第2章-增強體材料

1、第2章 增強體材料,碳纖維的理論強度為180GPa，目前世界上強度最高的碳纖維T1000（日本東麗公司）的拉伸強度也僅是理論值的3.9，而國產(chǎn)碳纖維的拉伸強度則更低，所以提高碳纖維的拉伸強度有很大的潛力和空間。,高的比強度、比模量、高導熱性、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。,在金屬基復合材料制備和使用過程中其組織結(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相容性，不發(fā)生嚴重的界面反應。,與金屬有良好的浸潤性，或通過表面處理能與金屬良好浸潤，基體良好復合和分布均勻。此外，增強物的成本也是應考慮的一個重要因素。,能明顯提高金屬基 體所需的某種特性

2、,具有良好的化學穩(wěn)定性,有良好的浸潤性,2.1.1 纖維類增強體 纖維類增強物有連續(xù)長纖 維和短纖維。,2.1.2 顆粒類增強體 顆粒增強體分外加和內(nèi)生兩種，一般是具有高強度、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 晶須類增強體 晶須是在人工條件下生長出來的細小單晶。由于細小組織結(jié)構(gòu)缺陷少，具有很高的強度和模量。,2.1.4 其它增強體 用于金屬基復合材料的高強度、高模量金屬絲增強物主要有鐵絲、高強度鋼絲、不銹鋼絲和鎢絲等。,2.2 纖維類增強體,2.2.1 碳纖維,實際用作碳纖維原料的有機纖維主要有三種：,20世紀80年代以來，國外許多以PAN纖維為原料制造碳纖

3、維的廠家在原料供 應及碳纖維的生產(chǎn)、供銷方面進行廣泛合作與競爭，促進了PAN基 碳纖維工業(yè)的長足發(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 國聯(lián)合碳化物公司(Union Carbide)的碳化技術(shù)，生產(chǎn)出高強 度、高模量碳纖維。,1959年，日本的進藤昭男發(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；,英國考陶爾公司(Courtaulds)利用這項技術(shù)開始生產(chǎn)高強度、高 模量PAN基碳纖維。,英國皇家航空研究所的Watt等人，對PAN纖維生產(chǎn)進行

4、技術(shù)改進；,美國、前蘇聯(lián)、法國、德國、印度、南斯拉夫、以色列、韓國也都引進或開發(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90年代后，由于PAN基碳纖維性能優(yōu)越，應用領(lǐng)域日益擴展。目前世 界PAN基碳纖維已進入發(fā)展旺盛的成熟期，IM7和IM8的強度達到 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，超過惰性金屬黃金和鉑金；,熱膨脹系數(shù)小，導熱系數(shù)大；,強度高，大于1600MPa；,高模量，大于230MPa；,密度小，比強度高；,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,獨特的性能：抗壓強度是其拉伸強度的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,將有機物加熱變成無機物的過程，在遠古的時代便已經(jīng)利用了。 近年來發(fā)明的將聚丙烯腈等有機纖維

7、高溫碳化后制備碳纖維的方法，在這個領(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絲，形成的細絲再燒結(jié)固化。通常是將粒徑在1.7m（亞微米）和燒結(jié)助劑和過量的碳與適當?shù)木酆衔锝M成的混合物。其工藝流程如下：,2.2.3.2 SiC纖維的性能及其應用領(lǐng)域 SiC纖維具有抗拉強度和拉伸模量高，密度低； 耐熱性好，在空氣中可長期應用于10001100使用； 與金屬反應性小，浸潤性好，在1000以下幾乎不與金屬發(fā)生反應； 纖維具有半導體性且隨組成不同，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，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，而是通過加入水溶性有機高分子來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 醇鹽或無機鹽為

9、原料, 同時加入其它有 機酸催化劑, 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 得到溶膠, 濃縮的溶膠達到一定粘度后 進行紡絲, 得到凝膠纖維, 隨后進行熱 處理得到氧化鋁纖維。,2. 溶膠 - 凝 膠法,日本住友化學公司的產(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，將其溶解在有機溶劑中, 加入硅酸酯或有機硅化合物, 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機纖維，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、.預聚合法,此法采用無機鹽溶液浸漬基體纖維, 經(jīng)過燒結(jié)除去基體纖維而得到陶瓷纖維。缺點是成本高。,美國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:,美國3M公司生產(chǎn)Nextel系列氧化鋁纖維，具代表性的品種是Nextel-312。,國外公司生產(chǎn)的高性能氧化鋁纖維。 （1）美國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3m公司通過溶膠凝膠法生產(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、學公司采用預聚合法生產(chǎn)Altex氧化鋁纖維，其組分為Al2O3、SiO2和B2O3。 （5）英國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12001600，已開始應用在工業(yè)燒結(jié)爐的襯里上。 以上幾種氧化鋁纖維制備方法中。溶膠凝膠法工藝簡單，燒結(jié)溫度較低且制得的纖維均勻性好，純度高，可設計性強，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）和增強復合材料（長纖維），可以編織成無紡布、編織帶、繩索等各種形狀的纖維制品。,2.3 晶須及顆粒增強體,晶須是在人工控制條件下以單晶形式生長成的一種纖維，是高技術(shù)新型復合材料中的一種特

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，良好的機械強度、 電絕緣性、輕量、高強度、高彈性模量、高硬度等特性； （4）在電學、光學、磁學、鐵磁性、介電性、傳導性甚至超導 性等方面皆發(fā)生顯著變化。,2.3.1.1晶須增強體的分類,2.3.1晶須增強體的分類和物理性質(zhì),晶須是在受控條件下培殖生長的高純度纖細單晶體，其晶體結(jié)構(gòu)近乎完整，不含有晶粒界、位錯、空洞等晶體結(jié)構(gòu)缺陷，具有異乎尋常的力學等物理性能。,2.3.1.2晶須增強體的物理性質(zhì),各種非金屬晶須的直徑比最細纖維還微細(小于10m)，長度由零點幾毫米到數(shù)十毫米，最高模量可達100GPa數(shù)量級，最高熔點可達3500左右。,如用2030氧化鋁晶須增強金屬，得到的復合材料強度在室溫下比金屬增加近30倍。作為增強體時，晶須用量多在35(體積)以下。,晶須的伸長率與玻