一文详细了解芳纶纤维复合材料的性能特点

以下文章来源于碳纤维及其复合材料技术 ,作者钱 鑫 博士

芳纶纤维(Aramid fiber)全称为"聚对苯二甲酰对苯二胺",具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能,芳纶纤维于1960s由美国杜邦公司(商品名为Kevlar)研发成功并商业化,因此在碳纤维出现之前,芳纶纤维一直占据着高性能纤维市场。

 

本文首先简述了芳纶纤维发展历程,随后重点针对芳纶纤维复合材料优异特性如高抗冲击、低重量、耐磨等进行了详细描述。

 

01 芳纶纤维发展简史

 

上世纪60年代,美国杜邦公司全球首家以注册商标Kevlar引进和生产芳纶的公司,自1973年起芳纶纤维就开始在市场上销售。芳纶是由一位波兰裔女化学家斯特凡妮娅·郭力克发现的,她当时正在进行一项研究,希望在轮胎制造中使用一种重量轻、强度特别强的材料来代替尼龙。

 

Kevlar纤维发明者——波兰裔女化学家斯特凡妮娅·郭力克

 

如今芳纶复合材料中最有名的是杜邦公司的Kevlar凯夫拉纤维。随着时间的推移,其他供应商也以不同的商业名称供应芳纶,包括:杜邦公司提供的Nomex、日本帝人公司提供的Twaron和Technora、韩国Toray公司提供的Arawin、韩国Heracron公司提供的Kolon以及中国公司提供的一些产品。

 

因此,任何一种叫做Kevlar、Twaron或Nomex的材料实际上都是指芳纶,它具有特殊的性能,包括优异的抗冲击和耐磨性、耐高温性以及低重量。由于这些特性,这种材料经常用于陆军、空军、水上运动和汽车运动,以及轮胎、服装和防护手套的制造和许多其他用途。

 

芳纶纤维材质防护手套

 

02 芳纶纤维复合材料特点

 

2.1 高抗冲击性和抗裂性

 

芳纶纤维具有优异的抗冲击性能,并且由于其坚韧且可吸收大量能量而在压力下不会破裂。它广泛用于制造防弹背心、船只、皮艇以及军用车辆部件的装甲。芳纶纤维复合材料的抗冲击性能是碳纤维复合材料的5倍(采用落锤冲击方法测试)。这种非凡的抗撞击或抗子弹能力是由形成芳纶结构的长原子链造成的。

 

鉴于优异的抗冲击特性,芳纶纤维被广泛用于制造防弹背心和坦克装甲材料的军事用途。防弹背心通常是由几十层芳纶(例如Kevlar)组成的材料制成,并在两层之间包括一个陶瓷板。一些装甲车(如美国M1坦克)所用的防护罩是由钢-芳纶-钢材料制成的,可以抵抗直径达700mm的反坦克导弹

 

芳纶纤维广泛用于防弹背心领域

 

此外,除了保护坦克本身外,钢-芳纶-钢护盾还通过吸收穿透导弹产生的动能来保护乘员。Kevlar的另一个应用是在波音AH-64上,这是一种配备了Kevlar旋翼的美军主攻直升机。在这里,Kevlar可以防止直径最大为23毫米的子弹

 

芳纶纤维可为直升机提供防弹功能

 

由于具有很高的抗冲击性,Kevlar被广泛用于建造船只和皮划艇,例如为沃尔沃海洋赛(Volvo Ocean Race)设计的游艇外壳,这是最艰巨的运动挑战之一。大多数水上运动的高性能皮艇都是由芳纶纤维或碳纤维/芳纶纤维混合材料制成的

 

芳纶纤维保护皮划艇免受损害

 

2.2 低密度/低重量

 

芳纶纤维具有极低的重量,这是制造复合材料的一个优势。虽然碳纤维复合材料本身被认为非常轻但是芳纶纤维复合材料比碳纤维复合材料轻约20%。在复合材料中使用芳纶织物可增加抗冲击和耐磨性,并降低了复合材料元件的重量。

 

芳纶纤维的密度约为1.45g/cm³,而芳纶与环氧树脂的复合材料的密度约为1.3g/cm³。该计算基于环氧树脂与固化剂~1.1g/cm³的混合密度,以及复合材料生产过程中采用的先进技术,即高压釜预浸料。而在通常被认为非常轻的碳纤维复合材料中,其密度接近1.55g/cm³,综合对比,芳纶纤维复合材料比碳纤维复合材料轻20%。

 

如何比较芳纶纤维复合材料和金属的重量?铝为2.7g/cm³,钛为4.5g/cm³,钢为7.9g/cm³,因此,芳纶纤维复合材料比铝轻2倍,比钛轻3或4倍,比钢轻6倍。

 

2.3 刚度适中,介于玻璃纤维和碳纤维之间

 

芳纶纤维复合材料比玻璃纤维复合材料具有更高的刚度,但也明显低于碳纤维复合材料。芳纶纤维和碳纤维相似,有许多类型的纤维,包括标准、中等和高模量的纤维,它们可提供不同的刚度和强度。

 

不同种类纤维的刚度如下所示:

  • 玻璃纤维织物——从72GPa(标准E-玻璃)到87GPa(S-增强强度的玻璃织物);

  • 碳纤维织物——从230GPa(东丽T300)到588GPa(东丽HM级M60J);

  • 芳纶纤维织物——从96GPa(标准芳纶即Kevlar 129)到186GPa(飞机/航空工业中使用的芳纶即Kevlar 149)。

 

综上所述,由标准织物制成的芳纶复合材料的刚度比玻璃纤维复合材料高30-40%,与碳纤维复合材料相比则要低50%。

 

2.4 耐磨性

 

芳纶纤维复合材料已经广泛应用于易磨损的零部件,如保护赛车发动机的防滑板。芳纶通常被萃取工业(如采矿工业)用于加固输送带的橡胶带,并确保更高的强度和耐磨性,据Kevlar制造商称,加固后可使耐磨性提高50-70%。由于这些特性,该材料可用于复合材料以及工作服,如使用芳纶织物的防割安全手套,如Twaron或Kevlar。

 

2.5 低介电常数

 

芳纶纤维复合材料的介电常数低至〜3.85(10 GHz),保证了信号穿透芳纶防护罩/天线罩的良好性能和强度。这种天线广泛用于军事目的,例如在军用飞机上。

 

芳纶纤维用于军事天线罩

 

芳纶纤维复合材料外壳/天线罩可保护天线不受损坏并确保良好的信号性能。相比之下,E-玻璃纤维复合材料提供的电容率对应于6.1(10 GHz),导致天线信号功率和性能降低60%。除芳纶外,还使用石英纤维,其介电常数为3.78(10 GHz)。

 

2.6 其他特性

 

芳纶纤维具有低热膨胀特性,在高温下非常稳定,几乎为零,热膨胀系数略为负,相当于(-2.4 x 10⁻⁶ /°C)。芳纶纤维是很好的绝缘体,不导电。

 

芳纶纤维复合材料的一种特殊性能与振动吸收相关,因此可用于制造承受振动的部件,如飞机结构部件。

 

2.7 与其他织物加工混合复合材料

 

芳纶纤维织物可根据需要进行参数调整,用于碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料,为复合材料产品的供应商提供了多种可能性。

 

对于碳纤维复合材料,可以通过添加几层芳纶纤维织物来提高抗冲击性能。由50%的碳纤维和50%的芳纶纤维组合而成的混杂复合材料,与仅由碳纤维制成的复合材料相比,抗冲击性能最高可提高25%。

 

芳纶纤维-碳纤维混编织物