第三章其他纖維4

3.4其他纖維硼纖維一、發(fā)展

先進(jìn)復(fù)合材料的增強(qiáng)材料1911年坦克塞柯（TEXACO）實(shí)驗(yàn)公司用氣相沉積法制得高強(qiáng)度、高模量、低密度的硼纖維；1959年用硼的鹵化物還原法得到高強(qiáng)度無定形的硼纖維；1960年美國(guó)空軍材料實(shí)驗(yàn)室將硼纖維應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件上。硼纖維二、制造：化學(xué)氣相沉積法（CVD）

將所需金屬或非金屬的化合物鹽（主要為揮發(fā)性鹵化物）氣化，與H2等氣體一起加熱，并使其與基體接觸。由于熱分解或還原反應(yīng)，就可以使金屬或化合物在基體上析出。兩種方法：硼的氫化物（B2H6，B5H12）熱分解；硼的鹵化物（三氯化硼）還原；硼纖維的制備——鹵化物還原將BCl3與作為載體的H2一起加熱，并使其在鎢絲或者碳絲上流過，發(fā)生下述反應(yīng)。2BCl3+3H2→2B+6HCl

則可在細(xì)絲上析出硼，以適當(dāng)?shù)乃俣壤砑?xì)絲，則可以得到硼纖維。

H2+BCl3H2+HClH2反應(yīng)區(qū)預(yù)熱區(qū)芯線卷線軸硼纖維熱分解法得硼纖維：

芯線為玻璃纖維或鋁絲，硼纖維使用溫度低（316-816°），硼纖維強(qiáng)度低，密度低硼鹵化物還原法得硼纖維：芯線為鎢絲或碳纖維，硼纖維使用溫度高，強(qiáng)度高。硼纖維直徑：

100、140、145、200微米，芯絲12.5微米硼纖維的性能和用途：1.高的比強(qiáng)度和比模量用于軍用飛機(jī)、航天飛機(jī)及體育器材上，但價(jià)格昂貴。2.熱性能：

熔點(diǎn)2000℃，可作耐高溫材料。3.化學(xué)性能：

化學(xué)穩(wěn)定性好，常溫下，硼是比較惰性材料，在高溫下，容易和大多數(shù)金屬反應(yīng)。在制造金屬基復(fù)材時(shí)，表面需要沉積涂層中心是碳纖維或鎢纖維球拍

氧化鋁纖維一、發(fā)展陶瓷纖維的一種，20世紀(jì)70年代開始發(fā)展，多晶體纖維主要組分：Al2O3為主要成分，還有SiO2、B2O3Al2O3含量大于70%——氧化鋁纖維Al2O3含量小于70%——硅酸鋁纖維氧化鋁纖維制造方法

1.淤漿法：α-氧化鋁纖維杜邦公司生產(chǎn)，商品名Alumina，Al2O3含量99.5%。α-氧化鋁粉末(0.5μm)+Al(OH)3+Mg(Cl)2混合液干法紡絲燒結(jié)處理通過含硅氣體。

(1300℃)(1500℃)制造方法

2.溶膠法：γ-氧化鋁纖維美國(guó)3M公司生產(chǎn)，商品名Nextel312組分：62%Al2O3、14%B2O3、24%SiO2Al2O3+硅溶膠+硼酸紡絲預(yù)燒結(jié)(900℃)

高溫?zé)Y(jié)（1000℃

以上）制造方法3.預(yù)聚合法：γ-氧化鋁纖維日本住友化學(xué)公司制備，商品名Altex化學(xué)組分：85%Al2O3、15%SiO2紡絲溶液

干法紡絲

燒結(jié)處理(700-1200℃)制造方法4、卜內(nèi)門法：δ-氧化鋁纖維英國(guó)ICI公司生產(chǎn)，商品名賽非爾Saffil鋁鹽水溶液+聚環(huán)氧乙烷+聚硅氧烷紡絲液

紡絲

燒結(jié)氧化鋁纖維的性能比較生產(chǎn)公司密度g/cm3纖維直徑μm強(qiáng)度cN/dtex模量cN/dtex熔點(diǎn)℃最高使用溫度杜邦法Alumina3.9515-253.5-5.2962.0204511003M法Nextel2.50116.960020401300卜內(nèi)門Saffil3.4033.0294.120401600住友法Altex3.2098.125020401300氧化鋁纖維的用途耐熱性好，電絕緣性好，表面活性好，可與樹脂和金屬?gòu)?fù)合可以做耐火、隔熱、防火、摩擦制動(dòng)、高溫過濾、勞動(dòng)保護(hù)等產(chǎn)品

碳化硅纖維SiC一、發(fā)展：陶瓷纖維的一種1960年由美國(guó)空軍材料試驗(yàn)室研制成功1966年生產(chǎn)得到連續(xù)纖維——采用化學(xué)氣相沉積法1975年，日本東北大學(xué)一教授開發(fā)了直接從聚合物紡絲制成碳化硅纖維——燒結(jié)法1982年，國(guó)防科技大學(xué)制得SiC纖維SiC纖維的制備方法

1.化學(xué)氣相沉積法（CVD法）美國(guó)Textron公司生產(chǎn)的產(chǎn)品：SCS-2——用于鋁和鎂基體增強(qiáng)材料CSC-6——用于鈦基體增強(qiáng)CSC-8——用于鋁基體增強(qiáng)

將基體絲連續(xù)通過玻璃管狀反應(yīng)器，并在加熱到1200-1300

C的同時(shí)通入適量的氯硅烷與氫氣的混合反應(yīng)氣體,反應(yīng)氣體在熱絲上發(fā)生熱解反應(yīng)生成SiCCH3SiCl3+H2

SiC

+HCl

+???

并沉積在熱絲上形成帶有芯（絲）材的連續(xù)SiC纖維SiC纖維的制備方法SiC纖維的制備方法直徑：100

140

m；抗張強(qiáng)度：3500MPa

彈性模量：400GPa；

密度：3.0

3.4g/cm3狀態(tài)：連續(xù)單絲。

２）先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法

1975年由日本矢島教授首先研制成功(日本碳公司)。有Nicalon（尼卡?。┖蚑yranno（奇拉?。﹥煞N商品。纖維呈束狀，每束500根左右，每根纖維10

m左右。聚碳硅烷紡絲聚碳硅烷纖維N2下高溫處理Nicalon（尼卡?。㏒iC纖維的制備方法Nicolon的性能和用途1.拉伸強(qiáng)度大，彈性模量高

2.耐熱性好，氧化氣氛中也能使用，可作耐熱材料

3.耐藥品性優(yōu)異，可作耐腐蝕材料

4.與金屬的反應(yīng)性好，浸漬性良好，可增強(qiáng)鋁金屬基體，也可作陶瓷、樹脂增強(qiáng)材料

5.密度小，具有半導(dǎo)體性陶瓷纖維和布陶瓷增強(qiáng)復(fù)合材料

金屬纖維

一、發(fā)展：1936年美國(guó)專利——集束拉絲法，30年后商業(yè)化生產(chǎn)原料：銅、普通鋼、不銹鋼、鑄鐵、鋁性能：導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐磨性、柔韌性、耐腐蝕性、高強(qiáng)高模量金屬纖維

二、制作方法拉拔法：?jiǎn)尉€拉拔、集束拉拔切削法：熔抽法：

金屬纖維

金屬纖維

金屬纖維

三、用途多用于金屬基復(fù)合材料1.紡織物：防靜電用品、導(dǎo)電服、雷達(dá)敏感織物2.金屬纖維的多孔材料3.增強(qiáng)復(fù)合材料一、晶須的分類總體上講,晶須分為金屬晶須和非金屬（陶瓷）晶須兩類。金屬晶須一般是由金屬的固體、熔體或氣體為原料,采用熔融鹽電解法或氣相沉積法制得。金屬晶須的主要用途是作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體，用于火箭、導(dǎo)彈、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等部件上,特別是用作導(dǎo)電復(fù)合材料和電磁波屏蔽材料。非金屬晶須亦稱陶瓷晶須,它具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫等突出優(yōu)點(diǎn),廣泛用于復(fù)合材料的增強(qiáng)。其大致又可分為非氧化物類和氧化物類兩類,前者如SiC和Si3N4等,具有高達(dá)1900℃以上的熔點(diǎn)。晶須耐高溫性好,多被用于增強(qiáng)陶瓷基和金屬基復(fù)合材料,但成本較高。氧化物陶瓷晶須如K2Ti6O13、CaSO4、2MgO·B2O3、nAl2O3·mB2O3(n=9～2,m=2～1)等,具有相對(duì)較高的熔點(diǎn)(1000～1600℃)和耐熱性,可用作樹脂基和鋁基復(fù)合材料增強(qiáng)體。

晶須作為增強(qiáng)體時(shí),其用量體積分?jǐn)?shù)多在35%以下。如用20%～30%Al2O3晶須增強(qiáng)金屬,得到的復(fù)合材料強(qiáng)度在室溫下比原金屬增加近30倍。晶須

晶須是在受控條件下培殖生長(zhǎng)的高純度纖細(xì)單晶體,其晶體結(jié)構(gòu)近乎完整,不含有晶粒界、位錯(cuò)、空洞等晶體結(jié)構(gòu)缺陷,具有異乎尋常的力學(xué)等物理性能。一般晶須的延伸率與玻璃纖維相當(dāng),而拉伸模量與硼纖維相當(dāng),兼具這兩種纖維的最佳性能。

另外,晶須的強(qiáng)度與直徑也有密切關(guān)系,晶須直徑小于10μm時(shí),其強(qiáng)度急劇增加。該關(guān)系僅是晶須強(qiáng)度與直徑的理論表達(dá),一般認(rèn)為,隨著晶須直徑的增大,晶須晶格缺陷相應(yīng)增多,從而使其強(qiáng)度下降,所以,在晶須制備過程中,采用何種方式、何種工藝控制晶須以單晶形式生長(zhǎng),是制取高強(qiáng)度、高有序性、完整晶須的關(guān)鍵。

晶須的物理性質(zhì)晶須增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)理

晶須分散技術(shù)晶須增強(qiáng)復(fù)合材料之前,必先有效解決其團(tuán)聚問題,由于晶須增強(qiáng)體有較大的長(zhǎng)徑比,通常在7～30范圍內(nèi),故分散比較困難。常用的晶須分散技術(shù)主要有球磨分散、超聲分散、sol—gel法分散以及分散介質(zhì)選擇、pH值的調(diào)整等。對(duì)于某些長(zhǎng)徑比較大、分枝較多的晶須,首先還需通過球磨或高速搗碎的方式減少分枝和降低長(zhǎng)徑比。晶須分散的主要關(guān)鍵在于消除晶須的團(tuán)聚或者說集聚。

在晶須補(bǔ)強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料發(fā)生斷裂時(shí),能夠阻止裂紋擴(kuò)展,提高材料斷裂韌性的微觀方式和途徑,其機(jī)理主要有以下三種:①橋接機(jī)理。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到晶須時(shí),在裂紋尖端形成一個(gè)橋接區(qū),形成一個(gè)閉合應(yīng)力,阻止裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展從而增加材料的斷裂韌性。②裂紋偏轉(zhuǎn)機(jī)理。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到晶須時(shí),裂紋的擴(kuò)展方向發(fā)生變化,由于晶須與基體間的結(jié)合而使裂紋沿晶須方向擴(kuò)展,這樣既增加了形成新表面的面積又不致于使裂紋超過其臨界尺寸(裂紋在沒有外部應(yīng)力作用下可自發(fā)擴(kuò)展的最小尺寸),從而使材料的斷裂韌性提高。③晶須拔出機(jī)理。當(dāng)晶須從陶瓷基體中拔出時(shí),克服摩擦力做功而吸收能量,提高材料的斷裂韌性,這會(huì)使材料的韌性有一定程度的增加。晶須、基體材料的特性(強(qiáng)度、彈性模量、熱膨脹系數(shù)等)以及它們之間的界面結(jié)合強(qiáng)度對(duì)這些增韌機(jī)理有重要的影響。晶須補(bǔ)強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的性能比單一陶瓷材料更好,但價(jià)格相對(duì)較高,主要用于國(guó)防工業(yè)、航空航天以及精密機(jī)械零件等方面。隨著材料設(shè)計(jì)和復(fù)合工藝的不斷發(fā)展,晶須補(bǔ)強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的性能將得到進(jìn)一步的提高,應(yīng)用的范圍也將越來越廣泛。晶須增強(qiáng)體復(fù)合材料的應(yīng)用前景

晶須主要用作復(fù)合材料的增強(qiáng)劑,以增強(qiáng)金屬、陶瓷、樹脂及玻璃等。在航空航天領(lǐng)域,金屬基和樹脂基的晶須復(fù)合材料由于重量輕、比強(qiáng)度高,可用作直升飛機(jī)的旋翼、機(jī)翼、尾翼、空間殼體、飛機(jī)起落架及其他宇宙航空部件。在建筑工業(yè)上,用晶須增強(qiáng)塑料,可以獲得截面極薄、抗張強(qiáng)度和破壞耐力很高的構(gòu)件。在機(jī)械工業(yè)中,陶瓷基晶須復(fù)合材料SiCw/Al2O3已用作切削工具,在Ni基耐熱合金加工中發(fā)揮作用;塑料基晶須復(fù)合材料可用作零部件的粘接接頭,并局部增強(qiáng)零部件應(yīng)力集中、承載力大的關(guān)鍵部位,間隙增強(qiáng)和硬化表面等。

在汽車工業(yè)上,玻璃基晶須復(fù)合材料SiCw/SiO2已用作汽車熱交換器的支管內(nèi)襯。發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的耐磨部位已采用SiCw/Al材料,大大提