復(fù)合材料增強(qiáng)體課件

第三章復(fù)合材料的增強(qiáng)材料第三章復(fù)合材料的增強(qiáng)材料增強(qiáng)材料：復(fù)合材料中能夠提高基體材料力學(xué)性能的物質(zhì)，是復(fù)合材料的重要組成部分，起提高基體強(qiáng)度、韌性、模量、耐熱、耐磨等性能的作用。增強(qiáng)體應(yīng)具有能明顯提高基體某種所需性能的性能；增強(qiáng)體應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性；與基體有良好潤濕性。增強(qiáng)體應(yīng)具有的基本特征增強(qiáng)材料：復(fù)合材料中能夠提高基體材料力學(xué)性能的物質(zhì)，是復(fù)合材增強(qiáng)體的分類纖維類增強(qiáng)體

連續(xù)纖維、短纖維、單絲、束絲顆粒類增強(qiáng)體

SiC、Al2O3、TiC、……晶須類增強(qiáng)體

人工條件下制造的細(xì)小單晶，呈棒狀，直徑0.2~1mm，長(zhǎng)度幾十微米金屬絲鈹絲、鋼絲、不銹鋼絲、鎢絲，多用于金屬基和水泥基復(fù)合材料片狀物增強(qiáng)體增強(qiáng)體的分類纖維類增強(qiáng)體不同復(fù)合材料增強(qiáng)體的強(qiáng)度和模量不同復(fù)合材料增強(qiáng)體的強(qiáng)度和模量Outline玻璃纖維及其制品炭纖維芳綸纖維（有機(jī)纖維）其他纖維Outline玻璃纖維及其制品玻璃纖維紙玻璃纖維繩玻璃纖維布玻璃纖維繩玻璃纖維及其制品玻璃纖維紙玻璃纖維繩玻璃纖維布玻璃纖維繩玻璃纖維及其制品E.玻璃纖維及其制品的制造工藝E.玻璃纖維及其制品的制造工藝1.1玻璃纖維及其制品

①概述隨著玻璃鋼工業(yè)的發(fā)展，玻璃纖維工業(yè)也得到迅速發(fā)展。

國外玻璃纖維的主要特點(diǎn)如下：1.1玻璃纖維及其制品Ａ、普遍采用池窯拉絲新技術(shù)；Ｂ、大力發(fā)展多排多孔拉絲工藝；Ｃ、用于玻璃鋼的纖維直徑逐漸向粗的方向發(fā)展，纖維直徑為14--24um，甚至達(dá)27um；Ｄ、大量生產(chǎn)無堿纖維；Ａ、普遍采用池窯拉絲新技術(shù)；Ｅ、大力發(fā)展無紡織玻璃纖維織物，無捻粗紗和短切纖維氈片所占比例增加；Ｆ、重視纖維--樹脂界面的研究，偶聯(lián)劑的品種不斷增加，玻璃纖維的前處理受到普遍重視。

Ｅ、大力發(fā)展無紡織玻璃纖維織物，無捻粗紗和短切纖維氈片所占比我國玻璃纖維工業(yè)誕生于1950年，當(dāng)時(shí)只能生產(chǎn)絕緣材料用的初級(jí)纖維。1958年以后，玻璃纖維工業(yè)得到迅速發(fā)展。現(xiàn)在全國有大、小玻璃纖維廠家200多個(gè)，玻璃纖維年產(chǎn)量為5萬噸，其中無堿纖維占20％，中堿纖維占80％，纖維直徑多數(shù)為6--8um，正向粗纖維方向發(fā)展。我國玻璃纖維工業(yè)誕生于1950年，當(dāng)時(shí)只能生產(chǎn)絕緣材料用

池窯拉絲工藝正在推廣，重視纖維--樹脂界面的研究，新型偶聯(lián)劑不斷出現(xiàn)，許多玻璃纖維廠使用前處理工藝，玻璃纖維工業(yè)的不斷發(fā)展促進(jìn)了我國復(fù)合材料及尖端科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。池窯拉絲工藝正在推廣，重視纖維--樹脂界面的研究，新型偶②玻璃纖維的分類玻璃纖維的分類方法很多。通常從玻璃原料成分、單絲直徑、纖維外觀及纖維特性等方面進(jìn)行分類。②玻璃纖維的分類1．以玻璃原料成分分類這種分類方法主要用于連續(xù)玻璃纖維的分類。一般以不同的含堿量來區(qū)分：(1)無堿玻璃纖維(2)中堿玻璃纖維(3)有堿玻璃纖維(4)特種玻璃纖維1．以玻璃原料成分分類(1)無堿玻璃纖維(通稱E玻纖)：是以鈣鋁硼硅酸鹽組成的玻璃纖維，這種纖維強(qiáng)度較高，耐熱性和電性能優(yōu)良，能抗大氣侵蝕，化學(xué)穩(wěn)定性也好(但不耐酸)。(1)無堿玻璃纖維(通稱E玻纖)：

無堿玻璃纖維最大的特點(diǎn)是電性能好，因此也把它稱做電氣玻璃?，F(xiàn)在，國內(nèi)外大多數(shù)都使用這種Ｅ破璃纖維作為復(fù)合材料的原材料。目前，國內(nèi)規(guī)定其堿金屬氧化物含量不大于0.5％，國外一般為1％左右。無堿玻璃纖維最大的特點(diǎn)是電性能好，因此也把它稱做電氣玻璃(2)中堿玻璃纖維它是指堿金屬氧化物含量在11.5％~12.5％之間的玻璃纖維。國外沒有這種玻璃纖維，它的主要特點(diǎn)是耐酸性好，但強(qiáng)度不如E玻璃纖維高。它主要用于耐腐蝕領(lǐng)域中，價(jià)格較便宜。(2)中堿玻璃纖維(3)有堿玻璃(A玻璃)纖維

有堿玻璃稱A玻璃，類似于窗玻璃及玻璃瓶的鈉鈣玻璃。此種玻璃由于含堿量高，強(qiáng)度低，對(duì)潮氣侵蝕極為敏感，因而很少作為增強(qiáng)材料。(3)有堿玻璃(A玻璃)纖維(4)特種玻璃纖維如由純鎂鋁硅三元組成的高強(qiáng)玻璃纖維，鎂鋁硅系高強(qiáng)高彈玻璃纖維，硅鋁鈣鎂系耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕玻璃纖維，含鉛纖維，高硅氧纖維，石英纖維等。(4)特種玻璃纖維

2．以單絲直徑分類玻璃纖維單絲呈圓柱形，以其直徑的不同可以分為以下幾種：

粗纖維：30um；初級(jí)纖維：20um;

中級(jí)纖維：10~20um；

高級(jí)纖維：3~10um(亦稱紡織纖維)。對(duì)于單絲直徑小于4um的玻璃纖維稱為超細(xì)纖維。2．以單絲直徑分類

單絲直徑不同，不僅使纖維的性能有差異，而且影響到纖維的生產(chǎn)工藝、產(chǎn)量和成本。一般5~10um的纖維作為紡織制品使用，10~14um的纖維一般做無捻粗紗、無紡布、短切纖維氈等較為適宜。單絲直徑不同，不僅使纖維的性能有差異，而且影響到纖維的生3．以纖維外觀分類有連續(xù)纖維，其中有無捻粗紗及有捻粗紗(用于紡織)、短切纖維、空心玻璃纖維、玻璃粉及磨細(xì)纖維等。3．以纖維外觀分類4．以纖維特性分類根據(jù)纖維本身具有的性能可分為：高強(qiáng)玻璃纖維、高模量玻璃纖維、耐堿玻璃纖維、耐酸玻璃纖維、普通玻璃纖維(指無堿及中堿玻璃纖維)。4．以纖維特性分類1.2玻璃纖維的結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成①玻璃纖維的結(jié)構(gòu)

玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度比塊狀玻璃高許多倍，但經(jīng)研究證明，玻璃纖維的結(jié)構(gòu)與玻璃相同。關(guān)于玻璃結(jié)構(gòu)的假說到目前為止，比較能夠反映實(shí)際情況的是“微晶結(jié)構(gòu)假說”和“網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)假說”。1.2玻璃纖維的結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成

微晶結(jié)構(gòu)假說的要點(diǎn)玻璃是由硅酸塊或二氧化硅的“微晶子”組成，在“微晶子”之間由硅酸塊過冷溶液所填充。微晶結(jié)構(gòu)假說的要點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)假說的要點(diǎn)玻璃是由二氧化硅的四面體、鋁氧三面體或硼氧三面體相互連成不規(guī)則三維網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)間的空隙由Na、K、Ca、Mg等陽離子所填充。二氧化硅四面體的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是決定玻璃性能的基礎(chǔ)，填充的Na、Ca等陽離子稱為網(wǎng)絡(luò)改性物。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)假說的要點(diǎn)大量資料證明，玻璃結(jié)構(gòu)是近似有序的。主要是因?yàn)樵诓ＡЫY(jié)構(gòu)中存在一定數(shù)量和大小比較有規(guī)則排列的區(qū)域，這種規(guī)則性是由一定數(shù)目的多面體遵循類似晶體結(jié)構(gòu)的規(guī)則排列造成的。大量資料證明，玻璃結(jié)構(gòu)是近似有序的。主要是因?yàn)樵诓ＡЫY(jié)構(gòu)但是，玻璃結(jié)構(gòu)的這種有序區(qū)域不像晶體結(jié)構(gòu)那樣有嚴(yán)格的周期性，微觀上是不均勻的，宏觀上卻又是均勻的，反映到玻璃的性能上是各向同性的。但是，玻璃結(jié)構(gòu)的這種有序區(qū)域不像晶體結(jié)構(gòu)那樣有嚴(yán)格的周期

②玻璃纖維的化學(xué)組成玻璃纖維的化學(xué)組成主要是二氧化硅、三氧化二硼、氧化鈣、三氧化二鋁等。玻璃纖維的化學(xué)組成對(duì)玻璃纖維的性質(zhì)和生產(chǎn)工藝起決定性作用，以二氧化硅為主的稱為硅酸鹽破璃，以三氧化二硼為主的稱為硼酸鹽玻璃。②玻璃纖維的化學(xué)組成

氫化鈉、氧化鉀等堿性氧化物為助熔氧化物，它可以降低玻璃的熔化溫度和粘度，使玻璃熔液中的氣泡容易排除。

助熔氧化物主要通過破壞玻璃骨架，使結(jié)構(gòu)疏松，從而達(dá)到助熔的目的。因此氧化鈉和氫化鉀的含量越高，玻璃纖維的強(qiáng)度、電絕緣性能和化學(xué)穩(wěn)定性都會(huì)相應(yīng)的降低。氫化鈉、氧化鉀等堿性氧化物為助熔氧化物，它可以降低玻璃的加入氧化鈣、三氧化二鋁等，能在一定條件下構(gòu)成玻璃網(wǎng)絡(luò)的一部分，改善玻璃的某些性質(zhì)和工藝性能。例如，用氧化鈣取代二氧化硅．可降低拉絲溫度；加入三氧化二鋁可提高耐水性。加入氧化鈣、三氧化二鋁等，能在一定條件下構(gòu)成玻璃網(wǎng)絡(luò)的一總之，玻璃纖維化學(xué)成分的制定，一方面要滿足玻璃纖維物理和化學(xué)性能的要求，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性；另一方面要滿足制造工藝的要求，如合適的成型溫度、硬化速度及粘度范圍?？傊ＡЮw維化學(xué)成分的制定，一方面要滿足玻璃纖維物理和1.3玻璃纖維的物理性能玻璃纖維具有一系列優(yōu)良性能，拉伸強(qiáng)度高，防火、防霉、防蛀、耐高溫和電絕緣性能好等。玻璃纖維的缺點(diǎn)是具有脆性，不耐腐，對(duì)人的皮膚有刺激性等。1.3玻璃纖維的物理性能(1)外觀和比重一般天然或人造的有機(jī)纖維，其表面都有較深的皺紋；而對(duì)于玻璃纖維來說，其表面呈光滑的圓柱，其橫斷面幾乎都是完整的圓形。(1)外觀和比重宏觀看來，由于表面光滑，纖維之間的抱合力非常小，不利于和樹脂粘結(jié)；又由于呈圓柱狀，所以玻璃纖維彼此相靠近時(shí)，空隙填充的較為密實(shí)，這對(duì)于提高復(fù)合材料制品的玻璃含量是有利的。宏觀看來，由于表面光滑，纖維之間的抱合力非常小，不利于和

玻璃纖維直徑從1.5~25um，大多數(shù)為4~14um。

玻璃纖維的密度為2.16~4.30g／cm3，其比重較有機(jī)纖維大很多，但比一般的金屬比重要低，與鋁相比幾乎一樣。所以在航空工業(yè)上用復(fù)合材料代替鋁鈦合金就成為可能。此外，一般情況下，無堿玻璃纖維的比重大于有堿纖維。玻璃纖維直徑從1.5~25um，大多數(shù)為4~1(2)表面積大由于玻璃纖維的表面積大，使得纖維表面處理的效果對(duì)性能的影響很大。(2)表面積大(3)玻璃纖維的力學(xué)性能①玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度玻璃纖維的最大特點(diǎn)是拉伸強(qiáng)度高。一般玻璃制品的拉伸強(qiáng)度只有40~100MPa，而直徑3~9um的玻璃纖維拉伸強(qiáng)度則高達(dá)1500~4000MPa，較一般合成纖維高約10倍，比合金鋼還高2倍。(3)玻璃纖維的力學(xué)性能幾種纖維和全屬材料的強(qiáng)度如下表所示：幾種纖維材料和金屬材料的強(qiáng)度幾種纖維和全屬材料的強(qiáng)度如下表所示：幾種纖維材料和金屬材料的②玻璃纖維高強(qiáng)的原因?qū)ΣＡЮw維高強(qiáng)的原因，許多學(xué)者提出了不同的假說，其中比較有說服力的是微裂紋假說。

微裂紋假說認(rèn)為，玻璃的理論強(qiáng)度取決于分子或原子間的引力，其理論強(qiáng)度很高，可達(dá)到200~l200kg／mm2。②玻璃纖維高強(qiáng)的原因但通常情況下，玻璃或玻璃纖維的實(shí)測(cè)強(qiáng)度很低。這是因?yàn)?，在它們?dāng)中，存在著數(shù)量不等，尺小不同的微裂紋，從而大大降低了其強(qiáng)度。但通常情況下，玻璃或玻璃纖維的實(shí)測(cè)強(qiáng)度很低。這是因?yàn)椋?/p>

微裂紋分布在破璃或玻璃纖維的整個(gè)體積內(nèi)，但以表面的微裂紋危害最大。出于微裂紋的存在，使玻璃在外力作用下受力不均，在危害最大的微裂紋處，產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而使強(qiáng)度下降。微裂紋分布在破璃或玻璃纖維的整個(gè)體積內(nèi)，但以表面的微裂紋

玻璃纖維比玻璃的強(qiáng)度高很多，主要有兩方面的原因：Ａ、玻璃纖維高溫成型時(shí)減少了玻璃溶液的不均一性，使微裂紋產(chǎn)生的機(jī)會(huì)減少。Ｂ、玻璃纖維的斷面較小，隨著表面積的減小，使微裂紋存在的幾率也減少，從而使纖維強(qiáng)度增高。玻璃纖維比玻璃的強(qiáng)度高很多，主要有兩方面的原因：有人更明確地提出，直徑小的玻璃纖維強(qiáng)度比直徑粗的纖維強(qiáng)度高的原因是由于表面微裂紋尺寸和數(shù)量較小，從而減少了應(yīng)力集中，使纖維具有較高的強(qiáng)度。有人更明確地提出，直徑小的玻璃纖維強(qiáng)度比直徑粗的纖維強(qiáng)度③影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素A、一般情況，玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度隨直徑變細(xì)而拉伸強(qiáng)度增加，如下表所示：③影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素玻璃纖維拉伸強(qiáng)度與直徑的關(guān)系玻璃纖維拉伸強(qiáng)度與直徑的關(guān)系B、拉伸強(qiáng)度也與纖維的長(zhǎng)度有關(guān)，隨著長(zhǎng)度增加拉伸強(qiáng)度顯著下降。如下表所示：

B、拉伸強(qiáng)度也與纖維的長(zhǎng)度有關(guān)，隨著長(zhǎng)度增加拉伸強(qiáng)度顯著纖維直徑和長(zhǎng)度對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響，可用“微裂紋理論”給予解釋：隨著纖維直徑的減小和長(zhǎng)度的縮短，纖維中微裂紋的數(shù)量和大小就會(huì)相應(yīng)地減小，這樣強(qiáng)度就會(huì)相應(yīng)地增加。纖維直徑和長(zhǎng)度對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響，可用“微裂紋理論”給予解Ｃ、化學(xué)組成對(duì)強(qiáng)度的影響纖維的強(qiáng)度與玻璃化學(xué)成分關(guān)系密切。對(duì)于同一系統(tǒng)(即基本組分)來說，部分改變氧化物的種類和數(shù)量，纖維強(qiáng)度改變不大(20％—30％)。而改變系統(tǒng)(即改變它的基本組分)，強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生大幅度地變化。Ｃ、化學(xué)組成對(duì)強(qiáng)度的影響一般來說，含堿量越高，纖維的強(qiáng)度越低。高強(qiáng)玻璃纖維強(qiáng)度明顯地高于無堿玻璃纖維，而有堿纖維強(qiáng)度更低。研究表明，高強(qiáng)和無堿玻璃纖維由于成型溫度高、硬化速度快、結(jié)構(gòu)鍵能大等原因，而具有很高的拉伸強(qiáng)度。一般來說，含堿量越高，纖維的強(qiáng)度越低。高強(qiáng)玻璃纖維強(qiáng)度明纖維的表面缺陷對(duì)強(qiáng)度影響巨大。如下表所示：纖維強(qiáng)度與化學(xué)組成的關(guān)系纖維的表面缺陷對(duì)強(qiáng)度影響巨大。如下表所示：纖維強(qiáng)度與化學(xué)從上表可以看出，當(dāng)各種纖維都有微裂紋時(shí)強(qiáng)度相近；只有當(dāng)表面缺陷減小到一定程度時(shí)，纖維強(qiáng)度對(duì)其化學(xué)組成的依賴關(guān)系才會(huì)表現(xiàn)出來。從上表可以看出，當(dāng)各種纖維都有微裂紋時(shí)強(qiáng)度相近；只有當(dāng)表D、纖維老化的影響當(dāng)纖維存放一段時(shí)間后，會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度下降的現(xiàn)象，稱為纖維的老化。

纖維的老化主要取決于纖維對(duì)大氣水分的化學(xué)穩(wěn)定性。D、纖維老化的影響例如，直徑6um的無堿玻璃纖維和含17％的Na2O有堿纖維，在空氣濕度為60％~65％的條件下存放，無堿玻璃纖維存放后強(qiáng)度基本不變，而有堿纖維強(qiáng)度不斷下降。強(qiáng)度變化的原因，主要是由于二種纖維對(duì)大氣水分的化學(xué)穩(wěn)定性不同所致。例如，直徑6um的無堿玻璃纖維和含17％的Na2O有E、纖維的疲勞影響

玻璃纖維的疲勞一般是指纖維強(qiáng)度隨施加負(fù)荷時(shí)間的增加而降低的情況。纖維疲勞現(xiàn)象是普遍的，當(dāng)相對(duì)濕度為60~65%時(shí)，玻璃纖維在長(zhǎng)期張力作用下，都會(huì)有很大程度的疲勞。E、纖維的疲勞影響

纖維強(qiáng)度受施加負(fù)荷時(shí)間的影響，即纖維的疲勞是普通存在的。例如，在施加60％的斷裂負(fù)荷的作用力下，2~6晝夜，纖維會(huì)全部斷裂。纖維強(qiáng)度受施加負(fù)荷時(shí)間的影響，即纖維的疲勞是普通存在的。玻璃纖維疲勞的原因，在于吸附作用的影響，即水分吸附并滲透到纖維微裂紋中，在外力的作用下，加速裂紋的擴(kuò)展。玻璃纖維疲勞的程度取決于微型紋擴(kuò)展和范圍。這與應(yīng)力、尺寸、濕度、介質(zhì)種類等方面有關(guān)。玻璃纖維疲勞的原因，在于吸附作用的影響，即水分吸附并滲透

F、成型方法和成型條件強(qiáng)度的影響玻璃纖維成型方法和成型條件對(duì)強(qiáng)度也有很大影響。如玻璃硬化速度越快，拉制的纖維強(qiáng)度也越高。F、成型方法和成型條件強(qiáng)度的影響④玻璃纖維的彈性

A、玻璃纖維的延伸率纖維的延伸率(又稱斷裂伸長(zhǎng)率)是指纖維在外力作用下直至拉斷時(shí)的伸長(zhǎng)百分率。

玻璃纖維的延伸率比其它有機(jī)纖維的延伸率低，一般為3％左右。④玻璃纖維的彈性B、玻璃纖維的彈性模量玻璃纖維的彈性模量是指在彈性范圍內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系的比例常數(shù)。玻璃纖維的彈性模量約為7104MPa，與鋁相當(dāng)，只有普通鋼的三分之一，致使復(fù)合材料的剛度較低。B、玻璃纖維的彈性模量對(duì)玻璃纖維的彈性模量起主要作用的是其化學(xué)組成。實(shí)踐證明，加入BeO、MgO能夠提高玻璃纖維的彈性模量。對(duì)玻璃纖維的彈性模量起主要作用的是其化學(xué)組成。含BeO的高彈玻璃纖維(M)，其彈性模量比無堿玻璃纖維(E)提高60％。它取決于玻璃纖維結(jié)構(gòu)的本身，與直徑大小、磨損程度等無關(guān)。另外，不同直徑的玻璃纖維彈性模量相同，也證明了它們具有近似的分子結(jié)構(gòu)。含BeO的高彈玻璃纖維(M)，其彈性模量比無堿玻璃纖維(

(4)玻璃纖維的耐磨性與耐折性玻璃纖維的耐磨性是指纖維抵抗磨擦的能力；玻璃纖維的耐折性是指纖維抵抗折斷的能力。玻璃纖維這兩個(gè)性能都很差，經(jīng)過揉搓摩擦容易受傷或斷裂，這是玻纖的嚴(yán)重缺點(diǎn)。

(4)玻璃纖維的耐磨性與耐折性當(dāng)纖維表面吸附水分后能加速微裂紋擴(kuò)展，使纖維耐磨性和耐折性降低。為了提高玻璃纖維的柔性以滿足紡織工藝的工求，可以采用適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?，如?jīng)0.2％陽離子活性劑水溶液處理后，玻璃纖維的耐磨性比未處理的高200倍。

當(dāng)纖維表面吸附水分后能加速微裂紋擴(kuò)展，使纖維耐磨性和耐折纖維的柔性一般以斷裂前彎曲半徑的大小來表示；彎曲半徑越小，柔性越好。如玻璃纖維直徑為9um時(shí)，其彎曲半徑為0.094mm；而超細(xì)纖維直徑為3.6um時(shí)，其彎曲半徑為0.038mm。纖維的柔性一般以斷裂前彎曲半徑的大小來表示；彎曲半徑越小(5)玻璃纖維的熱性能①玻璃纖維的導(dǎo)熱性

導(dǎo)熱系數(shù)是指通過單位傳熱面積1m2，溫度梯度為1度/m，時(shí)間為1小時(shí)所通過的熱量。(5)玻璃纖維的熱性能

玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)為0.6~1.1千卡/米·度·時(shí)，但拉制成玻璃纖維后，其導(dǎo)熱系數(shù)只有0.03千卡／米·度·時(shí)。玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)為0.6~1.1千卡/米·度·時(shí)，但拉產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，主要是纖維間的空隙較大，容重較小所致；

容重越小，其導(dǎo)熱系數(shù)越小，主要是因?yàn)榭諝鈱?dǎo)熱系數(shù)低所致；

導(dǎo)熱系數(shù)越小，隔熱性能越好。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，主要是纖維間的空隙較大，容重較小所致

溫度的變化對(duì)玻璃纖維的導(dǎo)熱系數(shù)影響不大。例如，當(dāng)玻璃纖維的使用溫度升高到200~300℃，其導(dǎo)熱系數(shù)只升高10％。因此，玻璃纖維是一種優(yōu)良的絕熱材料。當(dāng)玻璃纖維受潮時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)增大，隔熱性能降低。溫度的變化對(duì)玻璃纖維的導(dǎo)熱系數(shù)影響不大。②破璃纖維的耐熱性玻璃纖維耐熱性較高，軟化點(diǎn)為550~580℃，其熱膨脹系數(shù)為4.810–6/℃。

玻璃纖維是一種無機(jī)纖維，不會(huì)引起燃燒。將玻璃纖維加溫，直到某一強(qiáng)度界限以前，強(qiáng)度基本不變。②破璃纖維的耐熱性玻璃纖維的耐熱性是由化學(xué)成分決定的。一般情況下，鈉鈣玻璃纖維加熱到470℃之前（不降溫），強(qiáng)度變化不大；

石英和高硅氧玻璃纖維的耐熱性則可達(dá)到2000℃以上。

玻璃纖維的耐熱性是由化學(xué)成分決定的。如果將玻璃纖維加熱至250℃以上后再冷卻(通常稱為熱處理)，則強(qiáng)度明顯下降。

溫度越高，強(qiáng)度下降越顯著。例如：300℃下經(jīng)24小時(shí)，強(qiáng)度下降20％；400℃下經(jīng)24小時(shí)、強(qiáng)度下降50％；500℃下經(jīng)24小時(shí)、強(qiáng)度下降70％；600℃下經(jīng)24小時(shí)，強(qiáng)度下降80％。如果將玻璃纖維加熱至250℃以上后再冷卻(通常稱為熱處理玻璃纖維的強(qiáng)度降低與熱作用時(shí)間有關(guān)。因此，玻璃布熱處理溫度雖然很高，但因受熱時(shí)間短，故強(qiáng)度降低不大。玻璃纖維熱處理后強(qiáng)度下降，可能是熱處理使微裂紋增加所引起的.玻璃纖維的強(qiáng)度降低與熱作用時(shí)間有關(guān)。(6)玻璃纖維的電性能玻璃纖維的導(dǎo)電性主要取決于化學(xué)組成、溫度和濕度。

無堿纖維的電絕緣性能比有堿纖維優(yōu)越得多。這主要是因?yàn)闊o堿纖維中堿金屬離子少的緣故。堿金屬離子越多，電絕緣性能越差；玻璃纖維的電阻率隨著溫度的升高而下降。(6)玻璃纖維的電性能

雖然玻璃纖維的吸附能力較小，但空氣濕度對(duì)玻璃纖維的電阻率影響很大。

濕度增加，電阻率下降。如下表所示：空氣濕度對(duì)玻璃布電阻率影響雖然玻璃纖維的吸附能力較小，但空氣濕度對(duì)玻璃纖維的電阻率

在玻璃纖維的化學(xué)組成中，加入大量的氧化鐵、氧化鉛、氧化銅、氧化銀或氧化釩，會(huì)使纖維具有半導(dǎo)體性能。在玻璃纖維上涂敷金屬或石墨，能獲得導(dǎo)電纖維。在玻璃纖維的化學(xué)組成中，加入大量的氧化鐵、氧化鉛、氧化銅(7)玻璃纖維及制品的光學(xué)性能

玻璃是優(yōu)良的透光材料，但制成玻璃纖維制品后，其透光性遠(yuǎn)不如玻璃。玻璃纖維制品的光學(xué)性能以反射系數(shù)、透光系數(shù)和亮度系數(shù)來表示。(7)玻璃纖維及制品的光學(xué)性能

反射系數(shù)P是指玻璃布反射的光強(qiáng)度與入射到玻璃布上的光強(qiáng)度之比，即式中：Ｐ---反射系數(shù)；Ip---反射光強(qiáng)度;Io---入射光強(qiáng)度。反射系數(shù)P是指玻璃布反射的光強(qiáng)度與入射到玻璃布上的光強(qiáng)度在一般情況下，玻璃布的反射系數(shù)與布的織紋特點(diǎn)、密度及厚度有關(guān)，平均為40％--70％;如將透光性較弱的半透明材料墊在下邊．玻璃布的反射系數(shù)可達(dá)87％。在一般情況下，玻璃布的反射系數(shù)與布的織紋特點(diǎn)、密度及厚度透過系數(shù)是指透過玻璃布的光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度之比，即式中，--透光系數(shù)；I--透過光強(qiáng)度；Io---入射光強(qiáng)度透過系數(shù)是指透過玻璃布的光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度之比，即式中，玻璃布的透光系數(shù)與布的厚度及密度有關(guān)。

密度小而薄的玻璃布，透光系數(shù)可達(dá)65％；密度大而厚的玻璃布，透光系數(shù)只有18％～20％。玻璃布的透光系數(shù)與布的厚度及密度有關(guān)。

亮度系數(shù)是用試樣的亮度與絕對(duì)白的表面亮度(標(biāo)準(zhǔn)器)之比來測(cè)得。不同織紋玻璃布的光學(xué)性能如下表所示：不同織紋玻璃布的光學(xué)性能亮度系數(shù)是用試樣的亮度與絕對(duì)白的表面亮度(標(biāo)準(zhǔn)器)之比來由于玻璃纖維具有優(yōu)良的光學(xué)性能，因而可以制成透明玻璃鋼，進(jìn)而制成各種采光材料、導(dǎo)光管以傳送光束或光學(xué)物像。這在現(xiàn)代通信技術(shù)等方面也得到了廣泛應(yīng)用。由于玻璃纖維具有優(yōu)良的光學(xué)性能，因而可以制成透明玻璃鋼1.4玻璃纖維的化學(xué)性能

玻璃纖維除對(duì)氫氟酸、濃堿、濃磷酸外，對(duì)所有化學(xué)藥品和有機(jī)溶劑都有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。1.4玻璃纖維的化學(xué)性能

化學(xué)穩(wěn)定性在很大程度上決定了不同纖維的使用范圍。玻璃纖維的性能一般認(rèn)為與水、濕度有關(guān)?；瘜W(xué)穩(wěn)定性在很大程度上決定了不同纖維的使用范圍。玻璃纖維在相對(duì)濕度80％以上的環(huán)境中存放，強(qiáng)度有所下降；玻璃纖維在l00％相對(duì)濕度下，強(qiáng)度保持率在50％左右。玻璃纖維在相對(duì)濕度80％以上的環(huán)境中存放，強(qiáng)度有所下降；但是，玻璃纖維單纖即使與水接觸，強(qiáng)度也不發(fā)生變化；只有在含堿玻璃纖維中，由于玻璃纖維中所含的堿分溶出，強(qiáng)度才會(huì)下降。但是，玻璃纖維單纖即使與水接觸，強(qiáng)度也不發(fā)生變化；(1)侵蝕介質(zhì)對(duì)玻璃纖維制品的腐蝕情況根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)假說可知，二氧化硅四面體相互連結(jié)構(gòu)成玻璃纖維結(jié)構(gòu)的骨架，它是很難與水、酸(H3PO3，HF除外)起反應(yīng)的。(1)侵蝕介質(zhì)對(duì)玻璃纖維制品的腐蝕情況在玻璃纖維結(jié)構(gòu)中，還有Na，Ca，K等金屬離子及SiO2與金屬離子結(jié)合的硅酸鹽部分；當(dāng)侵蝕介質(zhì)與玻璃纖維制品作用時(shí)，多數(shù)是溶解玻璃纖維結(jié)構(gòu)中的金屬離子或破壞硅酸鹽部分；對(duì)于濃堿溶液、氫氟酸、磷酸等，將使玻璃纖維結(jié)構(gòu)全部溶解。在玻璃纖維結(jié)構(gòu)中，還有Na，Ca，K等金屬離子及SiO2(2)影響玻璃纖維化學(xué)穩(wěn)定性的因素A．玻璃纖維的化學(xué)成分；B、纖維表面情況；C、侵蝕介質(zhì)體積和溫度；D．玻璃纖維紗的規(guī)格及性能。(2)影響玻璃纖維化學(xué)穩(wěn)定性的因素A．玻璃纖維的化學(xué)成分

中堿玻璃纖維對(duì)酸的穩(wěn)定性是較高的，但對(duì)水的穩(wěn)定性是較差的；無堿玻璃纖維耐酸性較差，但耐水性較好；如下表所示：A．玻璃纖維的化學(xué)成分無堿與中堿玻璃纖維性能對(duì)比無堿與中堿玻璃纖維性能對(duì)比

中堿玻璃纖維和無堿玻璃纖維，從弱堿液對(duì)玻璃纖維強(qiáng)度的影響看，二者的耐堿性相接近；如下表所示：中堿玻璃纖維和無堿玻璃纖維，從弱堿液對(duì)玻璃纖維強(qiáng)度的影響經(jīng)NaOH溶液(5％)浸潤后方格布的變化經(jīng)NaOH溶液(5％)浸潤后方格布的變化

中堿纖維含Na2O，K2O比無堿纖維高二十多倍，受酸作用后，首先從表面上，有較多的金屬氧化物侵析出來，但主要是Na2O，K2O的離析、溶解。中堿纖維含Na2O，K2O比無堿纖維高二十多倍，受酸作用另一方面，中堿纖維受酸作用后，酸與玻璃纖維中硅酸鹽作用生成硅酸，而硅酸迅速聚合并凝成膠體，結(jié)果在玻璃表面上會(huì)形成一層極薄的氧化硅保護(hù)膜，這層膜使酸的侵析與離子交換過程迅速減緩，使強(qiáng)度下降也緩慢。實(shí)踐證明Na2O，K2O有利于這層保護(hù)膜的形成。所以中堿纖維比無堿纖維的耐酸性好。

另一方面，中堿纖維受酸作用后，酸與玻璃纖維中硅酸鹽作用生

水與玻璃纖維作用，首先是侵蝕玻璃纖維表面的堿金屬氧化物，主要是Na2O，K2O的溶解，使水呈現(xiàn)堿性。隨著時(shí)間的增加，玻璃纖維與堿液繼續(xù)作用、直至使二氧化硅骨架破壞。由于無堿玻璃纖維的堿金屬氧化物含量較低，所以對(duì)水的穩(wěn)定性較高。水與玻璃纖維作用，首先是侵蝕玻璃纖維表面的堿金屬氧化物，

無堿纖維與中堿纖維受到NaOH溶液侵蝕后，幾乎所有玻璃成分，包括SiO2在內(nèi)，均勻溶解，使纖維變細(xì)。但是，隨浸堿時(shí)間的增加，化學(xué)成分含量基本不發(fā)生變化，即內(nèi)部結(jié)構(gòu)并未破壞，因而單位面積的強(qiáng)度基本不變。無堿纖維與中堿纖維受到NaOH溶液侵蝕后，幾乎所有玻璃成總之，玻璃纖維的化學(xué)穩(wěn)定性主要取決于其成分中的二氧化硅及堿金屬氧化物的含量。顯然，二氧化硅含量多能提高玻璃纖維的化學(xué)穩(wěn)定性，而堿金屬氧化物則會(huì)使化學(xué)穩(wěn)定性降低?？傊ＡЮw維的化學(xué)穩(wěn)定性主要取決于其成分中的二氧化硅及在玻璃纖維成分中增加SiO2或A12O3含量，或加入ZrO2及TiO2都可以提高玻璃纖維的耐酸性；增加SiO2含量，或加入CaO，ZrO2及ZnO能提高玻璃纖維的耐堿性；在玻璃纖維成分中增加SiO2或A12O3含量，或加入Zr在玻璃纖維中加入A12O3、ZrO2及TiO2等氧化物，可大大提高耐水性。

石英、高硅氧玻璃纖維對(duì)水、酸的化學(xué)穩(wěn)定性較好，耐堿性遠(yuǎn)比普通纖維高。在玻璃纖維中加入A12O3、ZrO2及TiO2等氧化B、纖維表面情況對(duì)化學(xué)穩(wěn)定性影響

玻璃是一種非常好的耐腐蝕材料，但拉制成玻璃纖維后，其性能遠(yuǎn)不如玻璃。這主要是由于玻璃纖維的比表面積大所造成的。B、纖維表面情況對(duì)化學(xué)穩(wěn)定性影響玻璃是一種非常好的耐腐例如，１克重的2mm厚的玻璃，只有5.1cm2表面積；而１克玻璃纖維(直徑5um)的表面積則有3100cm2，表面積增大了608倍。也就是說玻璃纖維受侵蝕介質(zhì)作用的面積比玻璃大608倍。因此，玻璃纖維的耐腐蝕性能比塊玻璃差很多。例如，１克重的2mm厚的玻璃，只有5.1cm2表面積；而Ｃ侵蝕介質(zhì)體積和溫度對(duì)玻璃纖維化學(xué)穩(wěn)定性的影響同樣的玻璃纖維，受不同體積的侵蝕介質(zhì)作用，其化學(xué)穩(wěn)定性不同。

介質(zhì)的體積越大，對(duì)纖維的侵蝕越嚴(yán)重。Ｃ侵蝕介質(zhì)體積和溫度對(duì)玻璃纖維化學(xué)穩(wěn)定性的影響

溫度對(duì)玻璃纖維的化學(xué)穩(wěn)定性有很大影響。在100℃以下時(shí)，溫度每升高10℃，纖維在介質(zhì)侵蝕下的破壞速度增加50％--l00％；溫度升高到l00℃以上時(shí)，破壞作用將更劇烈。溫度對(duì)玻璃纖維的化學(xué)穩(wěn)定性有很大影響。在100℃以下D．玻璃纖維紗的規(guī)格及性能

玻璃纖維紗可分無捻紗及有捻紗兩種。

無捻紗一般用增強(qiáng)型浸潤劑，由原紗直接并股、絡(luò)紗制成。

有捻紗則多用紡織型浸潤劑，由原紗經(jīng)過退繞、加捻、并股、絡(luò)紗而制成。D．玻璃纖維紗的規(guī)格及性能由于生產(chǎn)玻璃纖維紗的直徑、支數(shù)及股數(shù)不同，使無捻紗和有捻紗的規(guī)格有許多種。

纖維支數(shù)有兩種表示方法；１．定重法2．定長(zhǎng)法由于生產(chǎn)玻璃纖維紗的直徑、支數(shù)及股數(shù)不同，使無捻紗和有捻１．定重法

是用一克重原紗的長(zhǎng)度來表示。

纖維支數(shù)＝纖維長(zhǎng)度／纖維重量例如：40支紗，就是指一克重的原紗長(zhǎng)40m。１．定重法2．定長(zhǎng)法

是目前國際統(tǒng)一使用的方法，通稱“TEＸ”(公制稱號(hào))，是指1000m長(zhǎng)的原紗的克重量。例如：4“TEX”就是指1000m原紗重4g。2．定長(zhǎng)法

捻度是指單位長(zhǎng)度內(nèi)纖維與纖維之間所加的轉(zhuǎn)數(shù)，以捻／米為單位。捻度有Z捻和S捻，Z捻一般稱為左捻，順時(shí)針方向加捻；S捻稱為右捻，是逆時(shí)針方向加捻。捻度是指單位長(zhǎng)度內(nèi)纖維與纖維之間所加的轉(zhuǎn)數(shù)，以捻／米為單通過加捻可提高纖維的抱合力，改善了單纖維的受力狀況，有利于紡織工序的進(jìn)行。但是，當(dāng)玻璃纖維的捻度過大時(shí)，不易被樹脂浸透。通過加捻可提高纖維的抱合力，改善了單纖維的受力狀況，有利

無捻粗紗中的纖維具有平行排列、拉伸強(qiáng)度很高、易被樹脂浸透等特點(diǎn)。因此，無捻粗紗多用于纏繞高壓容器及管道等，同時(shí)也用于擠拉成型、噴射成型等工藝中。

無捻粗紗中的纖維具有平行排列、拉伸強(qiáng)度很高、易被樹脂浸透2、特種玻璃纖維

2.1高強(qiáng)度及高模量玻璃纖維

2.2耐高溫玻璃纖維2.3空心玻璃纖維2、特種玻璃纖維2.1高強(qiáng)度及高模量玻璃纖維(1)高強(qiáng)度玻璃纖維

高強(qiáng)度玻璃纖維有鎂鋁硅酸鹽和硼硅酸鹽兩個(gè)系統(tǒng)。2.1高強(qiáng)度及高模量玻璃纖維

鎂鋁硅酸鹽玻璃纖維也稱S玻璃纖維。其化學(xué)成分主要是SiO2--65％，Al2O3--25％，MgO--10％。S玻璃纖維與E玻璃纖維相比，拉伸強(qiáng)度高33%，彈性模量提高20％。鎂鋁硅酸鹽玻璃纖維也稱S玻璃纖維。其化學(xué)成分主要是SiO

S玻璃纖維具有高的比強(qiáng)度，在高溫下有良好的強(qiáng)度保留率及高的疲勞極限。直徑為9um的鎂鋁硅酸鹽纖維，經(jīng)過無水增強(qiáng)型浸潤劑“HTS”處理后，其拉伸強(qiáng)度可達(dá)4900MPa，彈性模量為9104MPa，其耐熱性比較高。S玻璃纖維具有高的比強(qiáng)度，在高溫下有良好的強(qiáng)度保留率及高

S玻璃纖維的拉絲溫度很高，一般要在1400℃以上，需要特殊的拉絲工藝。因此，國外又開始研究硼硅酸鹽玻璃纖維。這種纖維的化學(xué)成分為SiO2：40％--50％，A12O3：19％--29％，B2O3：10％--20％，Li2O：0.1％--1％。S玻璃纖維的拉絲溫度很高，一般要在1400℃以上，需要特

硼硅酸鹽玻璃纖維的液相溫度較低，不需特殊拉絲工藝條件，一般用含量15％--25％的鉑拉絲爐即可拉絲。

硼硅酸鹽玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度為4400MPa，彈性模量為7.4l04MPa。有時(shí)，為了提高硼硅酸鹽玻璃纖維彈性模量，常常在其配方中人為引入BeO。硼硅酸鹽玻璃纖維的液相溫度較低，不需特殊拉絲工藝條件，一(2)高模量玻璃纖維

高模量玻璃，也稱M玻璃或YM--35--A玻璃。M玻璃纖維的模量為9.4104MPa，比一般玻璃纖維的模量提高1/3以上，拉伸強(qiáng)度和E玻璃纖維相似，玻璃液相溫度為1110℃。(2)高模量玻璃纖維由M玻璃纖維制成的玻璃鋼制品剛性特別好，在外力作用下不易變形，更適合于要求高強(qiáng)度和高模量制品，以及航空、宇航所用的制品。國內(nèi)這種玻璃的成分質(zhì)量比如下：由M玻璃纖維制成的玻璃鋼制品剛性特別好，在外力作用下不易

2.2耐高溫玻璃纖維(1)石英纖維(2)鋁硅酸鹽玻璃纖維

2.2耐高溫玻璃纖維

(1)石英纖維

石英纖維是一種優(yōu)良的耐高溫材料，這種纖維僅限于用高純度(99.95％二氧化硅)天然石英晶體制成的纖維，它保持了固體石英的特點(diǎn)和性能。(1)石英纖維石英纖維的直徑一般為10--100um，由于其纖維比較脆，故紡織品價(jià)格比一般玻璃紗高很多。石英纖維的具有以下五個(gè)方面的性能：石英纖維的直徑一般為10--100um，由于其纖維比較

①軟化溫度高

一般玻璃纖維的軟化溫度只有550--580℃，而石英纖維的軟化溫度可達(dá)1250℃以上。①軟化溫度高②膨脹系數(shù)小室溫下，石英纖維的膨脹系數(shù)為510–7/℃，當(dāng)溫度升高到1200℃時(shí)、僅增大為1110-7/℃，為普通玻璃纖維的1/10--1/20。另外，石英纖維加熱到800--1000℃后，用水冷卻，其性能無損傷。②膨脹系數(shù)?、垭娦阅芎?/p>

石英纖維在高溫下的電絕緣性能良好，其導(dǎo)電率只有10-16

-1.cm–1，為一般纖維的干分之一至萬分之一。③電性能好④

石英纖維能耐100--200℃濃酸的浸蝕，但耐堿及堿性鹽的能力差些。

⑤

石英纖維在250--4700um的光譜區(qū)內(nèi)，有較高的透光率。

石英纖維廣泛用在電機(jī)制造、光通訊、火箭及原子反應(yīng)堆工程等方面。④石英纖維能耐100--200℃濃酸的浸蝕，但耐堿及堿(２)鋁硅酸鹽玻璃纖維

鋁硅酸鹽玻璃纖維是以高嶺土、鋁礬土、藍(lán)晶石等為原料，在高頻爐、電弧爐或其它高溫爐中熔化，用吹制法制成的玻璃纖維。

吹制法制成的纖維較短，可以捻絲成線，但強(qiáng)度較低。(２)鋁硅酸鹽玻璃纖維

鋁硅酸鹽玻璃纖維的化學(xué)組成特點(diǎn)是A12O3占50％以上，其熔化溫度為1760℃，最高使用溫度為1260℃。

鋁硅酸鹽玻璃纖維的主要用途是作絕緣材料和隔熱材料，多用于火箭、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、原子反應(yīng)堆等。鋁硅酸鹽玻璃纖維的化學(xué)組成特點(diǎn)是A12O3占50％以上，2.3空心玻璃纖維

空心玻璃纖維是采用鋁硼硅酸鹽玻璃原料，用特制拔絲爐拔絲制成。

空心玻璃纖維呈中空狀態(tài)，質(zhì)輕、剛性好，制成玻璃鋼制品比一般的輕10％以上，而且彈性模量較高，適用于航空與海底裝備。2.3空心玻璃纖維另外，空心玻璃纖維的電性能好，導(dǎo)熱系數(shù)低，但性質(zhì)較脆?？招牟ＡЮw維的直徑為10--17um。毛細(xì)系數(shù)是空心玻璃纖維性能的重要因素。當(dāng)體積重量為1.6~1.8g/cm3時(shí)，毛細(xì)系數(shù)為0.6--0.7。另外，空心玻璃纖維的電性能好，導(dǎo)熱系數(shù)低，但性質(zhì)較脆。3、碳纖維3.1概述

碳纖維（CarbonFibre,CF或Cf）的開發(fā)歷史可追溯到19世紀(jì)末期，美國科學(xué)家愛迪生發(fā)明的白熾燈燈絲，而真正作為有使用價(jià)值并規(guī)模生產(chǎn)的碳纖維，則出現(xiàn)在二十世紀(jì)50年代末期。3、碳纖維

1959年美國聯(lián)合碳化公司(UnionCarbideCorporation，UCC)以粘膠纖維(Viscosefirber)為原絲制成商品名為“HyfilThornel”的纖維素基碳纖維(Rayon-basedcarbonfirber)。1962年日本炭素公司實(shí)現(xiàn)低模量聚丙烯脂基碳纖維(Polyacrylontrile--basedcarbonfirber，PANCF)的工業(yè)化生產(chǎn);1959年美國聯(lián)合碳化公司(UnionCarbide

1963年英國航空材料研究所(RoyalAircraftEstablishment，RAE)開發(fā)出高模量聚丙烯脂基碳纖維；1965年日本群馬大學(xué)試制成功以瀝青或木質(zhì)素為原料的通用型碳纖維；1970年日本昊羽化學(xué)公司實(shí)現(xiàn)瀝青基碳纖維Pitch-basedcarbonfiber的工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)；

1963年英國航空材料研究所(RoyalAircraf1968年美國金剛砂公司研制出商品名為“Kynol”的酚醛纖維Phenolicfibers;1980年以酚醛纖維為原絲的活性碳纖維(Fibrousactivatedcarbon)投放市場(chǎng)。1968年美國金剛砂公司研制出商品名為“Kynol”的酚

1988年，世界碳纖維總生產(chǎn)能力為10054噸/年，其中聚丙烯腈基碳纖維為7840噸，占總量的78％。日本是最大的聚丙烯腈基碳纖維生產(chǎn)國，生產(chǎn)能力約3400噸/年，占總量的43％。美國的碳纖維主要用于航空航天領(lǐng)域，歐洲在航空航天、體育用品和工業(yè)方面的需求比較均衡，而日本則以體育器材為主。1988年，世界碳纖維總生產(chǎn)能力為10054噸/年，其中

碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變而成的纖維狀聚合物碳，是一種非金屬材料。

碳纖維不屬于有機(jī)纖維范疇，但從制備方法上看，它又不同于普通無機(jī)纖維。碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變而成的纖維狀聚合物碳，

碳纖維性能

①碳纖維具有重量輕、比強(qiáng)度大、模量高、耐熱性高；②化學(xué)穩(wěn)定性好，除硝酸等少數(shù)強(qiáng)酸外，幾乎對(duì)所有藥品均穩(wěn)定；另外，碳纖維對(duì)堿也穩(wěn)定。碳纖維性能

以碳纖維為增強(qiáng)劑的復(fù)合材料具有比鋼強(qiáng)、比鋁輕的特性，是一種目前最受重視的高性能材料之一。它在航空航天、軍事、工業(yè)、體育器材等許多方面有著廣泛的用途。

3．2碳纖維的分類當(dāng)前，國內(nèi)外巳商品化的碳纖維種類很多，一般可以根據(jù)原絲的類型、碳纖維的性能和碳纖維的用途等三種方法進(jìn)行分類。3．2碳纖維的分類1．根據(jù)碳纖維的性能分類

(1)高性能碳纖維在高性能碳纖維中，有高強(qiáng)度碳纖維、高模量碳纖維、中模量碳纖維等。

(2)低性能碳纖維這類碳纖維中，有耐火纖維、碳質(zhì)纖維、石墨纖維等。1．根據(jù)碳纖維的性能分類2．根據(jù)原絲類型分類(1)聚丙烯腈基纖維；(2)粘膠基碳纖維；(3)瀝青基碳纖維；(4)木質(zhì)素纖維基碳纖維；(5)其他有機(jī)纖維基(各種天然纖維、再生纖維、縮合多環(huán)芳香族合成纖維)碳纖維。2．根據(jù)原絲類型分類3．根據(jù)碳纖維功能分類(1)受力結(jié)構(gòu)用碳纖維(2)耐焰碳纖維(3)活性碳纖維(吸附活性)(4)導(dǎo)電用碳纖維(5)潤滑用碳纖維(6)耐磨用碳纖維3．根據(jù)碳纖維功能分類3．3碳纖維的制造

碳纖維是一種以碳為主要成分的纖維狀材料。它不同于有機(jī)纖維或無機(jī)纖維，不能用熔融法或溶液法直接紡絲，只能以有機(jī)物為原料，采用間接方法制造。3．3碳纖維的制造

碳纖維制造方法可分為兩種類型，即氣相法和有機(jī)纖維碳化法。碳纖維制造方法可分為兩種類型，即氣相法和有機(jī)纖維碳化法。

氣相法是在惰性氣氛中，小分子有機(jī)物(如烴或芳烴等)在高溫下沉積成纖維。用這種方法只能制造晶須或短纖維，不能制造連續(xù)長(zhǎng)絲。氣相法是在惰性氣氛中，小分子有機(jī)物(如烴或芳烴等)在高溫

有機(jī)纖維碳化法可以制造連續(xù)長(zhǎng)纖維，它通常分為兩步進(jìn)行：①將有機(jī)纖維經(jīng)過穩(wěn)定化處理變成耐焰纖維；有機(jī)纖維碳化法可以制造連續(xù)長(zhǎng)纖維，它通常分為兩步進(jìn)行：②在惰性氣氛中，于高溫下進(jìn)行焙燒碳化，使有機(jī)纖維失去部分碳和其它非碳原子，形成以碳為主要成分的纖維狀物。②在惰性氣氛中，于高溫下進(jìn)行焙燒碳化，使有機(jī)纖維失去部分

天然纖維、再生纖維和合成纖維都可用來制備碳纖維。制備碳纖維時(shí)，選擇的條件是加熱時(shí)不熔融，可牽伸，且碳纖維產(chǎn)率高。天然纖維、再生纖維和合成纖維都可用來制備碳纖維。制作碳纖維的主要原材料有三種：①人造絲(粘膠纖維)；②聚丙烯腈(PNN)纖維；③瀝青。制作碳纖維的主要原材料有三種：用人造絲、聚丙烯腈纖維、瀝青為原料生產(chǎn)的碳纖維各有其不同特點(diǎn)。其中，制造高強(qiáng)度、高模量碳纖維多選聚丙烯腈為原料。用人造絲、聚丙烯腈纖維、瀝青為原料生產(chǎn)的碳纖維各有其不同碳纖維制備工藝流程碳纖維制備工藝流程無論用哪一種原絲纖維來制造碳纖維，都要經(jīng)過五個(gè)階段：拉絲牽伸穩(wěn)定碳化石墨化無論用哪一種原絲纖維來制造碳纖維，都要經(jīng)過五個(gè)階段：拉絲

(1)拉絲：

可用濕法、干法或者熔融狀態(tài)三種中的任意一種方法進(jìn)行。(1)拉絲：(2)牽伸

在室溫以上，通常是100--300℃范圍內(nèi)進(jìn)行。W.Watt首先發(fā)現(xiàn)結(jié)晶定向纖維的拉伸效應(yīng)，而且這種效應(yīng)控制著最終纖維的模量。

(2)牽伸(3)穩(wěn)定

通過400℃加熱氧化的方法。

400℃的氧化階段是A.Shindo‘s最近在工藝上做出的貢獻(xiàn)。它顯著地降低所有的熱失重，并因此保證高度石墨化和取得更好的性能。(3)穩(wěn)定

(4)碳化

在1000--2000℃范圍內(nèi)進(jìn)行。(5)石墨化

在2000--3000℃范圍內(nèi)進(jìn)行。(4)碳化在制備碳纖維的過程中，無論采用什么原材料，都要經(jīng)過上述五個(gè)階段，即原絲預(yù)氧化（拉絲、牽伸、穩(wěn)定）、碳化以及石墨化等，所產(chǎn)生的最終纖維，其基本成分為碳。在制備碳纖維的過程中，無論采用什么原材料，都要經(jīng)過上述五PAN基碳纖維制備工藝流程：PAN原絲空氣中預(yù)氧化，施張力使纖維伸長(zhǎng)約10%。(200300C)1150惰氣中碳化1h，施張力約0.5N/束。碳纖維(低模高強(qiáng))2100C石墨化惰氣中1分鐘，施張力約12N/束。石墨纖維(高模高強(qiáng))PAN基碳纖維優(yōu)點(diǎn)：成品率高、工藝簡(jiǎn)單、成本低PAN基碳纖維制備工藝流程：PAN原絲空氣中預(yù)氧化，113.4碳纖維的結(jié)構(gòu)與性能1．碳纖維的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能2．碳纖維的物理性能3．碳纖維的化學(xué)性能3.4碳纖維的結(jié)構(gòu)與性能1．結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能材料的性能主要決定于材料的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)有兩方面的含義，一是化學(xué)結(jié)構(gòu)，二是物理結(jié)構(gòu)。1．結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能

碳纖維的結(jié)構(gòu)決定于原絲結(jié)構(gòu)與碳化工藝。對(duì)有機(jī)纖維進(jìn)行預(yù)氧化、碳化等工藝處理的目的是，除去有機(jī)纖維中碳以外的元素，形成聚合多環(huán)芳香族平面結(jié)構(gòu)。碳纖維的結(jié)構(gòu)決定于原絲結(jié)構(gòu)與碳化工藝。在碳纖維形成的過程中，隨著原絲的不同，重量損失可達(dá)10％--80％，因此形成了各種微小的缺陷。但是，無論用哪種原料，高模量碳纖維中的碳分子平面總是沿纖維軸平行地取向。在碳纖維形成的過程中，隨著原絲的不同，重量損失可達(dá)10％用x射線、電子衍射和電子顯微鏡研究發(fā)現(xiàn)，真實(shí)的碳纖維結(jié)構(gòu)并不是理想的石墨點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，而是屬于亂層石墨結(jié)構(gòu)。用x射線、電子衍射和電子顯微鏡研究發(fā)現(xiàn)，真實(shí)的碳纖維結(jié)構(gòu)在亂層石墨結(jié)構(gòu)中，石墨層片是基本的結(jié)構(gòu)單元，若干層片組成微晶，微晶堆砌成直徑數(shù)十納米、長(zhǎng)度數(shù)百納米的原纖，原纖則構(gòu)成了碳纖維單絲，其直徑約數(shù)微米。在亂層石墨結(jié)構(gòu)中，石墨層片是基本的結(jié)構(gòu)單元，若干層片組成實(shí)測(cè)碳纖維石墨層的面間距約0.339--0.342nm，比石墨晶體的層面間距(0.335nm)略大，各平行層面間的碳原子排列也不如石墨那樣規(guī)整。實(shí)測(cè)碳纖維石墨層的面間距約0.339--0.342nm依據(jù)C--C鍵的鍵能及密度計(jì)算得到的單晶石墨強(qiáng)度和模量分別為180ＧPa和1000GPa左右。而碳纖維的實(shí)際強(qiáng)度和模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于此理論值。這主要是由于纖維中的缺陷和原絲中的缺陷所造成的。依據(jù)C--C鍵的鍵能及密度計(jì)算得到的單晶石墨強(qiáng)度和模量分

纖維中的缺陷主要是指結(jié)構(gòu)不勻、直徑變異、微孔、裂縫或溝槽、氣孔、雜質(zhì)等。

纖維中的缺陷來自兩個(gè)方面，一是原絲中特有的，二是在碳化過程中產(chǎn)生的。纖維中的缺陷主要是指結(jié)構(gòu)不勻、直徑變異、微孔、裂縫或溝槽

原絲中的缺陷主要是在纖維成形過程中產(chǎn)生的。而在碳化時(shí)，則由于從纖維中會(huì)釋放出特種氣體物質(zhì)，進(jìn)而在纖維表面及內(nèi)部產(chǎn)生空穴等缺陷。原絲中的缺陷主要是在纖維成形過程中產(chǎn)生的。而在碳化時(shí)，則碳纖維的應(yīng)力--應(yīng)變曲線為一直線，由于伸長(zhǎng)小，斷裂過程在瞬間完成，所以碳纖維不容易發(fā)生屈服。碳纖維的應(yīng)力--應(yīng)變曲線為一直線，由于伸長(zhǎng)小，斷裂過程在碳纖維軸向分子間的結(jié)合力比石墨大，所以它的抗張強(qiáng)度和模量都明顯高于石墨；而碳纖維的徑向分子間作用力弱，抗壓性能較差，軸向抗壓強(qiáng)度僅為抗張強(qiáng)度的10％--30％，而且不能結(jié)節(jié)。碳纖維軸向分子間的結(jié)合力比石墨大，所以它的抗張強(qiáng)度和模量

2．碳纖維的物理性能碳纖維的比重在1.5--2.0之間，這除了與原絲結(jié)構(gòu)有關(guān)外，主要還決定于碳化處理的溫度。一般情況下，經(jīng)過高溫(3000℃)石墨化處理，比重可達(dá)2.0。2．碳纖維的物理性能

碳纖維的熱膨脹系數(shù)與其它類型纖維不同，它有各向異性的特點(diǎn)。

平行于纖維方向是負(fù)值(-0.72~-0.9010-6/℃)，而垂直于纖維方向是正值(32~2210-6/℃)。碳纖維的熱膨脹系數(shù)與其它類型纖維不同，它有各向異性的特點(diǎn)碳纖維的比熱一般為7.12l0-1kJ(kg·℃)。導(dǎo)熱率有方向性，平行于纖維軸方向?qū)崧蕿?.04卡/秒·厘米·度，而垂直于纖維軸方向?yàn)?.002卡/秒·厘米·度。

導(dǎo)熱率隨溫度升高而下降。

碳纖維的比熱一般為7.12l0-1kJ(kg碳纖維的比電阻與纖維的類型有關(guān)。在25℃時(shí)，高模量碳纖維為775u·cm，高強(qiáng)度碳纖維為1500u·cm。碳纖維的電動(dòng)勢(shì)為正值，而鋁合金的電動(dòng)勢(shì)為負(fù)值。因此當(dāng)碳纖維復(fù)合材料與鋁合金組合應(yīng)用時(shí)會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕。碳纖維的比電阻與纖維的類型有關(guān)。在25℃時(shí)，高模量碳纖維3．碳纖維的化學(xué)性能

碳纖維的化學(xué)性能與碳很相似。它除能被強(qiáng)氧化劑氧化外，對(duì)一般酸堿是惰性的。在空氣中，當(dāng)溫度高于400℃時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)明顯的氧化，生成CO和CO2。3．碳纖維的化學(xué)性能在不接觸空氣或氧化氣氛時(shí)，碳纖維具有突出的耐熱性。當(dāng)碳纖維在高于1500℃時(shí)，強(qiáng)度才開始下降；而其它類型材料包括A12O3晶須在內(nèi)，在此溫度下，其性能已大大下降。在不接觸空氣或氧化氣氛時(shí)，碳纖維具有突出的耐熱性。另外，碳纖維還有良好的耐低溫性能，如在液氮溫度下也不脆化。它還有耐油、抗放射、抗輻射、吸收有毒氣體和減速中子等特性。另外，碳纖維還有良好的耐低溫性能，如在液氮溫度下也不脆化碳纖維熱處理溫度與強(qiáng)度及彈性模量的關(guān)系碳纖維熱處理溫度與強(qiáng)度及彈性模量的關(guān)系不同品種碳纖維的力學(xué)性能

不同品種碳纖維的力學(xué)性能芳綸纖維（有機(jī)纖維）芳綸纖維是芳香族聚酰胺類纖維的通稱，國外商品牌號(hào)叫凱芙拉（Kevlar）纖維。芳綸纖維（有機(jī)纖維）芳綸纖維是芳香族聚酰胺類纖維的通稱，國外芳綸纖維與其他材料性能的比較A.芳綸纖維的性能特點(diǎn)(1).力學(xué)性能芳綸纖維與其他材料性能的比較A.芳綸纖維的性能特點(diǎn)(1).１、芳綸纖維

芳綸纖維是指日前巳工業(yè)化生產(chǎn)并廣泛應(yīng)用的聚芳酰胺纖維。國外商品牌號(hào)叫凱芙拉(Kevlar)纖維，我國暫命名為芳綸纖維，有時(shí)也稱有機(jī)纖維。１、芳綸纖維

芳綸纖維的歷史很短，發(fā)展很快。1968午美國杜邦公司開始研制。1972年以B纖維為名發(fā)表了專利并提供產(chǎn)品。1972年又研制了以PRD--49命名的纖維。1973年正式登記的商品名稱為ARAMID纖維。芳綸纖維的歷史很短，發(fā)展很快。ARAMID纖維包括三種牌號(hào)的產(chǎn)品，并重改名稱。

PRD--49--IV改稱為芳綸--29；

PRD--49--III改稱為芳綸--49；

B纖維改稱為芳綸。ARAMID纖維包括三種牌號(hào)的產(chǎn)品，并重改名稱。芳綸、芳綸--29、芳綸--49這三種牌號(hào)纖維的用途各不相同。

芳綸主要用于橡膠增強(qiáng)，制造輪胎、三角皮帶、同步帶等；

芳綸--29主要用于繩索、電纜、涂漆織物、帶和帶狀物，以及防彈背心等。

芳綸--49用于航空、宇航、造船工業(yè)的復(fù)合材料制件。

芳綸、芳綸--29、芳綸--49這三種牌號(hào)纖維的用途各不自1972年芳綸纖維作為商品出售以來，產(chǎn)量逐年增加。其原因是由于該纖維具有獨(dú)特的功能，使之廣泛應(yīng)用到軍工和國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門。自1972年芳綸纖維作為商品出售以來，產(chǎn)量逐年增加。(1)芳綸纖維的性能特點(diǎn)

A、芳綸纖維的力學(xué)性能；Ｂ、芳綸纖維的熱穩(wěn)定性；Ｃ、芳綸纖維的化學(xué)性能。(1)芳綸纖維的性能特點(diǎn)A、芳綸纖維的力學(xué)性能

芳綸纖維的特點(diǎn)是拉伸強(qiáng)度高。單絲強(qiáng)度可達(dá)3773MPa；254mm長(zhǎng)的纖維束的拉伸強(qiáng)度為2744MPa，大約為鋁的5倍。芳綸纖維的沖擊性能好，大約為石墨纖維的6倍，為硼纖維的3倍，為玻璃纖維0.8倍。A、芳綸纖維的力學(xué)性能

芳綸纖維的彈性模量高，可達(dá)1.27~1.577MPa，比玻璃纖維高一倍，為碳纖維0.8倍。

芳綸纖維的斷裂伸長(zhǎng)在3％左右，接近玻璃纖維，高于其他纖維。芳綸纖維的彈性模量高，可達(dá)1.27~1.577MP

芳綸纖維與碳纖維混雜將能大大提高纖維復(fù)合材料的沖擊性能。

芳綸纖維的密度小，比重為1.44~1.45，只有鋁的一半。因此，它有高的比強(qiáng)度與比模量。芳綸纖維與碳纖維混雜將能大大提高纖維復(fù)合材料的沖擊性能。下表為芳綸纖維的基本性能下表為芳綸纖維的基本性能Ｂ、芳綸纖維的熱穩(wěn)定性

芳綸纖維有良好的熱穩(wěn)定性，耐火而不熔，當(dāng)溫度達(dá)487℃時(shí)尚不熔化，但開始碳化。Ｂ、芳綸纖維的熱穩(wěn)定性因此，芳綸纖維在高溫作用下，不發(fā)生變形，直至分解。如，能長(zhǎng)期在180℃下使用；在150℃下作用一周后強(qiáng)度、模量不會(huì)下降；即使在200℃下，一周后強(qiáng)度降低15％，模量降低4％；另外，在低溫(-60℃)不發(fā)生脆化亦不降解。因此，芳綸纖維在高溫作用下，不發(fā)生變形，直至分解。和碳纖維一樣，芳綸纖維的熱膨脹系數(shù)具有各向異性的特點(diǎn)。如，芳綸纖維的縱向熱膨脹系數(shù)在0~100℃時(shí)為-2

×

10-6/℃；在100~200℃時(shí)為-4×10–6/℃。橫向熱膨脹系數(shù)為59×10-6/℃和碳纖維一樣，芳綸纖維的熱膨脹系數(shù)具有各向異性的特點(diǎn)。Ｃ、芳綸纖維的化學(xué)性能

芳綸纖維具有良好的耐介質(zhì)性能，對(duì)中性化學(xué)藥品的抵抗力一般是很強(qiáng)的，但易受各種酸堿的侵蝕，尤其是強(qiáng)酸的侵蝕；Ｃ、芳綸纖維的化學(xué)性能芳綸纖維的耐水性也不好，這是由于在分子結(jié)構(gòu)中存在著極性酰氨基；

濕度對(duì)纖維的影響，類似于尼龍或聚酯。在低濕度(20％相對(duì)濕度)下芳綸纖維的吸濕率為1％，但在高濕度(85％相對(duì)濕度)下，可達(dá)到7％。芳綸纖維的耐水性也不好，這是由于在分子結(jié)構(gòu)中存在著極性酰芳綸纖維的基本性能芳綸纖維的基本性能(2).熱穩(wěn)定性芳綸纖維具有良好的熱穩(wěn)定性，耐火而不熔溫度達(dá)487oC時(shí)仍不熔化，但開始碳化。在高溫下，芳綸纖維能直至分解而不發(fā)生變形，能長(zhǎng)期在180oC使用，在150oC下使用一周后強(qiáng)度、模量不會(huì)下降。芳綸纖維的熱膨脹系數(shù)具有各向異性特點(diǎn)。(2).熱穩(wěn)定性芳綸纖維具有良好的熱穩(wěn)定性，耐火而不熔溫度(3).芳綸纖維的化學(xué)性能芳綸纖維具有良好的耐介質(zhì)性能，對(duì)中性化學(xué)藥品的抵抗力一般很強(qiáng)，但容易受各種酸堿的侵蝕，尤其不耐強(qiáng)酸的侵蝕；由于分子結(jié)構(gòu)中存在著極性酰氨基，其耐水性較差。(3).芳綸纖維的化學(xué)性能芳綸纖維具有良好的耐介質(zhì)性能，對(duì)B.芳綸纖維的用途43％用于輪胎的簾子線（芳綸－29），31％用于復(fù)合材料，17.5%用于繩索類和防彈衣，8.5%用于其他。芳綸纖維作為增強(qiáng)材料，在航空航天方面的應(yīng)用僅次于碳纖維。航空方面整流罩、窗框、天花板、隔板等；航天方面火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、壓力容器等；其他軍事應(yīng)用防護(hù)材料民用造船、曲棍球棒、高爾夫球棒、網(wǎng)球拍等B.芳綸纖維的用途43％用于輪胎的簾子線（其他纖維A.碳化硅纖維

碳化硅纖維具有很高的比強(qiáng)度、比剛度，耐腐蝕、抗熱震、熱膨脹系數(shù)小、熱傳導(dǎo)系數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)同時(shí)還具有良好的抗氧化和高溫性能，其室溫性能可保持到1200C。其成本下降的潛力很大。適合于制備樹脂、金屬及陶瓷基復(fù)合材料。碳化硅纖維的制備方法有先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法和CVD法兩種。其他纖維A.碳化硅纖維先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法1975年由日本矢島教授首先研制成功。有N