第3章 復合材料增強體

1、復合材料郭連貴郭連貴湖北工程學院化學與材料科學學院湖北工程學院化學與材料科學學院石墨烯石墨烯第第3章章 復合材料的增強體復合材料的增強體多壁碳納米管多壁碳納米管l 掌握增強體的概念及分類成掌握增強體的概念及分類成l 掌握幾種無機非金屬纖維的制備及其性能特點掌握幾種無機非金屬纖維的制備及其性能特點l 了解金屬絲纖維、有機纖維的性能特點了解金屬絲纖維、有機纖維的性能特點l 了解晶須及顆粒增強物的性能特點了解晶須及顆粒增強物的性能特點3.1 增強體的概念和分類增強體的概念和分類一、增強體的概念一、增強體的概念3.1 增強體的概念和分類增強體的概念和分類二、增強體的分類二、增強體的分類3.1 增強體的

2、概念和分類增強體的概念和分類二、增強體的分類二、增強體的分類 碳纖維是由碳元素組成的一種高性能增強纖維。最高強度可達碳纖維是由碳元素組成的一種高性能增強纖維。最高強度可達7000MPa，彈性模量可達，彈性模量可達900GPa，密度約為，密度約為1.82.1g/cm3，并具有低，并具有低熱膨脹、高導熱、耐磨、耐高溫、耐腐蝕等性能。熱膨脹、高導熱、耐磨、耐高溫、耐腐蝕等性能。碳纖維由高度取向的石墨片層組成，具有明顯的各向異性，沿纖維軸向性能高，碳纖維由高度取向的石墨片層組成，具有明顯的各向異性，沿纖維軸向性能高，沿橫向性能差。沿橫向性能差。3.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維（1）碳纖維及其分類一

3、、碳纖維一、碳纖維3.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維p氣相法氣相法：在惰性氣氛中小分子有機物（如烴或芳烴等）在高溫沉積而成纖維：在惰性氣氛中小分子有機物（如烴或芳烴等）在高溫沉積而成纖維。該法適宜制取短纖維或晶須。該法適宜制取短纖維或晶須。p有機纖維碳化法有機纖維碳化法：先將有機纖維經(jīng)過穩(wěn)定化處理變成耐焰纖維，然后再在惰：先將有機纖維經(jīng)過穩(wěn)定化處理變成耐焰纖維，然后再在惰性氣氛中在高溫下進行煅燒碳化，使有機纖維失去部分碳和其他非碳原子，性氣氛中在高溫下進行煅燒碳化，使有機纖維失去部分碳和其他非碳原子，形成以碳為主要成分的纖維。此法可制備連續(xù)長纖維。形成以碳為主要成分的纖維。此法可制備連續(xù)長纖

4、維。（2）碳纖維的制造3.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維v 制造碳纖維的主要原材料： 聚丙烯腈（PAN）纖維： 黏膠碳纖維； 瀝青碳纖維3.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維3.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維（3）碳纖維的結構3.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維（4）碳纖維的性能3.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維（4）碳纖維的性能3.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維（4）碳纖維的性能3.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維15二、硼纖維（B） 硼纖維具有較低的密度（2.42.6g/cm3）、較高的強度（3.45GPa）、很高的彈性模量（400）和熔點（2000以上）及較高的高溫強度。3.2 無

5、機非金屬纖維無機非金屬纖維16v硼纖維的制造： 2BCl3+3H22B+6HCl 采用化學氣相法在一根受熱的鎢絲或碳絲上沉積而成。3.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維17硼纖維制造技術的改進： 采用成本低廉、表面涂鎢（或碳）的石英玻璃纖維芯材替代鎢絲和碳絲； 改進設備：采用輔助外部加熱裝置和射頻加熱裝置實現(xiàn)反應溫度的均勻分布； 對硼纖維進行后處理：化學處理（消除表面缺陷）和表面涂層處理（增加硼纖維的輔助保護層，使其在高溫下不與基材反應）3.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維硼纖維的性能： 較低的密度、較高的強度； 很高的彈性模量和熔點以及較高的高溫強度。18三、碳化硅纖維（SiC） 碳化硅纖維具

6、有優(yōu)異的力學性能（如直徑為1015m的纖維，拉伸強度為25003000MPa，彈性模量為180200GPa，密度為2.55g/cm3）、耐熱氧化性能、耐化學腐蝕性能。3.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維193.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維SiC纖維的制造： 化學氣相沉積法： CH3SiCl3SiC+3HCl 前驅體法（燒結法）：SiC纖維的應用： 噴氣發(fā)動機渦輪葉片、飛機螺旋槳受力部件、大口徑軍用步槍槍筒套管、坦克履帶、火箭推進劑傳送系統(tǒng)、先進戰(zhàn)斗機的垂直安定面、火箭發(fā)動機外殼等。20四、氧化鋁纖維 氧化鋁纖維具有優(yōu)異的機械強度和耐熱性能，抗拉伸強度大，彈性模量高，化學性質穩(wěn)定，耐高溫，多

7、用于高溫結構材料，也可用做高溫絕緣濾波器材料。3.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維21v氧化鋁短纖維制備： 離心甩絲法：將熔融的氧化鋁陶瓷熔體流落到高速旋轉的離心輥上，甩成細纖維。3.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維22v氧化鋁長纖維制備： 燒結法：以Al2O3細粉與Al(OH)3及少量Mg(OH)2混合成一定黏度的紡絲料進行干法紡絲，紡成的絲在1000以上高溫燒結成Al2O3纖維，為減少表面缺陷，常在纖維表面途覆一層0.1m的SiO2涂層。 先驅體法：將烷基鋁或烷氧基鋁與水進行水解縮合為聚鋁氧烷，再與有機聚合物混合制成漿液，用干法紡絲后，在空氣中逐步加熱，形成-Al2O3纖維。 熔融法：將A

8、l2O3在坩堝中加熱熔化（約2400），熔融的氧化鋁通過噴絲板，以一定的速率拉出，冷卻凝固形成直徑為50500m的氧化鋁連續(xù)纖維。3.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維23五、SiN纖維 氮化硅纖維力學性能與碳化硅纖維類似，且耐化學腐蝕，絕緣性能優(yōu)越。3.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維24六、玻璃纖維 玻璃纖維是以玻璃球或廢舊玻璃為原料經(jīng)高溫熔制、拉絲、絡紗、織布等工藝制成，單絲直徑為幾微米到幾十微米。3.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維25無堿玻璃纖維（無堿玻璃纖維（E玻纖玻纖）：以鈣鋁硼硅酸鹽組成，纖維強度高，耐熱性和電性能優(yōu)）：以鈣鋁硼硅酸鹽組成，纖維強度高，耐熱性和電性能優(yōu)良，抗大氣侵

9、蝕，化學穩(wěn)定性較好（不耐酸）。堿性氧化物含量小于良，抗大氣侵蝕，化學穩(wěn)定性較好（不耐酸）。堿性氧化物含量小于1%。中堿玻璃纖維：堿金屬氧化物含量在中堿玻璃纖維：堿金屬氧化物含量在11.5%12.5%之間。耐酸性好，強度不如之間。耐酸性好，強度不如E玻玻纖，價格便宜。纖，價格便宜。有堿玻璃（有堿玻璃（A玻璃）纖維：含堿量高，強度低，對潮氣侵蝕敏感，很少用作增強材玻璃）纖維：含堿量高，強度低，對潮氣侵蝕敏感，很少用作增強材料。堿性氧化物含量大于料。堿性氧化物含量大于12%。特種玻璃纖維特種玻璃纖維3.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維1、玻璃纖維的分類2、玻璃纖維的化學組成 3.2 無機非金屬纖維無

10、機非金屬纖維27u玻璃纖維的物理性能 玻璃纖維拉伸強度高，防火，防霉，防蛀，耐高溫和電絕緣性能好。缺點是脆性大，易折斷，模量低，不耐磨，長期放置強度會稍有下降，對人的皮膚有刺激性。3、玻璃纖維的性能3.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維28（1）外觀和比重：表面光滑，密度2.164.30g/cm3。（2）表面積大（3）玻璃纖維的力學性能：拉伸強度高（15004000MPa） 原因：微裂紋理論微裂紋理論：玻璃纖維高溫成型時減少了玻璃溶液的不均勻性，使微裂紋產(chǎn)生機會減少。玻璃纖維斷面較小，隨著表面積減少，微裂紋存在概率也相應減少。 影響因素：纖維直徑大小纖維直徑大小（直徑小，拉伸強度大），纖維長度纖

11、維長度（長度增加拉伸強度下降），纖維化學組成纖維化學組成（含堿量增加，強度下降），纖維存放時間纖維存放時間（存放時間越長，拉伸強度下降），纖維負荷時間纖維負荷時間（時間越長，拉伸強度下降），纖維成型方式纖維成型方式（玻璃硬化速度越快，拉伸強度越高）等。3.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維29纖維直徑/m拉伸強度/MPa纖維直徑/m拉伸強度/MPa16017519.1942106.729715.2130070.63569.7167050.85606.6233033.57004.2350024.18213.33450玻璃纖維拉伸強度與直徑的關系玻璃纖維拉伸強度與直徑的關系3.2 無機非金屬纖維無機

12、非金屬纖維30纖維長度/mm纖維直徑/m拉伸強度/MPa513.015002012.512109012.7860156013.0720玻璃纖維拉伸強度與長度的關系玻璃纖維拉伸強度與長度的關系3.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維31（4）玻璃纖維的耐磨性和耐折性： 這兩個性能均很差。纖維表面吸附水分后能加速裂紋擴展，降低其耐磨性和耐折性。（5）玻璃纖維的熱性能：導熱系數(shù)小0.035W/(m.K) 應用于絕熱材料； 耐熱性較高（軟化點550580）熱處理對強度的影響：300下經(jīng)24h，強度下降20%； 400下經(jīng)24h，強度下降50%； 500下經(jīng)24h，強度下降70%； 600下經(jīng)24h，強度下

13、降80%；3.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維32（6）玻璃纖維的電性能： 玻璃纖維的導電性主要取決于化學組成、溫度和濕度。 無堿纖維的電絕緣性比有堿纖維優(yōu)越，堿金屬離子增加，電絕緣性能變差；溫度升高，電阻率下降；濕度增加電阻率下降。 在玻璃纖維中加入大量的氧化鐵、氧化鉛、氧化銅、氧化鉍或氧化釩，會使纖維具有半導體性能。在玻璃纖維表面涂覆金屬或石墨，可獲得導電纖維。3.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維33（7）光學性能 玻璃纖維的透光性比玻璃差，但仍具有優(yōu)良的光學性能。 玻璃纖維可用于通信領域以傳送光束或光學物象。3.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維34 玻璃纖維除對氫氟酸、濃堿、濃磷酸外，對

14、所有化學藥品和有機溶劑都有良好的化學穩(wěn)定性。3.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維u玻璃纖維的化學性能35影響玻璃纖維化學穩(wěn)定性的因素： 玻璃纖維的化學成分：主要取決于二氧化硅及堿金屬氧化物的含量。二氧化硅含量多穩(wěn)定性增強，堿金屬氧化物多則使穩(wěn)定性降低。 纖維表面情況：纖維比表面增大，其相應的耐腐蝕性降低。 侵蝕介質體積和溫度：溫度升高，化學穩(wěn)定性降低；介質體積越大，對纖維侵蝕越嚴重。3.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維36 三個步驟：制球、拉絲、紡織三個步驟：制球、拉絲、紡織（1）制球：將砂、石灰石、硼酸等玻璃原料干混后，送入玻璃熔窯內（約1260）制成玻璃液，玻璃液從熔窯中緩慢流出，經(jīng)制球機

15、制成直徑約為1.8cm的玻璃球。（2）拉絲：使用拉絲機進行。拉絲過程中用浸潤劑的作用：拉絲過程中用浸潤劑的作用： 原絲中的纖維不散亂而能相互粘附在一起；原絲中的纖維不散亂而能相互粘附在一起； 防止纖維間磨損；防止纖維間磨損； 愿絲相互間不黏結在一起；愿絲相互間不黏結在一起； 便于紡織加工。便于紡織加工。（3）紡織：使用紡織機和織布機。4、玻璃纖維的制造3.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維常用浸潤劑：常用浸潤劑：石蠟乳劑和聚醋酸乙烯酯石蠟乳劑和聚醋酸乙烯酯37 玻璃纖維與無機玻璃的本質結構相同 是一種具有短距離網(wǎng)絡結構的非晶結構，因此稱為“凝固的過冷液體”5、玻璃纖維的結構3.2 無機非金屬纖維

16、無機非金屬纖維v 高強度玻璃纖維：鎂鋁硅酸鹽玻璃纖維（S玻璃纖維） SiO2：65%，Al2O3：25%，MgO：10%硼硅酸鹽玻璃纖維： SiO2：4050%，Al2O3：1929%，B2O3：1020%，Li2O：0.11%6、幾種特種玻璃纖維簡介3.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維39v高模量玻璃纖維 比一般玻璃纖維的模量提高1/3以上：9.4104 SiO2 53.7%, CaO 12.7%, MgO 9%, BeO 8%, ZrO2 2%, TiO2 7.9%, Li2O 3%, Fe2O3 0.5%3.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維40v耐高溫玻璃纖維（1）石英纖維：用高純度(9

17、9.5%二氧化硅)天然石英晶體制成的纖維。主要性能： 軟化溫度高，可達軟化溫度高，可達1250以上以上 膨脹系數(shù)小膨脹系數(shù)小 電性能好電性能好 能耐能耐100200 濃酸的侵蝕，耐堿性稍差些濃酸的侵蝕，耐堿性稍差些 在在2504700m的光譜區(qū)內，有較高的透過率。的光譜區(qū)內，有較高的透過率。石英纖維廣泛用在電機制造、光通訊、火箭及原子反應堆工程等方面。石英纖維廣泛用在電機制造、光通訊、火箭及原子反應堆工程等方面。3.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維41（2）高硅氧玻璃纖維 是用浸析法將高鈣硼硅酸鹽玻璃纖維中的可溶物析出，從而制得的二氧化硅含量在95%以上的纖維。其耐熱性能與石英纖維相似，但其強

18、度較低，僅為普通無堿纖維強度的十分之一。 其價格低廉，廣泛用于宇宙航空、火箭等方面。3.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維42（3）鋁硅酸鹽玻璃纖維 是以高齡土、鋁礬土、藍晶石為原料，在高頻爐、電弧爐或其他高溫爐中熔化，用吹制法制成的玻璃纖維。Al2O3含量占50%以上，熔化溫度為1760，最高使用溫度為1260 。主要用作絕緣材料和隔熱材料，多用于火箭、噴氣發(fā)動機、原子反應堆等。3.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維43v空心玻璃纖維 采用鋁硼硅酸鹽玻璃原料，用特制拔絲爐拔絲制成。呈中空狀態(tài)，質輕，剛性好，彈性模量較高，電性能好，導熱系數(shù)低，較脆，纖維直徑一般為1017m。適用于航空與海底裝備。

19、3.2 無機非金屬纖維無機非金屬纖維v高強鋼絲、不銹鋼絲增強鋁基復合材料v難熔金屬（鎢、釷）絲增強鎳基耐熱合金v金屬絲制備工藝流程：合金熔煉合金熔煉鑄造鑄造盤條盤條熱拔熱拔粗絲粗絲冷拔退火冷拔退火金屬絲金屬絲3.3 金屬絲（纖維）金屬絲（纖維）針狀金屬纖維針狀金屬纖維 國外又稱凱芙拉（國外又稱凱芙拉（kevlar）纖維。）纖維。q 1968年由杜邦（DuPont）公司研制成功，當時登記的商品名稱為Aramid，1973年定名為Kevlar纖維（凱芙拉或芳綸纖維）q Kevlar纖維的品種很多（20多種），常用的有Kevlar、Kevlar29（芳綸14）和Kevlar49（芳綸1414）。杜邦

20、至今未公開這三種Kevlar纖維真實的化學結構 有關的分析結果認為，Kevlar49纖維所用原料為對苯二胺與對苯二甲?？s聚而成，即聚對苯二甲酰對苯二胺。3.4 有機纖維（芳綸纖維）有機纖維（芳綸纖維）46v芳綸纖維的制造：q 將原料溶于濃硫酸中，制成各向異性液晶溶液q 紡絲液擠壓噴絲干濕紡溶劑萃取與洗滌干燥Kevlar29纖維在氮氣保護下經(jīng)550熱處理Kevlar49纖維3.4 有機纖維（芳綸纖維）有機纖維（芳綸纖維）47v性能特點 力學性能：拉伸強度大，可達力學性能：拉伸強度大，可達3773MPa，沖擊性能好；彈性模量，沖擊性能好；彈性模量高，高，1.271.57105MPa；密度小，；密度

21、小，1.44g/cm3。 熱學性能：熱穩(wěn)定性好，耐火不熔；熱膨脹系數(shù)具有各向異性的熱學性能：熱穩(wěn)定性好，耐火不熔；熱膨脹系數(shù)具有各向異性的特點。特點。 化學性能：耐中性介質，易受酸堿侵蝕，耐水性較差。化學性能：耐中性介質，易受酸堿侵蝕，耐水性較差。3.4 有機纖維（芳綸纖維）有機纖維（芳綸纖維）48v用途 航空方面航空方面：整流罩、窗框、天花板、隔板、地板、艙壁、艙門、行李架、座椅、：整流罩、窗框、天花板、隔板、地板、艙壁、艙門、行李架、座椅、機翼前緣、方向舵、安定面翼尖、尾錐、應急出口系統(tǒng)構件等。機翼前緣、方向舵、安定面翼尖、尾錐、應急出口系統(tǒng)構件等。 航天方面航天方面：火箭發(fā)動機殼體、壓力

22、容器、宇宙飛船的駕駛艙、通風管道等。：火箭發(fā)動機殼體、壓力容器、宇宙飛船的駕駛艙、通風管道等。 軍事應用軍事應用：飛機、坦克、裝甲車、艇的防彈構件、頭盔和防彈衣等。：飛機、坦克、裝甲車、艇的防彈構件、頭盔和防彈衣等。 民用民用：造船業(yè)、汽車業(yè)、體育器具（曲棍球棒、高爾夫球棒、網(wǎng)球拍、標槍、弓：造船業(yè)、汽車業(yè)、體育器具（曲棍球棒、高爾夫球棒、網(wǎng)球拍、標槍、弓、釣魚桿、滑雪撬等。、釣魚桿、滑雪撬等。 繩索繩索：如深海作業(yè)用電纜、輪胎簾子線等。：如深海作業(yè)用電纜、輪胎簾子線等。3.4 有機纖維（芳綸纖維）有機纖維（芳綸纖維）493.5 晶須及顆粒增強物晶須及顆粒增強物 作為增強物用的晶須和顆粒主要是

23、陶瓷，如SiC，Al2O3，B4C，TiC等，尤其是陶瓷顆粒，其性能穩(wěn)定、成本低，可用來增強金屬基、陶瓷基和聚合物基復合材料。 用于金屬基和陶瓷基復合材料的晶須有SiC、Al2O3、9Al2O32B2O3 、2Al2O3B2O3等，TiC、Si3N4等晶須其成本較高而用的較少。 晶須是在人工控制條件下生長的細小單晶，直徑為0.21m，其缺陷小，強度高。50v晶須增強物SiC晶須（高強度、高模量、導熱性好） SiO2+3CSiC+CO碳（炭黑）等碳（炭黑）等SiO2催化劑催化劑混合混合加熱反應加熱反應1500反應生成反應生成SiC焙燒焙燒脫碳脫碳分選分選凈化凈化SiC晶須成品晶須成品3.5 晶須

24、及顆粒增強物晶須及顆粒增強物51晶須材料晶須材料密度（密度（g/cm3）熔點熔點/拉伸強度拉伸強度/MPa彈性模量彈性模量/GPaAl2O33.9208213800276004821033AlN3.321991380020700344BeO1.825491380019300689B4C2.524496900448C(石墨石墨)2.2535932000980SiC3.15231669003400480820Si3N43.21899340010000379晶須性能晶須性能3.5 晶須及顆粒增強物晶須及顆粒增強物52n顆粒增強體q顆粒增強體：用以改善基體材料性能的顆粒狀材料顆粒增強體：用以改善基體材

25、料性能的顆粒狀材料q顆粒增強體的特點是顆粒增強體的特點是選材方便選材方便，可根據(jù)不同的性能要求選用不，可根據(jù)不同的性能要求選用不同的顆粒增強體。同的顆粒增強體。q顆粒增強體顆粒增強體成本低成本低，易于批量生產(chǎn)。，易于批量生產(chǎn)。3.5 晶須及顆粒增強物晶須及顆粒增強物53v 具有高強度、高模量、耐熱、耐磨、耐高溫的陶瓷和石墨等非金屬顆粒 如碳化硅、氧化鋁、氮化硅、碳化鈦、碳化硼、石墨、細金剛石等。剛性顆粒增強體（Ragid Particle Reinforcement）3.5 晶須及顆粒增強物晶須及顆粒增強物54n顆粒增強體以很細的粉末（一般在顆粒增強體以很細的粉末（一般在10m以下）加入到金屬基以下）加入到金屬基和陶瓷基中起提高和陶瓷基中起提高耐磨、耐熱、強度、模量和韌性耐磨、耐熱、強度、模量和韌性的作用的作用q在在Al合金中加入體積為合金中加入體積為30%，粒徑為，粒徑為0.3m的的Al2O3顆粒，材料在顆粒，材料在300時的拉伸強度仍可達時的拉伸強度仍可達220MPa，并且所加入的，并且所加入的顆粒越細顆粒越細，復合，復合材料的硬度和強度越高。材料的硬度和強度越高。q在在Si3N4陶瓷中加入體積為陶瓷中加入體積為20%的的TiC顆粒，可使其韌性提高顆粒，可使其韌性提高5%。3.5 晶須及顆粒增強物晶須及顆粒增強物55延性顆粒增強體（Ductile Particle