第四章增強(qiáng)體

第四章

增強(qiáng)材料2011.03.15目標(biāo)與要求掌握增強(qiáng)體的概念、特征以及分類；掌握玻璃纖維分類、物理化學(xué)性質(zhì)、制備方法，了解玻璃纖維制品一、增強(qiáng)體定義也稱為增強(qiáng)劑，是復(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，可以提高基體的強(qiáng)度、韌性、模量、耐熱和耐磨等性能。主要有纖維、晶須、顆粒等材料二、增強(qiáng)材料特征具有提高基體材料所需特性的性能，如比強(qiáng)度、比剛度和耐熱性等

具有化學(xué)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(xué)相容性與基體良好浸潤或通過表面處理后能與基體良好的潤濕三、增強(qiáng)材料分類纖維增強(qiáng)體顆粒增強(qiáng)體晶須增強(qiáng)體金屬絲片狀增強(qiáng)體１、纖維增強(qiáng)體（1）長纖維：長度可達(dá)百米，性能有方向性，制備成本高、性能高分為單絲和束絲直徑為5.6～14μm的細(xì)纖維以500～12000根組成束絲作為增強(qiáng)體，如玻璃纖維、碳纖維；直徑為95～140μm的硼纖維、碳化硅（CVD制備）纖維是作為單絲作為增強(qiáng)體

短纖維：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

使用時(shí)可先將纖維制成預(yù)制件，再通過擠壓鑄造、壓力浸漬、泥漿滲透等方法制造出短纖維復(fù)合材料。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。

纖維增強(qiáng)體(2)有機(jī)纖維纖維增強(qiáng)體{無機(jī)纖維玻璃纖維、碳纖維、氧化鋁、碳化硅、硼纖維等對位酰胺、聚芳脂、聚乙烯、聚乙烯醇等纖維在復(fù)合材料中起增強(qiáng)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(qiáng)度和剛度，而且能減少收縮，提高熱變形溫度和低溫沖擊強(qiáng)度等。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)。２、顆粒增強(qiáng)體主要是一些具有高強(qiáng)度、高模量、耐熱、耐磨的陶瓷材等無機(jī)非金屬顆粒，還有一些金屬和聚合物顆粒。無機(jī)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(jī)顆粒有聚乙烯、氟樹脂、聚丙烯、聚酰胺等

顆粒尺寸很小（<50μm)用燒結(jié)法、熱壓、粉末冶金法、液體攪拌法等制備復(fù)合材料。顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料具有各向同性

3、晶須增強(qiáng)體人工條件下制造出來細(xì)小單晶，棒狀，直徑為0.2～1μm，長度為幾十個(gè)微米高強(qiáng)度、高模量常用的有SiC、Al2O3、Si3N4陶瓷晶須4、其它增強(qiáng)體金屬絲主要有鈹絲、鋼絲、不銹鋼和鎢絲，一般用于金屬基復(fù)合材料和水泥基復(fù)合材料中。在鋁基復(fù)合材料中選用鈹絲和不銹鋼絲作為增強(qiáng)材料。片狀增強(qiáng)體主要是陶瓷薄片。具有層狀結(jié)構(gòu)的SiC/C、ZrO2、Si3N4等陶瓷復(fù)合材料比常規(guī)的陶瓷材料韌性提高到數(shù)十倍。4.1玻璃纖維玻璃纖維的分類玻璃纖維的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成玻璃纖維的物理性質(zhì)玻璃纖維的化學(xué)性質(zhì)玻璃纖維的制備玻璃纖維制品（自學(xué)）一、玻璃纖維的分類以原料分類以單絲直徑分類以纖維特性分類以原料分類：無堿玻璃纖維（E玻璃）堿金屬含量不大于0.5%，國外為1％中堿玻璃纖維堿金屬含量為11.5～12.5％有堿玻璃纖維（A玻璃）很少作為增強(qiáng)材料特種玻璃纖維純鎂鋁硅三元玻璃、硅鋁鈣鎂系耐化學(xué)腐蝕玻璃纖維、含鉛纖維、鈣硅氧纖維、石英纖維(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)。

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。E-CR玻璃纖維，它完全不含硼，從而減輕環(huán)境污染。其耐水性比無堿玻纖改善7～8倍，耐酸性比中堿玻纖也優(yōu)越不少，是專為地下管道、貯罐等開發(fā)的新品種。無氟玻璃纖維，是為環(huán)保要求而開發(fā)出來的改進(jìn)型無堿玻璃纖維。

(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。 (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，對潮氣侵蝕極為敏感，因而很少作為增強(qiáng)材料。(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。高強(qiáng)度玻璃纖維

硼硅酸鹽玻璃纖維成分（質(zhì)量％）：SiO240～50％，Al2O319～29％，B2O10～20％，Li2O0.1～1％鎂鋁硅酸鹽玻璃纖維成分（質(zhì)量％）：SiO265％，Al2O325％，MgO10％高模量玻璃纖維有含鈹和不含鈹玻璃纖維。氧化鈹劇毒，故研究不含鈹?shù)母邚椥岳w維。高硅氧纖維和石英纖維高硅氧纖維和石英纖維將高鈣的硼硅酸鹽玻璃纖維用酸處理，溶析出可溶性成分，從而得到含SiO2高達(dá)90～99％的纖維。耐1700℃的高溫，強(qiáng)度低石英纖維生產(chǎn)：高純度石英棒喂送到高溫區(qū)熔化拉絲，在2000～2100℃拉制，直徑10～100μm，可耐1700℃以上高溫，強(qiáng)度也高，但脆性，易磨損空心玻璃纖維采用鋁硼硅酸鹽玻璃成分，用特制坩鍋拉制而成?？招穆饰?0～65％，外徑10～17μm。質(zhì)輕，脆性，介電常數(shù)低。纖維類別性能有堿A中堿C低介電D無堿E高強(qiáng)度S粗纖維R高模量M拉伸強(qiáng)度GPa3.13.12.53.44.584.43.5彈性模量GPa737455718586110延伸率%3.63.374.65.2密度g/cm32.462.462.142.52.52.552.89玻璃纖維品種性能一覽表

以單絲直徑分類粗纖維：30μm初級(jí)纖維：20μm中級(jí)纖維：10～20μm高級(jí)纖維：3～10μm，直徑小于4μm的玻璃纖維稱為超細(xì)纖維以纖維外觀分類連續(xù)纖維有無捻粗紗和有捻細(xì)紗短切纖維空心玻璃纖維等磨細(xì)纖維等連續(xù)玻璃纖維玻璃短纖維磨細(xì)玻璃纖維以纖維特性分類高強(qiáng)玻璃纖維高模量玻璃纖維耐高溫玻璃纖維耐堿玻璃纖維耐酸玻璃纖維普通玻璃纖維（包括無堿基中堿玻璃纖維）二、玻璃纖維的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)假說：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。

資料證明，玻璃結(jié)構(gòu)是近似有序的。玻璃結(jié)構(gòu)中存在一定數(shù)量和大小比較規(guī)則排列的區(qū)域，類似晶體晶體結(jié)構(gòu)的規(guī)則排列。但有序區(qū)域又沒有晶體結(jié)構(gòu)那樣具有嚴(yán)格周期性。微觀上不均勻，宏觀上是均勻，性能上各向同性。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。三、玻璃纖維的物理性能外觀為光滑的圓柱體、合抱力小。密度2.0g/cm3左右，大于有機(jī)纖維，但低于一般金屬，玻璃纖維的力學(xué)性能：拉伸強(qiáng)度高、彈性好、耐磨性和耐折性玻璃纖維的熱性能：導(dǎo)熱系數(shù)0.034W/(m?K)，隔熱效果好；耐熱性由化學(xué)成分決定，一般鈉鈣玻璃470℃，石英和高硅氧玻璃纖維可達(dá)2000℃電性能取決于化學(xué)成分、溫度和濕度。堿金屬離子越多，玻璃纖維的電絕緣性能越差，濕度增加，電阻下降光學(xué)性能玻璃纖維透光性遠(yuǎn)不如玻璃玻璃纖維的力學(xué)性能

玻璃纖維拉伸強(qiáng)度高，比較有說服力的是微裂紋假說。該假說認(rèn)為，玻璃的理論強(qiáng)度取決于分子或原子間的引力，可達(dá)到2000~l2000Mpa，但實(shí)測強(qiáng)度很低。因?yàn)榇嬖谥鴶?shù)量不等，尺小不同的微裂紋。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。微裂紋的存在，使玻璃在外力作用下受力不均，在微裂紋處產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而使強(qiáng)度下降。影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素

玻璃纖維直徑纖維的長度玻璃化學(xué)成分纖維的老化纖維的疲勞成型方法和成型條件

玻璃纖維拉伸強(qiáng)度與直徑的關(guān)系拉伸強(qiáng)度隨著長度增加顯著下降玻璃纖維的延伸率較低，一般為3％左右。玻璃纖維的彈性模量約為7

104MPa，加入BeO、MgO能夠提高玻璃纖維的彈性模量玻璃纖維是一種優(yōu)良的彈性材料，應(yīng)力－應(yīng)變曲線圖基本上是一條直線，沒有塑性形變階段。玻璃的斷裂延伸率與直徑有關(guān)，直徑大的纖維延伸率小。

四、玻璃纖維的化學(xué)性能除了氫氟酸、濃堿、濃磷酸外，玻璃纖維對化學(xué)藥品和有機(jī)溶劑都有良好的化學(xué)穩(wěn)定性種類耐酸性耐水性機(jī)械強(qiáng)度防老化性電絕緣性成本浸潤性使用條件無堿玻璃纖維一般好高較好好較高樹脂易浸透強(qiáng)度高場合中堿玻璃纖維好差較低較差低低樹脂浸透性差強(qiáng)度低場合根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)假說，玻璃纖維結(jié)構(gòu)中含有Ca、Na、K等金屬粒子，侵蝕介質(zhì)溶解玻璃纖維中的金屬離子或破壞硅酸鹽部分；濃堿溶液、氫氟酸、磷酸等，溶解玻璃纖維結(jié)構(gòu)。中堿玻璃的耐酸性最好，纖維中的硅酸鹽與酸形成硅酸，硅酸在纖維表面聚合并凝成膠體形成一層極薄的氧化硅薄膜，Na2O、K2O的存在有利于保護(hù)膜的形成。Na2O、K2O溶解使水呈現(xiàn)堿性，二氧化硅骨架長時(shí)間下被破壞。所以中堿玻璃纖維對水的穩(wěn)定性較差。無堿玻璃纖維對水的穩(wěn)定性較高。石英、高硅氧玻璃纖維對水、酸的化學(xué)穩(wěn)定性比較好，耐堿性比普通玻璃好。

玻璃纖維的化學(xué)穩(wěn)定性取決于化學(xué)成分中二氧化硅和堿金屬氧化物的含量。在玻璃纖維中增加SiO2和Al2O3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；在玻璃纖維中加入Al2O3、ZrO2和TiO2等氧化物，可以提高耐水性。玻璃纖維的耐腐蝕性比玻璃塊差溫度越高，侵蝕介質(zhì)的腐蝕速度加快六、玻璃纖維制備工藝坩鍋法拉絲工藝池窯漏板法拉絲工藝

浸潤劑的作用和類型

主要作用：潤滑作用，防止玻璃纖維間的磨損；黏結(jié)作用，使單絲集束成原紗或束絲；防止玻璃纖維表面聚集靜電荷；纖維與基體良好的黏結(jié)性能。常用的浸潤劑

石蠟乳劑屬于紡織型，含有石蠟、凡士林、硬脂酸等，嚴(yán)重阻礙樹脂對玻璃布的浸潤，使用時(shí)要經(jīng)過脫蠟處理

聚脂酸乙烯酯，屬于增強(qiáng)型。紡織時(shí)，玻璃纖維容易起毛

玻璃纖維制品的性能和應(yīng)用（自學(xué)）玻璃纖維方格布高清玻璃纖維布特殊行業(yè)玻璃纖維布玻璃纖維紗玻璃鋼應(yīng)用領(lǐng)域運(yùn)輸車輛零部件建筑和土木工程中用于承重結(jié)構(gòu)、維護(hù)結(jié)構(gòu)、室內(nèi)裝飾化工防腐的管道、儲(chǔ)罐、儲(chǔ)槽、煙囪等；供水和排水的各種結(jié)構(gòu)和零件發(fā)電和配電裝備和設(shè)備、工業(yè)和家庭各種電器設(shè)備各種游艇、漁船文體休閑用品、商業(yè)和軍用飛機(jī)等部件玻璃鋼座椅玻璃鋼整體水箱玻璃鋼防腐工程玻璃鋼平開窗用型材作業(yè)增強(qiáng)體作用是什么？按形狀分有哪幾種按成分玻璃纖維可以分為哪幾類，耐酸堿性、耐水性如何？玻璃纖維與大塊玻璃的力學(xué)性能有什么差別？為什么常見玻璃纖維的制備方法是哪兩種常見的浸潤劑有哪些？都有什么樣的作用本次課程的主要內(nèi)容掌握碳纖維的分類、結(jié)構(gòu)物理化學(xué)性質(zhì)和制備方法，了解碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用了解硼纖維的制備方法和性能掌握碳化硅纖維的制備方法和性能，了解碳化硅纖維復(fù)合材料的應(yīng)用了解氧化鋁纖維的制備和性能4.2碳纖維碳纖維具有重量輕、比強(qiáng)度大、模量高、耐熱性高、化學(xué)穩(wěn)定性好。

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。目前世界碳纖維產(chǎn)量達(dá)到4萬噸／年以上，全世界主要是日本東麗、東邦人造絲和三菱人造絲三家公司以及美國的HEXCEL、ZOLTEK、ALDILA三家公司，以及德國SGL西格里集團(tuán)，韓國泰光產(chǎn)業(yè)，我國臺(tái)灣省的臺(tái)塑集團(tuán)，等少數(shù)單位掌握了碳纖維生產(chǎn)的核心技術(shù)，并且有規(guī)?；笊a(chǎn)。一、碳纖維的分類根據(jù)碳纖維的性能高能碳纖維包括高強(qiáng)度碳纖維（HS），超高強(qiáng)度碳纖維（VHS），高模量碳纖維（HM）和中模量碳纖維（MM）低能碳纖維包括耐火碳纖維、碳質(zhì)纖維、石墨纖維根據(jù)原絲類型：聚丙烯腈碳纖維、瀝青碳纖維、黏膠碳纖維根據(jù)碳纖維石墨化程度：碳纖維（處理溫度小于1500℃）和石墨纖維（處理溫度大于2500℃）根據(jù)功能：受力結(jié)構(gòu)用碳纖維、耐焰碳纖維、活性碳纖維、導(dǎo)電用碳纖維、潤滑用碳纖維和耐磨碳纖維二、碳纖維的制備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)長絲。有機(jī)纖維碳化法可以制造連續(xù)長纖維，將有機(jī)纖維經(jīng)過穩(wěn)定化處理變成耐焰纖維，然后在惰性氣氛中高溫下進(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。碳纖維的原料聚丙烯腈（PAN）

生產(chǎn)高性能碳纖維的主要原料

人造絲（黏膠）

收碳率低，獲得碳纖維的力學(xué)性能比較低，耐燒蝕性和隔熱性較好，堿金屬含量低，適用于制造運(yùn)載火箭的頭部的耐燒蝕性部件瀝青原料來源廣泛，而且材料可以綜合利用連續(xù)碳纖維制備過程拉絲（噴絲）：可用濕法、干法或者熔融狀態(tài)進(jìn)行，稱為先驅(qū)絲。穩(wěn)定（預(yù)氧化處理）：在室溫以上，100--300℃范圍，在氧化氣氛內(nèi)進(jìn)行。鏈狀聚合物分子發(fā)生交聯(lián)、環(huán)化、氧化、脫氫等化學(xué)反應(yīng)，去除非碳原子。碳化高純氮?dú)庵新偌訜?1000—1500℃)，去除其中的非碳原子石墨化在2000--3000℃范圍內(nèi)進(jìn)行。在高純氬氣的氣氛下，纖維中的碳發(fā)生石墨結(jié)晶各種碳纖維的力學(xué)性能原料抗拉強(qiáng)度（MPa）彈性模量（GPa）延伸率（%）人造絲（低彈性模量絲）686391.8人造絲（高彈性模量絲）27444900.6瀝青（低彈性模量絲）784392.0瀝青（高彈性模量絲）2450343～4900.5～0.7PAN（高強(qiáng)度絲）34302251.5PAN（高彈性模量絲）24503920.6三、碳纖維結(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。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)。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、長度數(shù)百納米的原纖維，原纖則構(gòu)成了碳纖維單絲，其直徑約數(shù)微米。影響碳纖維力學(xué)性能的因素缺陷，是影響碳纖維強(qiáng)度的主要因素。一方面是碳纖維內(nèi)的石墨晶體的取向度（很小），狹長條帶狀原纖彼此交叉其間存在針狀空隙，原纖帶來的直徑不均勻、表面污染、外部夾雜、內(nèi)部雜質(zhì)、各種裂紋、空穴、氣泡等缺陷；另一方面是氧化和碳化過程中的化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)使大量的非碳元素以氣體的形式溢出，在纖維表面和內(nèi)部留下空隙和孔洞。四、碳纖維力學(xué)性能日本東麗公司生產(chǎn)的碳纖維，T－300纖維拉伸強(qiáng)度大于2451MPa，延伸率1.3％，高強(qiáng)碳纖維T－400，拉伸強(qiáng)度達(dá)4118MPa，延伸率為1.7％；還有M－46高模量碳纖維，彈性模量可達(dá)451GPa，拉伸強(qiáng)度為2255Pa，斷裂延伸率為0.5％。

碳纖維的應(yīng)力--應(yīng)變曲線為一直線，由于伸長小，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％

Ｔ聚丙烯腈碳纖維Ｐ瀝青碳纖維碳纖維性能性能碳纖維VHMHMVHSHSMM拉伸彈性模量（GPa）>400300~400200~350200~250180~200拉伸強(qiáng)度（GPa）>1.7>1.7>2.762.0~2.752.7~3.0碳含量（W％）99.899.096.594.599.0五、碳纖維的物理性能（１）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。

碳纖維的物理性能（２）

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~-0.90

10-6/℃)，而垂直于纖維方向是正值(32~22

10-6/℃)。碳纖維的比熱一般為0.03～0.71kJ(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。

碳纖維的物理性能（３）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(xué)性能；在液氮溫度下也不脆化碳纖維的比電阻（電阻率）低，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還有耐油、抗放射、抗輻射、吸收有毒氣體和減速中子等特性

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。在高溫下，碳纖維與金屬有不同程度的界面反映，嚴(yán)重的損傷纖維，因此在用作金屬基體復(fù)合材料的增強(qiáng)材料時(shí)，應(yīng)采取有效的措施。

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(jìn)具有極性或反應(yīng)性官能團(tuán)以及形成能與樹脂起作用的中間層。碳纖維表面處理途徑①表面清潔法②氣相氧化法③液相氧化法④表面涂層法

世界碳纖維按應(yīng)用領(lǐng)域需求的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用航天航空領(lǐng)域宇宙飛船、人造衛(wèi)星，導(dǎo)彈等汽車領(lǐng)域汽車內(nèi)飾，發(fā)動(dòng)機(jī)罩等，省油，安全體育娛樂其他防靜電電磁波防護(hù)4.4其他無機(jī)纖維增強(qiáng)材料硼纖維碳化硅纖維氧化鋁纖維4.4.1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，也是制造金屬復(fù)合材料最早采用的高性能纖維?，F(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。目前已研究用碳纖維代替鎢絲，降低成本和密度。碳芯硼纖維比鎢絲硼纖維強(qiáng)度下降5%，但成本降低25%。二、硼纖維的制備三、硼纖維的性能具有良好的力學(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。

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

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。四、硼纖維的應(yīng)用航天航空工業(yè)用作結(jié)構(gòu)材料在體育及娛樂用品領(lǐng)域的應(yīng)用在工業(yè)制品領(lǐng)域的應(yīng)用4.4.2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。在形式上，有晶須和連續(xù)纖維兩種SiC纖維具有高強(qiáng)度、高模量，有良好的耐化學(xué)腐蝕性、耐高溫和耐輻射性能。一、碳化硅纖維的制備化學(xué)氣相沉積法先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法(PIP)

1、化學(xué)氣相沉積法通常在管式反應(yīng)器中用水銀電極直接采用直流電或射頻加熱,把基體芯材(鎢絲或碳絲)加熱到1200℃以上，通入氯硅烷和氫氣的混合氣體,經(jīng)反應(yīng)裂解為碳化硅，并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、碳化硅層和外表面的富硅涂層。

該法制備的纖維直徑為95~140μm的單絲化學(xué)氣相沉積法制備的SiC纖維性能2、先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法(PIP)此方法制備的SiC纖維力學(xué)性能好，已經(jīng)廣泛應(yīng)用，不足之處是工藝繁雜直徑為10μm的細(xì)纖維，一般由500根纖維組成束絲為商品以有機(jī)聚合物(一般為有機(jī)金屬聚合物)為先驅(qū)體，利用其可溶可熔等特性成型后，經(jīng)高溫?zé)岱纸馓幚硎怪畯挠袡C(jī)化合物轉(zhuǎn)變?yōu)闊o機(jī)陶瓷材料的方法

不同工藝下碳化硅纖維的性能二、碳化硅纖維的性能（１）比強(qiáng)度和比模量高高溫性能好在1000℃高溫下1000h或在1200℃溫度下10h后,Nicalon的抗張強(qiáng)度還能保持2GPa。尺寸穩(wěn)定性好熱膨脹系數(shù)比金屬小,僅為(2.3～4.3)×10-6/℃

碳化硅纖維的性能（２）不吸潮、不老化,使用可靠優(yōu)良的抗疲勞和抗蠕變性碳化硅纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有較好的界面結(jié)構(gòu),可有效地阻止裂紋擴(kuò)散

較好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性SiCf的電阻率在1Ω·cm～155Ω·cm之間碳化硅纖維應(yīng)用用作高溫耐熱材料用作樹脂基復(fù)合材料用作金屬基復(fù)合材料用作陶瓷基復(fù)合材料4.4.3氧化鋁纖維熱學(xué)性能好耐高溫，隔熱性好力學(xué)性能好，高強(qiáng)度、高模量、優(yōu)良的抗壓性能化學(xué)穩(wěn)定性好，不被熔融金屬侵蝕，可與金屬很好地復(fù)合電氣絕緣、電波透過性好表面活性好，不需要進(jìn)行表面處理，即能與樹脂和金屬復(fù)合浙江歐詩漫晶體纖維有限公司制備。F-1600和F-1600A是當(dāng)今國內(nèi)外最新型的超輕質(zhì)耐高溫絕熱材料——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，有極好的耐熱穩(wěn)定性，熔點(diǎn)高達(dá)1840℃，其導(dǎo)熱率是普通耐火磚的1/6，容量只有其1/25，采用高科技的化學(xué)膠體法制取在國外也只有少數(shù)發(fā)達(dá)國家才能生產(chǎn)這種產(chǎn)品，如美國的unifrax公司、英國的saffil公司等，產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平，并廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)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)備的內(nèi)襯絕熱。能達(dá)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)境之目的。F-1600A屬高性能氧化鋁纖維，以滿足國外用戶需求。氧化鋁基陶瓷纖維的性能氧化鋁連續(xù)纖維的制備

先驅(qū)體法：①將氧化鋁的先驅(qū)物（如將鋁粉懸浮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)物（如硅膠或有機(jī)硅烷），以及控制液體流變學(xué)性質(zhì)的有機(jī)添加劑，制成膠體溶液。②借助離心噴吹，或噴絲頭紡絲加空氣流噴吹等成纖手段，將上述膠體溶液制成凝膠狀短纖維。③加熱干燥。④高溫?zé)?，去除有機(jī)物，使兩種先驅(qū)物分別轉(zhuǎn)變成氧化鋁和二氧化硅，同時(shí)生成晶體結(jié)構(gòu)。溶液紡絲法用烷基鋁加水聚合成聚鋁氧烷聚合物，將它溶解在有機(jī)溶劑中，冉加入硅酸酯或有機(jī)硅聚合物，將混合液濃縮成紡絲液進(jìn)行干法紡絲，得到先驅(qū)體纖維，再在600℃空氣中裂解成A12O3和SiO2組成的無機(jī)纖維，而后在l000℃以上燒結(jié)，得到微晶聚集態(tài)的連續(xù)Al2O3纖維。纖維直徑10μm，拉伸強(qiáng)度為3.2GPa，模量為330Gpa。特點(diǎn)是紡絲性好，可獲得連續(xù)長纖維。氧化鋁纖維的應(yīng)用在兵器中的應(yīng)用裝甲車、坦克發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的理想材料。在航空、航天上的應(yīng)用可用作固體發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室絕熱殼體、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管。在民用汽車上的應(yīng)用連桿、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中繼活塞，應(yīng)用氧化鋁纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料參考文獻(xiàn)復(fù)合材料學(xué)周祖福武漢理工大學(xué)出版社先進(jìn)復(fù)合材料胡保全牛晉川國防工業(yè)出版社作業(yè)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(xué)性質(zhì)？SiC纖維都有哪些特點(diǎn)？制備方法有哪些？不同制備方法的纖維都有什么特性Al2O3纖維都有什么性能了解kevlar纖維制備，掌握其結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)，了解其應(yīng)用了解聚乙烯纖維了解PBO纖維掌握常見的晶須增強(qiáng)體、晶須性能，了解晶須的應(yīng)用掌握顆粒增強(qiáng)體的分類，掌握其常見顆粒增強(qiáng)體4.5有機(jī)纖維有機(jī)纖維的典型代表是kevlar纖維，其它的有機(jī)纖維有高強(qiáng)度聚乙烯纖維、尼龍纖維等。具有密度小，比強(qiáng)度、比模量高的特點(diǎn)。市場主要存在于北美、西歐和日本等發(fā)達(dá)國家中。本節(jié)主要內(nèi)容：芳綸（kevlar)纖維；聚乙烯纖維；PBO纖維4.5.1Kevlar纖維國外商品牌號(hào)叫凱芙拉(Kevlar)纖維國內(nèi)稱為芳綸纖維，全稱為聚對苯二甲酰對苯二胺，有時(shí)也稱有機(jī)纖維。目前就有Kevlar一49、Kevlar－29等十多個(gè)牌號(hào)，每個(gè)牌號(hào)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Kevlar纖維，日本帝人公司的Technora纖維及俄羅斯的Terlon纖維等。一、芳綸纖維的制備由嚴(yán)格等摩爾比的高純度對苯二甲酰氯或?qū)Ρ蕉姿岷蛯Ρ蕉@單體在極強(qiáng)性溶劑（如含有LiCl或CaCl2增容劑的N－甲基吡咯烷酮(NMP)）通過低溫溶液縮聚或直接縮聚反應(yīng)，獲得分子量高，分子量分布窄的PPTA樹脂。經(jīng)過紡絲和熱處理，得到PPTA纖維。采用管式氮?dú)獗Ｗo(hù)下加熱至270～310℃進(jìn)行熱處理工藝二、Kevlar纖維結(jié)構(gòu)Kevlar纖維是對苯二甲酰與對苯二胺的聚合體，芳環(huán)對位上的通過共價(jià)鍵結(jié)合，酰氨基上的氫可以根另一個(gè)鏈段上的酰氨基團(tuán)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PPTA纖維的疊層結(jié)構(gòu)模型纖維中的分子在縱向上具有近乎平行于纖維軸的取向，在橫向上平行于氫鍵片層輻射狀取向。液晶紡絲時(shí)有少量正常分子雜亂取向，稱為軸向條紋或氫鍵片層的打褶。三、Kevlar纖維性能單絲強(qiáng)度可達(dá)3773MPa；254mm長的纖維束的拉伸強(qiáng)度為2744MPa，大約為鋁的5倍沖擊性能，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。彈性模量可達(dá)127～157.7GPa，比玻璃纖維高一倍，為碳纖維0.8倍斷裂伸長在3％左右，接近玻璃纖維，高于其他纖維密度小，比重為1.44～1.45，只有鋁的一半。Kevlar纖維力學(xué)性能幾種殼體用增強(qiáng)纖維的性能及其殼體性能Kevlar纖維的熱穩(wěn)定性

溫度達(dá)487℃時(shí)尚不熔化，但開始碳化；短時(shí)間暴露在300℃以上，對強(qiáng)度幾乎沒有影響；即使在200℃下，一周后強(qiáng)度降低15％，模量降低4％；在150℃下作用一周后強(qiáng)度、模量不會(huì)下降。另外，在低溫(-60℃)不發(fā)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)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/℃Kevlar纖維化學(xué)性能

對中性化學(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；耐水性也不好在低濕低度（20％相對濕度）下芳綸的吸濕率為1％，在高濕度（85％相對濕度）下，可達(dá)7％。芳綸的缺點(diǎn)

熱膨脹系數(shù)具有各相異性耐光性比較差，暴露于可見光和紫外線時(shí)會(huì)產(chǎn)生光致降解，使力學(xué)性能下降和顏色變化溶解性差抗壓力強(qiáng)度低吸濕性強(qiáng)，吸濕后纖維性能變化大

Kevlar纖維的應(yīng)用芳綸產(chǎn)品用于防彈衣、頭盔等約占7～8%，航空航天材料、體育用材料大約占40%；輪胎骨架材料、傳送帶材料等方面大約占20%左右，還有高強(qiáng)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(dòng)作靈活自如，同時(shí)防止割傷。用以增強(qiáng)管道，為深海石油和天然氣探勘服務(wù)；用以制造防火被褥，可滿足嚴(yán)格要求；用以增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)，可防止房屋受到颶風(fēng)和龍卷風(fēng)的危害。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，簡稱KFRP，應(yīng)用領(lǐng)域有：1、航空航天領(lǐng)域2、軍事領(lǐng)域3、民用、工業(yè)方面1、航空航天領(lǐng)域航空方面，各種整流罩、機(jī)翼前緣、襟翼、方向舵、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(fù)合材料質(zhì)量減少30％。還可以與飛機(jī)用的層疊混雜增強(qiáng)鋁材，與碳纖維混用，制造波音767、777的輕量零部件航天方面，用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體和壓力容器、宇宙飛船的駕駛艙、氧氣、氮?dú)夂秃獾娜萜饕约巴L(fēng)管道。

2、在軍事上，可以用作防護(hù)材料，如坦克、裝甲車、飛機(jī)、艇的防彈板以及頭盔和防彈衣。3、民用、工業(yè)方面

采用Kevlar復(fù)合材料，船體質(zhì)量比用玻璃鋼和鋁輕28～40％，燃料節(jié)省35％，航程延長35％。

體育用品方面，Kevlar復(fù)合材料用于高爾夫球棒、網(wǎng)球拍、標(biāo)槍、釣魚桿、滑雪撬和其他體育器材，也可以與碳纖維合用4.5.2

聚乙烯纖維

高強(qiáng)高彈聚乙烯（HSHMPE）纖維又名超高相對分子質(zhì)量聚乙烯（UHMWPE）纖維，超高分子量聚乙烯纖維(簡稱UHMWPE)，又叫高強(qiáng)PE纖維，是當(dāng)今世界三大高科技纖維（碳纖維、芳綸和超高分子量聚乙烯纖維）之一，也是世界上最堅(jiān)韌的纖維。一、聚乙烯纖維性能白色，密度小，所有化學(xué)纖維中密度最小比強(qiáng)度高，鋼絲繩的15倍，比芳綸高40%，僅次于特級(jí)碳纖維耐光性好耐低溫性好，使用溫度可以低至-150℃。芳綸纖維到-30℃便失去防彈效能能抗紫外線和耐各種化學(xué)腐蝕聚乙烯纖維的不足之處：

(1)熔點(diǎn)較低