一文詳細了解芳綸纖維復合材料的性能特點

以下文章來源于碳纖維及其復合材料技術 ,作者錢 鑫 博士

芳綸纖維(Aramid fiber)全稱為"聚對苯二甲酰對苯二胺",具有超高強度、高模量和耐高溫、耐酸耐堿、重量輕等優良性能,芳綸纖維于1960s由美國杜邦公司(商品名為Kevlar)研發成功并商業化,因此在碳纖維出現之前,芳綸纖維一直占據著高性能纖維市場。

 

本文首先簡述了芳綸纖維發展歷程,隨后重點針對芳綸纖維復合材料優異特性如高抗沖擊、低重量、耐磨等進行了詳細描述。

 

01 芳綸纖維發展簡史

 

上世紀60年代,美國杜邦公司全球首家以注冊商標Kevlar引進和生產芳綸的公司,自1973年起芳綸纖維就開始在市場上銷售。芳綸是由一位波蘭裔女化學家斯特凡妮婭·郭力克發現的,她當時正在進行一項研究,希望在輪胎制造中使用一種重量輕、強度特別強的材料來代替尼龍。

 

Kevlar纖維發明者——波蘭裔女化學家斯特凡妮婭·郭力克

 

如今芳綸復合材料中最有名的是杜邦公司的Kevlar凱夫拉纖維。隨著時間的推移,其他供應商也以不同的商業名稱供應芳綸,包括:杜邦公司提供的Nomex、日本帝人公司提供的Twaron和Technora、韓國Toray公司提供的Arawin、韓國Heracron公司提供的Kolon以及中國公司提供的一些產品。

 

因此,任何一種叫做Kevlar、Twaron或Nomex的材料實際上都是指芳綸,它具有特殊的性能,包括優異的抗沖擊和耐磨性、耐高溫性以及低重量。由于這些特性,這種材料經常用于陸軍、空軍、水上運動和汽車運動,以及輪胎、服裝和防護手套的制造和許多其他用途。

 

芳綸纖維材質防護手套

 

02 芳綸纖維復合材料特點

 

2.1 高抗沖擊性和抗裂性

 

芳綸纖維具有優異的抗沖擊性能,并且由于其堅韌且可吸收大量能量而在壓力下不會破裂。它廣泛用于制造防彈背心、船只、皮艇以及軍用車輛部件的裝甲。芳綸纖維復合材料的抗沖擊性能是碳纖維復合材料的5倍(采用落錘沖擊方法測試)。這種非凡的抗撞擊或抗子彈能力是由形成芳綸結構的長原子鏈造成的。

 

鑒于優異的抗沖擊特性,芳綸纖維被廣泛用于制造防彈背心和坦克裝甲材料的軍事用途。防彈背心通常是由幾十層芳綸(例如Kevlar)組成的材料制成,并在兩層之間包括一個陶瓷板。一些裝甲車(如美國M1坦克)所用的防護罩是由鋼-芳綸-鋼材料制成的,可以抵抗直徑達700mm的反坦克導彈。

 

芳綸纖維廣泛用于防彈背心領域

 

此外,除了保護坦克本身外,鋼-芳綸-鋼護盾還通過吸收穿透導彈產生的動能來保護乘員。Kevlar的另一個應用是在波音AH-64上,這是一種配備了Kevlar旋翼的美軍主攻直升機。在這里,Kevlar可以防止直徑最大為23毫米的子彈。

 

芳綸纖維可為直升機提供防彈功能

 

由于具有很高的抗沖擊性,Kevlar被廣泛用于建造船只和皮劃艇,例如為沃爾沃海洋賽(Volvo Ocean Race)設計的游艇外殼,這是最艱巨的運動挑戰之一。大多數水上運動的高性能皮艇都是由芳綸纖維或碳纖維/芳綸纖維混合材料制成的。

 

芳綸纖維保護皮劃艇免受損害

 

2.2 低密度/低重量

 

芳綸纖維具有極低的重量,這是制造復合材料的一個優勢。雖然碳纖維復合材料本身被認為非常輕,但是芳綸纖維復合材料比碳纖維復合材料輕約20%。在復合材料中使用芳綸織物可增加抗沖擊和耐磨性,并降低了復合材料元件的重量。

 

芳綸纖維的密度約為1.45g/cm³,而芳綸與環氧樹脂的復合材料的密度約為1.3g/cm³。該計算基于環氧樹脂與固化劑~1.1g/cm³的混合密度,以及復合材料生產過程中采用的先進技術,即高壓釜預浸料。而在通常被認為非常輕的碳纖維復合材料中,其密度接近1.55g/cm³,綜合對比,芳綸纖維復合材料比碳纖維復合材料輕20%。

 

如何比較芳綸纖維復合材料和金屬的重量?鋁為2.7g/cm³,鈦為4.5g/cm³,鋼為7.9g/cm³,因此,芳綸纖維復合材料比鋁輕2倍,比鈦輕3或4倍,比鋼輕6倍。

 

2.3 剛度適中,介于玻璃纖維和碳纖維之間

 

芳綸纖維復合材料比玻璃纖維復合材料具有更高的剛度,但也明顯低于碳纖維復合材料。芳綸纖維和碳纖維相似,有許多類型的纖維,包括標準、中等和高模量的纖維,它們可提供不同的剛度和強度。

 

不同種類纖維的剛度如下所示:

  • 玻璃纖維織物——從72GPa(標準E-玻璃)到87GPa(S-增強強度的玻璃織物);

  • 碳纖維織物——從230GPa(東麗T300)到588GPa(東麗HM級M60J);

  • 芳綸纖維織物——從96GPa(標準芳綸即Kevlar 129)到186GPa(飛機/航空工業中使用的芳綸即Kevlar 149)。

 

綜上所述,由標準織物制成的芳綸復合材料的剛度比玻璃纖維復合材料高30-40%,與碳纖維復合材料相比則要低50%。

 

2.4 耐磨性

 

芳綸纖維復合材料已經廣泛應用于易磨損的零部件,如保護賽車發動機的防滑板。芳綸通常被萃取工業(如采礦工業)用于加固輸送帶的橡膠帶,并確保更高的強度和耐磨性,據Kevlar制造商稱,加固后可使耐磨性提高50-70%。由于這些特性,該材料可用于復合材料以及工作服,如使用芳綸織物的防割安全手套,如Twaron或Kevlar。

 

2.5 低介電常數

 

芳綸纖維復合材料的介電常數低至?3.85(10 GHz),保證了信號穿透芳綸防護罩/天線罩的良好性能和強度。這種天線廣泛用于軍事目的,例如在軍用飛機上。

 

芳綸纖維用于軍事天線罩

 

芳綸纖維復合材料外殼/天線罩可保護天線不受損壞并確保良好的信號性能。相比之下,E-玻璃纖維復合材料提供的電容率對應于6.1(10 GHz),導致天線信號功率和性能降低60%。除芳綸外,還使用石英纖維,其介電常數為3.78(10 GHz)。

 

2.6 其他特性

 

芳綸纖維具有低熱膨脹特性,在高溫下非常穩定,幾乎為零,熱膨脹系數略為負,相當于(-2.4 x 10?? /°C)。芳綸纖維是很好的絕緣體,不導電。

 

芳綸纖維復合材料的一種特殊性能與振動吸收相關,因此可用于制造承受振動的部件,如飛機結構部件。

 

2.7 與其他織物加工混合復合材料

 

芳綸纖維織物可根據需要進行參數調整,用于碳纖維復合材料和玻璃纖維復合材料,為復合材料產品的供應商提供了多種可能性。

 

對于碳纖維復合材料,可以通過添加幾層芳綸纖維織物來提高抗沖擊性能。由50%的碳纖維和50%的芳綸纖維組合而成的混雜復合材料,與僅由碳纖維制成的復合材料相比,抗沖擊性能最高可提高25%。

 

芳綸纖維-碳纖維混編織物

 
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