復(fù)合材料第四章復(fù)合材料的增強(qiáng)材料課件

第四章復(fù)合材料的增強(qiáng)材料

在復(fù)合材料中，粘結(jié)在基體內(nèi)以改進(jìn)其機(jī)械性能的高強(qiáng)度材料稱為增強(qiáng)材料。

增強(qiáng)材料有時(shí)也稱作增強(qiáng)體、增強(qiáng)劑等。1

增強(qiáng)材料共分為三類：①纖維及其織物②晶須

③顆粒2一、纖維

如，植物纖維－－－棉花、麻類；動(dòng)物纖維－－－絲、毛；礦物纖維－－－石棉。天然纖維強(qiáng)度較低，現(xiàn)代復(fù)合材料的增強(qiáng)材料用合成纖維。3

復(fù)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)。如聚苯乙烯塑料，加入玻璃纖維后，拉伸強(qiáng)度可從600MPa提高到1000MPa，彈性模量可從3000MPa提高到8000MPa，其熱變形溫度可從85℃提高到105℃，使-40℃以下的沖擊強(qiáng)度可提高10倍。5

纖維可分為有機(jī)纖維和無機(jī)纖維6（一）有機(jī)纖維

芳綸纖維

聚乙烯纖維

尼龍纖維7

芳綸纖維的歷史很短，發(fā)展很快。1968午美國(guó)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。9ARAMID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。10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。

11(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。13A、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。14

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。15下表為芳綸纖維的基本性能17Ｂ、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。18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。19Ｃ、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；21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％。22（２）芳綸纖維的結(jié)構(gòu)芳綸纖維是對(duì)苯二甲酰與對(duì)苯二胺的聚合體，經(jīng)溶解轉(zhuǎn)為液晶紡絲而成。它的化學(xué)結(jié)構(gòu)式如下：23

鍵合在芳香環(huán)上剛硬的直線狀分子鍵在纖維軸向是高度定向的，各聚合物鏈?zhǔn)怯蓺滏I作橫向連結(jié)。這種在沿纖維方向的強(qiáng)共價(jià)鍵和橫向弱的氫鍵，是造成芳綸纖維力學(xué)性能各向異性的原因，即纖維的縱向強(qiáng)度高，而橫向強(qiáng)度低。25芳綸纖維的化學(xué)鏈主要由芳環(huán)組成。這種芳環(huán)結(jié)構(gòu)具有高的剛性，并使聚合物鏈呈伸展?fàn)顟B(tài)而不是折疊狀態(tài)，形成棒狀結(jié)構(gòu)，因而纖維具有高的模量。26通過電鏡對(duì)纖維觀察表明，芳綸是一種沿軸向排列的有規(guī)則的褶疊層結(jié)構(gòu)。這種褶疊層結(jié)構(gòu)的模型，可以很好地解釋橫向強(qiáng)度低、壓縮和剪切性能差及容易劈裂的現(xiàn)象。29(3)用途目前，芳綸纖維的總產(chǎn)量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。30以樹脂作為基體，芳綸纖維作為增強(qiáng)相所形成的增強(qiáng)塑料，簡(jiǎn)稱KFRP，它在航空航天方面的應(yīng)用，僅次于碳纖維，成為必不可少的材料。31２、聚乙烯纖維（Polyethylene,PE）聚乙烯纖維作為目前國(guó)際上最新的一種有機(jī)纖維，它具有以下四個(gè)特點(diǎn)：

超輕、高比強(qiáng)度、高比模量、成本較低。32通常情況下，聚乙烯纖維的分子量大于106，纖維的拉伸強(qiáng)度為3.5GPa，彈性模量為116GPa，延伸率為3.4%，密度為0.97g/cm3。可用于制做武器裝甲、防彈背心、航天航空部件等。33相比于其它各種纖維材料，聚乙烯纖維具有許多種優(yōu)點(diǎn)。如：高比強(qiáng)度、高比模量以及耐沖擊、耐磨、自潤(rùn)滑、耐腐蝕、耐紫外線、耐低溫、電絕緣等。34聚乙烯纖維的不足之處：

(1)熔點(diǎn)較低（約135℃）(2)高溫容易蠕變。因此僅能在100℃以下使用。35（二）無機(jī)纖維1、玻璃纖維2、特種玻璃纖維3、碳纖維4、硼纖維5、氧化鋁纖維6、碳化硅纖維7、氮化硼纖維8、其他纖維36１、玻璃纖維（GlassFibre,GF或Gt）

1.1玻璃纖維及其制品；1.2玻璃纖維的結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成；1.3玻璃纖維的物理性能；1.4玻璃纖維的化學(xué)性能。371.1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(guó)外玻璃纖維的主要特點(diǎn)如下：38Ａ、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；39Ｅ、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。

40我國(guó)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?，F(xiàn)在全國(guó)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。41

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(guó)復(fù)合材料及尖端科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。42②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。431．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44(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)。45

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(guó)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(guó)內(nèi)規(guī)定其堿金屬氧化物含量不大于0.5％，國(guó)外一般為1％左右。46(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(guó)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。47(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。48(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。492．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。50

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。513．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。524．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)。531.2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”。54

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。55

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。56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。57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。58②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。59

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。60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。61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。621.3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。63(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。64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。65

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。66(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。67(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。68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69②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。70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。71

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。72

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。73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。74③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：75玻璃纖維拉伸強(qiáng)度與直徑的關(guān)系76B、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：

77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。78Ｃ、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。79一般來說，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。80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81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。82

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。83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。84E、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。85

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。86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)。87

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。88④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。89B、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。90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。91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)。92

(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)。

93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。

94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。95(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。96

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)。97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。98

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。99②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。100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。

101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％。102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.103(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。104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105

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。106(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。107

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。108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％。109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110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％。111

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112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。1131.4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。114

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)。115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。116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。117(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。118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。119(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。120A．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：121無堿與中堿玻璃纖維性能對(duì)比122

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：123經(jīng)NaOH溶液(5％)浸潤(rùn)后方格布的變化124

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。125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。

126

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。127

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。128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。129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；130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。131

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。132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。133Ｃ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。134

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。135D．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(rùn)劑，由原紗直接并股、絡(luò)紗制成。

有捻紗則多用紡織型浸潤(rùn)劑，由原紗經(jīng)過退繞、加捻、并股、絡(luò)紗而制成。136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137１．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。1382．定長(zhǎng)法

是目前國(guó)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。139

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。140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。141

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。

1422、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1432.1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)。144

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％。145

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(rùn)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。146

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(guó)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％。147

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。148(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℃。149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(guó)內(nèi)這種玻璃的成分質(zhì)量比如下：150

2.2耐高溫玻璃纖維(1)石英纖維(2)鋁硅酸鹽玻璃纖維

151

(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。152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：153

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。154②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11

10-7/℃，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。155③電性能好

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。156④

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。157(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。158

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。1592.3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。160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。空心玻璃纖維的直徑為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。1613、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(guó)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。1621959年美國(guó)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);1631963年英國(guó)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)；1641968年美國(guó)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)。1651988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(guó)，生產(chǎn)能力約3400噸/年，占總量的43％。美國(guó)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。166

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。167

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。168

碳纖維制品具有非常優(yōu)良的X射線透過性，阻止中子透過性，還可賦予塑料以導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。

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。169

3．2碳纖維的分類當(dāng)前，國(guó)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。1701．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。1712．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。1723．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(rùn)滑用碳纖維(6)耐磨用碳纖維1733．3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。174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。175

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。176

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；177②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。178

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。179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。180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。181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182

(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。183(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。

184(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。185

(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。186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。1873.4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1881．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)。189

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)。190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。191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)。192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。193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。194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。195

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。196

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。197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。198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)。199

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。200

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(32~22

10-6/℃)。201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。

202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。2033．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。204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。205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。2064、硼纖維

硼纖維（BoronFibre,BF或Bf）是一種將硼元素通過高溫化學(xué)氣相法沉積在鎢絲表面制成的高性能增強(qiáng)纖維。它具有很高的比強(qiáng)度和比模量，也是制造金屬?gòu)?fù)合材料最早采用的高性能纖維。207用硼鋁復(fù)合材料制成的航天飛機(jī)主艙框架強(qiáng)度高、剛性好，代替鋁合金骨架節(jié)省重量44％，取得了十分顯著的效果，也有力地促進(jìn)了硼纖維金屬基復(fù)合材料的發(fā)展。2081959年美國(guó)TELLY首先發(fā)表了用化學(xué)氣相沉積法制造高性能硼纖維的論文，并受到了美國(guó)空軍材料實(shí)驗(yàn)室的高度重視，積極推進(jìn)硼纖維及其復(fù)合材料的研制。美國(guó)AVCO、TEXFROU公司是硼纖維的主要生產(chǎn)廠家。209現(xiàn)在硼纖維通用的制備方法是在加熱的鎢絲表面通過化學(xué)反應(yīng)沉積硼層。硼纖維的直徑有100μm、140μm、200μm幾種。210

硼纖維具有良好的力學(xué)性能、強(qiáng)度高、模量高、密度小。硼纖維具有耐高溫和耐中子輻射性能。211硼纖維的缺點(diǎn)

工藝復(fù)雜，不易大量生產(chǎn)，其價(jià)格昂貴。由于鎢絲的密度大，硼纖維的密度也大。212硼纖維具有很高的彈性模量和強(qiáng)度，但其性能受沉積條件和纖維直徑的影響。硼纖維的密度為2.4~2.65g/cm3，拉伸強(qiáng)度為3.2~5.2GPa，彈性模量為350~400GPa。213

硼纖維在空氣中的拉伸強(qiáng)度隨溫度升高而降低。

在200℃左右硼纖維性能基本不變；而在315℃、1000小時(shí)硼纖維強(qiáng)度將損失70％；而加熱到650℃時(shí)硼纖維強(qiáng)度將完全喪失。214

硼纖維的彎曲強(qiáng)度比拉伸強(qiáng)度高，其平均拉伸強(qiáng)度為310MPa，拉伸模量為420GPa。215

在室溫下，硼纖維的化學(xué)穩(wěn)定性好，但表面具有活性，不需要處理就能與樹脂進(jìn)行復(fù)合，而且所制得的復(fù)合材料具有較高的層間剪切強(qiáng)度

216目前已研究用碳纖維代替鎢絲，以降低成本和密度。結(jié)果表明，碳心硼纖維比鎢絲硼纖維強(qiáng)度下降5%，但成本降低25%。

217

硼纖維在常溫下為惰性物質(zhì)，但在高溫下易與金屬反應(yīng)。因此，需在表面沉積SiC層，稱之為Bosic纖維。硼纖維主要用于聚合物基和金屬基復(fù)合材料。2185、氧化鋁纖維

以氧化鋁為主要纖維組分的陶瓷纖維統(tǒng)稱為氧化鋁纖維(AluminiaFibre,AF或(Al2O3)f)。219通常情況下，將氧化鋁含量大于70％的纖維相稱為氧化鋁纖維；將氧化鋁含量小于70％，其余為二氧化硅和少量雜質(zhì)的纖維稱為硅酸鋁纖維。220氧化鋁纖維的特點(diǎn)

(1)耐熱性好，在空氣中加熱到1250℃還保持室溫強(qiáng)度的90%，碳纖維通常在400℃以上就氧化燃燒。221(2)不被熔融金屬侵蝕，可與金屬很好地復(fù)合。(3)表面活性好，不需要進(jìn)行表面處理，即能與樹肥和金屬?gòu)?fù)合。(4)具有極佳的耐化學(xué)腐蝕和抗氧化性，尤其在高溫條件這些性能更為突出。222(5)用氧化鋁增強(qiáng)的復(fù)合材料具有優(yōu)良的抗壓性能，壓縮強(qiáng)度比GFRP高，是GFRP的三倍以上，耐疲勞強(qiáng)度高，經(jīng)107次重復(fù)交變加載后，強(qiáng)度不低于靜強(qiáng)度的70％。223(6)電氣絕緣、電波透過性好。與玻璃鋼相比，它的介電常數(shù)和損耗值小，且隨頻率的變化小，電波透過性更好。

224

氧化鋁纖維的應(yīng)用針對(duì)上述特點(diǎn)，氧化鋁纖維適合于制造既需要輕質(zhì)高強(qiáng)又需要耐熱的結(jié)構(gòu)件。用它制作雷達(dá)天線罩，其剛性比玻璃鋼高，透電波性能好，耐高溫。225若用氧化鋁纖維的復(fù)合材料制導(dǎo)彈殼體，則有可能不開天線窗，將天線裝在彈內(nèi)。目前，氧化鋁纖維的的用途正處于開發(fā)階段，不久的將來將在航空、航天、衛(wèi)星、交通和能源等部門得到廣泛應(yīng)用。226氧化鋁纖維不足之處是密度比較大，約為3.20g/cm3，是纖維中最大的一種。2276、碳化硅纖維

碳化硅纖維（SiliconCarbideFibre，SF或SiCf）是以碳和硅為主要組分的一種陶瓷纖維。228

6.1碳化硅纖維的性能SiC纖維是高強(qiáng)度、高模量纖維，有良好的耐化學(xué)腐蝕性、耐高溫和耐輻射性能。229(1)力學(xué)性能

以在日本碳公司進(jìn)行中試生產(chǎn)，產(chǎn)品名稱尼卡綸為代表，其主要性能如下表所示：230尼卡綸的一般性質(zhì)從表中可看出，尼卡綸的強(qiáng)度與韌性接近于硼纖維。231

(2)熱性能

碳化硅纖維具有優(yōu)良的耐熱性能，在1000℃以下，其力學(xué)性能（拉伸強(qiáng)度和彈性模量）基本上不變，可長(zhǎng)期使用。當(dāng)溫度超過1300℃時(shí)，其性能才開始下降。因此，相比于碳纖維和硼纖維，碳化硅纖維具有更好的高溫穩(wěn)定性，是一種較好的耐高溫材料。232(3)耐化學(xué)性能碳化硅纖維具有良好的耐化學(xué)性能，在80℃下耐強(qiáng)酸(HCl、H2SO4、HNO3)；用30％NaOH浸蝕20小時(shí)后，纖維僅失重1％以下，其力學(xué)性能仍不變。碳化硅纖維與全屬在1000℃以下也不發(fā)生反應(yīng)，而且有很好的浸潤(rùn)性，有益于金屬的復(fù)合。233(4)耐輻照和吸波性能

碳化硅纖維在通量為3.21010中子/秒的快中子輻照1.5小時(shí)或以能量為105中子伏特，200納秒的強(qiáng)脈沖射線照射下，碳化硅纖維強(qiáng)度均無明顯降低。234此外，SiC纖維還具有半導(dǎo)體性能，與金屬相容性好，常用于金屬基和陶瓷基復(fù)合材料。2356.2．碳化硅纖維的應(yīng)用由于碳化硅纖維具有耐高溫、耐腐蝕、耐輻射的三耐性能，是一種耐熱的理想材料。

236用碳化硅纖維編織成雙向和三向織物，巳用于高溫的傳送帶、過濾材料，如汽車的廢氣過濾器等。

碳化硅復(fù)合材料已應(yīng)用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、飛機(jī)螺旋槳等受力部件。237在軍事上，碳化硅纖維用于大口徑軍用步槍金屬基復(fù)合槍筒套管，M--1作戰(zhàn)坦克履帶、火箭推進(jìn)劑傳送系統(tǒng)，先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)的垂直安定面，導(dǎo)彈尾部，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼，魚雷殼體等。238

6.3碳化硅纖維的制造方法

A、化學(xué)氣相沉積法（ＣＶＤ法）B、燒結(jié)法(有機(jī)聚合物轉(zhuǎn)化法)239

化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)的碳化硅纖維是直徑為95--140um的單絲；

燒結(jié)法生產(chǎn)的碳化硅纖維是直徑為10um的細(xì)纖維，一般由500根纖維組成的絲束為商品。240

碳化硅纖維的主要生產(chǎn)國(guó)是美、日兩國(guó)。美國(guó)Texton公司是碳化硅單絲的主要生產(chǎn)廠。碳化硅纖維的系列產(chǎn)品是SCS2，SCS6等，并研究發(fā)展碳化硅纖維增強(qiáng)鋁、鈦基復(fù)合材料。241

日本碳公司是利用燒結(jié)法生產(chǎn)碳化硅纖維的主要廠家，系列商品名為Nicalon纖維。80年代末，日本又發(fā)展了含Ti碳化硅纖維。碳化硅纖維雖有其性能特點(diǎn)，但價(jià)格昂貴，應(yīng)用尚未廣泛。2427、氮化硼纖維

氮化硼纖維是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的無機(jī)纖維，該纖維具有優(yōu)良的機(jī)械性能、耐熱性能、抗氧化性能、耐腐蝕性能以及獨(dú)特的電性能等，可用作金屬基、陶瓷基、聚合物基復(fù)合材料的增強(qiáng)材料.243

氮化硼的結(jié)構(gòu)類似于石墨，而氮化硼的耐氧化性能比石墨優(yōu)越。

石墨纖維在空氣中400℃時(shí)氧化性能開始降低，而氮化硼纖維在850℃的空氣中才開始氧化。244

石墨纖維被氧化時(shí)產(chǎn)生氣體，不形成表面的保擴(kuò)層；而氮化硼纖維在氧化過程中具有增重現(xiàn)象。這是因?yàn)樾纬裳趸鸨Ｗo(hù)層，可以防止深度氧化。在惰性或還原性氣氛中，氮化硼纖維直到2500℃纖維的性能是穩(wěn)定的。245

氮化硼纖維的強(qiáng)度和模量接近于玻璃纖維，但是它的多晶性質(zhì)使它具有較好的耐腐蝕性能。它的密度為1.4~2.0g/m3，用其制備的復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)。246

氮化硼纖維具有優(yōu)異的電性能，直到2000℃纖維還具有極好的電絕緣性能；氮化硼纖維還具有很低的介電損耗和介電常數(shù)，是耐燒蝕天線窗的理想材料。2478、其他纖維①陶瓷纖維具有陶瓷化學(xué)成分的纖維稱為陶瓷纖維，如氧化鋯、氧化鈹、氧化鎂、氧化鈦和硼化鈦等纖維。248

陶瓷纖維的特點(diǎn)是可耐1260～1790℃的高溫（在惰性和氧化性氣氛中）、耐磨耐腐蝕性好和良好的物理機(jī)械性能，特別適合于陶瓷基復(fù)合材料。

陶瓷纖維的缺點(diǎn)是對(duì)裂紋等缺陷敏感，脆性大。249②金屬和鋼纖維金屬和鋼的特點(diǎn)是導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好，塑性和抗沖擊性好。鋼纖維常用于混凝土基復(fù)合材料。2509、各種纖維的比較①纖維的柔韌性及斷裂②比性能③熱穩(wěn)定性251①纖維的柔韌性及斷裂

各種纖維在拉伸斷裂前不發(fā)生任何屈服，如下圖所示的纖維的應(yīng)力--應(yīng)變曲線。252拉伸應(yīng)變，%拉伸應(yīng)力,GPa各種纖維的應(yīng)力----應(yīng)變曲線253從拉斷后纖維的掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，僅Kevlar--49纖維呈韌性斷裂，斷裂前纖維有明顯的頸縮，并在發(fā)生很大的局部伸長(zhǎng)后才最終斷裂

碳纖維和玻璃纖維幾乎就是理想的脆性斷裂，斷裂時(shí)不發(fā)生截面積的縮小。254②比性能

比強(qiáng)度和比模量是纖維性能的一個(gè)重要指標(biāo)。下圖給出了各種纖維比強(qiáng)度和比模量全圖。255各種纖維的比強(qiáng)度和比模量比較比模量，GPa/(g/cm3)比強(qiáng)度，MPa/(g/cm3)具有最佳的比強(qiáng)度和比模量搭配比模量最高比模量和比強(qiáng)度較低比模量最低256③熱穩(wěn)定性纖維的熱穩(wěn)定性與熔點(diǎn)有關(guān)。一般來講，材料的熔點(diǎn)越高，熱穩(wěn)定性就越好。在沒有空氣和氧氣的條件下，碳纖維具有非常好的耐高溫性能。257盡管塊狀玻璃的軟化溫度為850℃，但當(dāng)溫度高于250℃時(shí)，E玻璃纖維的強(qiáng)度和模量就開始迅速下降。

玻璃纖維的熱穩(wěn)定性高于Kevlar49纖維。在受到太陽光照射時(shí)，Kevlar纖維產(chǎn)生嚴(yán)重的光致劣化，使纖維變色，機(jī)械性能下降。258二、晶須增強(qiáng)體

晶須（Whiskers）是在人工控制條件下，以單晶形式生長(zhǎng)成的一種纖維。

晶須的直徑一般為幾微米，長(zhǎng)幾十微米，是一種無缺陷的理想完整晶體。259由于晶須的直徑非常小，所以不適合容納在大晶體中常出現(xiàn)的缺陷，因而強(qiáng)度接近于完整晶體的理論值。

近年來，晶須作為一種新型增強(qiáng)材料倍受青睞。260自1948年美國(guó)貝爾電話公司的科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)晶須以來，迄今為止，材料學(xué)家們已研究開發(fā)出了上百種晶須，有金屬、氧化物、碳化物、氮化物、硼化物以及無機(jī)鹽等多種晶須。但是，已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用并開始工業(yè)化生產(chǎn)的晶須只有幾種。261從大的方面來看，晶須分為陶瓷晶須和金屬晶須兩類，用作增強(qiáng)材料的主要是陶瓷晶須。

陶瓷晶須的直徑只有幾個(gè)微米，長(zhǎng)度一般為幾厘米，斷面多呈多角狀。262陶瓷晶須的基本性能如下表所示：263

金屬晶須主要有Ni、Fe、Cu、Si、Ag、Ti、Cd等；

氧化物晶須主要有MgO、ZnO、BeO、Al2O3、TiO2、Y2O3、Cr2O3等。264

陶瓷晶須主要是碳化物晶須，如SiC、TiC、ZrC、WC、B4C等。

硼化物晶須主要有TiB2、ZrB2、TaB2、CrB、NbB2等

無機(jī)鹽類晶須主要有如K2Ti6O13和Al18B4O33265具有實(shí)用價(jià)值的晶須直徑約為1~10μm，長(zhǎng)度與直徑比在5～1000之間。實(shí)際上，晶須是含缺陷很少的單晶短纖維，其拉伸強(qiáng)度接近其純晶體的理論強(qiáng)度。266也可以認(rèn)為，晶須是以單晶結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的直徑極小的短纖維，由于直徑小(＜3um)，造成晶體中的缺陷少，原子排列高度有序，故其強(qiáng)度接近于相鄰原子間成鍵力的理論值。267

晶須可用作高性能復(fù)合材料的增強(qiáng)材料，以增強(qiáng)金屬、陶瓷和聚合物。

晶須是目前已知纖維中強(qiáng)度最高的一種，其機(jī)械強(qiáng)度幾乎等于相鄰原子間的作用力。268

晶須高強(qiáng)的主要原因

Ａ、它的直徑非常小，不能容納使晶體削弱的空隙、位錯(cuò)和不完整等缺陷。Ｂ、晶須材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整，使它的強(qiáng)度不受表面完整性的嚴(yán)格限制。269

晶須兼有玻璃纖維和硼纖維的優(yōu)良性能。它具有玻璃纖維的延伸率(3％--4％)和硼纖維的彈性模量(4.2~7.0106MPa)。例如，氧化鋁晶須在2070℃高溫下，仍能保持7000MPa的拉伸強(qiáng)度。270

晶須的制備方法

CVD法原位生長(zhǎng)法溶膠—凝膠法氣液固（VLS）法液相生長(zhǎng)法固相生長(zhǎng)法271

晶須沒有顯著的疲勞效應(yīng)，切斷、磨粉或其它的施工操作，都不會(huì)降低其強(qiáng)度。

晶須在復(fù)合材料中的增強(qiáng)效果與其品種、用量關(guān)系極大，根據(jù)實(shí)踐可得出下面的經(jīng)驗(yàn)：272(1)作為硼纖維、碳纖維及玻璃纖維的補(bǔ)充增強(qiáng)材料，加入1％--5％晶須，強(qiáng)度有明顯的提高。(2)加入5％--50％晶須對(duì)模壓復(fù)合材料和澆注復(fù)合材料的強(qiáng)度能成倍增加。273(3)在定向復(fù)合材料中、加入70％--90％的晶須，往往可以使其強(qiáng)度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，定向復(fù)合材料所