第2期32 纤维复合材料 1994年6月 FIBER COMPOSITES Jun.,1994 测试·分析 美国 Kevlar布性能测试分析 赵稼祥 国防科工委军用新材料应用研究专业组 提要本文对美国 Kevlar布的性能进行了测试分析包括Ker纤维的力学性能〔拉仲强度 拉伸模量断裂伸长),热物理性能(热膨胀系数、导热系数比热)热重分析(TG)示差扫描量热 DSc)等,用Kvar布制备了100×100复合材料层压板测试了层压板的弯曲强度弯曲模量、剪 切强度,并用扫描电镜(SEM)观察分析了表面形态和断裂的情况 关键词 Kevlar纤维 Kevlar复合材料力学性能热物理性能 TG DSC SEM ABSTRACT Properties of Kevlar fabric made in USA has been tested and analysed in this paper including the mechanical properties (tensile strength and modulus, elonga- tion at break), physical properties(coefficient of thermal expansion and heat conduc- tion, and specific heat),TG and DSC. The test for flexual strength and modulus of Kevlar fabric laminate with an area of 100 m2 is conducted. The surface state and the rupture morph nology is observed and analysed by SEM 刖 Kevlar纤维是美国杜邦公司于六十年代研制成功,七十年代实行商品化生产的一种高性 能有机纤维,学名是聚对苯二甲酰对苯二胺,其结构式为 SD-C-NH--NH 它具有低密度、高强度、高模量、耐腐蚀等优点,在航天、航空舰艇等工业获得广泛应用,和碳 纤维、石墨纤维以及玻璃纤维成为复合材料最广泛被采用的增强剂(。国外同类纤维还有西 德、荷兰Enka公司的 Twaron纤维、俄罗斯 APMOC、CBM纤维0,我国有芳纶1414 取美国 Kevlar布一块,尺寸约为400×400mm,对Kea布进行了分析,包括:力学性能、热物 理性能、TG、DSC、SEM分析等,本报告汇总了有关测试分析数据与图表。参加测试分析工作 的有张瑞珠、葛翠英、朱达通、何风梅丁坤和、胡纲民、黄丽萍、丁光安、王秀英等同志。 o1994-2013ChinaAcademicjOurnalElectronicPublishinghOuse.Allrightsreservedhttp://www.cnk
第 期 年 月 纤 维 复 合 材 料 泊 ! 测试 · 分析 美国 布性能测试分析 赵 稼 祥 国防科工委军用新材料应用研 究专业组 提 要 本文对美国 布的性能进行了测试分析 , 包括 址 纤维的力学性能 拉伸强度 、 拉伸模量 、 断裂伸长 , 热物理性能热膨胀系数 、 导热系数 、 比热 、 热重分析 、 示差扫描量热 等 , 用 韭比 布制备了 。复合材料层压板 , 测 试了层 压板 的弯曲强度 、 弯曲模量 、 剪 切强度 , 并用扫描 电镜 观察分析了表面形态和断裂 的情况 。 关键词 址 纤维 厦合材料 力学 性能 热物理性能 记 时 。 目 治 访 记 , , 邓 仿 , 迁 , · 留 上 叭 肚 血 邓 一 、 目以 舀 纤维是美 国杜邦公司 于六十年代研制成功 , 七 十年代 实行商 品 化生 产的 一种高性 能 有机纤维 , 学 名是 聚对苯二甲酸对苯二胺 , 其结构式为 一 行 仁弓 , 一气 一 ’ 一仁弓 一 ’ 它具有低密度 、 高强 度 、 高模量 、 耐腐 蚀等优 点 , 在航天 、 航空 、 舰 艇等工业获 得广泛应用 , 和 碳 纤 维 、 石墨纤 维以及玻璃纤维成为复合材料最广泛被采用 的增强剂。〕 。 国外 同类纤维还有西 德 、 荷兰 公 司的 纤维即〔幻 、 俄 罗斯 、 纤维〔习 , 我 国有芳纶 叨 取美 国 布一块 , 尺寸约为 , 对 双 布进行了分析 , 包括 力学性能 、 热物 理性 能 、 、 、 分析等 , 本报告汇 总了有关测试分析数据与图表 参 加测试分析工作 的有张瑞 珠 、 葛翠英 、 朱达通 、 何凤梅 、 丁坤和 、 胡纲 民 、 黄丽萍 、 丁 光安 、 王 秀英等同 志 。
意禅禅:国Knr布性能测试分析 二、测试方法 Kevlar纤维复丝的拉伸性能根据国家军标GJ348-87芳纶复丝拉伸性能测试方法浸 胶法测定,拉仲强度按式(1)计算: (1) 式中:a—拉伸强度(MPa) 复丝裁面积(mm2) 破坏载荷QN) 拉仲模量按式(2)计算 盘 式中:E,拉伸模量(MPa) △P—一载荷/位移曲线上初始直线段的载荷增量(N) △L—与△P对的位移增量(mm) L。—试样标距(mm) 断裂仲长按式(3)计算 仝 100 式中:6—断裂伸长(%)△L一断裂伸长量(mm) Kevr布层压板的弯曲性能按国标QB3356-82测定,弯曲强度按公式(4)计算: (4) 式中:听—弯曲强度(MPa) b——试样宽度(mm) p—试样破坏时最大载荷(N)h—试样厚度(mm) 跨距(mm 在试样破坏时挑跨比/1>10%时则弯曲强度值按公式(5)进行修正: r1+4(/)2 式中:【试样破坏时跨距中点的挠度(mm) 弯曲棋量按公式(6)计算: 式中:E弯曲模量oMPa) △P—对应于蒙荷/强度缄上段的载荷增量) △r对应于的跨距中点的挑度(mm) Kvar布屡压板的剪切强度按国标oB357-82测定,剪切强度公式(7)计算 式中:τ—层闻剪切强度QMP) 一试禅宽度(mm) c192万试种破坏时最大费荷h试厚度(m)Itsreserved.http://www.cnk
期 姐碑禅 典日 内 布性能侧试分析 二 、 测试方法 。彻 纤维复丝的 拉伸性 能 , 根据国 家军标 。 拐一 芳纷复丝拉神性能侧试方法怪 胶法测定 , 拉伸强度按式 计算 、 一 凳 式中 — 拉伸强度 — 复丝截面积 勺 — 破坏载荷 拉伸模盆按式 计算 一 等 · 瓮 式中 — 拉伸模童 △— 载荷 位移曲线上初始直线段的 载荷增盆 △— 与△ 对的位移增童 。 —试样标距 断裂仲长按式 计算 攀 。。 式 中 — 断裂伸长(写) △L— 断 裂伸长量(m m ) K 。v 肠比 布层 压板的弯曲性 能按国 标 0 B 3356 一 82 测定 , 弯曲强度按公式(4 )计算 : (4) 31一池P , 一hI ‘. 2 · 听 一 式 中 : 马— 弯 曲强度(M P a) b— 试样宽 度(m m ) p— 试样破坏时最大载荷(N ) h— 试样厚度 (m m ) l— 跨距(m m ) 在试样破坏时挠跨 比 f/l > 10 % 时 , 则弯 曲强度值按公式(5) 进行修正 : 、 一 粉 〔, + “, ‘, , : , ( 5) 式中 : f—试 祥破坏时踌距 中点的挠度伽二 ) 夸曲模t 按公式(6) 计算 : 瑞 一 叙层; (6) 式中 : E. 一 夸曲模盆以Pa ) 宝江篡款盟豁黔 的载荷增盆伽 ) K .诚鱿 布层压板的剪切强度按 国标 oa 3肠, 一 韶 洲定 , 剪切强度按公式 (7) 计算 : _ _ 加 、 ~ 不石 (7) 式 中 ::. — 层间剪切甄度Q遴p a) P —试祥破坏时最大载荷伽) b— 试禅宽度恤m ) h—试禅厚度 恤m )
34 纤维复合材料 94年 Kevlar布的热扩散系数在日本真空理工TC-3000HNC型热常数测定仪上测得,采用激 光脉冲法试样直径10mm,热扩散系数根据公式(8)计算: 式中:a—热扩散系数(cm2/s) L—试样厚度(mm) t/2—样品背面温升为最大值一半所需的时间(s) Kevlar布的比热用混合铜卡计法根据公式(9)计算: H(Tn一T0 式中:C—平均比热 T—铜卡量热升初始温度 H——铜卡量热计热值 T1—纤维(布)的试验温度 m—纤维(布)的质量 b—铜卡热升温度修正值 T0—铜卡量热升最高温度 Kevlar纤维的热膨胀系数(平均线膨胀系数)采用示差下垂法测定 Kevlar布的热重分析在美国 Perk in Elmer公司TGS-2型热重分析仪上进行,加热速率 10c/min,记录纸走速5mm/min,控温精度2℃。 Kevlar布的示差扫描量热在美国 Perkin elmer公司Dsc-2C示差扫描量热仪上进行,加 热速率20c/min,空气气氛,记录纸走速10mm/min,等温稳定性0.02℃。 Kevlar纤维(布)和层压板表面形态和断口分析用英国剑桥公司生产的 Cambridge stere oscan250MK2型扫描电子显微镜,分辨率45A,放大倍数10~180,000倍,试样经溅射涂金 用导电胶固定在试样架上,然后送入工作室观察分析。 三、试验结果与讨论 Kevlar布的复丝强度根据测试统计拉伸强度平均为2830MPa拉伸模量110GPa、断裂伸 长2.6%拉伸强度拉伸模量和断裂伸长的标准差相应为95MPa,3,2GPa和0.089%离散 系数相应为3.4%,2.9%和3,4%详细性能数据见表1。25mm宽 Kevlar布的破坏载荷为 2.29kN,标准差0.34kN,离散系数15%详见表2。由于 Kevlar布数量较少,在传递过程中经 过折叠试样数量亦少,因此数据可能会偏低 表1 Kevlar布的复丝的拉伸性能 号「拉忡强度M拉悼模(GP「断裂伸长(%)备 2810 3 2880 2.5 2720 2.5 108 平均值 95 3.2 标准差 离散系数 o1994-2013ChinaAcademicjOurnalElectronicPublishinghOuse.Allrightsreservedhttp://www.cnk
纤 维 复 合 材 料 1994 年 K 。佃 布 的热扩散 系数在 日本真空理工 丁 c 一 3000H N c 型热 常数 测定仪上测得 , 采用激 光脉冲法 , 试样直径 IOm m , 热扩散系数根 据公式(8 )计算 : a ~ 0 . 139L 2 / t‘/2 ( 8 ) 式 中 : a —热扩散系 数( cm Z/s ) L— 试 样厚度 (m m ) t‘/ 2 — 样品 背面温升为最 大值一半所需的时间( s ) K ev lar 布的 比热 用 混合铜卡计法根据公式 (9 )计算 : 式 中 : C p — 平均 比热 H — 铜卡量 热计 热值 m — 纤维(布)的质量 _ H( T 。 m 一 T0 十 幼 (Tl一 T 。 一 奸) T 。 — 铜卡量热升初 始温度 T l — 纤维 (布)的试验温度 奸 — 铜卡热 升温度修正值 (9) T 。 — 铜卡量热升最高温度 K ev lar 纤 维的热 膨胀系 数 (平均线膨胀 系数)采用示差下垂法测定 . K ev lar 布的 热重分析在美 国 Pe rk in E 加 er 公 司 T G s 一 2 型 热重分析仪上进行 , 加 热速率 10 ℃ / m in , 记录纸走速 sm m /m in , 控温精度 2℃ 。 K e vi ar 布 的示差扫 描量 热在美国 Pe rk in E lxn er 公司 D s c 一 Zc 示差扫描量热仪上进行 , 加 热速率 20 ℃ / m in , 空 气气氛 , 记录纸走速 10m m /m in , 等温稳定性 0 . 02 ℃ 。 K e vl ar 纤维 (布)和 层 压板表面形态和 断 口 分析 用 英国 剑 桥公司 生 产的 c am bri dge ster eos ~ 25 0M K 2 型 扫 描 电子 显微镜 , 分辩率 45 人 , 放大 倍数 10 一 18 。 , 。0 倍 , 试样经溅射涂金 , 用 导 电胶 固定在试样架上 , 然 后送入工作室观察分析 。 三 、 试验结果与讨论 Kev lar 布 的复丝强度根据测试统计拉伸强度平均为 2 83 OM P a 、 拉伸模量 ll OG P a 、 断裂 伸 长 2 . 6 % , 拉伸强 度 、 拉伸模量和 断裂伸长 的标 准差相应为 95 M P a , 3 . Z G P a 和 。 . 0 89 % , 离散 系 数相 应为 3 . 4% , 2 . 9 % 和 3 . 4 % , 详细 性 能数据 见表 1 。 2 5 m m 宽 K ev lar 布 的破坏 载荷为 2 . 29 k N , 标准差 0 . 3呱 N , 离散系 数 15 % , 详见表 2 。 由于 K evl 盯 布数量较少 , 在传递过 程中经 过折 叠 , 试样数量 亦少 , 因 此数据可能会偏低 . 表 1 K ev巨r 布的复丝的拉伸性能 编号 拉 伸 强 度(M Pa ) 拉 伸 模 、 盆(O Pa ) 断裂伸长(环) 备 注 l 2730 107 2 。 6 2 2 8 1 0 1 0 9 2 . 6 3 2 8 8 0 1 1 6 么 5 4 2 9 3 0 1 1 1 2. 7 5 2 7 2 0 1 1 0 2 ‘ 5 6 2 9 3 0 l 08 么 7 X 2 8 3 0 1 1 0 2 。 6 平 均 值 S 95 3 . 2 0 . 089 标 准 差 C v % 3 。 4 2 . 9 3 . 4 离 散 系 数
期 赵稼祥:美国KeMr布性能测试分析 35 表2 Kevlar布的破坏荷载 % 2.16 2.29 0.34 15 布宽25mm 表3 Kevlar布层压板的弯曲性能 弯曲模量(GPa)弯曲强度MP)梅正后弯曲强度(MPA)备 24.4 f/1>10% 21.5 f/1>10% f/1>10% 23.0 f/1>10% 23.0 标准差 3.7 离散系数 表4 Kevlar布层压板层间剪切强度 表3和表4分别为Kear布层压板的弯 层间剪切强度 曲性能和层间剪切强度,由表可见 Kevlar布 编号 (MPa) 的弯曲强度平均为297MPa,由于弯曲试验时 试样6×30mm 挠跨比f/1>10%,因此需要根据公式(5)进 26.3 行修正,修正后的弯曲强度值为343MPa,弯 曲模量23GPa,这与文献资料)报导的 Kevlar 布层压板弯曲强度345Mpa和弯曲模量 27.6GP相似。 Kevlar布层压板的层间剪切强 度平均为24.2MPa,标准差1.5MPa,离散系 24.5 数6,2%本次测试数据较杜邦公司报导 24.2 平均值 Kevlar布层压板的层间剪切强度低,资料报导 标准差 Kevlar布层压板层间剪切强度约为30MPa, 离散系数 数据较低的原因可能与树脂基体有关,本测试 中采用AG-80多官能团环氧树脂与 Kevlar 布纤维的表面粘结不够理想,因此数据偏低。 Kevlar纤维(布)的热物理性能测试结果见表5-表7,在室温至200℃温度范围的 Kevlar 纤维的热膨胀系数都为负值,且随温度增加负值亦增加,室温~100℃的热膨胀系数为-3.9X 10/K,室温~200℃为-5.1×10-/k, Kevlar布的平均比热随温度增加亦增加,R·T 100℃的平均比热1173J/kg·K,R·T~300℃为1587J/kg·K, Kevlar纤维的轴向热扩散系 数和导热数系数在室温分别为00193cm2/s和3.20w/m·K 表8是Keva布热重分析数值,100℃热失重1.8%300时为40‰500℃时为6.0% 568℃时热失重100%热重分析表明 Kevlar布的热分解温度为538℃,失重50%的温度为 55℃,最大失重速率温度为550℃,图1是Kevr布热失重曲线图.示差扫描量热分析(sc o1994-2013ChinaacAdemicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnk
期 赵稼样 : 美国K .喇的r 布性能侧试分析 表 2 K ov助比 布 .的破坏荷载 编 号 1 2 3 又 S C v % 破坏载荷伍N ) 么 0 3 么 6 8 么 16 2 . 2 9 0. 3 4 l 5 , 布宽 25山丈。 表 3 K e血 r布层压板的 弯曲性能 编 号 弯曲模最( OP a) 弯曲强度(M 尸a ) 修正后弯曲强度(M pA ) 备 注 1 2 4 ‘ 4 3 09 3 5 3 f/ i > 1 0 % 2 2 3. 1 3 0 5 3 6 0 灯1> 10 % 3 2 1 . 5 284 32 4 t/ 1> 10 % 4 22 . 8 288 334 叮1> 10 写 5 2 3 . 0 300 346 灯1> 10% 、 又 2 3 . 0 297 343 平均值 S 1 . 0 1 . 1 14 标准差 Cv 纬 4 。 3 3 。 7 4 . 1 离散系数 表 峨 K e v b 甘 布层压板层间剪切拐 度 编号 层间剪切强度 备 注 (M P a ) 1 23 . 6 试样 6 X 3 0tn , 2 2 6 。 3 3 2 2 。 4 4 2 2 . 8 5 2 5 . 3 6 2 4 . 5 又 24 . 2 平均值 S 1 . 5 标准差 C v % 6 . 2 离散系数 表 3 和表 」分别为 K ovl ar 布层 压板的弯 曲性 能和 层 间剪切 强 度 , 由 表可见 K evl 盯 布 的弯 曲强度平均 为 297 M P a , 由于弯曲试 验时 挠跨 比 f/1 > 10 % , 因此 需要 根据公式 (5) 进 行修正 , 修正后 的弯 曲强度 值为 34 3M P 。 , 弯 曲模量 23 G P a , 这与文献资料 〔幻 报导的 K ev 址 布 层 压 板 弯 曲 强 度 3朽M pa 和 弯 曲 模 量 27 · 6 G P 相似 。 K ev 城 布层 压板的层间剪切强 度平均为 24 . ZM P a , 标 准差 1 . SM Pa, 离散系 数 6 . 2 写 。 本 次测 试 数 据 较 杜 邦公 司报 导 K ov lar 布层 压板的层 间剪切强 度低 , 资料报导 K evi ar 布层 压 板层 间剪切强 度约 为 30 M P a , 数据较低的原 因可能与树脂基体有关 , 本测 试 中采用 A G 一 80 多官能 团环氧树脂与 K ev lar 布纤维的表面 粘结不够理想 , 因此数据偏低 。 Ke r y 肠Lr 纤维 (布 )的热物理性能测试结果见表 5一 表 7 , 在室温至 20 ℃温度范围的 K ev肠比 纤维的热膨胀 系数都为负值 , 且 随温度增加负值亦增加 , 室温 一1 0 ℃ 的热膨胀系数为一 3. g x 10 一“ / K , 室温 ~ 20 。℃ 为 一 5 . l x 主0一/K 。 K ev 盼 布的平均 比热随温度增加亦增 加 , R · T 一 10 ℃ 的平均 比热 117 3) / kg · K , R · T ~ 30 0 ℃为 1587)/k g · K . K e v 肠Lr 纤维的轴 向热扩散系 数和导热数系数在室温分别为 坏 01 9 3c m 2 /s 和 3. 20 w /m · K 。 表 8 是 K 。v l ar 布热重分析数值 , 1 0 ℃热失重 1. 8 % 、 3 0 ℃ 时为 ‘ 0 % 、 5 0 ℃ 时为 6 . 。% 、 56 8 ℃ 时热失重 10 % , 热重分析表 明 K ev肠J 布的热分解温 度为 538 ℃ , 失重 50 % 的沮 度为 5 5℃ , 最大失重速率温度为 550 ℃ , 图 1 是 K ev lar 布热失重曲线图 . 示差扫描量热分析(D sc )
1994年 表明,一直到600 K Kevlar布没有吸热峰与放热峰,这与热失重分析是一致的,Kev布的 DSC曲线图见图2 表5 Kevlar纤维的热影胀系数 温度范围 热膨胀系数 0Kvr布热关系曲线 (℃) (10-K-1) 25~140 90 25~150 100200300400500600 25~200 图1 Kevlar布热失重曲线 表6 Kevlar布的平均比热 PY-1 温度范围(℃) SCAN RATE 20. 00deg/min ca/g·℃J/kg·K 5~100 5.00 25~200 1380 Kevlar布DSC曲线 0.379 1587 表7 Kevlar纤维的热散系数与导热系数 350.00 440.00530.0 620.00 单位温度 温度(K) 热扩散系数cm2/RT0. 导热系数|w/r 图2 Kevlar布DSC曲线 解轴向数值 图3、图4是 Kevlar纤维(布)表面形态。 表8 Kevlar布的热失量 和断口的SEM图片,表明Keva纤维(布)表 温度(℃) 热失重(%) 面存在鼓包、撕裂、粗细不均等缺陷,纤维表面 1.8 大部分比较平滑。图4是 Kevlar布层压板分 0 层断开处 Kevlar布的形态,表明在 Kevlar布 200 3.8 中心地带纤维束搭接处尚有空隙,树脂基体并 未全部填充完善,这对层压板的力学性能肯定 会有一定影响。图5是 Kevlar布层压板弯曲 568 试样弯曲后的断口,明显可见部分 Kevlar纤 维受外力作用已弯曲变形,部分 Kevlar纤维 分解温度(℃ 则已断裂破坏,有的纤维表面包覆的树脂体已 失重50%温皮(℃ 最大失重速率温度(℃) 550 经剥离,有的纤维呈撕裂状,反映 Kevlar布复 o1994-2013ChinaAcademicjOurnalElectronicPublishinghOuse.Allrightsreservedhttp://www.cnk
纤 维 复 合 材 料 1994 年 表 明 , 一直到 60 K K ovi ar 布没有 吸 热峰与放 热峰 , 这与 热失重分析 是一致 的 , K e v 肠Lr 布 的 D s c 曲线图见 图 2 。 表 5 K ev 址 纤维的 热膨胀系数 80 1 Kev址 布热关系曲线 530 工译丫亨1.‘.几百 次)污 4060 一 7 。 { ’ 二 9 0 _ 一/ 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 图 1 K ev加比 布热失重曲线 温度范围 热膨胀系数 (℃ ) (10一K 一1 ) 2 5 ~ 1 0 0 一3 . 9 25~ 120 一4 。 O 2 5 ~ 1 4 0 一 4 。 3 2 5 ~ 1 5 0 一 4 。 4 2 5 ~ 1 7 0 一 4. 、 25~ 200 一 5 。 l 表 6 K evk比 布的 平均比热 10 . 00 PY 一 l 、V T ; 1 . 9 8 m g S C A N R A T E 2 0 . 0 0 山g / ~ 舜目Z口 K Ov L 肚 布L 6 C 曲线 温度范围 (℃ ) 平均比热 C 川 / 9 . ℃ J / k s . K 25 ~ 100 0 。 2 8 0 1 1 7 3 2 5 ~ 2 0 0 0 . 3 3 0 1 38 0 2 5 ~ 2 0 0 0 。 3 7 9 1 58 7 表 7 K e血 r纤维的热散系 数与导热系数 5. 八曰 U 绝刊芝Q山臼 35 0 . 0 0 4 4 0 . 0 0 沮度 (K ) 530 . 00 620 . 00 性能 . 单位 温度 数值 热扩散系数 cln Z /s R 。 T 0 . 0 1 9 3 导热系数 W / m K R 。 T 3 . 2 0 图 2 K ev肠比 布 D S c 曲线 , 轴向数值 图 3 、 图 4 是 K evi ar 纤维 (布)表面形 态 。 和 断 口 的 sE M 图片 , 表 明 K evi ar 纤 维 (布 )表 面存在鼓包 、 撕裂 、 粗细不均等缺 陷 , 纤维表面 大 部分 比较平滑 。 图 4 是 K 。v l ar 布层 压板分 层断开处 K ev加比 布 的形 态 , 表 明在 K evlar 布 中心地带纤维束搭接处 尚有空 隙 , 树脂基体并 未全部填充完善 , 这对层压板的力学性能肯定 会 有一定影响 。 图 5 是 K ev 址 布层压板弯 曲 试 样弯 曲后 的 断 一 口 , 明显可 见部分 K evlar 纤 维受外 力作用 已弯 曲变形 , 部分 K 。v l ar 纤维 则 已断裂破坏 , 有 的纤维表 面包覆的树脂体 已 经剥离 , 有的纤维呈撕裂状 , 反 映 K ev lar 布复 表 8 K evlaZ 布的热失重 温度(℃ ) 热失重(肠) 10 0 1 . 8 20 0 3 。 8 3 0 0 4 。 0 4 0 0 4 。 7 5 0 0 6 。 0 5 6 8 1 0 0 分解温度(℃) 538 失重 50% 温度(℃ ) 5 5 最大失重速率温度(℃ ) 550
赵稼祥:美国 Keyar布性能测试分析 合材料层压板的破坏断裂过程。图6是 Kevlar纤维束的拉伸试样的断口,可以看到在拉应力 作用下 Kevlar纤维断裂的形貌,有的皮层已被撕开,有的芯纤隐约可见,有的包覆树脂基体已 经剥落,有的呈散须状,这与碳纤维束拉断后的断面是完全不一样的。 Kevlar布外观呈浅金黄色,每厘米有7根纤维束,呈4H级纹编织,对照杜邦公司产品目 录),该种 Kevlar布属335型与328型(平纹)属于同一系列国外主要用于航空航天工业制作 飞机叶片等构件。 表9是 Kevlar布(纤维)性能汇总,表10是世界各国芳纶纤维性能比较,由表可见这些 Kear布(纤维)的性能,总的讲具有中间水平,俄罗斯生产的 APMOC和CBM纤维性能上总 体比 Kevlar布(纤维)为好,我国芳纶1414性能大致上与 Kevalt相当,西德与荷兰生产的 Twaron纤维性能略差于 Kevlar布(纤维)。 图3 Kevlar纤维表面状态(×400) 图4 Kevlar布层压板分裂面 Kevlar布表面状态(x40) 图5 Kevlar布层压板弯曲试样断囗(X400) 图6 Kevar纤维束拉伸试样断口(×1600) 四、结论 1.此次分析的 Kevlar布是H缎纹布,布结构7X7束/cm,属335型,主要用于航空航天 工业制作飞机零部件、结构件。 2 Kevlar布(纤维)力学性能低于俄罗斯 APMOC和cBM,与中国1414接近,高于西德 和荷兰的 T waron纤维 Kevlar纤维的拉伸强度为 APMOC和cBM的627%和654%,是 Twaron的111 o1994-2013ChinaAcademicJournalElectronicPublishinghOuse.alLrightsreservedhttp:/www.cnk
期 赵稼祥 : 美国 K e橱 布性能测试分析 37 一 一一 ~--------一- 一 ~ - - - - - - - - - - - ~ ~ ~ ~ ~ 一- . ~ ~ ~ ~ ~ - ~ ~ - ~ ~ ~ ~ . ~ ~ ~ 合材 料层 压板 的破坏断裂过 程 . 图 6 是 K ev址 纤维束的拉伸试样 的断 口 , 可 以 看到 在拉应力 作用 下 K ev姗 纤维断 裂的形 貌 , 有的 皮层 已 被撕开 , 有的芯 纤隐 约可 见 , 有的 包覆树脂基体 已 经剥 落 , 有的 呈散须状 , 这与碳纤维束拉断后的 断面是完全不 一样的 。 K e vi ar 布外观呈 浅金 黄色 , 每厘米有 7 根纤维束 , 呈 4H 缎纹编织 , 对照 杜邦公司产 品 目 录明 , 该种 K ev lar 布属 335 型与 32 8 型 (平纹)属 于 同一系列 , 国外主要用 于航空航天工 业制作 飞 机 叶片等构 件 。 表 9 是 K ev lar 布 (纤维 )性 能 汇总 , 表 10 是世界 各国芳 纶纤维性 能 比较 , 由表可 见 这些 K evlar 布(纤维)的性 能 , 总 的 讲具有中间水平 , 俄罗斯生 产的 A P M o c 和 c B M 纤维性能 上总 体 比 K evl ar 布 (纤维 )为 好 , 我 国芳 纶 14 1」性 能大 致上 与 K evair 相 当 , 西 德与荷 兰 生 产 的 T w ar on 纤维性能略差于 K evl ar 布 (纤维) 。 图 3 K ev让Ir 纤维表面状态(X 400) 图 4 K ev如Ir 布层 压板分裂面 K ov七Ir 布表面状态( X 40) 图 5 K e讥ar 布层压板弯曲试样断 口 ( X 4 o 。) 图 6 K e讥ar 纤维束拉伸试样断口 ( X 1 6 0 0) 四 、 结 论 1 . 此次分析的 K evi ar 布是 峨H 缎纹布 , 布结构 7 X 7 束/cm , 属 335 型 , 主要用 于航 空航天 工业制作飞机零部件 、 结构件 。 2 K ev lar 布 (纤维 )力学性能低于 俄 罗斯 A P M 0 c 和 c B M , 与 中国 1 41峨接近 , 高于西德 和 荷兰 的 T w ar on 纤维 , K ev 址 纤维的拉伸强 度为 A P M 0 c 和 c B M 的 62 . 7 % 和 “ . 魂% , 是 T w ar on 的 11 %
纤维复合材料 9Q4年 丧9 Kevlar布(纤维)性能汇总 性 能 单位 数值备注 外观 浅金黄色 类别 4H缎纹布 335型 丝束/cm 7x7 密 1.4 线密度 /P 拉伸强度 2830 纤维束 拉伸模量 110 纤维束 断裂伸长 维束 弯曲强度 层压板 弯曲模量 层压板 层间剪切强度 MPa 层压板 断裂载荷 热膨胀系数(R·T~100℃) 10-6/k 纤维束 热扩散系数(R·T) cm2/ s 0.019 纤维束轴向 导热系数(R·T) w/mk 3.20 纤维束轴向 平均比热(R·T~100℃) 1.173 维東 分解温度 失重50%温度 布布布 最大失重速率温度 失宜100%温度 100℃失重 ℃℃℃c%%% 1.8 300℃失重 500℃失重 6.0 3 Kevalr布(纤维)的热膨胀系数绝对值比 APMOC、CBM、 Twaron和1414都高,热扩散 系数和导热系数介于 APMOC、CBM和1414 Twaron之间,比前者高,比后者低。 4 Kevlar布的热分解温度在538℃,失重50%时的温度为555℃,最大失重率温度550℃。 5从测试分析数据综合来看 Kevlar布(纤维)的性能属于中等水平,比俄罗斯生产的AP MoC和CBM差,比西德和荷兰生产的 Twaron纤维好。 blishingHouseAllrightsreservedhttp://www.cnk
纤 维 友 合 材 料 1904 年 表 9 K ov如Ir 布(纤维)性能汇总 性 能 单 位 数值备注 外观 丝束八m 浅金黄色 纤维束 类别 g /cm 4H 级纹布 纤维束 型号 8/ m 335 型 纤维束 布结构 M P a 7 X 7 层压板 密度 G Pa 1 . 44 层压板 线密度 % 0 . 158 层压板 拉伸强度 M P 扭 2 8 3 0 布 拉伸模童 O P a 110 纤维束 断裂伸长 M P a 2 。 6 纤维束轴向 弯曲强度 K N 297 纤维束轴向 弯曲模蚤 - 10一 ‘ / k 2 3 纤维束 层间剪切强度 em Z /s 24 . 2 布 断裂载荷 W /m . k 2. 29 布 热膨胀系数(R · T ~ 1 0 ℃ ) 刀w · k 一 3 。 9 布 热扩散系数(R · T ) ℃ 0 . 0 19 布 导热系数(R · T ) ℃ 3 。 2 0 布 平均比热(R · T ~ 1 0 0 ℃ ) ℃ 1 . 173 布 分解温度 ℃ 538 军 ‘ 失重 50 纬温度 % 55 最大失重速率温度 写 550 失重 10 0% 温度 % 568 100℃失重 1 一 8 3 0 0 ℃失重 4 。 0 5 0 0 ℃失重 6 . 0 3 . K ev‘廿 布 (纤维)的热膨胀 系数绝对值 比 人 P M O 心 、 c B M 、 T w aro n 和 1魂1 4 都高 , 热扩散 系数和导热系数介于 A P M 0 c 、 c B M 和 1414 、 T w ar on 之间 , 比前者高 , 比后者低 。 4 . K e v 卜比 布的热分解温度在 53 8 ℃ , 失重 50 % 时的温度为 55 ℃ , 最大失重率温度 550 ℃ 。 5 . 从测试分析数据综合来看 K evlar 布(纤维)的性 能属于 中等水平 , 比俄罗斯生产 的 A P - M o c 和 c B M 差 , 比西德和荷兰生产的 T w ar on 纤维好
赵稼祥:美薨国Kenr布性能测试分析 表10世界各国芳纶纤维性能比较 芳纶纤维 Keyar APMOC CBM Twaron 1414 美国 俄罗斯 俄罗斯 西德荷兰 拉伸强度(MPa) 4510 拉伸模量(Pa) 124 103 断裂伸长(%) 3.4 2.4 2.7 密度g/cm3 线密度g/m 0.098 25~100℃ 1.0 25~200℃ +0.I 室温 0.019 0.012 0.01 0.023 0.024 室温 3.20 2.10 2.52 3.85 室温 1.22 156 室温一100℃ 1.382 1.499 1.344 参考文献 1 R.J. Morgan, ISF-85, p 33, 2赵稼祥国外纤维材料研制发展动向,全国芳纶技术付论会上的报告,703所技术报告85-206,1985 3赵稼祥,一种新型有机纤维 Twaron,《国外导弹技术》,19857:72 4赵稼祥, Twaron性能测试分析研究,全国芳纶技术讨论会上的报告,703所技术报告85-207,1985。 5赵稼祥,苏联的芳纶纤维及其复合材料,703所技术报告90-60,1990 6赵稼祥苏联芳纶 APMOC和CBM性能的测试分析研究,703所技术报告90-96,1990 7赵稼祥芳纶14芳纶141和 Kevlar49的结构鉴定和性能分析研究,703所技术报告85-208,1985 8 A.A. Watts, Commercial Opportunities for Advaced Composites, ASTM STP704, 1980. Kevlar The Tough, Lightweight Material for Composite Structures, DuPont, 1989. o1994-2013ChinaAcademicjOurnalElectronicPublishinghOuse.Allrightsreservedhttp://www.cnk
期 赵稼祥 :美国 K e训以r 布性能测试分析 39 表 10 世界各国芳纶纤维性能比较 性 能 芳 纶 纤 维 K e诚肚 A P M O C C B M T W 日宝O n 1 4 1 4 国别 美国 俄罗斯 俄罗斯 西德荷兰 中国 拉伸强度(M Pa) 2830 4510 4330 2560 2980 拉伸模盆( GP a) 110 148 124 106 103 断裂伸长(写) 2 。 6 3. 4 4 。 l 2 . 4 2 。 7 密度 g/. , 1 。 4 4 1 . 4 3 1 。 4 3 1 . 4 5 1 。 4 5 线密度 盯m 0 . 158 0 . 098 0 . 058 0 . 169 25 ~ 100 ℃ 一 3 . 9 一 0 。 6 一 3 。 l 一 2 。 6 一1 . 0 25 ~ 200 ℃ 一 5 . 1 一 3 。 6 一 4 . 6 + 0 . 1 一 1 . 5 室温 0 . 019 0 . 012 0 . 014 0 . 02 3 0 . 024 室 温 3 . 2 0 2 10 2 ‘ 5 2 3 . 8 5 4 . 0 3 室 温 l ‘ Q 0 4 1 . 2 1 4 1 . 2 2 3 1 . 1 5 6 1 . 2 5 2 室温一 10 0 ℃ 1 . 17 3 1 . 382 1 . 403 1 . 499 1 . 344 参 考 文 献 R .J. M or吕an , 巧F 一 8 5 , p . 3 3 , 1 9 8 5 · 赵稼祥 , 国外纤维材 料研制发展动向 , 全国芳纶技术讨论会上的报告 , 7 03 所技术报告 85 一2 06 , 1 9 85 。 赵稼祥 , 一种新型有机纤维 T w aro n , 《国外导弹技术) , 1 9 8 5 . 7 : 7 2 一 75 。 赵稼祥 , T war on 性能测试分析研究 , 全国芳纶技术讨论会上的报告 , 7 03 所技术报告 85 一207 , 1 9 85 。 赵稼祥 , 苏联的芳纶纤维及其复合材料 , 7 03 所技术报告 90 一60 , 1 9 9 0. 赵稼样 , 苏联芳纶 ^ P M oc 和 c B M 性能的测试分析研究 , 7 03 所技术报告 90 一96 , 1 9 9 0. 赵稼祥 , 芳给 14 芳纶 14 1 和 K ev 卜Ir 4 9 的结构鉴定和性能分析研究 , 7 03 所技术报告 85 一2 08 , 1 9 85 . A · A · w a t ts , c o m e r d ai o p p a r t u 血油 奴 Ad帕以沼 C o m , ”it es , A S T M S T P 7 0 4 , 1 9 8 0 · K e 讥ar T 匕e T o 明h , L 姐h tw e绍ht M at er血d 奴 Com l, ”it e s t ru ct ur es , Du P o n t , 1 9 8 9 ·