高强度耐热合成纤维芳纶及Kevlar复合材料的特性

2022-10-16 07:56 • 文章 • 阅读 6101

Kevlar是一种合成材料，由一种称为聚对苯二甲酰胺的化学物质制成。在这里，我们讨论了这种坚固耐热的合成纤维凯夫拉，它的性能、局限性、应用以及最近的相关研究。

什么是复合材料？

复合材料是由几种不同的成分粘合在一起制成的异质材料，具有更好的性能。这些成分通常分为两大类：基体和增强体。顾名思义，增强材料是承重或承受冲击的组件，而基体将它们结合在一起并在某些情况下提供缓冲效果。复合材料的特性可能因材料的一部分而异，这取决于材料的相、形状和纤维的排列方式，以及所使用的基体-增强材料组合的类型。

有三种主要的基础基体类型：聚合物基体、陶瓷基体和金属基体，而增强材料可以是颗粒或纤维。这些的不同组合产生具有不同独特性能的复合材料，因此具有无限的应用。

在结构应用中使用的具有高强度重量比的复合材料最好归类为高性能系统，并且通常需要规范的生产设置以获得最大性能。此外，复合材料可以专门设计以满足每个特定项目的精确机械要求，使用不同的基体增强组合或通过改变基体增强比，从而为最终应用带来更高的效率。

天然、芳纶、碳和玻璃纤维现在是最广泛使用的纤维，其次是聚酯和尼龙纤维。短纤维增强环氧树脂复合材料提供有用的机械品质。它们用于各种行业，包括但不限于摩擦材料、国防、航空航天、汽车、体育用品和化学工程。

什么是凯夫拉？

凯夫拉尔浆是一种具有高强度重量比的短纤维，坚固且耐冲击载荷。Kevlar是由对位芳纶组成的商业纤维品牌，对位芳纶是一种坚固、轻质的材料，与Technora和Nomex等芳纶相连。它通常用于棉纤维、纺织品和织物中，或作为复合材料的重要组成部分。

聚合物链的线性和横向取向中的强和弱电子系统连接结合在一起，使凯夫拉尔纤维(KF)呈现黄色。此外，如果纤维弯曲成环，则纤维会在内部扭曲。这些特定的纤维品质被带到复合材料中。例如，多层凯夫拉尔环氧树脂单向纤维具有横向弱点，但线性强。

凯夫拉尔的局限性

聚对苯二甲酰胺(PPTA)(Kevlar)的生产成本很高。Kevlar的其他缺点包括抗压强度差、与其他材料相比对环境因素的敏感性以及穿透障碍（层压后需要特殊钻头）。

芳纶的性质

Kevlar已被证明是一种纤维状聚合物，可耐高温。然而，它在高温下会失去10%–20%的抗应力/抗拉力，几个小时后会进一步失去。例如，在160°C下连续使用500小时后性能会降低10%，在260°C下70小时内会损失50%的电阻。

纺成的Kevlar生产的纤维具有1.44的相对密度和大约3620 MP的应力/抗拉强度。Kevlar结构包含相对较硬的分子，这些分子通常以平板形式编织。Kevlar有多种形状可供选择，可以单独使用，也可以与其他纤维（如玻璃和碳纤维）结合使用以形成复合材料，具体取决于应用。Kevlar纤维具有重量轻、韧性好和出色的热稳定性。

羰基和氮-氢产生分子间氢键。通过相邻芳烃之间的堆叠相互作用，产生了更大的阻力。键和链的排列和定向产生了特定的性能，包括出色的耐磨和摩擦阻力、极低的蠕变、低热收缩、阻燃和自熄、高耐化学性、高抗撕裂性、低导电性、出色的尺寸稳定性、模量高、韧性好、断裂伸长率低、抗拉强度高、重量轻。

应用与结论

Kevlar是一种耐用、抗冲击的短纤维，具有高强度重量比。对位芳纶是与芳纶相连的坚固轻质材料，是这种商业纤维的基础。它经常用于制造棉纤维、纺织品和织物，并构成相当大一部分的复合材料。

Kevlar纤维增强聚合物复合材料已用于多个行业的各种应用。例如，它们最近主要用于国防工业，用于制造防弹夹克和头盔。不同的编织图案被生产出来并堆叠在一起，形成了一种出色的复合结构，可以抵抗子弹穿透并最大限度地减少冲击。此外，压实的Kevlar织物坚固、轻便且坚硬，因此适用于建筑覆层、加固和织物屋顶。此外，凯夫拉尔及其复合材料有望在不久的将来在空间应用中发挥重要作用，以保护航天飞机和通信卫星免受空间碎片的影响。