向度都有很大的提高图4 不同热处理温度的PIPD-AS纤维WAXD图Klop EA等[22]通过PIPD晶体结构的X射线衍射实验研究发现，因PIPD试样的处理温度不同，在PIPD的分子内部可出现不同形式的结晶结构—单斜结晶晶胞和三斜结晶晶胞(如图5和图6所示)单斜和三斜的晶胞参数分别为:单斜结晶: a=49 ，b=48 ，c=01 ，=90°，=107°，=90°三斜结晶:a=68 ，b=48 ，c=02 ，=84，=110°，=107°Takahashi等[20，21]采用中子方法测得的PIPD-HT晶胞参数为:a=33 ，b=462 ，c=16 ，=84°，=4°，空间结构为P21/，单斜晶胞区别于三斜晶胞的不同之处在于，三斜晶胞的氢键网络结构仅仅是靠沿对角线平面的大分子连接的，而单斜晶胞可在垂直于纤维方向的平面内形成了二维氢键网络结构，显然这种二维氢键网络结构，使得M5具有其它高性能纤维所无法比拟的高剪切强度，剪切模量和压缩强度图5 PIPD单斜晶胞在ab面和ac面上的投影图6 PIPD三斜晶胞在ab面上的投影3 M5纤维的纺丝工艺[9，16]1 M5纤维的成形M5纤维的纺丝是将质量分数为18~20%左右的PIPD/PPA纺丝浆液(聚合物的MW为0×104~5×105)进行干喷湿纺，空气层的高度为5-15cm，纺丝温度为180℃，以水或多聚磷酸水溶液为凝固剂，可制成PIPD的初生纤维其中，实验用喷丝孔直径范围为65-200 m，喷头拉伸比取决于喷丝空的直径，可达70倍，所得纤维直径为8-14 所得M5的初生纤维需在热水中进行水洗，以除去附着在纤维表面的溶剂PPA，并进行干燥图7 M5纤维的热处理示意图2 M5纤维的热处理为了进一步提高初生纤维取向度和模量，对初生纤维在一定的预张力下进行热处理，如图7所示在这一过程中，M5纤维取向度将伴随着由其分子结构的改变引起的剪切模量的增加而增大对M5初生纤维进行热处理能够改善纤维的微观结构，从而提高纤维的综合性能M5初生纤维再进一步用热水洗涤除去残留的多聚磷酸水溶液(PPA)和干燥后，在氮气环境下于400℃以上进行大约20s的定张力热处理，最终可得到高强度，高模量的M5纤维在此需要特别指出的是，如果热处理温度过低或处理时间过短，则PIPD-AS和PIPD-HT的转变是可逆的因此，热处理温度与热处理时间对M5纤维的模量影响很大4 M5纤维的性能1 力学性能图8 PIPD-AS和PIPD-HT纤维的应力-应变曲线图如图8所示，热处理后的PIPD纤维同PIPD的初生纤维相比较，二者的力学性能截然不同，PIPD-AS纤维存在屈服，而PIPD-HT纤维不存在这种现象Lammwers M[18]等研究发现，经过200℃热处理的初生纤维压缩强度由原来的7Gpa提高到7Gpa，而经过400℃热处理的初生纤维压缩强度由原来的7Gpa提高到1G显然对于PIPD的初生纤维来讲，并非热处理温度越高越好通过用偏光显微镜观察发现:在400℃热处理的纤维中存在裂纹，这可能是导致压缩强度下降的原因，因此，热处理温度不宜太高表1[9-14]给出了几种高性能纤维的力学性能和其它性能的对比数据，其中的力学性能包括拉伸强度，断裂伸长，模量以及抗压缩强度等与其它3种纤维相比，M5的抗断裂强度稍低于PBO，远远高于芳纶(PPTA)和碳纤维，其断后延伸率为4%;与其它高性能纤维相比，M5纤维的模量是最高的，达到了350GPa;M5的压缩强度低于碳纤维，但却远远高于Twaron-HM纤维和PBO纤维，这归因于M5的二维分子结构[17]表1 M5纤维与其它高性能纤维的比较纤维拉伸强独/Gpa断裂伸长/%初始模量/ Gpa压缩强度/ Gpa压缩应变/ %密度/(-3)回潮率/%Twaron-HM5C-HS0PBO6M0纤维空气中的热稳定性/℃LOI/%电导性抗冲击性抗破坏性编制性能耐紫外性Twaron-HM45029-++++-C-HS800N/A++------++PBO55068-++N/A+/---M5530>50-+++++++M5纤维特殊的分子结构，使其除具有高强和高模外，还具有良好的压缩与剪切特性，剪切模量和压缩强度分别可达7GPa和6GPa，优于PBO纤维和芳香族聚酰胺纤维，在目前所有聚合物纤维中最高图9 M5纤维的轴向压缩SEM图一般来讲，当高性能纤维受到来自外界的轴向压缩力时，其纤维内部的分子链取向会因轴向压缩力的存在而发生改变，即沿着纤维轴向出现变形带结构而对M5纤维来讲只有当这种轴向压缩力很大时才会出现这种结构[11]如图9所示，当M5纤维受到外界的轴向压缩力时，压缩变形后的M5纤维中也会出现一条变形带结构，但与其它高性能纤维(如PBO)相比较，M5纤维的变形程度要小很多2 阻燃性能表2 PIPD-AS和PIPD-HT纤维耐燃性能的重要参数[5]试样PHRR①(kWm-2)TTI②(s)SEA③FPI④(sm2kW-1)残留量(%)PIPD-AS76061PIPD-HT89062PBO-HM17072T09811N08724PVC05515注:①热量释放最大速率(PHRR);②引燃时间(TTI);③比消光面积(SEA);④耐燃性能指数(FPI)表2所列数据是热量计热流为75kW/m2时测得的，也就是在试样表面温度为890℃左右时测得的值纤维试样放在一块1cm2的线网上试样原始重量在3g-5g之间从表2可以看出，PIPD-AS纤维热量释放最大速率(PHRR)为7kWm-2，也就是说单位时间内PIPD-AS释放出最小的热量，与其它高聚物相比是一种较好的阻燃剂用材料PIPD-AS纤维的点燃时间最长为77s，远高于Nomex纤维SEA是用来衡量单位物质燃烧时产生的烟雾量，PIPD-AS纤维达到了224m3/kg，而Nomex纤维为38670m3/kg，二者相比PIPD-AS纤维的SEA值远低于Nomex纤维，说明PIPD-AS纤维燃烧时产生的烟雾量要远少于Nomex纤维同表2中的其它高聚物相比，PIPD-AS纤维的耐燃性能指数(FPI)最高为76sm2kW-从表2中各项耐燃性能参数可以看出PIPD纤维在耐燃性方面，要好于其它高性能纤维，即PIPD纤维在耐燃性方面将具有较好多应用前景M5纤维的刚棒状分子结构决定了它具有较高的耐热性和热稳定性从表2中可以看出，PIPD-HT纤维具有与聚对苯亚基苯并双嗯哇(PBO)纤维相似的FPI值，但它在燃烧过程中更不容易产生烟M5在空气中的热分解温度为530℃，超过了芳香族聚酰胺纤维，与PBO纤维接近M5纤维的极限氧指数(LOI)值超过50，不熔融，不燃烧，具有良好的耐热性和稳定性[7]3 界面粘合性能与PBO，聚乙烯或芳香族聚酰胺纤维相比，由于M5大分子链上含有羟基，M5纤维的高极性使其能更容易与各种树脂基体粘接采用M5纤维加工复合材料产品时，无需添加任何特殊的粘合促进剂M5纤维在与各种环氧树脂，不饱和聚酯和乙烯基树脂复合成形过程中，不会出现界面层，且具有优良的耐冲击和耐破坏性[6，8]4 热力学性能图10 四种不同含水量M5纤维的DSC扫描图图10为MGNoRTHoLIT[19]等用SetaramC80D热量计测得的四种不同含水量M5纤维的DSC谱图研究发现将1g试样材料放在一个开放的测试槽内，以2℃/min的速度，在30℃-200℃范围内得到一张扫描图，如图5所示从DSC谱图可以看出，四种不同含水量M5纤维的吸热峰面积及位置与开放测试槽内水分的蒸发有关从表3可以看出，含有结晶水的M5初生纤维的热吸收值与不含结晶水的M5纤维的热吸收值之间存在着较大的差别，而PIPD初生纤维和PIPD HT试样的热吸收值之间几乎没有什么差别通过以上研究发现完全干燥的PIPD初生纤维的晶体结构与PIPD-HT试样结构类似表3 不同含水量的PIPD纤维的热吸收值试样热吸收值(J/g)PIPD初生纤维(含水量20%)637PIPD初生纤维(干燥)163PIPD HT(含水量7%)378PIPD HT(干燥)1855 应用及展望作为一种先进复合材料的增强材料，M5纤维具有许多其它有机高性能纤维不具备的特性，这使得M5纤维在许多尖端科研领域具有更加广阔的应用前景;M5纤维可用于航空航天等高科技领域;用于国防领域如制造防弹材料;用于制造运动器材如网球拍，赛艇等M5纤维特殊的分子结构决定了其具有许多高性能纤维所无法比拟的优良的力学性能和粘合性能，使它在高性能纤维增强复合材料领域中具有很强的竞争力与碳纤维相比，M5纤维不仅具有与其相似的力学性能，而且M5纤维还具有碳纤维所不具有的高电阻特性，这使得M5纤维可在碳纤维不太适用的领域发挥作用，如电子行业由于M5大分子链上含有羟基，M5纤维的高极性使其能更容易与各种树脂基体粘接正是由于M5纤维具有许多其他高性能纤维所无法比拟的性能和更加广阔的应用前景，这使得众多的科研工作者都积极地致力于M5纤维的研究相信在不久的将来，随着对M5纤维研究的进一步深入，作为新一代的有机高性能纤维—M5纤维必将得更加广泛的应用