第2章-增強(qiáng)體材料

1、第2章 增強(qiáng)體材料,碳纖維的理論強(qiáng)度為180GPa，目前世界上強(qiáng)度最高的碳纖維T1000（日本東麗公司）的拉伸強(qiáng)度也僅是理論值的3.9，而國(guó)產(chǎn)碳纖維的拉伸強(qiáng)度則更低，所以提高碳纖維的拉伸強(qiáng)度有很大的潛力和空間。,高的比強(qiáng)度、比模量、高導(dǎo)熱性、耐熱性、耐磨性、低熱膨脹性等，以便賦予金屬基體某種所需的特性和綜合性能。,在金屬基復(fù)合材料制備和使用過(guò)程中其組織結(jié)構(gòu)和性能不發(fā)生明顯的變化和退化，與金屬基體有良好的化學(xué)相容性，不發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)。,與金屬有良好的浸潤(rùn)性，或通過(guò)表面處理能與金屬良好浸潤(rùn)，基體良好復(fù)合和分布均勻。此外，增強(qiáng)物的成本也是應(yīng)考慮的一個(gè)重要因素。,能明顯提高金屬基 體所需的某種特性

2、,具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性,有良好的浸潤(rùn)性,2.1.1 纖維類增強(qiáng)體 纖維類增強(qiáng)物有連續(xù)長(zhǎng)纖 維和短纖維。,2.1.2 顆粒類增強(qiáng)體 顆粒增強(qiáng)體分外加和內(nèi)生兩種，一般是具有高強(qiáng)度、高模量、耐熱、耐磨性好、耐高溫的陶瓷、石墨等非金屬顆粒。,2.1.3 晶須類增強(qiáng)體 晶須是在人工條件下生長(zhǎng)出來(lái)的細(xì)小單晶。由于細(xì)小組織結(jié)構(gòu)缺陷少，具有很高的強(qiáng)度和模量。,2.1.4 其它增強(qiáng)體 用于金屬基復(fù)合材料的高強(qiáng)度、高模量金屬絲增強(qiáng)物主要有鐵絲、高強(qiáng)度鋼絲、不銹鋼絲和鎢絲等。,2.2 纖維類增強(qiáng)體,2.2.1 碳纖維,實(shí)際用作碳纖維原料的有機(jī)纖維主要有三種：,20世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)外許多以PAN纖維為原料制造碳纖

3、維的廠家在原料供 應(yīng)及碳纖維的生產(chǎn)、供銷方面進(jìn)行廣泛合作與競(jìng)爭(zhēng)，促進(jìn)了PAN基 碳纖維工業(yè)的長(zhǎng)足發(fā)展。,1969年，日本東麗公司研究成功特殊的單體共聚PAN基碳纖維，結(jié)合美 國(guó)聯(lián)合碳化物公司(Union Carbide)的碳化技術(shù)，生產(chǎn)出高強(qiáng) 度、高模量碳纖維。,1959年，日本的進(jìn)藤昭男發(fā)明了用聚丙烯腈(PAN)原絲生產(chǎn)碳纖維的方法;,1962年，日本東麗公司開(kāi)始生產(chǎn)并研制用于生產(chǎn)碳纖維的專用優(yōu)質(zhì)原絲， 并于1967年成功生產(chǎn)T300PANCF；,英國(guó)考陶爾公司(Courtaulds)利用這項(xiàng)技術(shù)開(kāi)始生產(chǎn)高強(qiáng)度、高 模量PAN基碳纖維。,英國(guó)皇家航空研究所的Watt等人，對(duì)PAN纖維生產(chǎn)進(jìn)行

4、技術(shù)改進(jìn)；,美國(guó)、前蘇聯(lián)、法國(guó)、德國(guó)、印度、南斯拉夫、以色列、韓國(guó)也都引進(jìn)或開(kāi)發(fā)了PAN原絲及碳纖維的生產(chǎn)。其中，日本東麗公司的碳纖維研發(fā)與生產(chǎn)一直處于世界領(lǐng)先水平，3000MPa。,20世紀(jì)90年代后，由于PAN基碳纖維性能優(yōu)越，應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)展。目前世 界PAN基碳纖維已進(jìn)入發(fā)展旺盛的成熟期，IM7和IM8的強(qiáng)度達(dá)到 5300MPa。,2.2.1.1 碳纖維的分類,各種材質(zhì)碳纖維的主要性能表,2.2.1.2 主要性能,耐酸性能好，超過(guò)惰性金屬黃金和鉑金；,熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱系數(shù)大；,強(qiáng)度高，大于1600MPa；,高模量，大于230MPa；,密度小，比強(qiáng)度高；,耐超高溫，2000正常使用；,

5、耐低溫，在-180保持柔軟；,軸向抗剪切模量較低，延伸率小，耐沖擊差， 并且 后加工 較為困難。,導(dǎo)電性能好（517m）；,防原子輻射，能使中子減速；,2.2.1.3 碳纖維的制造,Synthesis of carbon fiber from polyacrylonitrile (PAN): 1) Polymerization of acrylonitrile to PAN, 2) Cyclization during low temperature process, 3) High temperature oxidative treatment of carbonization (hydro

6、gen is removed). After this, process of graphitization starts where nitrogen is removed and chains are joined into graphite planes.,2.2.2 硼纖維,2.2.2.1 硼纖維的制造,獨(dú)特的性能：抗壓強(qiáng)度是其拉伸強(qiáng)度的2倍（6900MPa)。,2.2.2.2 硼纖維的性能,2.2.2.3 與其它纖維性能比較,2.2.3 碳化硅纖維,碳化硅,2.2.3.1 碳化硅纖維的制備方法,將有機(jī)物加熱變成無(wú)機(jī)物的過(guò)程，在遠(yuǎn)古的時(shí)代便已經(jīng)利用了。 近年來(lái)發(fā)明的將聚丙烯腈等有機(jī)纖維

7、高溫碳化后制備碳纖維的方法，在這個(gè)領(lǐng)域中已經(jīng)形成了工業(yè)化生產(chǎn)，除此以外，利用有機(jī)硅聚合物作先驅(qū)體可以制得的陶瓷纖維研究如下表：,先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法工藝流程圖,SiC粉在聚合物粘接劑存在下的擠出細(xì)絲，形成的細(xì)絲再燒結(jié)固化。通常是將粒徑在1.7m（亞微米）和燒結(jié)助劑和過(guò)量的碳與適當(dāng)?shù)木酆衔锝M成的混合物。其工藝流程如下：,2.2.3.2 SiC纖維的性能及其應(yīng)用領(lǐng)域 SiC纖維具有抗拉強(qiáng)度和拉伸模量高，密度低； 耐熱性好，在空氣中可長(zhǎng)期應(yīng)用于10001100使用； 與金屬反應(yīng)性小，浸潤(rùn)性好，在1000以下幾乎不與金屬發(fā)生反應(yīng)； 纖維具有半導(dǎo)體性且隨組成不同，其電阻率在10-1106 cm 之間可調(diào)； 以先

8、驅(qū)體法制得SiC纖維直徑細(xì)，易編織成各種織物； 耐腐蝕性能優(yōu)異。,2.2.4 氧化鋁纖維,1. 淤漿法,3. 卜內(nèi)門法,5. 基體纖維 浸漬溶液法,該法是以氧化鋁粉末為主要原料, 同時(shí)加入分散劑、流變助劑、燒結(jié)助劑, 分散于水中, 制成可紡漿料，經(jīng)擠出成纖，干燥、燒結(jié)得到直徑在200um 左右的氧化鋁纖維。,2.2.4.1氧化鋁纖維制備,該法與溶膠-凝膠法不同之處是先驅(qū)體不形成均勻溶膠，而是通過(guò)加入水溶性有機(jī)高分子來(lái)控制紡絲粘度以得到氧化鋁纖維。由于前驅(qū)體分子本身并不形成類線性聚合物，難以得到連續(xù)的氧化鋁長(zhǎng)纖維，故其產(chǎn)品一般是短纖維的形式。,這是一種新型的成型方法, 一般以鋁的 醇鹽或無(wú)機(jī)鹽為

9、原料, 同時(shí)加入其它有 機(jī)酸催化劑, 溶于醇/水中, 得到混合 均勻的溶液, 經(jīng)醇解/水解和聚合反應(yīng) 得到溶膠, 濃縮的溶膠達(dá)到一定粘度后 進(jìn)行紡絲, 得到凝膠纖維, 隨后進(jìn)行熱 處理得到氧化鋁纖維。,2. 溶膠 - 凝 膠法,日本住友化學(xué)公司的產(chǎn)品是以Al2O3為主要成分,并含有B2O3、SiO2的多晶纖維。采用預(yù)聚合法, 先是用烷基鋁加水聚合成一種聚鋁氧烷聚合物，將其溶解在有機(jī)溶劑中, 加入硅酸酯或有機(jī)硅化合物, 使混合物濃縮成粘稠液,干法紡絲成先驅(qū)纖維。再在600空氣中裂解成含有氧化鋁和氧化硅等組成的無(wú)機(jī)纖維，最后在1000以上燒結(jié)，得到微晶聚集態(tài)的連續(xù)氧化鋁纖維，其直徑10m左右。,4

10、.預(yù)聚合法,此法采用無(wú)機(jī)鹽溶液浸漬基體纖維, 經(jīng)過(guò)燒結(jié)除去基體纖維而得到陶瓷纖維。缺點(diǎn)是成本高。,美國(guó)杜邦公司利用淤漿法生產(chǎn)的FP氧化鋁纖維,干法紡絲示意圖,溶膠-凝膠法具有以下優(yōu)點(diǎn):,美國(guó)3M公司生產(chǎn)Nextel系列氧化鋁纖維，具代表性的品種是Nextel-312。,國(guó)外公司生產(chǎn)的高性能氧化鋁纖維。 （1）美國(guó)杜邦公司采用淤漿法生產(chǎn)FP氧化鋁纖維，氧化鋁含量為99.9。 （2）日本Mitsui Mining公司也通過(guò)淤漿法制得氧化鋁含量在95以上 的連續(xù)氧化鋁纖維。 （3）美國(guó)3m公司通過(guò)溶膠凝膠法生產(chǎn)Nextel系列氧化鋁纖維，其中較具 代表性的品種是Nextel312。 （4）日本住友化

11、學(xué)公司采用預(yù)聚合法生產(chǎn)Altex氧化鋁纖維，其組分為Al2O3、SiO2和B2O3。 （5）英國(guó)ICI公司采用卜內(nèi)門法生產(chǎn)商品名為saffil的氧化鋁短纖維，其 使用溫度可達(dá)12001600，已開(kāi)始應(yīng)用在工業(yè)燒結(jié)爐的襯里上。 以上幾種氧化鋁纖維制備方法中。溶膠凝膠法工藝簡(jiǎn)單，燒結(jié)溫度較低且制得的纖維均勻性好，純度高，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，產(chǎn)品多樣，已成為生產(chǎn)氧化鋁纖維的主要方法。 氧化鋁纖維主要用于高溫絕熱材料（短纖維）和增強(qiáng)復(fù)合材料（長(zhǎng)纖維），可以編織成無(wú)紡布、編織帶、繩索等各種形狀的纖維制品。,2.3 晶須及顆粒增強(qiáng)體,晶須是在人工控制條件下以單晶形式生長(zhǎng)成的一種纖維，是高技術(shù)新型復(fù)合材料中的一種特

12、殊成員； （1）直徑非常小，以致難容納在大晶體中常出現(xiàn)的缺陷； （2）原子高度有序，因而強(qiáng)度接近于完整晶體的理論值； （3）具有優(yōu)良的耐高溫、高熱、耐腐蝕性能，良好的機(jī)械強(qiáng)度、 電絕緣性、輕量、高強(qiáng)度、高彈性模量、高硬度等特性； （4）在電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、鐵磁性、介電性、傳導(dǎo)性甚至超導(dǎo) 性等方面皆發(fā)生顯著變化。,2.3.1.1晶須增強(qiáng)體的分類,2.3.1晶須增強(qiáng)體的分類和物理性質(zhì),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。,2.3.1.2晶須增強(qiáng)體的物理性質(zhì),各種非金屬晶須的直徑比最細(xì)纖維還微細(xì)(小于10m)，長(zhǎng)度由零點(diǎn)幾毫米到數(shù)十毫米，最高模量可達(dá)100GPa數(shù)量級(jí)，最高熔點(diǎn)可達(dá)3500左右。,如用2030氧化鋁晶須增強(qiáng)金屬，得到的復(fù)合材料強(qiáng)度在室溫下比金屬增加近30倍。作為增強(qiáng)體時(shí)，晶須用量多在35(體積)以下。,晶須的伸長(zhǎng)率與玻