碳纤维复合材料研究与应用论文

校企联合培养模式(又称之为校企合作、工学结合、产学结合等)是指高校与企业联合各自优势资源，采取课堂教学与企业实践相结合的方式，共同培养适应不同需求、素质全面高素质人才的开放式教育模式。校企联合培养的思想最早诞生于美国（19世纪前半叶），20世纪中叶开始在欧美等发达国家盛行，发展至今，校企联合培养模式主要有美国的合作教育、英国的“三明治”教育、日本的‘‘产学合作”模式、德国的“双元制”模式、澳大利亚的“TAFE”模式以及法国的“学徒培训中心”培养模式和新加坡的“教学工厂”音养模式。

校企联合培养依托行业发展，以培养应用能力为主线，通过构建适应现代经济发展、以市场为导向的“零距离”实践教学体系、与市场“零距离”接轨的教材体系和基于就业需求的“零距离”素质拓展培养体系，培养接地气的高素质行业人才。问世以来，不仅对各国经济发展起了积极的促进作用，而且大大提升了学生就业的适应性。通过借鉴国外成功模式，我国高校与企业积极探索和发展了多种校企联合培养模式，例如：大学科技园、校办企业、国家产学研工程、“产学研”联合培养基地和校企联合培养基地等，联合培养本科人才、工程硕士、硕士研究生和博士生。

在湖南省教育厅的支持下，国防科学技术大学航天科学与工程学院(简称国防科大)与株洲时代新材料科技股份有限公司（简称时代新材)合作建立了湖南省复合材料研究生培养创新基地，探索联合培养材料科学与工程领域全日制硕士和博士研究生(课程学习在高校，课题研究在企业）、合办工程硕士研究生班、合作培养博士后研究人员的模式和方法。笔者正是该创新基地培养的博士研究生，现作为教员，对校企联合培养博士研究生的探索和实践，有些微体会。

一、产学研深度融合是校企联合培养共赢的基础

校企联合培养追求“高校一企业一学生”共赢的目标。理论上，共赢目标的愿景无限美好，但实际上国内外不断实践和探索的结果却不尽如人意，原因在于、共赢”必须以产学研深度融合为基础。深度融合，则“共赢”枝繁叶茂;不然，则空空如也。

根据邢素丽等人的论述，产学研深度融合应包括:

（1)需融学科和产业、学问和技术、基础研究与工程应用内涵于一体；

（2)需融高校科研、企业课题、国家和省课题内涵于一体;

（3)需融高校学科优势、企业需求内涵于一体;

（4)需融新技术、新需求、新理论、新应用内涵于一体。在产学研深度融合的基础上，以研究生培养创新基地为平台，发挥校企各自优势，促进不同领域、不同范畴、不同层次等之间的融合，为研究生营造创新环境、激活创新动力、提升创新水平、增强创新能力。

国防科大与时代新材料，以共同研发兆瓦级复合材料叶片为契机，深度合作，联合培养博士研究生，实现共赢。兆瓦级复合材料叶片研发需要解决四大关键技术:气动布局、结构、制备和全尺寸测试。气动布局直接关系叶片捕捉风能的效率和风能的利用率;合理的结构设计是确保叶片安全运行20年的保证;叶片效能的最终实现，关键在于如何制备出质量稳定的兆瓦级复合材料风电叶片，难点包括模具设计与制备、工艺设计与实现、制备控制与效率等，稍有不慎，整个叶片制备失败或质量差下，动辄就是百万级别的经济损失；制备完成后，在国际认证机构(例如船级社）的监视下，完成全尺寸静力测试和疲劳测试考核，才能获得市场准人资格。

国防科大充分利用自己气动设计、结构设计、大尺寸复合材料整体成型制备和大型构件全尺寸测试等方面的学科优势，结合时代新材资金、场地和人力，共同研发了、低风速型、超长型、海上超大型等多款兆瓦级复合材料风电叶片并实现产业化，目前相关产品巳在国内外50多个风场装机运行，为国家新能源战略计划做出了重大贡献。该项目校企联合培养的博士研究生(笔者)全程参与了兆瓦级复合材料风电叶片气动设计、结构设计、成型制备和全尺寸测试的.所有工作，涉及空气动力学、结构力学、复合材料力学、流体力学、复合材料学、流变学、热力学、化学等多学科知识，理论知识在工程实践中得到了很好的应用，同时以超大型碳纤维复合材料风电叶片为研究背景，针对结构设计和成型制备过程中的物理、化学变化机制，发表10余篇(其中SCI源刊8篇，EI源刊6篇），申请国家发明10余项，获湖南省科技进步一等奖1项，顺利完成博士毕业论文研究，相关研究成果支撑了2项科技鉴定成果。高校一企业一学生三方共赢，其根本原因就是校企合一，深度融合！

校企联合培养博士研究生通常是两段式，即课程学习阶段在高校进行，完成基础理论课程学习；学位论文培养阶段在企业进行，参与企业科研项目，完成学位论文。学位论文阶段，如果没有产学研深度融合，博士生难以顺利完成学位论文研究。困难主要是人、财、物三方面的保障问题，此问题对于材料科学与工程专业尤为突出。博士生在企业进行课题研究，往往是单枪匹马，企业的性质决定了难以给博士生配备助手，而很多论文的实验研究是必须有帮手才能完成。比如，我们采用光学测试系统监测大型风电叶片极限载荷下的变形，需要十几个助手才能完成，在企业往往一个助手都没有，如果不是深度合作，此类实验就无法完成。此外，材料学科开展研究通常需要购买大量的原材料，购买原材料的资金谁出，如果没有明确，学生就不知所然，如果高校出，学生只能通过高校购买平台进行购买，来回奔波，疲于奔命，浪费大量的精力和时间;假设企业出资，如果需要层层审批和控制，以学生一己之力，难以协调。因此，校企联合培养，深度合作，解决博士生资金和资金使用问题，是保证其论文课题顺利开展的前提。

二、双导师制是校企联合培养成功的保障

校企联合培养，采取双导师制培养方式，即由校方导师与企方导师组成导师组共同指导研究生。校方导师为主导师，企方导师为副导师。校企联合培养课题论文阶段在企业完成，这种双导师制，很好地解决了导师随时指导、监督和协调的难题，可以确保校企联合培养研究生(包括硕士生和博士生)顺利完成论文研究。

开展综合性基础医学实验提高中医药专业研究生专业学位研究生“政产学研”合作培养模式的创浅议发挥开放性实验室在医学研究生实验教学中浅谈研究生科技论文英语写作能力培养的方法浅谈打造自主探究式研究生思想政治教育工程试论我国公共管理硕士研究生教育质量研究研究生统计学专业英语课程教学实践与思考探析研究生文献阅读研讨课教学评价体系浅谈以发展的视角看研究生教材出版研究生英文文献导读课程教学探析

题目及培养人才的需要，负责研究生培养计划的制定、学术指导、论文审阅与组织论文答辩等工作。校企双方导师及时交流，共同解决在创新基地研究生的科研和生活中出现的问题。学生每月按时向校企双方导师汇报工作学习情况，双方导师填写《指导情况记录表》，及时指导学生。这样，既保证了研究生培养要求，又充分发挥企业优势，加强科研实际训练，提高研究生的理论与实践能力。

以亲身经历而言，两导师的分工，笔者有不同的看法。企方导师的精力首先是以企业为主，负责企业的各种任务，目前令人尴尬的情况是:企方导师根本无暇顾及指导，更别谈负责工作安排、现场学术指导和学位论文的初审。因此，笔者认为，校方导师不仅要负责研究生培养计划的制定、学术指导、论文审阅与组织论文答辩等工作，还要负责工作安排。这肯定有人会问，如果这样是不是就不需要企方导师了？答案是当然需要，而且非常必要，只是角色定位应该是负责人、财、物的协调，保证学生论文的顺利开展。人、财、物的协调对于学生开展论文工作至关重要，而且对于企方导师来说，往往易如反掌。研究生，特别是博士研究生，通常都具有高度的自觉性，每周或每月定期向校方导师汇报论文进展情况，完全可以做到积极主动，这样校方导师综合研究的学术和应用价值，与学生一起讨论制定研究方案、工作安排也是水到渠成的事，而且高效可行。

双导师制是一种很好的校企联合培养模式，但必须结合实际情况，合理分工，才能保障校企联合培养的成功，否则，就是纸上谈兵，空谈误人。

三、完备的创新平台是校企联合培养可行的前提条件

有了产学研深度融合的基础、双导师制度的保障，校企联合培养博士研究生是否可行，还取决于一个重要条件一一完备的创新平台。

国防科大与时代新材校企联合培养博士研究生，之所以行之有效，一个重要的前提条件就是时代新材拥有一个新材料检测中心，该中心具有材料科学与工程专业实验研究所需的多数检测设备和系统，即便是需要搭建平台，该中心也能快速完成。笔者博士论文涉及的实验和检测，几乎都是在该中心完成。假设时代新材没有该检测中心，即使是简单的力学性能测试都需要在高校完成，那么学生必然疲于奔波，留给论文研究和项目开发的时间还会剩多少？因此，一个开展论文课题研究所需的创新平台，对于校企联合培养博士研究生，实在是太必要了！如果没有，笔者建议不要轻易提校企联合培养，高校和导师要慎之又慎，以免误人子弟！

四、结语

综上所述，校企联合培养博士研究生只有建立在产学研深度融合的基础之上，结合实际情况，通过双导师制给予保障，企业拥有开展论文课题研究的创新平台，才能实现高校一企业一研究生的共赢。

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。

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，断裂伸长率为。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，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)就具有以上的强度和以上弹性模量，经热处理后可得到强度不变、模量达的高模量丝 (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) 抗拉强度(GPa) 拉伸模量(GPa) 180 280 断裂延伸率(%) 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 24 280 12 115 6 230 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。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） 3 230 一一一一一 115 29 280 68 330 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 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 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= ,b= ,c= ,=90°,=107°,=90°三斜结晶:a= ,b= ,c= ,=84,=110°,=107°Takahashi等[20,21]采用中子方法测得的PIPD-HT晶胞参数为:a= ,b= ,c= ,=84°,=°,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] 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×104~×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 m.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 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提高到,而经过400℃热处理的初生纤维压缩强度由原来的提高到.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;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/()回潮率/%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,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. 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(%)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.试样原始重量在之间.从表2可以看出,PIPD-AS纤维热量释放最大速率(PHRR)为,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.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]. 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]. 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[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℃/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.

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

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从力学性能讲环氧的最好，而且日本的碳纤维上江剂也是基本满足环氧类的，但是在中国国内，上将剂的水平还是相对比较低的，一来国内碳纤维行业是个技术密集型产业，而且国产碳纤维也没有产业化，二来科研力度和资金的相对薄弱。说实话，乙烯基绝不是最佳的选择，界面的性能没有环氧的好，但是鉴于国内碳纤维的民用化以及低端化，对力学性能等不适要求很高，同时考虑到成型工艺常用手糊和导入，而很少用成本高的预浸料模压或者热压罐成型，比如汽车的引擎盖，尾翼之类，所以才使用乙烯基的树脂。你需要进行浇注体，碳纤维复合材料力学性能测试，以及SEM电子显微镜查看界面。

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: 以丙二酸环(亚)异丙酯和多乙烯多胺对碳纤维进行化学接枝反应,并制备了碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料。利用红外光谱、X射线光电子能谱、扫描电镜、动态力学.

复合材料的用量已成为衡量军用装备先进性的重要标志。复合材料的兴起丰富了现代材料家族。尤其是具备高强度、高模量、低比重碳纤维增强复合材料的出现，使其成为各类军民装备重要的候选材料之一。美国国防部在2025年国防材料发展预测中提到，只有复合材料能够将强度、模量和耐高温的指标在现有基础上同时提高25%以上。正是如此，复合材料正成为航空以及国防装备的关键材料。一、航空航天领域纤维增强复合材料在飞机上的应用最早可以追溯到30年前，美国海军F-14和空军F-15战斗机尾翼部分采用硼纤维环氧树脂材料。在这之后，人们发现了碳纤维复合材料的优异性能，开始逐渐应用在军队及运输机上。碳纤维复合材料首次被应用在飞机上，主要是一些二级结构，包括整流罩、控制仪表盘和小的机舱门。但随着工艺技术的进步，碳纤维复合材料也逐渐被用于机翼、机身等其它部分。航天工业之所以选择使用碳纤维复合材料，不仅是因为这种材料能够减轻机身重量，同时其具备耐腐蚀、抗疲劳等优良特性。但是与传统金属材料相比，碳纤维复合材料由于成本过高仍然未被广泛应用。二、汽车工业碳纤维复合材料的材料性能及发展趋势顺应了汽车工业轻量化的发展需求，特别是随着新能源汽车的发展，碳纤维复合材料在汽车上将得到越来越广泛的应用。鉴于碳纤维复合材料具备的优异性能，目前已经逐渐开始被应用到国外汽车内外饰、底盘以及电器元件当中。未来，碳纤维复合材料以及热塑性复合材料等在汽车工业上的应用将替代传统的金属零部件。三、海洋船舶上世纪40年代，美国海军首次将碳纤维复合材料用于船舶建造。得益于它在海水环境中表现出的优异性能，在海洋船舶中的应用非常广泛。复合材料优异舒适性的设计理念和无缝船体的优势进一步推动了各种复合材料船舶的开发。近年来，碳纤维复合材料在船只上的使用不断增加，主要包括船壳、地板、甲板、舱壁，以及管道系统、油箱等上层建筑。碳纤维复合材料的应用不仅降低了制造和维修成本，改善外观，还可以减轻吨位，提高安全性。四、风力发电在风力发电领域，复合材料是制造风力发电叶片及其它重要结构部件的主要材料，叶片90%以上重量由复合材料组成，能够满足开发大型化、轻量化、高性能、低成本的发电叶片的要求。随着大丝束碳纤维的广泛应用，碳纤维价格的不断降低，碳纤维在大型叶片中的应用已成为一种趋势。未来风力发电叶片制造中，碳纤维代替部分玻璃纤维应用于叶片、且用量逐步增加是高性能碳纤维复合材料发展的必然结果。体育用品目前，碳纤维增强复合材料在体育器材领域已形成了较大的市场。随着体育运动对运动器材越来越苛刻的要求，将碳纤维增强复合材料运用到体育用品中来是21世纪体育器材的一大趋势。自行车20世纪80年代中期，意大利、法国、英国和美国相继开发成功了用碳纤维管和铝合金接头粘接成车架的碳纤维自行车。其车架重量较铬钼钢车架轻，强度、刚度却比铬钼钢车架高，因此一经研制成功，便被用作专门的比赛用车。曾获得男子自行车公路赛冠军的德国著名车手乌尔里希的“坐骑”就是用碳纤维增强复合材料作的支架，质量仅。目前一般使用树脂传递模塑工艺(RTM)来批量生产自行车。高尔夫球杆1972年美国Shakespear公司用长丝缠绕法制成高尔夫球杆，同年，美国的G．Brewer采用CFRP(碳纤维增强复合材料)制成球杆，此后，为了适应球的飞行距离和方向稳定性要求，在重量、尺寸和负荷等方面加以改善。现在高档的高尔夫球杆，采用碳纤维复合材料，密度小，强度高，弹性高，耐冲击，使高尔夫球杆变得可多次重复使用，而且也使运动员可充分发挥挥杆打球的力量和技术。钓鱼竿碳纤维增强复合材料制成的钓鱼竿比GFRP制品或竹竿都要轻得多，使其在撒竿时消耗能量少，而且撤竿距比后者远20%左右。CFRP所制的钓鱼竿长而好，刚性大，钓鱼竿在弯曲之后能迅速复原，使其传递诱饵的感觉较为灵敏。现在已有商品销售，用碳纤维增强塑料还可以制成渔具的卷铀，其重量不超过140克，但它的疲劳强度高，耐摩擦，因而使用寿命长。网球拍目前世界上高、中档网球拍大多是用碳纤维复合材料制成的。最早把碳纤维应用于网球拍的是1974年美国Chemold等公司。碳纤维复合材料可制大型网球拍，减震吸能性能好，设计自由。与其他材料相比，碳纤维应用于网球拍有以下优势：①可制造大型网球拍：与过去木制的相比，在同样重量下，球拍面积可增加倍左右，网线的张力比普通拍提高2O%～45%。②减震阻尼性能好：碳纤维复合材料的减震阻尼性能出类拔萃，它不易起振，起振后也易停振。③设计自由度大。羽毛球拍碳纤维增强复合材料刚成的羽毛球拍其特点是重量轻、刚性大、避免了木制品因其刚性不足而造成的断把现象，同时它还具有与上述网球拍一样的优点。滑雪板用碳纤维增强复合材料制造的滑雪板，其特点是刚性大，耐摩擦，在转弯、斜坡和越野赛中脚底用力较小。用CFRF制造的滑雪杖在运动界也享有盛名。其特点是刚性大、重量轻，一般在150克左右。

碳纤维复合材料力学性能论文

碳纤维不仅抗拉强度高,而且它的密度非常低,仅有³左右,大概是铝的1/2,钢的1/4。

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碳纤维是一种优秀的减重材料,其密度仅有 ,不到钢的1/4 ,其制作的碳纤维制品相比于金属材质的部件而言, 非常轻便。在减重的同时,碳纤维复合材料的力学性能也十分突出,其抗拉强度、弯曲强度、剪切强度均要优于多数结构材料,并且等级越高，力学性能越显著。现在还有T700级、T800、T1000级,具备更加突出的力学性能。碳纤维十分柔软,与纺织纤维材料类似,但却具有优异的力学性能,常用T300碳纤维的抗拉强度能够达到3500MPa ,是钢的数倍,其拉伸模量达到230GPa ,抗拉强度也高达3500MPa ,比强度和比模量综合指标要优于现有结构材料,同时还具备-些金属材料所没有的弯曲强度以及剪切强度,能够有效满足使用强度所需。碳纤维与金属材料最大的不同在于：一般选定的金属材料其强度也是给定的,而碳纤维是一种各向异性的结构材料，( 各向异性是指物质的全部或部分化学、物理等性质随着方向的改变而有所变化,在不同的方向上呈现出差异的性质)。碳纤维在垂直于纤维方向比平行于纤维方向的力学性能要好，所以碳纤维复合材料能够通过合理的铺层设计,最大限度的发挥性能优势,例如常见的碳纤维板,不同的铺层角度所带来的性能也是不同的。

复合材料是一种混合物。复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。按其结构特点又分为：①纤维复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。②夹层复合材料。由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。③细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。④混杂复合材料。由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内／层间混杂和超混杂复合材料复合材料的主要应用领域有：①航空航天领域。由于复合材料热稳定性好，比强度、比刚度高，可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。②汽车工业。由于复合材料具有特殊的振动阻尼特性，可减振和降低噪声、抗疲劳性能好，损伤后易修理，便于整体成形，故可用于制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件。③化工、纺织和机械制造领域。有良好耐蚀性的碳纤维与树脂基体复合而成的材料，可用于制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器等。④医学领域。碳纤维复合材料具有优异的力学性能和不吸收X射线特性，可用于制造医用X光机和矫形支架等。碳纤维复合材料还具有生物组织相容性和血液相容性，生物环境下稳定性好，也用作生物医学材料。此外，复合材料还用于制造体育运动器件和用作建筑材料等。

碳/碳复合材料的研究论文

碳纤维，等合金材料。

纤维的轻，耐腐蚀，不易变形，生产和工艺简单环保！而金属的耗材，质量重，易变性！建议以后这种问题直接在搜索百科，更详细

复合材料，强度高，重量轻，在军事上用途广泛。飞机，坦克，军舰，防弹衣，导弹等等。

碳纤维材料!~