碳纤维毕业论文模板

在项目建设中,材料的选择直接影响着工程造价,尤其是新型建筑材料的投入往往会使工程造价大幅度增减。下面是我为大家整理的材料工程 毕业 论文，供大家参考。

材料工程毕业论文 范文 一：金属材料工程专业实践教学研究

摘要：通过对实践教学在新形势下的重要性及意义进行阐述，结合沈阳化工大学的发展定位，以化工行业为依托，对金属材料工程专业实践教学模式进行改革，优化专业课程的实践教学，加强校企合作，强化实践教学的管理，构建了完善的金属材料工程专业实践教学体系，努力培养学生创新能力，使其成为高素质应用型人才。

关键词：金属材料工程;实践教学;教学改革;人才培养

沈阳化工大学金属材料工程专业是应社会经济发展需求，尤其是化工行业建设的需求，在原金工教研室师资力量和实验设备条件的基础上，经过充分的论证、申请，于2006年国家教委批准，开始面向全国招生，同年获批材料学硕士学位授予权。在专业建设中，充分发挥化工大学化工行业特色优势及高素质专业教师队伍的优势，不断改革完善培养方案、培养模式，逐步形成了立足行业、与辽宁工业产业紧密衔接、全方位实践创新能力培养的专业特色，专业定位符合本校办学定位和发展方向，已纳入本校专业建设规划并进行重点建设，成效显著。在2013年辽宁省普通高等学校本科专业综合评价中，全省九所学校金属材料工程专业参评，沈阳化工大学的金属材料工程专业排名第二。实践教学是培养本科生理论联系实际，也是培养本科生创新意识和创新能力的主要途径[1]。但近年来，在市场经济的影响下，许多生产企业以影响生产和安全为由不愿接待本科生实习，同时，本科生实习的积极性也不高，导致实习效果不尽如人意。

1金属材料工程专业实践教学的现状

当前我国普通院校本科生 教育 普遍存在的一个突出问题是本科生创新意识差和创新能力不足，动手能力较很弱，难以适应激烈的市场竞争和知识经济的快速发展的需要[2]。而实践教学是培养本科生综合素质，提高本科生解决实际问题的能力，以及促使本科生将所学的理论知识向实际技能转化的环节。通过实践教学可以巩固、加深本科生对所学的理论知识的理解，并能够培养本科生严肃认真的科学态度[3]。高等学校中的传统的金属材料工程专业实践教学通常具有如下特点：首先，本科生实验教学内容主要以演示性、验证性实验居多，综合性实验和设计性实验相对较少，实验教学多以模仿为主，创新内容涉及较少。其次，部分本科生的课程设计和毕业设计与实际生产相脱节，影响本科生的就业竞争力。最后，由于受到现实条件的限制，目前的本科生生产实习和毕业实习主要采取到相关企业生产现场进行观摩教学的方式，大多数本科生很难彻底认识企业生产的组织和实施过程。实践教学环节存在的这些问题制约着本科生创新能力的提高[4]，为培养二十一世纪合格的金属材料专业人才，沈阳化工大学金属材料工程专业近年来对金属材料工程专业实践教学体系进行了一系列改革，形成了稳定而有效的实践性教学体系。

2专业课程实验的优化

为培养二十一世纪化工行业合格的金属材料工程专业人才，自2006年以来，沈阳化工大学金属材料工程专业对实验教学内容统筹规划、整体安排。经过几年的改革和实践，建立了具有化工行业特点及金属材料工程专业特色、科学合理的实验教学内容，结合沈阳化工大学的化工特色，针对化工单元设备的主要加工 方法 ，如压力加工、焊接、机械加工及化工单元设备的腐蚀问题。强化金属塑性加工原理、焊接冶金学、焊接工艺与设备、金属腐蚀与防护、金属热处理和材料无损检测等主要专业课程。这些主要专业课程均设置有实验内容，同时优化了验证性实验，增加了综合性和设计性实验的数量，使本科生动手能力得到提高。巩固科研教学资源化的成果，进一步完善校内实践实训基地的建设，创造学生动手操作的条件，培养学生的工程实践能力。此外，金属材料工程专业每年投入一定的资金对现有实验设备进行改造，更新部分专业实验，增加创新性实验硬件条件，增加开放实验室公用设备的种类及台套数。进一步开放实验室，一周至少两天全天开放实验室，保证本科生根据需要自主进行实验。

3加强校企合作，强化实习管理

原有认识实习、生产实习、毕业实习的企业很多设备比较陈旧，几乎没有先进的设备和技术，实习效果大打折扣，为此，近年来金属材料工程专业增加个性化实习，采用校企合作，结合学生的 兴趣 爱好 、就业方向、教师的科研课题以及就业单位的培训等等，分别送学生到企业去学习实践，为方便学生到企业实习，金属材料工程专业先后建立了与沈阳铸锻工业有限公司、富奥辽宁汽车弹簧有限公司、抚顺机械设备制造有限公司等十余家企业的实习基地。通过实习基地，加强了与相关企事业单位的合作，利用其设备开展金属材料工程专业的实践教学，结合企业实际进行企业课程教学、现场教学和案例教学，这样也促使本科生了解金属材料及其相关材料最新的科技发展动态，使本科生具有分析和解决生产中的实际问题的能力。对于本科生毕业论文和设计结合企业实际项目或在实践教育基地、企业开展，校内校外指导教师共同指导，以强化学生综合运用所学知识进行独立分析问题和解决问题的能力。为保证实习效果，加强本科生对实习的重视，金属材料工程专业主任及全体实习指导教师参加实习动员，强调实习过程安全问题，明确每次实习的集合时间、地点、着装和注意事项等。在实习期间，每到一个车间，先请车间主任介绍该车间的典型设备和工艺流程，使本科生在参观前对参观内容有大概了解。实习成绩评定主要依据实习期间的出勤、纪律、实习笔记、 实习 报告 等。通过各方的努力，大大增强了本科生实习的主动性。

4开展创新活动，推进实践教学

鼓励本科生积极开展多样化的科技创新活动[4-5]，例如参加教师的科研项目以及各类大学生竞赛等。通过组织各种类型、各种形式和不同层次的课外活动，将各类工程实践活动、创新实践训练、学科竞赛活动、学术前沿讲座、 社会实践 、公益活动等课外活动作为第二课堂课程模块纳入到课程体系中统一实施和管理。近年来，金属材料工程专业参赛学生项目获第三届全国机械创新设计大赛国家二等奖一项;“第十一届挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛国家三等奖一项;2011年、2013年分别获全国大学生英语竞赛三等奖、二等奖各一项;省级奖项几十多项。通过创新竞赛的开展，培养了学生的创新能力，同时也提高了教师指导学生创新的积极性，活跃了创新教育的氛围，为金属材料工程专业学生的个性发展提供平台，为学生毕业后从事科学研究活动奠定了一定的基础。

5结论

当今，素质教育快速发展[6-7]，金属材料在化工行业中占有举足轻重的地位，为培养二十一世纪化工行业合格的金属材料专业人才的需要，我们将继续优化实践课程建设，建设具有化工行业特点及金属材料工程专业特色、科学合理的实践教学内容，努力培养学生创新能力，使其毕业后能在化工企业、高等学校或科研院所从事金属材料及金属基复合材料的研究、成分-工艺及设备设计、组织和性能检验、生产制造、技术开发和经营管理等方面工作的高素质应用型人才。

参考文献

[1]胡宗智，吴敏，王燕，等.依托地域优势开展金属材料工程专业生产实习的创新实践[J].中国电力教育，2011(2)：129-130.

[2]甄睿，蔡璐.应用型本科院校金属材料工程专业人才培养和教学改革的思考[J].南京工程学院学报：社会科学版，2009，9(4)：65-68.

[3]胡宗智，邹隽，孙小华，等.金属材料工程专业创新型人才培养实践教学体系研究[J].中国电力教育，2013(26)：98-99.

[4]王荣，杨爱民，张骁勇，等.关于我校金属材料工程专业建设的思考[J]. 人力资源管理 ，2010(1)：46.

[5]王生朝，蔡素莉，高泽平，等.金属材料工程专业实践性教学改革研究[J].湖南工业大学学报，2011(5)98-101.

[6]孙建春，陈登明.金属材料工程专业实习教学的改革实践[J].中国冶金教育，2009(4)55-57，60.

[7]孙小华，胡宗智，黄才华，等.金属材料专业综合实验教学改革与实践[J].中国电力教育，2013(14)118-119.

材料工程毕业论文范文二：高分子材料工程硕士创新实验能力培养

摘要：

结合国内外的工程硕士教学现状，通过分析国内工程硕士的课题研究方向和企业需要解决的问题存在脱轨现象、上理论课时间不足等问题，在借助于国外先进 经验 的基础上，提出了双导师制、灵活培养模式，确保创新实验能力培养的效果，为企业培养“留得住，用得上”的高分子材料工程实践实力和创新能力的应用型高级人才。通过对工程硕士创新实验能力培养模式的实践与探索，使工程硕士研究生在理论知识和动手能力及 创新思维 积累方面得到一定的提高。

关键词：工程硕士;创新实验能力;培养模式

研究生培养作为高校培养人才的重要一环，其培养模式的探索与研究一直都受到高度重视[1，2]。在我国经济体制转型期，高层次复合人才在传统工矿企业和工程建设部门需求非常大，国家为了弥补学术型硕士实际操作能力相对较弱的特点，1997年国务院学位委员会正式批准设置工程硕士专业学位，而工程硕士创新实验能力培养又成了该领域的重要研究课题。

1国内外研究现状分析

美国的工程类硕士教育起源，可追溯到第二次世界大战以后。二战后，新知识、新技术、新材料、新工艺层出不穷，工程活动的涉及层面迅速拓宽，复杂性与日俱增，对工程教育产生了极大的影响[3]。其工程类硕士培养的最大特点就是面向专业实践应用而非学术研究，培养目标是未来设计和开发的工程师。美国自开展工程硕士教育以来，逐步形成了独特的、多样性的培养模式[4]。在美国学校工程类硕士培养的模式主要为培养方式的不同，如本硕连读制、远程教育三年制等，但其课程标准与学位要求是统一的，都必须遵循美国工程技术鉴定委员会(ABET)和各专业学会(协会)提供的统一的专业认证标准[5]。英国的硕士学位教育分成两种类型[6]。一种是给予课程学习的硕士，称为MSC(MSCourse);另一种是基于研究工作的硕士，称为MSphil(MSphilosophy)。此外，还有一种类似我国工程硕士的研究工程师学位。英国工程教育是以让毕业生取得专业头衔(即专业资格)为主要目标。经过20多年的发展，英国的专业资格已经把学术资格和职业资格融为一体。严格的入门要求、多样化的候选资格，加上灵活的注册路线，保证了专业资格的质量。我国工程硕士教育从1984年提出，经历了从试点到奠定工程硕士人才培养模式的阶段。自从奠定了人才培养模式后，工程硕士教育从9个培养单位、10个工程领域、年招生1千多人，发展到2004年的180个培养单位、38个工程领域、年招生3万多人、在校生10万余人。从发展的势头看，工程硕士教育充满着活力。为使工程硕士专业学位规范管理、稳步发展，经中华人民共和国国务院学位委员会考核验收，已下发(1997)57号文批准全国70多所高校具有工程硕士学位授予权，如清华大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学、中南大学、北京航空航天大学、华南理工大学等。总的来说，大多数高校都形成了自己的办学特色[7，8]，以培养高级应用型工程技术人员为目标，经过多年发展经验[9]，目前工程硕士培养模式。相比国外，现在国内开设工程硕士培养点的高校数量在大幅度增加，但在实际培养过程中很多高校对工程硕士资格认证标准重视不够[10，11]。就目前高分子材料工程工程领域来说，工程硕士研究生专业人才培养模式的主要缺点是：没有将工程硕士的课题研究方向和企业需要解决的问题有机的结合起来，存在脱轨的问题，在定课题方向时，把企业摆在可有可无的位置上，研究生研究的课题与生源单位生产技术不搭。学生在企业工作很忙，无法保证上理论课时间等问题。针对出现的这些问题，我们高分子材料加工硕士点拟逐步摸索出一种新型的双导师制、灵活培养模式。让学生充分利用学校与企业资源平台，培养出符合社会需求的创新性人才。本课题以高分子材料加工领域工程硕士人才培养模式为样本进行研究，课题完成鉴定后推广到我校 其它 研究生专业。

2主要研究内容

本课题拟通过课程体系改革、授课方式改革、学位论文形式改革、课题来源研究内容改革等进行研究，培养出在高分子材料工程领域创新实践能力强的应用型高级专门人才。其主要研究内容。

课程设置体系研究

由于工程硕士自身特点即能够来上课的时间很少，生产实际经验丰富。本项目改革是想在时间少的情况下，使学员学到更多的东西，并发挥各自的长处。在课程设置体系设置上改革以往只注重在理论教学，必修课多的特点(至少17学分)。根据学生所在生产岗位需要多增加一些选修课(原来是11学分)。并在传授专业理论知识过程中，加强对学生创新思维的培养。

授课形式及方式研究

目前的工程硕士大多都在生产岗位作领导工作，工作很忙，集中上课存在的难度很大，本项目拟采取的办法：远程网络上课(视频和师生互动交流上课)，即课件点播、在线答疑、在线辅导、同步和异步讨论、在线测试、专家讲座等方式。即用时下流行的BBS进行提问和沟通。

学位论文形式改革

由于目前工程硕士学位论文形式比较单一，通常采用撰写“大论文”方式。依据此问题本次改革拟采取的办法为：学位论文形式：产品研发、工程设计、应用研究、工程/项目管理、 调研报告 。

课题来源研究内容改革研究

现在学生的课题大多源于校内导师课题，这与研究生所从事的专业严重脱节，针对这一问题本项目拟采取的办法：校企联合培养，针对企业具体问题，进行研究。校企联合培养模式是一种以培养学生的全面素质、综合能力与就业竞争能力为重点，利用学校与企业两种不同的教育环境和教育资源，采取课堂教学与学生参加实践有机结合的方式，培养适合不同用人单位需要的、具有全面素质与创新能力人才的教育模式。而校企联合培养模式与传统高校培养模式的根本区别在于，校企联合办学的人才培养目标是以应用能力培养为主线，依托行业发展，构建适应新材料发展的以生产技术为导向的“零距离”实践教学体系、与生产“零距离”接轨的教材体系、基于解决生产实际问题需求的“零距离”素质拓展培养体系，能实现学校、企业、学生三方共赢。由此，我们将努力尝教授走进企业，老板走进校园，企业员工(学生)走进实验室的目的。

导师管理改革

学位论文是综合衡量工程硕士培养质量的重要标志，应在导师的指导下，由攻读工程硕士学位者本人独立完成。学位论文由学校具有工程实践经验的硕士导师与工程单位选派的责任心强的具有高级技术职称的技术人员联合指导。

3创新实验能力培养模式

工程硕士学位研究生教育的科学发展取决于其适应社会需求的程度，而如何深化高校与企业之间的互动关系则是目前症结之所在。材料学院就这一问题采取了如下 措施 ：

(1)聚焦企业需求，创新工程硕士教育的办学理念随着工程硕士培养规模的不断扩大，我们不断更新工程硕士教育的办学理念，将以服务企业为宗旨贯穿于工程硕士培养之中，为企业培养“留得住，用得上”的高层次应用型人才。对于校企合作培养的研究生，可以自带科研课题。即工程硕士可以带自己单位的科研课题，课题的完成可以利用学校和企业的现有实验条件完成。学校具有良好的实验教学基础条件和高水平教师，实验室开放运行，资源共享。

(2)量身定做相比于一般的研究生，工程硕士生的知识背景更具多样性，在培养过程中应力争实现“量身定做、量体裁衣”，针对不同的行业和学生，学生可以选择自己从事工作领域的课题。从而更好地满足企业需要，满足各领域工程建设和发展需要。如我们2011级有名学生来自于威海碳纤维厂，他做的课题是“PAN。

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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.