第三章增強體

1、第三章第三章增強材料增強材料2015.11.23目標與要求目標與要求l掌握增強體的概念、特征以及分類；掌握增強體的概念、特征以及分類；l掌握各種增強體的增強效果及理論掌握各種增強體的增強效果及理論l掌握玻璃纖維分類、物理化學性質(zhì)、掌握玻璃纖維分類、物理化學性質(zhì)、制備方法，了解玻璃纖維制品制備方法，了解玻璃纖維制品3.1 增強體概述增強體概述一、增強體定義一、增強體定義 也稱為也稱為增強劑增強劑，是復合材料中粘結(jié)在基體，是復合材料中粘結(jié)在基體內(nèi)以改進其內(nèi)以改進其機械性能機械性能的高強度材料，可以提高的高強度材料，可以提高基體的基體的強度強度、韌性韌性、模量模量、耐熱耐熱和和耐磨耐磨等性能。等性能

2、。主要有纖維、晶須、顆粒等材料主要有纖維、晶須、顆粒等材料二、增強材料特征二、增強材料特征l 具有提高基體材料所需特性的性能，如比強具有提高基體材料所需特性的性能，如比強度、比剛度和耐熱性等度、比剛度和耐熱性等 l 具有化學穩(wěn)定性，組織和性能不發(fā)生明顯的具有化學穩(wěn)定性，組織和性能不發(fā)生明顯的變化和退化，與基體有良好的化學相容性變化和退化，與基體有良好的化學相容性 l 與基體良好浸潤或通過表面處理后能與基體與基體良好浸潤或通過表面處理后能與基體良好的潤濕良好的潤濕 三、增強材料分類三、增強材料分類u纖維增強體纖維增強體u顆粒增強體顆粒增強體u晶須增強體晶須增強體u金屬絲金屬絲u片狀增強體片狀增強

3、體、纖維增強體纖維增強體（1）長纖維：長纖維：l長度可達百米，性能有方向性，制備成本高、長度可達百米，性能有方向性，制備成本高、性能高性能高l分為單絲和束絲直徑為分為單絲和束絲直徑為5.614m的細纖的細纖維以維以50012000根組成根組成束絲束絲作為增強體，如作為增強體，如玻璃纖維、碳纖維；直徑為玻璃纖維、碳纖維；直徑為95140m的硼的硼纖維、碳化硅（纖維、碳化硅（CVD制備）纖維是作為制備）纖維是作為單絲單絲作為增強體作為增強體 高性能纖維復合材料結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，較多使高性能纖維復合材料結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，較多使用層板理論。用層板理論。 材料縱向的強度與剛度性能和復合材料組成材料縱向的強度

4、與剛度性能和復合材料組成性能加權(quán)和之間的關(guān)系，也常稱為混合定律。性能加權(quán)和之間的關(guān)系，也常稱為混合定律。 纖維在與其相鄰的基體中產(chǎn)生的應力和應變纖維在與其相鄰的基體中產(chǎn)生的應力和應變對基體產(chǎn)生約束，使復合材料的斷裂應變比復合對基體產(chǎn)生約束，使復合材料的斷裂應變比復合前要低的多。前要低的多。 )1 (1fmffVEVEE實際中還有不同的實際中還有不同的泊松比導致的附加泊松比導致的附加應力。通過試驗分應力。通過試驗分析，誤差小于析，誤差小于1%2%。測出兩種。測出兩種玻璃纖維增強聚酯玻璃纖維增強聚酯樹脂體系的樹脂體系的E1、Vf之之間的線型關(guān)系間的線型關(guān)系 短纖維短纖維：l長度一般幾十毫米，排列無

5、方向性，生產(chǎn)長度一般幾十毫米，排列無方向性，生產(chǎn)成本低、效率高、性能低成本低、效率高、性能低 l使用時可先將纖維制成預制件，再通過擠使用時可先將纖維制成預制件，再通過擠壓鑄造、壓力浸漬、泥漿滲透等方法制造出壓鑄造、壓力浸漬、泥漿滲透等方法制造出短纖維復合材料。短纖維復合材料。l主要的短纖維有硅酸鋁纖維、碳纖維、氧主要的短纖維有硅酸鋁纖維、碳纖維、氧化鋁纖維、氮化硼纖維、氮化硅纖維等?；X纖維、氮化硼纖維、氮化硅纖維等。 短纖維復合材料的性能與其分布方向、長徑比短纖維復合材料的性能與其分布方向、長徑比有很大的關(guān)系有很大的關(guān)系纖維增強體纖維增強體(2)(2)有機纖維有機纖維纖維增強體纖維增強體無機

6、纖維無機纖維玻璃纖維玻璃纖維、碳纖維碳纖維、氧氧化鋁化鋁、碳化硅碳化硅、硼纖維硼纖維等等對位酰胺、聚芳脂對位酰胺、聚芳脂、聚乙聚乙烯、聚乙烯醇烯、聚乙烯醇等等纖維在復合材料中起增強作用，是主要承力組分。纖維不纖維在復合材料中起增強作用，是主要承力組分。纖維不僅能使材料顯示出較高的抗張強度和剛度，而且能減少收僅能使材料顯示出較高的抗張強度和剛度，而且能減少收縮，提高熱變形溫度和低溫沖擊強度等。復合材料的性能縮，提高熱變形溫度和低溫沖擊強度等。復合材料的性能在很大程度上取決于纖維的性能、含量及使用狀態(tài)。在很大程度上取決于纖維的性能、含量及使用狀態(tài)。 、顆粒增強體顆粒增強體l主要是一些具有主要是一些

7、具有高強度高強度、高模量高模量、耐熱耐熱、耐磨耐磨的的陶瓷材等無機非金屬顆粒，還有一些陶瓷材等無機非金屬顆粒，還有一些金屬金屬和和聚合聚合物物顆粒。無機非金屬有碳化硅、氧化鋁、氮化硅、顆粒。無機非金屬有碳化硅、氧化鋁、氮化硅、碳化鈦、碳化硼、石墨、金剛石等顆粒，有機顆碳化鈦、碳化硼、石墨、金剛石等顆粒，有機顆粒有粒有聚乙烯、氟樹脂、聚丙烯、聚酰胺等聚乙烯、氟樹脂、聚丙烯、聚酰胺等 l顆粒尺寸很?。w粒尺寸很?。?00300400200350200250180200拉伸強度拉伸強度（GPa）1.71.72.762.02.752.73.0碳含量碳含量（W）99.899.096.594.599.0五

8、、碳纖維的物理性能（）五、碳纖維的物理性能（）碳纖維的比重在碳纖維的比重在1.5-2.0之間，這除了與之間，這除了與原絲原絲結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)有關(guān)外，主要還決定于有關(guān)外，主要還決定于碳化處理的溫度碳化處理的溫度。一般情況下，經(jīng)過高溫一般情況下，經(jīng)過高溫(3000 )石墨化處理石墨化處理，比重可達比重可達2.0。 碳纖維的物理性能（）碳纖維的物理性能（） 碳纖維的碳纖維的與其它類型纖維不同，它與其它類型纖維不同，它有有的特點。的特點。是負值是負值(-0.72 -0.90 10 -6 /)，而，而是正值是正值( 32 22 10-6 /)。 碳纖維的碳纖維的比熱比熱一般為一般為0.030.71 kJ( kg

9、 )。導熱率有方向性，平行于纖維軸方向?qū)崧蕿閷崧视蟹较蛐裕叫杏诶w維軸方向?qū)崧蕿?.04卡卡/秒秒厘米厘米度，而垂直于纖維軸方向為度，而垂直于纖維軸方向為0.002卡卡/秒秒厘米厘米度。導熱率隨溫度升高而下降。度。導熱率隨溫度升高而下降。碳纖維的物理性能（）碳纖維的物理性能（）耐高溫性能好在惰性氣體中，碳纖維在耐高溫性能好在惰性氣體中，碳纖維在2000的高溫下仍能保持良好的力學性能；在液氮溫度的高溫下仍能保持良好的力學性能；在液氮溫度下也不脆化下也不脆化 碳纖維的比電阻（電阻率）低，與纖維的類型有碳纖維的比電阻（電阻率）低，與纖維的類型有關(guān)。在關(guān)。在25時，高模量碳纖維為時，高模量碳纖維

10、為775 u cm，高，高強度碳纖維為強度碳纖維為1500 u cm還有耐油、抗放射、抗輻射、吸收有毒氣體和減還有耐油、抗放射、抗輻射、吸收有毒氣體和減速中子等特性速中子等特性 碳纖維的化學性能碳纖維的化學性能碳纖維碳纖維的化學性能與的化學性能與碳碳很相似。它除能被很相似。它除能被強氧化劑氧化外，對一般酸堿是惰性的。強氧化劑氧化外，對一般酸堿是惰性的。在在空氣空氣中，當溫度高于中，當溫度高于400 時，則會出時，則會出現(xiàn)明顯的氧化，生成現(xiàn)明顯的氧化，生成CO和和CO2。 在高溫下，碳纖維與金屬有不同程度的界在高溫下，碳纖維與金屬有不同程度的界面反映，嚴重的損傷纖維，因此在用作金屬基面反映，嚴重

11、的損傷纖維，因此在用作金屬基體復合材料的增強材料時，應采取有效的措施。體復合材料的增強材料時，應采取有效的措施。 碳纖維的表面改性碳纖維的表面改性清潔表面雜質(zhì)，在纖維表面形成微孔或刻清潔表面雜質(zhì)，在纖維表面形成微孔或刻蝕溝槽，從類石墨層面改性成碳狀結(jié)構(gòu)以蝕溝槽，從類石墨層面改性成碳狀結(jié)構(gòu)以增加表面能；引進具有極性或反應性官能增加表面能；引進具有極性或反應性官能團以及形成能與樹脂起作用的中間層。團以及形成能與樹脂起作用的中間層。 碳纖維表面處理途徑碳纖維表面處理途徑表面清潔法表面清潔法 惰性氣體、高溫，除水氣和非碳物質(zhì)惰性氣體、高溫，除水氣和非碳物質(zhì) 氣相氧化法氣相氧化法 氧氣氛、高溫和催化劑，

12、表面生成活氧氣氛、高溫和催化劑，表面生成活性基團性基團 液相氧化法液相氧化法 溶液中腐蝕，增加表面活性官能團溶液中腐蝕，增加表面活性官能團 表面涂層法表面涂層法 減弱表面缺陷，緩和界面應力，產(chǎn)生減弱表面缺陷，緩和界面應力，產(chǎn)生偶聯(lián)等偶聯(lián)等 世界碳纖維按應用領(lǐng)域需求的統(tǒng)計和預測世界碳纖維按應用領(lǐng)域需求的統(tǒng)計和預測碳纖維復合材料應用碳纖維復合材料應用l 航天航空領(lǐng)域航天航空領(lǐng)域 宇宙飛船、人造衛(wèi)星，導宇宙飛船、人造衛(wèi)星，導 彈等彈等l 汽車領(lǐng)域汽車領(lǐng)域 汽車內(nèi)飾，發(fā)動機罩等，省油，安全汽車內(nèi)飾，發(fā)動機罩等，省油，安全l 體育娛樂體育娛樂l 其他其他 防靜電防靜電 電磁波防護電磁波防護3.4 其他無

13、機纖維增強材料其他無機纖維增強材料 硼纖維硼纖維 碳化硅纖維碳化硅纖維 氧化鋁纖維氧化鋁纖維3.4.1硼纖維硼纖維硼纖維（硼纖維（Boron Fibre,BF或或Bf）是一種將硼）是一種將硼元素通過元素通過高溫化學氣相法高溫化學氣相法沉積在沉積在鎢絲表面鎢絲表面制成的制成的高性能增強纖維。它具有很高的高性能增強纖維。它具有很高的比強度比強度和和比模量比模量，也是制造也是制造金屬復合材料金屬復合材料最早采用的高性能纖維。最早采用的高性能纖維。現(xiàn)在硼纖維通用的現(xiàn)在硼纖維通用的制備方法制備方法是在加熱的鎢絲是在加熱的鎢絲表面通過表面通過硼層。硼層。硼纖維的硼纖維的有有100m、140m、200m幾幾

14、種。種。目前已研究用目前已研究用碳纖維碳纖維代替鎢絲，降低成本和代替鎢絲，降低成本和密度。碳芯硼纖維比鎢絲硼纖維強度下降密度。碳芯硼纖維比鎢絲硼纖維強度下降 5%，但成本降低但成本降低 25%。 HClBHBCl623223一、硼纖維的制備一、硼纖維的制備二、硼纖維的性能二、硼纖維的性能具有良好的力學性能、強度高、模量高、密度具有良好的力學性能、強度高、模量高、密度小。硼纖維具有耐高溫和耐中子輻射性能。小。硼纖維具有耐高溫和耐中子輻射性能。在室溫下在室溫下，硼纖維的，硼纖維的，但，但，不需要處理不需要處理就能與樹脂進行復合，而就能與樹脂進行復合，而且所制得的復合材料具有且所制得的復合材料具有較

15、高的層間剪切強度較高的層間剪切強度 在常溫下在常溫下為為，但，但在高溫下在高溫下易與易與金屬反應。金屬反應。因此，需在表面因此，需在表面，稱之為，稱之為Bosic纖維。纖維。硼纖維主要用于硼纖維主要用于和和。三、硼纖維的應用三、硼纖維的應用航天航空工業(yè)用作結(jié)構(gòu)材料航天航空工業(yè)用作結(jié)構(gòu)材料在體育及娛樂用品領(lǐng)域的應用在體育及娛樂用品領(lǐng)域的應用在工業(yè)制品領(lǐng)域的應用在工業(yè)制品領(lǐng)域的應用3.4.2 碳化硅纖維碳化硅纖維 碳化硅纖維（碳化硅纖維（Silicon Carbide Fibre，SF或或SiCf）是以）是以的一種的一種陶瓷纖維。在形式上，有晶須和連續(xù)纖維陶瓷纖維。在形式上，有晶須和連續(xù)纖維兩種兩

16、種 SiC纖維具有纖維具有高強度高強度、高模量高模量，有良好，有良好的的耐化學腐蝕性耐化學腐蝕性、耐高溫耐高溫和和耐輻射性能耐輻射性能。一、碳化硅纖維的制備一、碳化硅纖維的制備l化學氣相沉積法化學氣相沉積法l先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法(PIP) 1 1、化學氣相沉積法、化學氣相沉積法通常在管式反應器中用水銀電極直接采用直流電或射通常在管式反應器中用水銀電極直接采用直流電或射頻加熱頻加熱, ,把基體芯材把基體芯材( (鎢絲或碳絲鎢絲或碳絲) )加熱到加熱到1200以上，以上，通入氯硅烷和氫氣的混合氣體通入氯硅烷和氫氣的混合氣體, ,經(jīng)反應裂解為碳化硅，經(jīng)反應裂解為碳化硅，并沉積在鎢絲或碳絲表面。并

17、沉積在鎢絲或碳絲表面。 結(jié)構(gòu)由內(nèi)向外依次為芯絲、富碳的碳化硅層、碳化硅結(jié)構(gòu)由內(nèi)向外依次為芯絲、富碳的碳化硅層、碳化硅層和外表面的富硅涂層。層和外表面的富硅涂層。 該法制備的該法制備的纖維直徑為纖維直徑為95140m的單絲的單絲 HClSiCSiClCH333化學氣相沉積法制備的化學氣相沉積法制備的SiC纖維性能纖維性能2、先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法、先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法(PIP)此方法制備的此方法制備的SiC纖維力學性能好，已經(jīng)廣泛應用，不足纖維力學性能好，已經(jīng)廣泛應用，不足之處是工藝繁雜之處是工藝繁雜直徑為直徑為10m的細纖維，一般由的細纖維，一般由500根纖維組成束絲為商品根纖維組成束絲為商品 以有機聚合物以有

18、機聚合物( (一般為有機金屬聚合物一般為有機金屬聚合物) )為先驅(qū)體，利用為先驅(qū)體，利用其可溶可熔等特性成型后，經(jīng)高溫熱分解處理使之從有其可溶可熔等特性成型后，經(jīng)高溫熱分解處理使之從有機化合物轉(zhuǎn)變?yōu)闊o機陶瓷材料的方法機化合物轉(zhuǎn)變?yōu)闊o機陶瓷材料的方法 不同工藝下碳化硅纖維的性能不同工藝下碳化硅纖維的性能二、碳化硅纖維的性能（）二、碳化硅纖維的性能（）l比強度和比模量高比強度和比模量高l高溫性能好高溫性能好 在在1000高溫下高溫下1000h或在或在1200溫度下溫度下10h h后后, , Nicalon的抗張強度還的抗張強度還能保持能保持2GPa。 l尺寸穩(wěn)定性好尺寸穩(wěn)定性好 熱膨脹系數(shù)比金屬小

19、熱膨脹系數(shù)比金屬小, ,僅為僅為(2.34.3)10-6/ 碳化硅纖維的性能（）碳化硅纖維的性能（）l不吸潮、不老化不吸潮、不老化, ,使用可靠使用可靠l優(yōu)良的抗疲勞和抗蠕變性優(yōu)良的抗疲勞和抗蠕變性 碳化硅纖維增碳化硅纖維增強復合材料有較好的界面結(jié)構(gòu)強復合材料有較好的界面結(jié)構(gòu), ,可有效地阻止裂可有效地阻止裂紋擴散紋擴散 l較好的導熱和導電性較好的導熱和導電性 SiCf的電阻率在的電阻率在1cm155cm之間之間碳化硅纖維應用碳化硅纖維應用用作高溫耐熱材料用作高溫耐熱材料 用作樹脂基復合材料用作樹脂基復合材料 用作金屬基復合材料用作金屬基復合材料 用作陶瓷基復合材料用作陶瓷基復合材料 3.4.

20、3 氧化鋁纖維氧化鋁纖維l熱學性能好熱學性能好 耐高溫，隔熱性好耐高溫，隔熱性好l力學性能好，高強度、高模量、優(yōu)良的抗壓性能力學性能好，高強度、高模量、優(yōu)良的抗壓性能l化學穩(wěn)定性好，不被熔融金屬侵蝕，可與金屬很化學穩(wěn)定性好，不被熔融金屬侵蝕，可與金屬很好地復合好地復合 l電氣絕緣、電波透過性好電氣絕緣、電波透過性好l表面活性好，不需要進行表面處理，即能與樹脂表面活性好，不需要進行表面處理，即能與樹脂和金屬復合和金屬復合浙江歐詩漫晶體纖維有限公司制備。浙江歐詩漫晶體纖維有限公司制備。F-1600和和F-1600A是是當今國內(nèi)外最新型的超輕質(zhì)耐高溫絕熱材料當今國內(nèi)外最新型的超輕質(zhì)耐高溫絕熱材料氧化

21、鋁纖氧化鋁纖維，氧化鋁纖維是集晶體材料和纖維材料特性于一體，有維，氧化鋁纖維是集晶體材料和纖維材料特性于一體，有極好的耐熱穩(wěn)定性，熔點高達極好的耐熱穩(wěn)定性，熔點高達1840，其導熱率是普通耐，其導熱率是普通耐火磚的火磚的1/6，容量只有其，容量只有其1/25，采用高科技的化學膠體法制，采用高科技的化學膠體法制取在國外也只有少數(shù)發(fā)達國家才能生產(chǎn)這種產(chǎn)品，如美國取在國外也只有少數(shù)發(fā)達國家才能生產(chǎn)這種產(chǎn)品，如美國的的unifrax公司、英國的公司、英國的saffil公司等，產(chǎn)品主要技術(shù)指標達公司等，產(chǎn)品主要技術(shù)指標達到國際先進水平，并廣泛應用于冶金、機械、陶瓷、電子、到國際先進水平，并廣泛應用于冶金

22、、機械、陶瓷、電子、建材、石材、航天航空等領(lǐng)域高溫工業(yè)窯爐及其它熱工設(shè)建材、石材、航天航空等領(lǐng)域高溫工業(yè)窯爐及其它熱工設(shè)備的內(nèi)襯絕熱。能達到節(jié)能增產(chǎn)、減少爐內(nèi)溫差、提高產(chǎn)備的內(nèi)襯絕熱。能達到節(jié)能增產(chǎn)、減少爐內(nèi)溫差、提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少備件消耗、延長爐體壽命、改善工作環(huán)境之品質(zhì)量、減少備件消耗、延長爐體壽命、改善工作環(huán)境之目的。目的。 F-1600A屬高性能氧化鋁纖維，以滿足國外用戶需屬高性能氧化鋁纖維，以滿足國外用戶需求。求。 氧化鋁基陶瓷纖維的性能氧化鋁基陶瓷纖維的性能氧化鋁連續(xù)纖維的制備氧化鋁連續(xù)纖維的制備 先驅(qū)體法先驅(qū)體法：將氧化鋁的先驅(qū)物（如將鋁粉懸浮在某：將氧化鋁的先驅(qū)物（如將鋁粉懸浮

23、在某種鋁鹽水溶液中形成的粘稠漿液）和二氧化硅的先驅(qū)種鋁鹽水溶液中形成的粘稠漿液）和二氧化硅的先驅(qū)物（如硅膠或有機硅烷），以及控制液體流變學性質(zhì)物（如硅膠或有機硅烷），以及控制液體流變學性質(zhì)的有機添加劑，制成膠體溶液。借助離心噴吹，或的有機添加劑，制成膠體溶液。借助離心噴吹，或噴絲頭紡絲加空氣流噴吹等成纖手段，將上述膠體溶噴絲頭紡絲加空氣流噴吹等成纖手段，將上述膠體溶液制成凝膠狀液制成凝膠狀短纖維短纖維。加熱干燥。高溫燒成，去。加熱干燥。高溫燒成，去除有機物，使兩種先驅(qū)物分別轉(zhuǎn)變成氧化鋁和二氧化除有機物，使兩種先驅(qū)物分別轉(zhuǎn)變成氧化鋁和二氧化硅，同時生成晶體結(jié)構(gòu)。硅，同時生成晶體結(jié)構(gòu)。 溶液紡絲法

24、溶液紡絲法 用烷基鋁加水聚合成聚鋁氧烷聚合物，用烷基鋁加水聚合成聚鋁氧烷聚合物，將它溶解在有機溶劑中，冉加入硅酸酯或有機硅將它溶解在有機溶劑中，冉加入硅酸酯或有機硅聚合物，將混合液濃縮成紡絲液進行干法紡絲，聚合物，將混合液濃縮成紡絲液進行干法紡絲，得到先驅(qū)體纖維，再在得到先驅(qū)體纖維，再在600空氣中裂解成空氣中裂解成A12O3和和SiO2組成的無機纖維，而后在組成的無機纖維，而后在l 000以上燒結(jié)，以上燒結(jié)，得到微晶聚集態(tài)的連續(xù)得到微晶聚集態(tài)的連續(xù)Al2O3纖維。纖維直徑纖維。纖維直徑10m，拉伸強度為，拉伸強度為3.2GPa，模量為，模量為330Gpa。特點。特點是紡絲性好，可獲得是紡絲性

25、好，可獲得連續(xù)長纖維連續(xù)長纖維。氧化鋁纖維的應用氧化鋁纖維的應用l 在兵器中的應用裝甲車、坦克發(fā)動機活塞的理在兵器中的應用裝甲車、坦克發(fā)動機活塞的理想材料想材料 。l 在航空、航天上的應用在航空、航天上的應用 可用作固體發(fā)動機燃燒可用作固體發(fā)動機燃燒室絕熱殼體、固體火箭發(fā)動機噴管。室絕熱殼體、固體火箭發(fā)動機噴管。l 在民用汽車上的應用在民用汽車上的應用 連桿、汽車發(fā)動機中繼活連桿、汽車發(fā)動機中繼活塞，應用氧化鋁纖維增強鋁基復合材料塞，應用氧化鋁纖維增強鋁基復合材料參考文獻參考文獻 復合材料學復合材料學 周祖福周祖福 武漢理工大學出版社武漢理工大學出版社 先進復合材料先進復合材料 胡保全胡保全

26、牛晉川牛晉川 國防工業(yè)出版社國防工業(yè)出版社作業(yè)作業(yè)l碳纖維有哪些分類？碳纖維的制備方法都有哪碳纖維有哪些分類？碳纖維的制備方法都有哪些，碳纖維都有哪些物理化學性質(zhì)？些，碳纖維都有哪些物理化學性質(zhì)？l硼纖維都有哪些特點？硼纖維都有哪些特點？lSiC纖維纖維都有哪些特點？制備方法有哪些？纖維纖維都有哪些特點？制備方法有哪些？不同制備方法的纖維都有什么特性不同制備方法的纖維都有什么特性lAl2O3纖維都有什么性能纖維都有什么性能了解了解kevlar纖維制備，纖維制備，掌握掌握其結(jié)構(gòu)和物理化學性其結(jié)構(gòu)和物理化學性質(zhì)，了解其應用質(zhì)，了解其應用了解聚乙烯纖維了解聚乙烯纖維了解了解PBO纖維纖維掌握掌握常見

27、的晶須增強體、晶須性能，了解晶須的常見的晶須增強體、晶須性能，了解晶須的應用應用 掌握掌握顆粒增強體的分類，顆粒增強體的分類，掌握掌握其常見顆粒增強體其常見顆粒增強體3.5 有機纖維有機纖維 有機纖維的典型代表是有機纖維的典型代表是kevlar纖維，其它的有纖維，其它的有機纖維有高強度聚乙烯纖維、尼龍纖維等。具機纖維有高強度聚乙烯纖維、尼龍纖維等。具有密度小，比強度、比模量高的特點。市場主有密度小，比強度、比模量高的特點。市場主要存在于北美、西歐和日本等發(fā)達國家中。要存在于北美、西歐和日本等發(fā)達國家中。 本節(jié)主要內(nèi)容：本節(jié)主要內(nèi)容： 芳綸芳綸（kevlar)纖維纖維；聚乙烯纖維聚乙烯纖維；PB

28、O纖維纖維3.5.1 Kevlar纖維纖維國外商品牌號叫國外商品牌號叫凱芙拉凱芙拉(Kevlar)纖維纖維 國內(nèi)稱為國內(nèi)稱為芳綸纖維芳綸纖維，全稱為，全稱為聚對苯二甲酰對苯二胺聚對苯二甲酰對苯二胺 ，有時也稱有時也稱有機纖維有機纖維。 目前就有目前就有Kevlar一一49、Kevlar29等十多個牌號，等十多個牌號，每個牌號又有數(shù)十種規(guī)格的產(chǎn)品。每個牌號又有數(shù)十種規(guī)格的產(chǎn)品。 生產(chǎn)主要集中在日本和美國、歐洲。如美國杜邦的生產(chǎn)主要集中在日本和美國、歐洲。如美國杜邦的Kevlar纖維，日本帝人公司的纖維，日本帝人公司的Technora纖維及俄羅斯纖維及俄羅斯的的Terlon纖維等。纖維等。 一、芳

29、綸纖維的制備一、芳綸纖維的制備由嚴格等摩爾比的高純度對苯二甲酰氯或?qū)Ρ蕉姿岷蛯τ蓢栏竦饶柋鹊母呒兌葘Ρ蕉柞Ｂ然驅(qū)Ρ蕉姿岷蛯Ρ蕉@單體在極強性溶劑（如含有苯二銨單體在極強性溶劑（如含有LiCl或或CaCl2增容劑的增容劑的N甲基吡咯烷酮甲基吡咯烷酮(NMP)）通過）通過低溫溶液縮聚低溫溶液縮聚或或直接縮聚直接縮聚反應，獲得分子量高，分子量分布窄的反應，獲得分子量高，分子量分布窄的PPTA樹脂。樹脂。經(jīng)過經(jīng)過紡絲紡絲和和熱處理熱處理，得到，得到PPTA纖維纖維 。采用管式氮氣保護。采用管式氮氣保護下加熱至下加熱至270310進行熱處理工藝進行熱處理工藝 二、二、Kevlar纖維結(jié)構(gòu)纖維結(jié)構(gòu)

30、Kevlar纖維是對苯二甲酰與對苯二胺的聚合體纖維是對苯二甲酰與對苯二胺的聚合體 ，芳環(huán)對位，芳環(huán)對位上的通過共價鍵結(jié)合，酰氨基上的氫可以根另一個鏈段上的上的通過共價鍵結(jié)合，酰氨基上的氫可以根另一個鏈段上的酰氨基團上的羥基結(jié)合成氫鍵。這種聚合物具有很好的規(guī)整酰氨基團上的羥基結(jié)合成氫鍵。這種聚合物具有很好的規(guī)整性，因此具有很好的結(jié)晶度性，因此具有很好的結(jié)晶度PPTA纖維的疊層結(jié)構(gòu)模型纖維的疊層結(jié)構(gòu)模型纖維中的分子在縱向纖維中的分子在縱向上具有近乎平行于纖上具有近乎平行于纖維軸的取向，在橫向維軸的取向，在橫向上平行于氫鍵片層輻上平行于氫鍵片層輻射狀取向。液晶紡絲射狀取向。液晶紡絲時有少量正常分子雜

31、時有少量正常分子雜亂取向，稱為軸向條亂取向，稱為軸向條紋或氫鍵片層的打褶紋或氫鍵片層的打褶 。三、三、Kevlar纖維性能纖維性能l單絲強度可達單絲強度可達3773MPa；254mm長的纖維束的拉長的纖維束的拉伸強度為伸強度為2744MPa，大約為鋁的，大約為鋁的5 5倍倍l沖擊性能，大約為石墨纖維的沖擊性能，大約為石墨纖維的6倍，為硼纖維的倍，為硼纖維的3倍，為玻璃纖維倍，為玻璃纖維0.8倍。倍。l彈性模量可達彈性模量可達127157.7GPa，比玻璃纖維高一，比玻璃纖維高一倍，為碳纖維倍，為碳纖維0.8倍倍 l斷裂伸長在斷裂伸長在3左右，接近玻璃纖維，高于其他纖左右，接近玻璃纖維，高于其他

32、纖維維 l密度小，比重為密度小，比重為1.441.45，只有鋁的一半。，只有鋁的一半。Kevlar纖維力學性能纖維力學性能幾種殼體用增強纖維的性能及其殼體性能幾種殼體用增強纖維的性能及其殼體性能Kevlar纖維纖維的的熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性 溫度達溫度達487時尚不熔化，但開始碳化；短時間暴露時尚不熔化，但開始碳化；短時間暴露在在300以上，對強度幾乎沒有影響；即使在以上，對強度幾乎沒有影響；即使在200下，一周后強度降低下，一周后強度降低15，模量降低，模量降低4；在；在150下作用一周后強度、模量不會下降。下作用一周后強度、模量不會下降。另外，在低溫另外，在低溫(-60)不發(fā)生脆化亦不降解。不發(fā)

33、生脆化亦不降解。熱膨脹系數(shù)各向異性?？v向熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)各向異性?？v向熱膨脹系數(shù)0100時時為為-210-6 /；在；在100200時為時為-4106/。橫。橫向熱膨脹系數(shù)為向熱膨脹系數(shù)為5910-6/Kevlar纖維纖維化學性能化學性能 l對中性化學藥品的抵抗力一般是很強的；對中性化學藥品的抵抗力一般是很強的；l但易受各種酸堿的侵蝕，尤其是強酸的侵蝕；但易受各種酸堿的侵蝕，尤其是強酸的侵蝕；l耐水性也不好耐水性也不好 在低濕低度（在低濕低度（20相對濕度）相對濕度）下芳綸的吸濕率為下芳綸的吸濕率為1，在高濕度（，在高濕度（85相相對濕度）下，可達對濕度）下，可達7。芳綸的缺點芳綸的缺點

34、l熱膨脹系數(shù)具有各相異性熱膨脹系數(shù)具有各相異性l耐光性比較差，暴露于可見光和紫外線時會耐光性比較差，暴露于可見光和紫外線時會產(chǎn)生光致降解，使力學性能下降和顏色變化產(chǎn)生光致降解，使力學性能下降和顏色變化l溶解性差溶解性差l抗壓力強度低抗壓力強度低l吸濕性強，吸濕后纖維性能變化大吸濕性強，吸濕后纖維性能變化大 Kevlar纖維的應用纖維的應用芳綸產(chǎn)品用于防彈衣、頭盔等約占芳綸產(chǎn)品用于防彈衣、頭盔等約占78%，航空航天材料、，航空航天材料、體育用材料大約占體育用材料大約占40%；輪胎骨架材料、傳送帶材料等方；輪胎骨架材料、傳送帶材料等方面大約占面大約占20%左右，還有高強繩索等方面大約占左右，還有高

35、強繩索等方面大約占 13%。利用它的輕巧品質(zhì)制成手套，可使手的動作靈活自如，同利用它的輕巧品質(zhì)制成手套，可使手的動作靈活自如，同時防止割傷。用以增強管道，為深海石油和天然氣探勘服時防止割傷。用以增強管道，為深海石油和天然氣探勘服務；用以制造防火被褥，可滿足嚴格要求；用以增強建筑務；用以制造防火被褥，可滿足嚴格要求；用以增強建筑結(jié)構(gòu)，可防止房屋受到颶風和龍卷風的危害。結(jié)構(gòu)，可防止房屋受到颶風和龍卷風的危害。以以樹脂樹脂作為作為基體基體，芳綸纖維芳綸纖維作為作為增強相增強相所形所形成的成的增強塑料增強塑料，簡稱，簡稱KFRP，應用領(lǐng)域有：，應用領(lǐng)域有：1 1、航空航天領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域 2 2、軍

36、事領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域3 3、民用、工業(yè)方面、民用、工業(yè)方面 1、航空航天領(lǐng)域航空航天領(lǐng)域l航空方面，各種整流罩、機翼前緣、襟翼、方航空方面，各種整流罩、機翼前緣、襟翼、方向舵、安全面翼尖、尾椎窗框、地板、天花板、向舵、安全面翼尖、尾椎窗框、地板、天花板、艙壁、艙門、行李架、座椅等。比玻璃纖維復合艙壁、艙門、行李架、座椅等。比玻璃纖維復合材料質(zhì)量減少材料質(zhì)量減少30。還可以與飛機用的層疊混雜還可以與飛機用的層疊混雜增強鋁材，與碳纖維混用，制造波音增強鋁材，與碳纖維混用，制造波音767、777的的輕量零部件輕量零部件 l航天方面，用于火箭發(fā)動機殼體和壓力容器、航天方面，用于火箭發(fā)動機殼體和壓力容器、宇

37、宙飛船的駕駛艙、氧氣、氮氣和氦氣的容器以宇宙飛船的駕駛艙、氧氣、氮氣和氦氣的容器以及通風管道。及通風管道。 2、在軍事上，可以用作防護材料，如坦克、在軍事上，可以用作防護材料，如坦克、裝甲車、飛機、艇的防彈板以及頭盔和防彈裝甲車、飛機、艇的防彈板以及頭盔和防彈衣。衣。3 3、民用、工業(yè)方面、民用、工業(yè)方面 采用采用Kevlar復合材料，船體質(zhì)量比用玻璃鋼和復合材料，船體質(zhì)量比用玻璃鋼和鋁輕鋁輕2840，燃料節(jié)省，燃料節(jié)省35，航程延長，航程延長35。 體育用品方面，體育用品方面， Kevlar復合材料用于高爾夫球復合材料用于高爾夫球棒、網(wǎng)球拍、標槍、釣魚桿、滑雪撬和其他體育棒、網(wǎng)球拍、標槍、釣

38、魚桿、滑雪撬和其他體育器材，也可以與碳纖維合用器材，也可以與碳纖維合用 3.5.2 聚乙烯纖維聚乙烯纖維 高強高彈聚乙烯高強高彈聚乙烯（HSHMPE）纖維又名纖維又名超高超高相對分子質(zhì)量聚乙烯（相對分子質(zhì)量聚乙烯（UHMWPE）纖維）纖維，超高超高分子量聚乙烯纖維分子量聚乙烯纖維(簡稱簡稱UHMWPE)，又叫高強，又叫高強PE纖維，是當今世界三大高科技纖維（纖維，是當今世界三大高科技纖維（碳纖維碳纖維、芳綸芳綸和和超高分子量聚乙烯纖維超高分子量聚乙烯纖維）之一，也是世界）之一，也是世界上最堅韌的纖維。上最堅韌的纖維。 一、聚乙烯纖維性能一、聚乙烯纖維性能l白色，密度小，所有化學纖維中密度最小白

39、色，密度小，所有化學纖維中密度最小 l比強度高，鋼絲繩的比強度高，鋼絲繩的15倍，比芳綸高倍，比芳綸高40%，僅次，僅次于特級碳纖維于特級碳纖維l耐光性好耐光性好l耐低溫性好，使用溫度可以低至耐低溫性好，使用溫度可以低至-150。芳綸纖。芳綸纖維到維到-30便失去防彈效能便失去防彈效能 l能抗紫外線和耐各種化學腐蝕能抗紫外線和耐各種化學腐蝕 的不足之處：的不足之處：（約（約135）。 僅能在僅能在100以下使用。以下使用。不同產(chǎn)家聚乙烯纖維性能不同產(chǎn)家聚乙烯纖維性能聚乙烯纖維與其他纖維性能對比聚乙烯纖維與其他纖維性能對比二、應用領(lǐng)域二、應用領(lǐng)域 軍用方面軍用方面 航天航空航天航空 民用方面民用

40、方面 HSHMPE纖維在幾個主要應用領(lǐng)域的用途纖維在幾個主要應用領(lǐng)域的用途聚乙烯纖維復合材料在軍聚乙烯纖維復合材料在軍事領(lǐng)域應用事領(lǐng)域應用聚乙烯纖維復合材料在民用方聚乙烯纖維復合材料在民用方面應用面應用聚乙烯纖維制成的繩索、纜繩、船帆和漁具聚乙烯纖維制成的繩索、纜繩、船帆和漁具3.5.3 PBO纖維纖維20世紀末開發(fā)出來的一種超級纖維，世紀末開發(fā)出來的一種超級纖維，1994年，美國年，美國Dow化學公司進行了工業(yè)性開發(fā)化學公司進行了工業(yè)性開發(fā), ,并授權(quán)日本東洋紡公司生產(chǎn)出了纖維并授權(quán)日本東洋紡公司生產(chǎn)出了纖維, ,其商其商品名為品名為Zylon。該纖維具有更高的比強度、。該纖維具有更高的比強

41、度、比模量，同時還具有超常的耐熱性和阻燃比模量，同時還具有超常的耐熱性和阻燃性。性。被譽為被譽為21世紀超級纖維世紀超級纖維 一、一、PBO聚合物的化學結(jié)構(gòu)聚合物的化學結(jié)構(gòu)PBO分子中的苯環(huán)和氮雜環(huán)是共面的，且處在分分子中的苯環(huán)和氮雜環(huán)是共面的，且處在分子鏈的軸線上，其分子的結(jié)構(gòu)單元中除了一個能子鏈的軸線上，其分子的結(jié)構(gòu)單元中除了一個能自由旋轉(zhuǎn)的自由旋轉(zhuǎn)的C-C鍵外，其余全都不能自由旋轉(zhuǎn)，鍵外，其余全都不能自由旋轉(zhuǎn)，使得使得PBO纖維具有優(yōu)異的力學及熱學性能纖維具有優(yōu)異的力學及熱學性能PBO纖維的力學性能纖維的力學性能PBO纖維纖維熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性 PBO纖維的熱分解溫度高達纖維的熱分解溫度高

42、達650, , 工作溫度高達工作溫度高達300500，Zylon-AS和和Zylon-HM在在300空氣中空氣中100h后后, ,強度保持率分別為強度保持率分別為48%、42%左右。高模左右。高模PBO纖維在纖維在400下仍能保持下仍能保持75%的模量。另外，的模量。另外，PBO的的極限氧指數(shù)極限氧指數(shù)最高最高 。在。在750燃燒時產(chǎn)生的燃燒時產(chǎn)生的CO、HCN等有毒氣體很少等有毒氣體很少 極限氧指數(shù)極限氧指數(shù)：材料在空氣中燃燒所需氧氣體積的百分比叫做材料在空氣中燃燒所需氧氣體積的百分比叫做極限氧指數(shù)極限氧指數(shù) PBO纖維纖維尺寸穩(wěn)定性尺寸穩(wěn)定性 PBO纖維在纖維在50%斷裂載荷下的蠕變值是同

43、斷裂載荷下的蠕變值是同樣條件下對位芳綸的樣條件下對位芳綸的2倍。倍。PBO纖維具有纖維具有負的負的線膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù), ,沒有因濕引起的尺寸變化沒有因濕引起的尺寸變化, ,熱及水熱及水分對它的影響也極小分對它的影響也極小 化學穩(wěn)定性化學穩(wěn)定性 PBO纖維的化學穩(wěn)定性極好纖維的化學穩(wěn)定性極好, ,除溶解于除溶解于100%的濃硫酸、甲基磺酸、氯磺酸等的濃硫酸、甲基磺酸、氯磺酸等強酸外強酸外, ,在其他所有的有機溶劑和堿中在其他所有的有機溶劑和堿中都是穩(wěn)定的都是穩(wěn)定的, ,強度幾乎不變。強度幾乎不變。 PBO纖維的缺點纖維的缺點 l抗壓強度差抗壓強度差, ,僅有僅有0.20.4 GPal抗紫外線性

44、能較差抗紫外線性能較差l纖維表面光滑且呈惰性，與樹脂基體的粘纖維表面光滑且呈惰性，與樹脂基體的粘結(jié)性能較差結(jié)性能較差lPBO分子非常剛直且密實性高分子非常剛直且密實性高, ,染料難以向染料難以向纖維內(nèi)部擴散，染色性能差纖維內(nèi)部擴散，染色性能差PBO纖維的應用纖維的應用lPBO纖維和改性纖維和改性PBO復合材料特別適用航空與航復合材料特別適用航空與航天業(yè)、軍工材料、高溫防護材料天業(yè)、軍工材料、高溫防護材料l輪胎、膠帶、塑料的補強材料輪胎、膠帶、塑料的補強材料l新用途，如美國最新戰(zhàn)斗機新用途，如美國最新戰(zhàn)斗機采用采用PBO作為作為吸波隱吸波隱形材料形材料 （具有較好的透波、吸波性能）（具有較好的透

45、波、吸波性能）拉伸應變，拉伸應變，%拉伸應力拉伸應力, GPa各種纖維的應力各種纖維的應力-應變曲線應變曲線從從拉斷后拉斷后觀察發(fā)現(xiàn)，僅觀察發(fā)現(xiàn)，僅Kevlar-49纖維呈纖維呈，斷裂前斷裂前纖維有明顯纖維有明顯的的，并在發(fā)生，并在發(fā)生很大的局部伸長后很大的局部伸長后才最終斷裂才最終斷裂和和幾乎就是理想的幾乎就是理想的，斷裂時不發(fā)生截面積的縮小。斷裂時不發(fā)生截面積的縮小。比強度，比強度，MPa / ( g / cm 3 )3.6 其他增強材料其他增強材料l晶須增強物晶須增強物l顆粒增強物顆粒增強物3.6.1 晶須增強體晶須增強體（Whiskers，也稱為貓胡子）是在，也稱為貓胡子）是在人工控制

46、條件下，人工控制條件下，以單晶形式以單晶形式生長成的一種生長成的一種纖維。纖維。的直徑一般為的直徑一般為0.21微米，長幾十微米，長幾十微米，是一種微米，是一種無缺陷的理想完整晶體無缺陷的理想完整晶體。強度。強度接近于完整晶體的理論值。接近于完整晶體的理論值。具有優(yōu)良的具有優(yōu)良的耐高溫耐高溫、耐腐蝕耐腐蝕性能性能, ,以及良以及良好的好的機械強度機械強度、電絕緣性電絕緣性、輕量輕量、高硬高硬度度等特性。其作為塑料、金屬、陶瓷等等特性。其作為塑料、金屬、陶瓷等的改性增強材料時顯示出了極佳的物理、的改性增強材料時顯示出了極佳的物理、化學性能和優(yōu)異的力學性能。化學性能和優(yōu)異的力學性能。 迄今為止，材

47、料學家們已研究開發(fā)出了迄今為止，材料學家們已研究開發(fā)出了上百種晶須上百種晶須，有，有金屬金屬氧化物氧化物碳化物碳化物氮化物氮化物硼化物硼化物以及以及無機鹽無機鹽等多種晶須。等多種晶須。常用的有常用的有碳化硅碳化硅、氧化鋁氧化鋁、硼酸鋁硼酸鋁等等特點：性能穩(wěn)定、成本低，用來增強金特點：性能穩(wěn)定、成本低，用來增強金屬基、陶瓷基和聚合物基復合材料屬基、陶瓷基和聚合物基復合材料陶瓷晶須的基本性能如下表所示：陶瓷晶須的基本性能如下表所示：1. 1. 碳化硅晶須碳化硅晶須碳化硅晶須一般呈黃綠色或灰綠色；晶須纖維的直徑碳化硅晶須一般呈黃綠色或灰綠色；晶須纖維的直徑一般為一般為0.21.5m，粗晶須的直徑為，

48、粗晶須的直徑為35m，長度，長度為幾十至幾百微米；密度為為幾十至幾百微米；密度為3.2g/cm3；荷重軟化點荷重軟化點1600，熔點，熔點2690；拉伸強度為；拉伸強度為20.58 GPa，彈性，彈性模量為模量為480GPa，莫氏硬度為，莫氏硬度為9.5，熱膨脹率為，熱膨脹率為( (4.55.0)10-6/。荷重軟化點荷重軟化點：將材料單位面積上加一定靜負荷，然后：將材料單位面積上加一定靜負荷，然后加熱，逐漸升溫，當材料發(fā)生一定的變形時的溫度加熱，逐漸升溫，當材料發(fā)生一定的變形時的溫度SiC晶須的晶須的TEM照片照片碳化硅纖維的制備碳化硅纖維的制備l氣液固法氣液固法( (VLS) ) l谷殼灰

49、法谷殼灰法 目前工藝成熟，已經(jīng)用于工業(yè)生產(chǎn)目前工藝成熟，已經(jīng)用于工業(yè)生產(chǎn)氣液固法氣液固法(VLS)具體原理具體原理: :SiO2(S)+C(S)=SiO(g)+CO(g)SiO(S)+2C=SiC+CO(g)優(yōu)點：原料易得優(yōu)點：原料易得, ,工藝簡單工藝簡單, ,反應過程沒有腐蝕性反應過程沒有腐蝕性和毒性較大的中間產(chǎn)物。和毒性較大的中間產(chǎn)物。缺點：出品率較低、質(zhì)量較差、成本高缺點：出品率較低、質(zhì)量較差、成本高, , 生產(chǎn)過生產(chǎn)過程中的粉塵和有害氣體會造成環(huán)境污染程中的粉塵和有害氣體會造成環(huán)境污染。谷殼灰法谷殼灰法 1979年年Cutler將谷殼經(jīng)過部分碳化，其中含有將谷殼經(jīng)過部分碳化，其中含有SiO2和未完全和未完全氧化的碳，可以在較低的溫度和較短的時間內(nèi)反應產(chǎn)生細分散氧化的碳，可以在較低的溫度和較短的時間內(nèi)反應產(chǎn)生