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纤维材料强度和失效机理及其绳缆发展趋势(三)

来源:江苏优培德复合材料有限公司 发布时间:2017-09-30 12:28:17 浏览人次:1222

5 化纤绳缆的未来展望

纤维绳缆的未来发展主要取决于制绳纤维材料的发展。

5.1 现有高性能纤维的改进

高性能化纤绳缆开发使用30多年了,并没有大规模的取代钢丝绳。目前全球绳缆市场90%仍然是由各类钢丝绳占据。纤维绳的市场占有率不到10%。以超高相对分子质量聚乙烯纤维为例,高性能化纤绳缆与钢丝绳相比有其下列最主要的缺点和局限性:

⑴“性价比”较低,相同强度的超高相对分子质量聚乙烯纤维绳缆售价一般是钢丝绳的2~3倍或甚至更贵;

⑵ 超高相对分子质量聚乙烯纤维的耐热性能低,在高温环境中的使用有限制。当然,具体某一超高相对分子质量聚乙烯纤维绳缆的蠕变特性与其原材料、结构设计、使用状况等多方面因素有关。

其它不足之处包括抗机械损伤(如尖锐表面的刮伤和磨损)可以采用外加保护套等办法减轻和克服,但上述两个主要缺点只有通过对超高相对分子质量聚乙烯纤维材料做实质性的改进和提高得到解决。

为了克服超高相对分子质量聚乙烯纤维的上述缺点,国内外化纤科技人员作了很多研究。我们认为超高相对分子质量聚乙烯/碳纳米管(UHMWPE/CNT)复合材料纤维仍然有很大的强度提升空间。

5.2 碳纳米管和碳纳米纤维

针对现有超高相对分子质量聚乙烯纤维存在耐蠕变性能不佳以及断裂强度需要进一步提高的问题,人们一直没有停止对新的纤维的研发。比如高强高模的均聚芳纶(Kevlar)和共聚杂环芳纶(芳纶Ⅲ)的研究,尽管芳纶具有优异的耐热和耐蠕变性能,但其耐紫外和耐磨性能较超高相对分子质量聚乙烯纤维差。为了改善芳纶的耐紫外性能,近年来发展起来了高强高模聚酰亚胺纤维,其具有优异的耐紫外性能、化学性能和高低温性能。但对于绳缆用的纤维而言,其断裂强度是其最核心的技术指标,高强高模的芳纶和聚酰亚胺纤维的断裂强度与超高相对分子质量聚乙烯纤维仍处于同一水平。因此,开展碳纳米管和碳纳米纤维及其复合纤维就成为未来研究的重点之一。

自从碳纳米管在1990年代被发现后,许多论文报道了其卓越的性能,包括超高的拉伸模量和拉伸强度,比如强度高达130 GPa,仅从表面数字看比现有高性能纤维能高几十倍,为更高强度绳缆的研究提供了想象空间。然而,这些性能指标经常是使用微米尺寸的小样品测量的。试样尺寸增大,强度立即下降,当样品尺寸超过2 mm时,碳纳米管的强度和钢接近。最长的碳纳米管有半米长,在2013年7月由清华大学魏飞教授的课题组制备成功,但没有看到把多根这些“超长”的碳纳米管编结成“绳”的报道。

在过去几年中, 剑桥大学等研究机构努力从碳纳米管制造“ 新” 碳纤维即碳纳米纤维(carbon nanofiber CNF)。据“Cambridge Material Eye” (2011) 的报告,剑桥材料系的实验室在一天内生产了约30 km长的纤维,重约1 g,所得到的纤维由“超长”纳米管(每个管长约1 mm,直径10 nm)组成,并且具有与常规碳纤维相似的强度和刚度,同时韧性很好。很明显,在用这些纤维制成绳缆之前还有很长的路要走。然而碳的自然资源无比丰富,只要工艺成本下降碳纳米材料的价格就会下降。碳纳米管在电子工业应用中的巨大商机促成了每年千吨计的产能 (Shaffer,2011)。碳纳米管售价(100 美元/kg)已比PBO纤维的125 美元/kg低不少。所以目前碳纳米纤维用于绳缆的瓶颈是其技术指标还比不上现有高性能纤维,而不是价格。由此可见绳缆行业可以使用工业化的碳纳米纤维“前途是光明的,道路是漫长的”。

6 结论

⑴ 根据绳缆材料及其强度,可将绳缆的发展历史分为4 个产品代:第1代天然纤维绳、第2代钢丝绳、第3代普通性能纤维绳和第4代高性能纤维绳。

⑵ 绳缆材料的实际强度只有理论极限强度的约10%;其原因是材料尺寸增大时微观结构中就会产生缺陷和薄弱环节。

⑶ 绳缆材料的发展将是改进现有材料和开发新材料两头并进的局面。

⑷ 碳纳米纤维材料有可能为制绳行业带来突破性进展,如强度比现有高性能纤维提高一个数量级以上。

江苏优培德复合材料有限公司致力于碳纤维等复合材料汽车及工业领域的高性能零件开发、试制、及生产,配备有复合材料不同生产工艺如模压、RTM、真空导入、缠绕等,根据不同的产品需求及量纲要求提供整体解决方案。

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