第35卷第11期 西安交通大学学报 2001年11月 JOURNAL OF XI AN J IAO TONG UNIVERSITY Nov.2001 文章编号:.0253-987X(2001)11189-04 PBO纤维的基本性能实验研究 王斌!,金志浩!,丘哲明,刘牧2 (1.西安交通大学材料科学与工程学院,710049,西安;2.中国航天科技集团四院四十三所) 摘要:对PBO纤维的拉伸性能、耐热性等物理性能进行了实验测试,并与F-12和 Kevlar-49芳 纶纤维进行了对比对由PBO纤维与环氧树脂基体复合成型的单向纤维增强环形试样,测试了其 拉伸强度、弹性模量和层间剪切强度,结果表明:PBO纤维股纱的拉伸强度比F-12和Keⅵar-49 分别高24.4%和52.8%以上,单向纤维复合材料的拉伸强度分别高约37.2%和92.8%,耐热性也 高约166℃,但PBO纤维与环氧树脂基体的界面粘结性很差,层间剪切强度仅为23~27MPa 关键词:PBO纤维;物理性能;拉伸性能 中图分类号:TB332文献标识码:A Experimental Study of Basic Properties of PBO Organic Fiber Wang Bin, Jin Zhihao, Q Liu mu (1. School of Material Science and Engineering, Xi'an Jiaotong University, XI'an 710049,China 2. The 43rd Institute of the Fourth Academy of CASC) Abstract: The experimental data of the tensile properties, heat resistance and some basic physical properties of the new Zylon PBO(polybenzo isoxazole) fiber are reported and compared with those of F 12 and Kevlar-49 fibers. Three composites of the different fibers with epoxy resin matrix are pre- ared and the corresponding unilateral fiber reinforced winding ring specimens are fabricated. The me- chanical poperties of the composites including tensile strength, modul us and three- point interlaminar shear strength are tested. Experimental results show that PBO fiber exhibits a tensile strength of 24.4% and 52.8%o and a heat resistance temperat ure about 160 degree C higher than those of F-12 and Kevlar-49 fibers respectively. However, the interfacial adhesion between PBO fiber and epoxy resin matrix is very poor, and the val ue of interlaminar shear strength is only about 23-27 MPa Key words: PBO fiber, physical property, tensile property 日本东洋纺织公司所开发的PBO纤维具有优聚合、采用空气间隙湿法纺丝法进行纺丝而制得 良的力学性能,同时其耐热性和阻燃性也非常优良,的.PBO纤维的强度、弹性模量约为对位芳纶纤维 它作为有机纤维中高特性的新一代超级纤维,已引 Kevlar-49的2倍,尤其是弹性模量,PBO作为直 起了人们的极大关注.据文献[2介绍,PBO(聚对链高分子,具有极限弹性模量所以,PBO纤维在光 亚苯基苯并双囈唑)是含杂环的苯氮聚合物的一种,纤张力构件、耐力构件和航空航天方面的应用正在 它是采用二氨基间苯二酚和对苯二甲酸在多磷酸中不断研究开发了解和测试PBO纤维的基本物理性 收稿日期:2001-02-28.作者简介:王斌(1970~),男,博士生;金志浩(联系人),男,教授,博士生导师.基金项目 “九五”国防预研究基金资助项目(99512.1.3HT4302) 01994-2010ChinaacAdemicjOurnalElectronicPublishingHouse.alLrightsreservedhttp://www.cnki.net
第 35 卷 第 11 期 2001 年 11 月 西 安 交 通 大 学 学 报 JOURNAL OF XI′AN J IAO TON G UN IV ERSITY Vol. 35 №11 Nov. 2001 文章编号 :0253 - 987X(2001) 11Ο1189Ο04 PBO 纤维的基本性能实验研究 王 斌1 , 金志浩1 , 丘哲明2 , 刘 牧2 (1. 西安交通大学材料科学与工程学院 , 710049 , 西安 ; 2. 中国航天科技集团四院四十三所) 摘要 : 对 PBO 纤维的拉伸性能、耐热性等物理性能进行了实验测试 ,并与 F - 12 和 Kevlar - 49 芳 纶纤维进行了对比. 对由 PBO 纤维与环氧树脂基体复合成型的单向纤维增强环形试样 ,测试了其 拉伸强度、弹性模量和层间剪切强度 ,结果表明 :PBO 纤维股纱的拉伸强度比 F - 12 和 Kevlar - 49 分别高 2414 %和 5218 %以上 ,单向纤维复合材料的拉伸强度分别高约 3712 %和 9218 % ,耐热性也 高约 166 ℃,但 PBO 纤维与环氧树脂基体的界面粘结性很差 ,层间剪切强度仅为 23～27 MPa. 关键词 : PBO 纤维 ;物理性能 ;拉伸性能 中图分类号 : TB332 文献标识码 : A Experimental Study of Basic Properties of PBO Organic Fiber W ang Bi n 1 , Ji n Zhihao 1 , Qi u Zhemi ng 2 , L i u M u 2 (1. School of Material Science and Engineering , Xi′an Jiaotong University , Xi′an 710049 , China ; 2. The 43rd Institute of The Fourth Academy of CASC) Abstract : The experimental data of the tensile properties , heat resistance and some basic physical properties of the new Zylon PBO (polybenzobisoxazole) fiber are reported and compared with those of F - 12 and Kevlar - 49 fibers. Three composites of the different fibers with epoxy resin matrix are pre2 pared and the corresponding unilateral fiber reinforced winding ring specimens are fabricated. The me2 chanical poperties of the composites including tensile strength , modulus and three2point interlaminar shear strength are tested. Experimental results show that PBO fiber exhibits a tensile strength of 24. 4 % and 52. 8 % and a heat resistance temperature about 160 degree C higher than those of F - 12 and Kevlar - 49 fibers respectively. However , the interfacial adhesion between PBO fiber and epoxy resin matrix is very poor , and the value of interlaminar shear strength is only about 23～27 MPa. Keywords: PBO f iber; physical property ; tensile property 日本东洋纺织公司所开发的 PBO 纤维具有优 良的力学性能 ,同时其耐热性和阻燃性也非常优良 , 它作为有机纤维中高特性的新一代超级纤维 ,已引 起了人们的极大关注[1 ] . 据文献[ 2 ]介绍 ,PBO (聚对 亚苯基苯并双口恶唑) 是含杂环的苯氮聚合物的一种 , 它是采用二氨基间苯二酚和对苯二甲酸在多磷酸中 聚合、采用空气间隙Ο湿法纺丝法进行纺丝而制得 的. PBO 纤维的强度、弹性模量约为对位芳纶纤维 Kevlar - 49 的 2 倍 ,尤其是弹性模量 ,PBO 作为直 链高分子 ,具有极限弹性模量. 所以 ,PBO 纤维在光 纤张力构件、耐力构件和航空航天方面的应用正在 不断研究开发. 了解和测试 PBO 纤维的基本物理性 收稿日期 : 2001Ο02Ο28. 作者简介 : 王 斌(1970～) ,男 ,博士生 ;金志浩 (联系人) ,男 ,教授 ,博士生导师. 基金项目 : “九五”国防预研究基金资助项目(995121113HT4302)
安交通大学学报 能,如耐热性、力学性能和它与树脂基体形成的复合 虽然同为刚性分子的超级高性能纤维,然而它 材料的力学性能,具有重要的意义.本文介绍了对们的拉伸强度相差很大这与它们的分子结构密切 PBO纤维性能的实验测试结果,探讨了PBO纤维与相关, Kevlar-49纤维为简单的对位型芳酰胺结构 环氧树脂复合的一些问题,并与其他有机纤维进行(PPTA),其拉伸强度在这三者中最低,仅为3400 了对比 (2A)纤维中不仅具有 49的刚性定向PPTA,同时还含有相当部分的非晶 1实验 态聚对酰胺苯并咪唑(∏AbⅠ结构,这种非晶态可 1.1原材料 通过氢键立体交联,对纤维性能具有一定的影响,从 实验所用原材料为PBO(AS)纤维、F12(2A)而表现在F·12具有较好的拉伸性能和轴向压缩 芳纶纤维、 Kevlar-49芳纶纤维和RⅪ2环氧树脂 性能3,其拉伸强度为4100~4500 MPa. PBO纤 1.2实验方法及设备 维是含杂环的苯氮聚合物的一种,经液晶的空气间 纤维的复丝拉伸性能按GB348-87标准,隙湿法纺丝方式而制得,它的高拉伸性能就来自于 在日本岛津公司的DSs-10T.S电子万能材料试苯环和苯并曙唑环共平面构象的刚棒状分子结构 验机上进行测定;密度线密度按GB.348-87附以及分子链在液晶态纺丝时形成的高取向的有序结 录B“芳纶纤维密度线密度检验方法测定单丝直构“PBO纤维的拉伸性能经实测为5300550 径采用 Neop hot-2型金相显微镜测定热质量损失MP,比F-12和 Kevlar-49要分别高24.4%和 在美国 Perkin elmer公司的PE70差热失重分析52.8%以上由于PBO纤维中氮含量较高,造成其 仪上按10mn的升温速率进行测定;单向NOL纤维密度p要比F-12和Kear-49纤维的稍高 环复合材料拉伸性能按(B1458-8纤维缠绕增强些约为1.5659cm3,其比强度和比模量在这3种 环试样试验方法测定,剪切强度按GB1461-78“纤纤维中最大,达到354.13km和1095.17×10m 维缠绕玻璃钢环形试样剪切试验方法”,在青山试验可见,FBO纤维在航空航天等领域内有望成为新 机厂的W-10型机械万能材料试验机上测定 代增强材料 表2纤维的密度、比强度、比模量比较 2结果与讨论 密度/gtm3比强度/km比模量/Mm PBO(AS) 1. 556 354.13 1.09517 2.1PBO纤维的拉伸性能 在宇航应用方面,特别是为减轻发射航天器的 12(2A)1.443 06839 消极质量、提高航天器的有效射程等,需要材料的高 Kevlar. 49 1.440 248.06 0.88577 比强度和高比模量,可见材料的拉伸性能及密度是 宇航用新材料必须首先考虑的重要因素之一PBO2.2纤维的基本物理性质 纤维的拉伸性能在DSS-10T-S电子万能材料试 纤维的单丝直径d线密度、股纱根数n和 验机上测定,此外为了相互比较,在分析PBO纤维水分质量分数w(HO)是纤维股纱最基本的物理性 的同时,也分析测试了现有宇航用的 Kevlar-49纤能.本文根据相关标准实测了PBO、F-12和Kvar 维和F-12芳纶纤维,测试结果见表1,表中的拉伸49三种纤维的这些基本性能,测试结果见表3 性能为平均值,Cv为实验数据的离散系数.表2是 从表3看,PBO纤维的单丝直径和水分质量分 PBO纤维与 Kevlar-49纤维和F-12芳纶纤维的数介于F-12和 Kevlar-49之间,相差不大,而它 密度、比强度和比模量比较 们的股纱纤度(线密度)和股纱根数差别较大,这与 表3纤维的部分物理性能 表1纤维的复丝性能比较 (H2O) d/ um 拉伸模量 MPaC√% E/ GPa C%%C√% PBO纤维100 67911~132.5 BO(AS)53504.61675.63.57.8 F-12(2A)6001 14~161.0~3.5 F·12(2A)43007.31255.34.08.2 Kevlar-4935005.5125 evar-49457 305010~122.7 81994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
能 ,如耐热性、力学性能和它与树脂基体形成的复合 材料的力学性能 ,具有重要的意义. 本文介绍了对 PBO 纤维性能的实验测试结果 ,探讨了 PBO 纤维与 环氧树脂复合的一些问题 ,并与其他有机纤维进行 了对比. 1 实 验 111 原材料 实验所用原材料为 PBO (AS) 纤维、F - 12 (2A) 芳纶纤维、Kevlar - 49 芳纶纤维和 RX2 环氧树脂. 112 实验方法及设备 纤维的复丝拉伸性能按 GJB - 348 - 87 标准 , 在日本岛津公司的 DSS - 10T - S 电子万能材料试 验机上进行测定 ;密度、线密度按 GJB - 348 - 87 附 录 B“芳纶纤维密度、线密度检验方法”测定 ;单丝直 径采用 Neophot - 2 型金相显微镜测定 ;热质量损失 在美国 Perkin2Elmer 公司的 PE3700 差热失重分析 仪上按 10 ℃/ min 的升温速率进行测定 ;单向 NOL 环复合材料拉伸性能按 GB1458 - 88“纤维缠绕增强 环试样试验方法”测定 ,剪切强度按 GB1461 - 78“纤 维缠绕玻璃钢环形试样剪切试验方法”,在青山试验 机厂的 WJ - 10 型机械万能材料试验机上测定. 2 结果与讨论 211 PBO 纤维的拉伸性能 在宇航应用方面 ,特别是为减轻发射航天器的 消极质量、提高航天器的有效射程等 ,需要材料的高 比强度和高比模量 ,可见材料的拉伸性能及密度是 宇航用新材料必须首先考虑的重要因素之一. PBO 纤维的拉伸性能在 DSS - 10T - S 电子万能材料试 验机上测定 ,此外为了相互比较 ,在分析 PBO 纤维 的同时 ,也分析测试了现有宇航用的 Kevlar - 49 纤 维和 F - 12 芳纶纤维 ,测试结果见表 1 ,表中的拉伸 性能为平均值 , Cv 为实验数据的离散系数. 表 2 是 PBO 纤维与 Kevlar - 49 纤维和 F - 12 芳纶纤维的 密度、比强度和比模量比较. 表 1 纤维的复丝性能比较 拉伸强度 σ/ MPa Cv/ % 拉伸模量 E/ GPa Cv/ % 断裂伸长率 δ/ % Cv/ % PBO(AS) 5 350 416 167 516 315 718 F - 12 (2A) 4 300 713 125 513 410 812 Kevlar - 49 3500 515 125 417 219 715 虽然同为刚性分子的超级高性能纤维 ,然而它 们的拉伸强度相差很大. 这与它们的分子结构密切 相关 , Kevlar - 49 纤维为简单的对位型芳酰胺结构 (PPTA) ,其拉伸强度在这三者中最低 ,仅为 3 400 ～3 600 MPa ;F - 12 (2A) 纤维中不仅具有 Kevlar - 49 的刚性定向 PPTA ,同时还含有相当部分的非晶 态聚对酰胺苯并咪唑 ( ПАЪИ) 结构 ,这种非晶态可 通过氢键立体交联 ,对纤维性能具有一定的影响 ,从 而表现在 F - 12 具有较好的拉伸性能和轴向压缩 性能[3 ] ,其拉伸强度为 4 100～4 500 MPa. PBO 纤 维是含杂环的苯氮聚合物的一种 ,经液晶的空气间 隙Ο湿法纺丝方式而制得 ,它的高拉伸性能就来自于 苯环和苯并口恶唑环共平面构象的刚棒状分子结构 , 以及分子链在液晶态纺丝时形成的高取向的有序结 构[4 ] . PBO 纤维的拉伸性能经实测为 5 300～5 500 MPa ,比 F - 12 和 Kevlar - 49 要分别高 2414 %和 5218 %以上. 由于 PBO 纤维中氮含量较高 ,造成其 纤维密度ρ要比 F - 12 和 Kevlar - 49 纤维的稍高 些 ,约为 11556 g/ cm 3 ,其比强度和比模量在这 3 种 纤维中最大 ,达到 354113 km 和 1 095117 ×10 4 m. 可见 ,PBO 纤维在航空航天等领域内有望成为新一 代增强材料. 表 2 纤维的密度、比强度、比模量比较 密度/ g·cm - 3 比强度/ km 比模量/ Mm PBO(AS) 11556 354113 11095 17 F - 12 (2A) 11443 204107 0·883 93 Kevlar - 49 11440 248106 01885 77 212 纤维的基本物理性质 纤维的单丝直径 d 、线密度ρl、股纱根数 n 和 水分质量分数 w ( H2O) 是纤维股纱最基本的物理性 能. 本文根据相关标准实测了 PBO、F - 12 和 Kevlar - 49 三种纤维的这些基本性能 ,测试结果见表 3. 从表 3 看 ,PBO 纤维的单丝直径和水分质量分 数介于 F - 12 和 Kevlar - 49 之间 ,相差不大 ,而它 们的股纱纤度(线密度) 和股纱根数差别较大 , 这与 表 3 纤维的部分物理性能 ρl / g·m - 1 n d/μm w (H2O) / % PBO 纤维 100 679 11～13 215 F - 12 (2A) 600 1 916 14～16 110～315 Kevlar - 49 457 3 050 10～12 217 1190 西 安 交 通 大 学 学 报 第 35 卷
王斌,等:PO纤维的基本性能实验研究 生产厂家的纺丝设备有关为了满足纺丝工艺需要,质量损失温度表现出最高值774℃,比F-12芳纶 一般需加入极少量的表面浸润剂和集束剂,这些极纤维高166℃PBO纤维在N2气氛中的残碳率也 少量的纺丝剂就会吸附在股纱表面,形成纤维的原最高达到73%左右,可用于制造新型碳纤维15 始表面状态,影响纤维与树脂的界面浸润性和粘结表5各种纤维的热质量损失数据比较 性为了弄清纤维表面吸附物的含量,本文同时将 OAS、F·12(2A), Kevlar:49 PBO纤维、F-12纤维和 Kevlar-49纤维进行丙酮 N2 蒸馏萃取,按(B2576-89测其萃取物质量分数w 质量损失4%时的温度/℃ 测量数据见表4 最大质量损失速率时的温度/℃774.3575.86189626.7 表4纤维表面萃取物质量分数比较 最大质量损失速率时的质量损失/%27.686.141.640.3 PBO纤维F·12纤维Kvar-49 24单向复合材料的性能 1.78 1.87 1.46~2.10 NOL环是一种单向纤维缠绕增强复合材料,是 缠绕成型复合材料性能综合考核的最简单的环形试 从表4的萃取物含量来看,3种纤维的基本接验件本文采用成熟的xR2环氧树脂分别缠绕PBO 近将萃取过后的PBO纤维和未萃取的PBO纤维纤维、F-12纤维和 Kevlar-49纤维增强的单向强 各自进行热质量损失分析(N2气氛),结果见图1.力环(NOL环)试件,通过强力环性能测定考核各纤 从图中可知,这2种纤维在20℃~4300间的质维与环氧树脂的浸润性、粘结性及应力传递的能力 量损失曲线不一样,未萃取的PBO纤维比用丙酮萃也可为缠绕压力容器的成型提供有价值的工艺参数 取过后的PBO纤维质量损失约多1.81%,而在其和设计参数数据见表6,表中中为纤维体积分数 他温度范围内两曲线基本上重合可见,由质量损失为层间剪切强度,O为拉伸强度,为弯曲强度 分析所得到的PBO纤维表面吸附物含量与丙酮萃 表6各纤维单向复合材料的力学性能比较 取所得到的萃取物含量数据吻合,这说明萃取方法 PBO纤维F:12(2A)Kvar-49 还是较科学的,且由质量损失曲线可知,该表面吸附 物于220℃~430℃间热分解,经红外光谱分析 MPa2700~31001970~23151400~1600 初步推测其含有长脂肪链和硅氧类化合物,但具体 结构暂无法确定 E/ MPa 117 /MPa 50~53 o/MRa360~400 丙酮萃取 未萃取 从表6可知,由于PBO纤维股纱具有优异的拉 伸性能根据纤维增强复合材料的混合定律l6),可 知PBO纤维增强环氧树脂复合材料的拉伸强度和 拉伸模量最高,测定值分别达到2700~3100MPa 和117GPa,拉伸强度比F-12和 Kevlar-49分别 高约37.2%和92.8%但是在复合材料中,纤维的 表面状态对它与树脂基体的结合性能(即构成复合 图1丙酮萃取前后PBO纤维的质量损失曲线 材料的性能),尤其是层间剪切强度影响很大.就这 3种纤维而言,因PBO纤维表面的化学和结构特性 2.3纤维的耐热性 的原因,导致其与环氧树脂基体的粘结强度较差,层 作为宇航工业用的材料必须具有高的耐热性,间剪切强度仅为23~27MPa,弯曲强度也很低,这 以经受一定的燃气和恶劣宇宙空间环境的考验,提与其纤维表面光滑(见图2)和缺少活性基团有关 高其飞行生存能力用PE3700热分析仪测试了各这是PBO纤维增强环氧树脂复合材料的薄弱点.图 纤维的耐热性能结果见表5.从表5可看出,F-123是PBO纤维增强环氧树脂复合材料的拉伸破坏 和 Kevlar-49的耐热性接近,而PBO纤维的最大热断口,其拉伸破坏特征为“皮芯”抽离和纤维撕裂所 91994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
生产厂家的纺丝设备有关. 为了满足纺丝工艺需要 , 一般需加入极少量的表面浸润剂和集束剂 ,这些极 少量的纺丝剂就会吸附在股纱表面 ,形成纤维的原 始表面状态 ,影响纤维与树脂的界面浸润性和粘结 性. 为了弄清纤维表面吸附物的含量 ,本文同时将 PBO 纤维、F - 12 纤维和 Kevlar - 49 纤维进行丙酮 蒸馏萃取 ,按 GB2576 - 89 测其萃取物质量分数 w , 测量数据见表 4. 表 4 纤维表面萃取物质量分数比较 PBO 纤维 F - 12 纤维 Kevlar - 49 w/ % 1178 1187 1146～2110 从表 4 的萃取物含量来看 ,3 种纤维的基本接 近. 将萃取过后的 PBO 纤维和未萃取的 PBO 纤维 各自进行热质量损失分析 (N2 气氛) ,结果见图 1. 从图中可知 ,这 2 种纤维在 220 ℃～430 ℃间的质 量损失曲线不一样 ,未萃取的 PBO 纤维比用丙酮萃 取过后的 PBO 纤维质量损失约多 1181 % ,而在其 他温度范围内两曲线基本上重合. 可见 ,由质量损失 分析所得到的 PBO 纤维表面吸附物含量与丙酮萃 取所得到的萃取物含量数据吻合 ,这说明萃取方法 还是较科学的 ,且由质量损失曲线可知 ,该表面吸附 物于 220 ℃～ 430 ℃间热分解 ,经红外光谱分析 , 初步推测其含有长脂肪链和硅氧类化合物 ,但具体 结构暂无法确定. 图 1 丙酮萃取前后 PBO 纤维的质量损失曲线 213 纤维的耐热性 作为宇航工业用的材料必须具有高的耐热性 , 以经受一定的燃气和恶劣宇宙空间环境的考验 , ,提 高其飞行生存能力. 用 PE3700 热分析仪测试了各 纤维的耐热性能 ,结果见表 5. 从表 5 可看出 ,F - 12 和 Kevlar - 49 的耐热性接近 ,而 PBO 纤维的最大热 质量损失温度表现出最高值 774 ℃,比 F - 12 芳纶 纤维高 166 ℃. PBO 纤维在 N2 气氛中的残碳率也 最高 ,达到 73 %左右 ,可用于制造新型碳纤维[5 ] . 表 5 各种纤维的热质量损失数据比较 PBO(AS) N2 空气 F - 12 (2A) N2 Kevlar - 49 N2 质量损失 4 %时的温度/ ℃ 587 324 312 320 最大质量损失速率时的温度/ ℃ 77413 57518 61819 62617 最大质量损失速率时的质量损失/ % 2716 8611 4116 4013 214 单向复合材料的性能 NOL 环是一种单向纤维缠绕增强复合材料 ,是 缠绕成型复合材料性能综合考核的最简单的环形试 验件. 本文采用成熟的 XR2 环氧树脂分别缠绕 PBO 纤维、F - 12 纤维和 Kevlar - 49 纤维增强的单向强 力环(NOL 环) 试件 ,通过强力环性能测定考核各纤 维与环氧树脂的浸润性、粘结性及应力传递的能力 , 也可为缠绕压力容器的成型提供有价值的工艺参数 和设计参数. 数据见表 6 ,表中φ为纤维体积分数 ,τ 为层间剪切强度 ,σ为拉伸强度 ,σw 为弯曲强度. 表 6 各纤维单向复合材料的力学性能比较 PBO 纤维 F - 12 (2A) Kevlar - 49 φ/ % 6315 6110 6110 σ/ MPa 2 700～3 100 1 970～2 315 1 400～1 600 E/ MPa 117 8617 7510 τ/ MPa 23～27 50～53 36～40 σw/ MPa 360～400 830 690 从表 6 可知 ,由于 PBO 纤维股纱具有优异的拉 伸性能 ,根据纤维增强复合材料的混合定律[6 ] ,可 知 PBO 纤维增强环氧树脂复合材料的拉伸强度和 拉伸模量最高 ,测定值分别达到 2 700～3 100 MPa 和 117 GPa ,拉伸强度比 F - 12 和 Kevlar - 49 分别 高约 3712 %和 9218 %. 但是在复合材料中 ,纤维的 表面状态对它与树脂基体的结合性能 (即构成复合 材料的性能) ,尤其是层间剪切强度影响很大. 就这 3 种纤维而言 ,因 PBO 纤维表面的化学和结构特性 的原因 ,导致其与环氧树脂基体的粘结强度较差 ,层 间剪切强度仅为 23～27 MPa ,弯曲强度也很低 ,这 与其纤维表面光滑 (见图 2) 和缺少活性基团有关 , 这是 PBO 纤维增强环氧树脂复合材料的薄弱点. 图 3 是 PBO 纤维增强环氧树脂复合材料的拉伸破坏 断口 ,其拉伸破坏特征为“皮芯”抽离和纤维撕裂. 所 第 11 期 王 斌 ,等 :PBO 纤维的基本性能实验研究 1191
西安交通大学学报 第35卷 均比F-12和 Kevlar-49的高,股纱拉伸强度为 5300~5500MPa,分别比F-12和 Kevlar-49高 24.4%和52.8%以上,单向纤维复合材料的拉伸强 度要高约37.2%和92.8%,耐热性也高出约166 ℃,其他基本物理性能相差不大 2)PBO纤维与环氧树脂基体的界面粘结性很 差,层间剪切强度仅为23~27MPa,这需要通过改 善纤维的表面性能来加以解决 D1。861k5 参考文献 图2PBO纤维的表面状态 []黑木忠雄矢吹和之.PBO纤维“#亻口y”的基本物性 和应用[]高科技纤维与应用,199823(5):36~39 [2 So Y H, Heeschen J P, Bell B. Study of the mechanism for poly(p-phenylene) benzoxazole polymerization-a re- markable reaction pathway to make rigid rod polymers ]. Macromolecules,199831(6):5229~5239 [3]王斌,扬杨建奎,张炜.F-12纤维本体结构及破坏 模式探索研究[A].第三届陕西省复合材料学术交流 会论文集[C]西安:西北工业大学,99.24~28 [4 Kitagawa T, Murase K, Yabuki K. Morphological study on poly-p"phenylenebenzobis ( PBO)fiber [J]. J Ploy Sci(part B): Polymer Physics, 1998, 36(1): 39 图3PBO纤维的破坏断口 [5 Newell J A, Regers D K. Direct carbonization of PBO 以,致力于改善PBO纤维的表面状态及其与树脂基 fiber [J]. Carbon, 1994, 32(4): 651-658. 体之间的界面结合强度,是以后研究PO纤维复合6]赵渠森复合材料[M]北京:国防工业出版社,1979 材料的重点方向 (编辑葛赵青) 3结论 (1)PBO纤维股纱和单向复合材料的拉伸性能 (上接第1183页) [6 Kittel C. Introduction to solid state physics [M]. 7th 9 Ziman J M. Electrons and phonons [M]. Oxford edition. New York: John Wiley Sons Inc, 1996 Clarendon Press. 1960 [7 Volz S, Saulnier J B, Lallemand M, et al. Transient [10 Holland M G. Analysis of lattice thermal conductivity Fourierlaw deviation by molecular dynamics in solid ]. Phys Rev,1963,132:2461~2471 gon J]. Phys Rev:B,1996,54:340~347. [11] Chen G, Tien CL. Thermal conductivity of quantum [8 Touloukian Y S, Liley P E, Saxena S C. Thermop hysi" well structures J]. AlAA J of Thermophysics and Heat cal properties of matter( Vol 3): Thermal conductivity of Transfer,1993,7:311~318 IM. New York: IFI (编辑葛赵青) Plenum. 1970 o1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
图 2 PBO 纤维的表面状态 图 3 PBO 纤维的破坏断口 以 ,致力于改善 PBO 纤维的表面状态及其与树脂基 体之间的界面结合强度 ,是以后研究 PBO 纤维复合 材料的重点方向. 3 结 论 (1) PBO 纤维股纱和单向复合材料的拉伸性能 均比 F - 12 和 Kevlar - 49 的高 ,股纱拉伸强度为 5 300～5 500 MPa ,分别比 F - 12 和 Kevlar - 49 高 2414 %和 5218 %以上 ,单向纤维复合材料的拉伸强 度要高约 3712 %和 9218 % ,耐热性也高出约 166 ℃,其他基本物理性能相差不大. (2) PBO 纤维与环氧树脂基体的界面粘结性很 差 ,层间剪切强度仅为 23～27 MPa ,这需要通过改 善纤维的表面性能来加以解决. 参考文献: [1 ] 黑木忠雄、矢吹和之. PBO 纤维“ Í ”的基本物性 和应用[J ]. 高科技纤维与应用 ,1998 ,23 (5) :36～39. [2 ] So Y H , Heeschen J P , Bell B. Study of the mechanism for poly(p2phenylene) benzoxazole polymerization - a re2 markable reaction pathway to make rigid2rod polymers [J ]. Macromolecules , 1998 ,31 (6) :5 229～5 239. [3 ] 王 斌 ,杨建奎 ,张 炜. F - 12 纤维本体结构及破坏 模式探索研究[A ]. 第三届陕西省复合材料学术交流 会论文集[C]. 西安 :西北工业大学 ,1999. 24～28. [ 4 ] Kitagawa T , Murase K , Yabuki K. Morphological study on poly2p2phenylenebenzobisoxazole ( PBO) fiber [J ]. J Ploy Sci (part B) : Polymer Physics , 1998 ,36 (1) :39～ 48. [5 ] Newell J A , Regers D K. Direct carbonization of PBO fiber [J ]. Carbon , 1994 ,32 (4) : 651～658. [6 ] 赵渠森. 复合材料[ M ]. 北京 :国防工业出版社 ,1979. 23. (编辑 葛赵青) (上接第 1183 页) [6 ] Kittel C. Introduction to solid state physics [ M ]. 7th edition. New York : John Wiley & Sons Inc , 1996. [ 7 ] Volz S , Saulnier J B , Lallemand M , et al. Transient Fourier2law deviation by molecular dynamics in solid ar2 gon [J ]. Phys Rev : B , 1996 , 54 : 340～347. [8 ] Touloukian Y S , Liley P E , Saxena S C. Thermophysi2 cal properties of matter (Vol 3) : Thermal conductivity of nonmetallic liquids and gases [ M ]. New York : IFI/ Plenum , 1970. [9 ] Ziman J M. Electrons and phonons [ M ]. Oxford : Clarendon Press , 1960. [10 ] Holland M G. Analysis of lattice thermal conductivity [J ]. Phys Rev , 1963 ,132 : 2 461～2 471. [ 11 ] Chen G, Tien C L. Thermal conductivity of quantum well structures [J ]. AIAA J of Thermophysics and Heat Transfer , 1993 ,7 :311～318. (编辑 葛赵青) 1192 西 安 交 通 大 学 学 报 第 35 卷