纤维增强改性聚合物复合材料完整版

1、 如，植物纤维棉花、麻类；如，植物纤维棉花、麻类； 动物纤维丝、毛；动物纤维丝、毛； 矿物纤维石棉。矿物纤维石棉。 天然纤维天然纤维 强度较低，强度较低， 现代复合材料的增强材料现代复合材料的增强材料 用合成纤维。用合成纤维。 在复合材料中起在复合材料中起，是主要，是主要 。 不仅能使材料显示出不仅能使材料显示出 和和，而且能，而且能，提高，提高和和 等。等。 在很大程度上取决于在很大程度上取决于 、及及。 如如，加入，加入后，后， 可从可从600 MPa600 MPa提高到提高到1000 MPa1000 MPa，可从可从3000 3000 MPaMPa提高到提高到8000 MPa8000 M

2、Pa，其，其可从可从8585提高提高 到到105105 ，使，使-40 -40 以下的以下的可提高可提高1010倍。倍。 纤维纤维 纤维纤维 纤维纤维 是指日前巳工业化生产并广泛应是指日前巳工业化生产并广泛应 用的用的。 国外商品牌号叫国外商品牌号叫，我，我 国暂命名为国暂命名为，有时也称，有时也称。 很短，发展很快。很短，发展很快。 1968午美国午美国开始研制。开始研制。 1972年以年以发表了专利并提供产品。发表了专利并提供产品。 1972年又研制了以年又研制了以命名的纤维。命名的纤维。 1973年正式登记的商品名称为年正式登记的商品名称为纤维。纤维。 包括三种牌号的产品，并包括三种牌号

3、的产品，并 重改名称。重改名称。 改称为改称为； 改称为改称为； 改称为改称为。 这三种牌号纤维这三种牌号纤维 的用途各不相同。的用途各不相同。 主要用于主要用于橡胶增强橡胶增强，制造轮胎制造轮胎、三角三角 皮带皮带、同步带同步带等；等； 主要用于主要用于绳索绳索、电缆电缆、涂漆织物涂漆织物、 带带和和带状物带状物，以及，以及防弹背心防弹背心等。等。 用于用于航空航空、宇航宇航、造船工业造船工业的复的复 合材料制件。合材料制件。 自自1972年年作为商品出售以来，作为商品出售以来，产量产量 逐年增加逐年增加。 其原因是由于该其原因是由于该，使之，使之 广泛应用到广泛应用到和和各个部门。各个部门

4、。 A 、芳纶纤维的、芳纶纤维的； 、 芳纶纤维的芳纶纤维的； 、芳纶纤维的、芳纶纤维的。 芳纶纤维的特点芳纶纤维的特点是是。单丝强度。单丝强度 可达可达3773 MPa；254mm长的纤维束的拉伸强度长的纤维束的拉伸强度 为为2744 MPa，大约为铝的，大约为铝的5倍。倍。 芳纶纤维的芳纶纤维的，大约为石墨纤维，大约为石墨纤维 的的6倍，为硼纤维的倍，为硼纤维的3倍，为玻璃纤维倍，为玻璃纤维0.8倍。倍。 的的，可达，可达1.27 1.577 MPa，比，比玻璃纤维玻璃纤维高一倍，为高一倍，为碳纤维碳纤维0.8倍。倍。 的的在在3左右，接近左右，接近玻璃玻璃 纤维纤维，高于其他纤维。，高于

5、其他纤维。 与与混杂将能大大混杂将能大大纤维复纤维复 合材料的合材料的。 的的，比重为，比重为1.44 1.45，只，只 有铝的一半。因此，它有高的有铝的一半。因此，它有高的与与。 下表为芳纶纤维的基本性能下表为芳纶纤维的基本性能 有有， ，当温度达，当温度达487 时尚时尚，但开始，但开始。 因此，因此，在高温作用下，不发生变形，在高温作用下，不发生变形， 直至分解。直至分解。 如，能长期在如，能长期在180下使用；在下使用；在150下作用下作用 一周后一周后、不会下降；即使在不会下降；即使在200下，下， 一周后一周后15，4； 另外，在低温另外，在低温(-60)不发生不发生亦不亦不。 和

6、碳纤维一样，芳纶纤维的和碳纤维一样，芳纶纤维的具有具有 的特点。的特点。 如，芳纶纤维的如，芳纶纤维的在在0 100 时为时为-2 10 -6 / ；在；在100 200时为时为-4 10 6 /。为为59 10 -6 / 具有良好的具有良好的性能，对性能，对中中 性化学药品性化学药品的的一般是很强的，但易受一般是很强的，但易受 各种各种，尤其是，尤其是； 芳纶纤维的芳纶纤维的也不好，这是由于在分子也不好，这是由于在分子 结构中存在着结构中存在着； 对纤维的影响，类似于对纤维的影响，类似于尼龙或聚酯尼龙或聚酯。在。在 (20相对湿度相对湿度)下芳纶纤维的吸湿率为下芳纶纤维的吸湿率为1 ，但在，

7、但在(85相对湿度相对湿度)下，可达到下，可达到7。 芳纶纤维是芳纶纤维是对苯二甲酰对苯二甲酰与与对苯二胺对苯二胺的聚合体，的聚合体， 经溶解转为经溶解转为液晶液晶纺丝而成。它的化学结构式如下：纺丝而成。它的化学结构式如下： 从上述化学结构可知，从上述化学结构可知，材料的材料的基基 体结构体结构是长链状是长链状，即结构中含有，即结构中含有， 其中至少其中至少85的酰氨直接键合在芳香环上的酰氨直接键合在芳香环上. 键合在芳香环上键合在芳香环上刚硬的直线状分子键在刚硬的直线状分子键在 是是高度定向高度定向的，各的，各聚合物链聚合物链是由是由作横向连结。作横向连结。 这种在这种在和和， 是造成芳纶纤

8、维是造成芳纶纤维的原因，即纤维的原因，即纤维 的的，而，而。 芳纶纤维的芳纶纤维的化学链化学链主要由主要由组成。这种组成。这种芳芳 环结构环结构具有具有，并使，并使聚合物链聚合物链呈呈状态状态 而不是而不是状态，形成状态，形成结构，因而纤维具有结构，因而纤维具有 。 芳纶纤维芳纶纤维分子链分子链是是，这又使纤维能，这又使纤维能 而具有而具有的能力，在的能力，在 单位体积内可容纳很多聚合物。这种高密度的聚单位体积内可容纳很多聚合物。这种高密度的聚 合物具有合物具有。 由于由于具有具有，因此，因此， 它具有它具有、 以及在很高温度下以及在很高温度下等特点。等特点。 通过电镜对纤维观察表明，芳纶是一

9、种通过电镜对纤维观察表明，芳纶是一种 的有规则的的有规则的。 这种这种结构的模型，可以很好地解释结构的模型，可以很好地解释 、及及的现象。的现象。 目前，芳纶纤维的总产量目前，芳纶纤维的总产量43用于用于 (芳纶芳纶-29)，31用于用于，17.5 用于用于和和，8.5用于用于。 以以作为作为，作为作为所形所形 成的成的，简称，简称KFRP，它在，它在航空航天方面航空航天方面 的应用，仅次于的应用，仅次于，成为必不可少的材料。，成为必不可少的材料。 聚乙烯纤维作为目前聚乙烯纤维作为目前一种有机一种有机 纤维，它具有以下四个特点：纤维，它具有以下四个特点： 、成本较低成本较低。 通常情况下，通常

10、情况下，的的大于大于106， 纤维的纤维的为为3.5 GPa，弹性模量弹性模量为为116 GPa， 为为3.4%，为为0.97 g / cm 3。可用于制。可用于制 做做武器装甲武器装甲、防弹背心防弹背心、航天航空部件航天航空部件等。等。 相比于其它各种纤维材料，相比于其它各种纤维材料，具有具有 许多种许多种。 如：高如：高、高、高以及以及、 、等。等。 的不足之处：的不足之处： （约（约135） 。 因此仅能在因此仅能在100以下使用。以下使用。 1、纤维纤维 2、 纤维纤维 3、 纤维纤维 4 、 纤维纤维 5 、氧化铝氧化铝纤维纤维 6、纤维纤维 7 、纤维纤维 8、纤维纤维 1.1 及

11、其及其； 1.2 玻璃纤维的玻璃纤维的及及； 1.3 玻璃纤维的玻璃纤维的； 1.4 玻璃纤维的玻璃纤维的。 随着随着工业的发展，工业的发展，工工 业也得到迅速发展。业也得到迅速发展。 玻璃纤维的主要特点如下：玻璃纤维的主要特点如下： 、普遍采用、普遍采用新技术；新技术； 、大力发展、大力发展工艺；工艺； 、用于玻璃钢的、用于玻璃钢的逐渐逐渐发展，发展， 纤维直径为纤维直径为14-24um，甚至达，甚至达27um； 、大量生产、大量生产； 、大力发展、大力发展玻璃纤维织物玻璃纤维织物， 和和所占比例增加；所占比例增加； 、重视纤维、重视纤维-树脂树脂的研究，的研究， 不断增加，玻璃纤维的不断增

12、加，玻璃纤维的受到普遍重视。受到普遍重视。 我国我国诞生于诞生于1950年，当时只能年，当时只能 生产生产绝缘材料用绝缘材料用的的。 1958年以后，年以后，得到迅速发展。得到迅速发展。 现在全国有大、小现在全国有大、小玻璃纤维厂家玻璃纤维厂家200多个，玻璃多个，玻璃 纤维纤维年产量年产量为为5万吨，其中万吨，其中无碱纤维无碱纤维占占20，中中 碱纤维碱纤维占占80，纤维直径纤维直径多数为多数为6-8um，正向粗，正向粗 纤维方向发展。纤维方向发展。 正在推广，重视正在推广，重视 的研究，的研究，不断出现，许多玻璃纤维不断出现，许多玻璃纤维 厂使用厂使用，玻璃纤维工业的不断发展玻璃纤维工业的

13、不断发展促促 进了我国复合材料及尖端科学技术的发展。进了我国复合材料及尖端科学技术的发展。 玻璃纤维的分类方法很多。通常从玻玻璃纤维的分类方法很多。通常从玻 璃璃、及及 等方面进行分类。等方面进行分类。 这种分类方法主要用于这种分类方法主要用于的分类。的分类。 一般以不同的一般以不同的来区分：来区分： (1)玻璃纤维玻璃纤维 (2)玻璃纤维玻璃纤维 (3)玻璃纤维玻璃纤维 (4)玻璃纤维玻璃纤维 是以是以组成的玻璃纤维，这种纤组成的玻璃纤维，这种纤 维维，和和优良，能优良，能 ，也好也好(但但)。 最大的特点是最大的特点是，因此，因此 也把它称做也把它称做。 现在，国内外大多数都使用这种现在，

14、国内外大多数都使用这种 作为复合材料的作为复合材料的原材料原材料。 目前，国内规定其目前，国内规定其不大于不大于 0.5，国外一般为，国外一般为1左右。左右。 (2)中碱玻璃纤维中碱玻璃纤维 它是指碱金属氧化物含量在它是指碱金属氧化物含量在11.5 12.5 之间的玻璃纤维。之间的玻璃纤维。 国外没有这种玻璃纤维，它的主要特点是国外没有这种玻璃纤维，它的主要特点是 好，但好，但不如不如E玻璃纤维高。它主要玻璃纤维高。它主要 用于用于中，中，。 称称，类似于窗玻璃及玻璃瓶，类似于窗玻璃及玻璃瓶 的的钠钙玻璃钠钙玻璃。 此种玻璃由于此种玻璃由于，对，对潮气潮气侵侵 蚀极为蚀极为敏感敏感，因而很少作

15、为增强材料。，因而很少作为增强材料。 如由纯如由纯三元组成的三元组成的， ， 玻璃纤维，含玻璃纤维，含纤维，纤维，纤维，纤维， 纤维等。纤维等。 玻璃纤维玻璃纤维呈呈，以其，以其可以分可以分 为以下几种：为以下几种： 纤维：纤维：30 um；纤维：纤维：20 um; 纤维：纤维：10 20 um ； 纤维：纤维：3 10um (亦称亦称纤维纤维)。 对于对于小于小于4 um的玻璃纤维称为的玻璃纤维称为。 不同，不仅使纤维的不同，不仅使纤维的有差异，有差异， 而且影响到纤维的而且影响到纤维的、和和。 一般一般5 10 um的纤维作为的纤维作为使用，使用， 10 14 um的纤维一般做的纤维一般做

16、、 等较为适宜。等较为适宜。 有有，其中有，其中有及有及有 (用于纺织用于纺织)、 及及等。等。 根据根据具有具有可分为：可分为：玻璃玻璃 纤维、纤维、玻璃纤维、玻璃纤维、玻璃纤维、玻璃纤维、玻玻 璃纤维、璃纤维、玻璃纤维玻璃纤维(指指及及玻璃纤维玻璃纤维)。 的的比比高许多倍，但高许多倍，但 经研究证明，经研究证明，的的与与相同。相同。 关于玻璃结构的假说到目前为止，比较能够反关于玻璃结构的假说到目前为止，比较能够反 映实际情况的是映实际情况的是“”和和“ ”。 玻璃是由玻璃是由或或的的“ ”组成，在组成，在“”之间由之间由 所填充。所填充。 玻璃是由玻璃是由、或或 相互连成不规则相互连成不

17、规则；网络间的；网络间的 由由Na、K、Ca、Mg等等。 二氧化硅四面体的二氧化硅四面体的是决定是决定 的基础，填充的的基础，填充的Na、Ca等阳离子称为等阳离子称为 。 大量资料证明，大量资料证明，是是的。主的。主 要是因为在要是因为在玻璃结构中玻璃结构中存在存在一定数量和大小一定数量和大小比较比较 ，这种规则性是由，这种规则性是由一定数目的一定数目的 多面体多面体遵循类似遵循类似造成的。造成的。 但是，但是，的这种的这种不像晶体结不像晶体结 构那样有严格的周期性，构那样有严格的周期性，的，的， ，反映到玻璃的，反映到玻璃的上是上是 。 玻璃纤维的玻璃纤维的主要是主要是、 、等。等。 玻璃纤

18、维的玻璃纤维的对玻璃纤维的对玻璃纤维的 起决定性作用，以起决定性作用，以为主的称为为主的称为 ，以，以为主的称为为主的称为。 、等碱性氧化物为等碱性氧化物为， 它可以降低玻璃的它可以降低玻璃的和和，使玻璃熔液中，使玻璃熔液中 的气泡容易排除。的气泡容易排除。 主要通过主要通过，使，使 ，从而达到助熔的目的。，从而达到助熔的目的。 因此因此氧化钠和氢化钾的含量越高氧化钠和氢化钾的含量越高，玻璃纤维的，玻璃纤维的 、和和都会相应的降低。都会相应的降低。 加入加入、等，能在一定条件等，能在一定条件 下下，改善玻璃的某些性质，改善玻璃的某些性质 和工艺性能。和工艺性能。 例如，用例如，用取代取代可可

19、；加入三；加入三可可 总之，玻璃纤维总之，玻璃纤维一方面要一方面要 ，具有良好，具有良好 的的；另一方面要；另一方面要， 如合适的如合适的、及及。 玻璃纤维具有一系列玻璃纤维具有一系列， 、和和等。等。 玻璃纤维的玻璃纤维的是具有是具有，对人，对人 的皮肤有刺激性等。的皮肤有刺激性等。 一般一般，其表面都有较，其表面都有较 深的深的； 而对于而对于来说，其来说，其表面表面呈呈， 其其横断面横断面几乎都是几乎都是。 宏观看来，由于宏观看来，由于，纤维之间的抱合力，纤维之间的抱合力 非常小，非常小，； 又由于又由于，所以玻璃纤维彼此相靠近时，所以玻璃纤维彼此相靠近时， ，这对于提高复合材料制品的，

20、这对于提高复合材料制品的 玻璃含量玻璃含量是有利的。是有利的。 从从1.5 25 um，大多数为，大多数为4 14 um。 为为2.16 4.30 gcm3，其比重较，其比重较 有机纤维大很多，但比一般的金属比重要低，与铝相有机纤维大很多，但比一般的金属比重要低，与铝相 比几乎一样。所以在航空工业上用比几乎一样。所以在航空工业上用代替代替 就成为可能。就成为可能。 此外，一般情况下，此外，一般情况下，大于大于 。 由于玻璃纤维的由于玻璃纤维的表面积大表面积大，使得纤，使得纤 维维对对很大。很大。 玻璃纤维的最大特点是玻璃纤维的最大特点是。一般。一般 的拉伸强度只有的拉伸强度只有40 100 M

21、Pa，而直径，而直径3 9 um的的拉伸强度则高达拉伸强度则高达1500 4000 MPa， 较一般合成纤维高约较一般合成纤维高约10倍，比合金钢还高倍，比合金钢还高2倍。倍。 几种几种材料的强度如下表所示：材料的强度如下表所示： 几种纤维材料和金属材料的强度几种纤维材料和金属材料的强度 对玻璃纤维高强的原因，许多学者提出了不对玻璃纤维高强的原因，许多学者提出了不 同的假说，其中比较有说服力的是同的假说，其中比较有说服力的是。 认为，认为，玻璃的理论强度玻璃的理论强度取决于取决于 ，其，其，可达到，可达到 200 l 200kgmm2。 但通常情况下，玻璃或玻璃纤维的但通常情况下，玻璃或玻璃纤

22、维的 很低。这是因为，在它们当中，存在着很低。这是因为，在它们当中，存在着 ，的的，从而大大降，从而大大降 低了其强度。低了其强度。 分布在分布在破璃或玻璃纤维破璃或玻璃纤维的的内，内， 但以但以危害最大。危害最大。 出于出于的存在，使玻璃的存在，使玻璃在外力作用下在外力作用下 ，在危害最大的微裂纹处，产生，在危害最大的微裂纹处，产生，从，从 而使而使。 比玻璃的比玻璃的很多，主要有两方很多，主要有两方 面的原因：面的原因： 、玻璃纤维、玻璃纤维高温成型时高温成型时 ，使，使。 、玻璃纤维的、玻璃纤维的，随着，随着 ，使，使也减少，从而使纤维强也减少，从而使纤维强 度增高。度增高。 有人更明确

23、地提出，有人更明确地提出，玻璃纤维强度玻璃纤维强度 比比纤维强度高的原因是由于纤维强度高的原因是由于 ，从而，从而，使纤维，使纤维 具有较高的强度。具有较高的强度。 A、一般情况，玻璃纤维的、一般情况，玻璃纤维的随随 变细而拉伸强度增加，如下表所示：变细而拉伸强度增加，如下表所示： 玻璃纤维拉伸强度与直径的关系玻璃纤维拉伸强度与直径的关系 B、也与也与有关，随着有关，随着长长 度增加度增加。如下表所示：。如下表所示： 纤维纤维对对的影响，可用的影响，可用 “”给予解释：给予解释： 随着纤维随着纤维和和，纤维，纤维 中中就会相应地就会相应地，这样，这样 就会相应地就会相应地。 纤维的纤维的与玻璃

24、与玻璃关系密切。关系密切。 对于对于(即即基本组分基本组分)来说，部分来说，部分改变氧化改变氧化 物的种类和数量物的种类和数量，纤维强度改变不大，纤维强度改变不大(2030)。 而而(即即改变它的基本组分改变它的基本组分)，强度会产生，强度会产生 大幅度地变化。大幅度地变化。 一般来说，含碱量越高，纤维的强度越低。一般来说，含碱量越高，纤维的强度越低。 强度明显地高于强度明显地高于，而，而 强度更低。强度更低。 研究表明，研究表明，和和由于由于 、等原因，而具有很等原因，而具有很 。 纤维的纤维的对对巨大。如下表所示：巨大。如下表所示： 纤维强度与化学组成的关系纤维强度与化学组成的关系 从上表

25、可以看出，当各种纤维从上表可以看出，当各种纤维都有微裂纹都有微裂纹 时时强度相近；只有当强度相近；只有当表面缺陷减小到一定程度表面缺陷减小到一定程度 时，时，对其对其的依赖关系才会表的依赖关系才会表 现出来。现出来。 当纤维当纤维后，会出现后，会出现 的现象，称为的现象，称为。 主要取决于纤维对主要取决于纤维对大气水分大气水分 的化学稳定性。的化学稳定性。 例如，直径例如，直径6 um的的和含和含17的的 Na2O ，在空气湿度为，在空气湿度为60 65的条的条 件下存放，件下存放，存放后存放后， 而而不断不断。 强度变化的原因，主要是由于强度变化的原因，主要是由于对对 不同所致。不同所致。

26、一般是指一般是指随随 的情况。的情况。 纤维疲劳现象是纤维疲劳现象是的，当相对湿度为的，当相对湿度为60 65 %时，玻璃纤维在时，玻璃纤维在，都会有很，都会有很 大程度的疲劳。大程度的疲劳。 受施加负荷受施加负荷的影响，即的影响，即 是普通存在的。是普通存在的。 例如，在施加例如，在施加60的的的作用力下，的作用力下， 2 6昼夜，纤维会全部断裂。昼夜，纤维会全部断裂。 玻璃纤维玻璃纤维，在于，在于， 即即并并中，在外力的作用中，在外力的作用 下，加速裂纹的扩展。下，加速裂纹的扩展。 玻璃纤维玻璃纤维取决于取决于。 这与这与、等方面有关。等方面有关。 玻璃纤维玻璃纤维和和对强度也有对强度也有

27、 很大影响。很大影响。 如玻璃如玻璃，拉制的，拉制的 。 纤维的延伸率纤维的延伸率(又称又称)是指纤维是指纤维在外力在外力 作用下作用下的伸长百分率。的伸长百分率。 比其它比其它有机纤维的延伸率有机纤维的延伸率， 一般为一般为3左右。左右。 玻璃纤维的玻璃纤维的是指是指在弹性范围在弹性范围 的的。 玻璃纤维的玻璃纤维的约为约为7 104 MPa，与铝，与铝 相当，只有普通钢的三分之一，致使复合材料的相当，只有普通钢的三分之一，致使复合材料的 。 对玻璃纤维的对玻璃纤维的起主要作用的是其起主要作用的是其 。 实践证明，加入实践证明，加入、能够提高玻璃能够提高玻璃 纤维的弹性模量。纤维的弹性模量。

28、 含含BeO的高的高(M)，其弹性模量比，其弹性模量比 (E)提高提高60。它取决于玻璃纤维。它取决于玻璃纤维 ，与，与直径大小直径大小、磨损程度磨损程度等无关。等无关。 另外，另外，不同直径的玻璃纤维不同直径的玻璃纤维， 也证明了它们具有也证明了它们具有近似的分子结构近似的分子结构。 玻璃纤维的玻璃纤维的是指纤维是指纤维抵抗抵抗的能力的能力； 玻璃纤维的玻璃纤维的是指纤维是指纤维抵抗抵抗的能力的能力。 玻璃纤维这玻璃纤维这，经过揉搓摩擦容易受，经过揉搓摩擦容易受 伤或断裂，这是玻纤的严重缺点。伤或断裂，这是玻纤的严重缺点。 当当纤维表面纤维表面后后能加速能加速， 使纤维使纤维降低。降低。 为

29、了提高玻璃纤维的为了提高玻璃纤维的以满足纺织工艺的以满足纺织工艺的 工求，可以采用适当的工求，可以采用适当的，如经，如经0.2阳阳 离子活性剂水溶液离子活性剂水溶液处理后，玻璃纤维的耐磨性比处理后，玻璃纤维的耐磨性比 未处理的高未处理的高200倍。倍。 纤维的纤维的一般以一般以来来 表示；表示；弯曲半径越小，柔性越好弯曲半径越小，柔性越好。 如如直径为直径为9 um时，其弯曲半径为时，其弯曲半径为 0.094 mm；而；而直径为直径为3.6 um时，其弯曲时，其弯曲 半径为半径为0.038 mm。 是指通过是指通过单位传热面积单位传热面积1m2，温温 度梯度度梯度为为1度度/ m，时间时间为为

30、1小时小时。 的的导热系数导热系数为为千卡千卡/米米度度时，时， 但拉制成但拉制成后，其导热系数只有后，其导热系数只有千千 卡米卡米度度时。时。 产生这种现象的原因，主要是产生这种现象的原因，主要是 ，所致；所致； ，其，其，主要是因为，主要是因为 所致；所致； 越小，越小，越好。越好。 对玻璃纤维的对玻璃纤维的。 例如，当玻璃纤维的使用温度升高到例如，当玻璃纤维的使用温度升高到200300 ， 其导热系数只升高其导热系数只升高10。 因此，因此，是一种是一种。当。当玻璃玻璃 纤维受潮纤维受潮时，时，导热系数增大导热系数增大，隔热性能降低隔热性能降低。 玻璃纤维玻璃纤维，软化点为，软化点为55

31、0 580， 其其热膨胀系数热膨胀系数为为4.8 106 / 。 是一种是一种，不会引起燃烧。将，不会引起燃烧。将 玻璃纤维加温，直到玻璃纤维加温，直到某一强度界限某一强度界限以前，强度基本以前，强度基本 不变。不变。 玻璃纤维的玻璃纤维的是由是由决定的。决定的。 一般情况下，一般情况下，玻璃纤维加热到玻璃纤维加热到470之之 前（不降温），强度变化不大；前（不降温），强度变化不大； 和和玻璃纤维的耐热性则可达到玻璃纤维的耐热性则可达到 2000以上。以上。 如果将如果将玻璃纤维玻璃纤维加热至加热至250以上后以上后 (通常称为热处理通常称为热处理)，则，则。 ，。 例如：例如：300下经下经

32、24小时，强度下降小时，强度下降20； 400下经下经24小时、强度下降小时、强度下降50； 500下经下经24小时、强度下降小时、强度下降70； 600下经下经24小时，强度下降小时，强度下降80。 玻璃纤维的玻璃纤维的与与有关。有关。 因此，因此，热处理温度热处理温度虽然很高，但因虽然很高，但因 ，故，故。 玻璃纤维玻璃纤维热处理后热处理后，可能是，可能是热处热处 理理使使所引起的所引起的. 玻璃纤维的玻璃纤维的主要取决于主要取决于、 和和。 纤维的纤维的比比纤维优越得多。纤维优越得多。 这主要是因为这主要是因为的缘故。的缘故。 碱金属离子越多，电绝缘性能越差；碱金属离子越多，电绝缘性能越

33、差； 玻璃纤维的玻璃纤维的随着随着而而。 虽然玻璃纤维的虽然玻璃纤维的，但，但对对 玻璃纤维的玻璃纤维的。 湿度增加湿度增加，电阻率下降电阻率下降。如下表所示：。如下表所示： 在玻璃纤维的在玻璃纤维的中，加入大量的中，加入大量的 、氧化银氧化银或或， 会使纤维具有会使纤维具有。 在玻璃纤维上在玻璃纤维上涂敷涂敷，能获得，能获得 导电纤维导电纤维。 是优良的是优良的透光材料透光材料，但制成，但制成制制 品后，其品后，其远不如玻璃。远不如玻璃。 玻璃纤维制品的玻璃纤维制品的以以、 和和来表示。来表示。 是指玻璃布是指玻璃布与与 之比，即之比，即 0 I I P p 式中：式中：-反射系数；反射系数

34、； Ip-反射光强度反射光强度; Io -入射光强度。入射光强度。 在一般情况下，在一般情况下，与布的与布的 、及及有关，平均为有关，平均为40-70; 如将透光性较弱的如将透光性较弱的半透明材料半透明材料垫在下边玻璃垫在下边玻璃 布的布的可达可达87。 是指是指与与 之比，即之比，即 0 I I 式中，式中， -透光系数透光系数 ； I -透过光强度；透过光强度； Io-入射光强度入射光强度 玻璃布的玻璃布的与与及及有关。有关。 的玻璃布，透光系数可达的玻璃布，透光系数可达65； 的玻璃布，透光系数只有的玻璃布，透光系数只有1820。 是用是用与与 (标准器标准器)之比之比来测得。来测得。

35、不同织纹玻璃布的光学性能如下表所示：不同织纹玻璃布的光学性能如下表所示： 不同织纹玻璃布的光学性能不同织纹玻璃布的光学性能 由于由于具有具有优良的光学性能优良的光学性能，因而可，因而可 以制成以制成，进而制成各种，进而制成各种、 以以传送光束传送光束或或光学物像光学物像。这在现代。这在现代 等方面也得到了广泛应用。等方面也得到了广泛应用。 除对除对、外，外， 对对和和都有都有 。 在很大程度上在很大程度上决定了决定了 。 玻璃纤维的玻璃纤维的一般认为与一般认为与 有关。有关。 玻璃纤维在玻璃纤维在以上的环境中存放，以上的环境中存放， 强度有所下降；强度有所下降； 玻璃纤维在玻璃纤维在下，强度保

36、持率在下，强度保持率在 50左右。左右。 但是，但是，即使即使， ； 只有在只有在中，由于玻璃纤维中中，由于玻璃纤维中 所含的所含的，才会才会。 根据根据可知，可知，相互相互 连结构成连结构成玻璃纤维结构的骨架玻璃纤维结构的骨架，它是很难与，它是很难与、 ( H3PO3，HF除外除外)起反应的。起反应的。 在在中，还有中，还有， 等金属离等金属离 子及子及SiO2与金属离子结合的与金属离子结合的部分；部分； 当当与与作用时，多数是作用时，多数是溶溶 解玻璃纤维结构中的解玻璃纤维结构中的或或破坏破坏部分；部分； 对于对于、等，将使等，将使玻璃纤维结玻璃纤维结 构构全部全部。 中碱玻璃纤维中碱玻璃

37、纤维是较高的，但是较高的，但 是较差的；是较差的； 无碱玻璃纤维无碱玻璃纤维，但，但较好；较好； 如下表所示：如下表所示： 玻璃纤维和玻璃纤维和玻璃纤维，从玻璃纤维，从 ，二者的，二者的 ；如下表所示：；如下表所示： 含含Na2O，K2O比比高二十高二十 多倍，多倍，受酸作用后受酸作用后，首先从表面上，有较多的金，首先从表面上，有较多的金 属氧化物侵析出来，但主要是属氧化物侵析出来，但主要是Na2O ， K2O的离的离 析、溶解。析、溶解。 另一方面，另一方面，受酸作用后受酸作用后，与玻璃与玻璃 纤维中纤维中生成生成，而，而迅速聚合迅速聚合并并 凝成凝成，结果，结果在玻璃表面上在玻璃表面上会形

38、成一层极薄的会形成一层极薄的 ，这层膜使，这层膜使与与 迅速减缓，使迅速减缓，使也缓慢。也缓慢。 实践证明实践证明Na2O ， K2O有利于这层保护膜的形有利于这层保护膜的形 成。所以成。所以比比的的。 水与玻璃纤维水与玻璃纤维，首先是侵蚀，首先是侵蚀玻璃纤维表玻璃纤维表 面的面的，主要是，主要是的溶解，的溶解， 使水呈现使水呈现。 随着时间的增加，随着时间的增加，玻璃纤维与碱液玻璃纤维与碱液继续作用、继续作用、 直至使直至使破坏。由于破坏。由于的的 碱金属氧化物含量碱金属氧化物含量较低，所以较低，所以较高。较高。 与与受到受到NaOH溶液侵蚀后，溶液侵蚀后， 几乎几乎，包括，包括SiO2在内

39、，在内， 使纤维变细。使纤维变细。 但是，随但是，随浸碱时间的增加浸碱时间的增加，基基 本不发生变化本不发生变化，即，即内部结构内部结构并未破坏，因而并未破坏，因而 基本不变。基本不变。 总之，玻璃纤维的总之，玻璃纤维的主要取决于其主要取决于其 成分中的成分中的及及的含量。的含量。 显然，显然， ，而，而则会则会使化学稳定性降使化学稳定性降 低低。 在玻璃纤维成分中在玻璃纤维成分中增加增加SiO2或或A12O3含量含量，或，或 加入加入ZrO2及及TiO2都可以提高玻璃纤维的都可以提高玻璃纤维的； 增加增加SiO2含量，或加入含量，或加入CaO，ZrO2及及ZnO能能 提高玻璃纤维的提高玻璃纤

40、维的； 在玻璃纤维中加入在玻璃纤维中加入A12O3 、 ZrO2及及TiO2等等 氧化物，可大大提高氧化物，可大大提高。 、对对、的的化学稳化学稳 定性较好定性较好，远比普通纤维高。远比普通纤维高。 是一种非常好的是一种非常好的，但，但 拉制成拉制成后，其性能远不如玻璃。后，其性能远不如玻璃。 这主要是由于这主要是由于 所造成的。所造成的。 例如，克重的例如，克重的2mm2mm厚的玻璃，只有厚的玻璃，只有5.1cm5.1cm2 2表表 面积；而克玻璃纤维面积；而克玻璃纤维( (直径直径5um)5um)的表面积则有的表面积则有 3100cm3100cm2 2，表面积增大了，表面积增大了60860

41、8倍。倍。 也就是说也就是说比比 玻璃大玻璃大608608倍。因此，倍。因此，比比 块玻璃块玻璃很多。很多。 同样的玻璃纤维，受不同体积的侵蚀介同样的玻璃纤维，受不同体积的侵蚀介 质作用，其化学稳定性不同。质作用，其化学稳定性不同。 对玻璃纤维的对玻璃纤维的有很大影响。有很大影响。 在在100以下以下时，温度每升高时，温度每升高10，纤维在介质，纤维在介质 侵蚀下的破坏速度增加侵蚀下的破坏速度增加50-l00； 温度升高到温度升高到l00以上以上时，破坏作用将更剧烈。时，破坏作用将更剧烈。 可分可分及及两种。两种。 一般用一般用增强型浸润剂增强型浸润剂，由原纱直接并，由原纱直接并 股、络纱制成

42、。股、络纱制成。 有捻纱有捻纱则多用纺织型浸润剂，由原纱经过则多用纺织型浸润剂，由原纱经过 、并股、络纱而制成。、并股、络纱而制成。 由于生产由于生产的的直径直径、支数支数及及股数股数 不同，使不同，使有许多种。有许多种。 有两种表示方法；有两种表示方法； 定重法定重法 2定长法定长法 是用一克重原纱的长度来表示。是用一克重原纱的长度来表示。 纤维长度纤维重量纤维长度纤维重量 例如：例如：40支纱，就是指一克重的原纱长支纱，就是指一克重的原纱长40m。 是目前是目前国际统一使用的方法国际统一使用的方法，通称，通称“TE ”(公制称号公制称号)，是指，是指1000m长的原纱的克重量。长的原纱的克

43、重量。 例如：例如：4 “ TEX ” 就是指就是指1000m原纱重原纱重4g。 是指是指纤维与纤维之间纤维与纤维之间 ，以捻米为单位。，以捻米为单位。 捻度有捻度有和和，Z捻一般称为左捻，顺时捻一般称为左捻，顺时 针方向加捻；针方向加捻；S捻称为右捻，是逆时针方向加捻。捻称为右捻，是逆时针方向加捻。 通过通过可可提高纤维的抱合力提高纤维的抱合力，改善了单，改善了单 纤维的受力状况，有利于纺织工序的进行。纤维的受力状况，有利于纺织工序的进行。 但是，当玻璃纤维的但是，当玻璃纤维的时时，不易被，不易被 树脂浸透。树脂浸透。 中的纤维具有中的纤维具有、 、被树脂被树脂等特点。等特点。 因此，因此，

44、多用于缠绕多用于缠绕高压容器高压容器及及 管道管道等，同时也用于等，同时也用于挤拉成型挤拉成型、喷射成型喷射成型等等 工艺中。工艺中。 高强度玻璃纤维有高强度玻璃纤维有和和 两个系统。两个系统。 镁铝硅酸盐玻璃纤维镁铝硅酸盐玻璃纤维也称也称。 其化学成分主要是其化学成分主要是SiO2-65，Al2O3-25， MgO-10。 S玻璃纤维与玻璃纤维与E玻璃纤维相比，玻璃纤维相比， 33%，提高提高20。 具有高的比强度，在高温下有具有高的比强度，在高温下有良好良好 的强度保留率的强度保留率及及高的疲劳极限高的疲劳极限。 直径为直径为9 um的的，经过，经过无水增无水增 强型浸润剂强型浸润剂“HT

45、S”处理后，其处理后，其拉伸强度拉伸强度可达可达4900 MPa，弹性模量弹性模量为为9 104 MPa，其，其耐热性耐热性比较高。比较高。 的拉丝温度很高，一般要在的拉丝温度很高，一般要在 1400以上，需要特殊的拉丝工艺。以上，需要特殊的拉丝工艺。 因此，国外又开始研究因此，国外又开始研究。 这种纤维的化学成分为这种纤维的化学成分为SiO2：40-50， A12O3：19-29，B2O3：10-20，Li2O： 0.1-1。 玻璃纤维的玻璃纤维的较低，不需特殊较低，不需特殊 拉丝工艺条件，一般用含量拉丝工艺条件，一般用含量15-25的的铂拉丝炉铂拉丝炉即即 可拉丝。可拉丝。 玻璃纤维的玻璃

46、纤维的拉伸强度拉伸强度为为4400 MPa，弹弹 性模量性模量为为7.4 l04 MPa。 有时，为了提高有时，为了提高弹性模量，弹性模量， 常常在其配方中人为引入常常在其配方中人为引入BeO。 高模量玻璃高模量玻璃，也称，也称或或。 M玻璃纤维的玻璃纤维的模量模量为为9.4 10 4 MPa，比一般玻璃，比一般玻璃 纤维的模量提高纤维的模量提高1/3以上，以上，拉伸强度拉伸强度和和E玻璃纤维相玻璃纤维相 似，似，玻璃液相温度玻璃液相温度为为1110 。 由由制成的制成的玻璃钢制品玻璃钢制品， 在外力作用下在外力作用下不易变形，更适合于要求不易变形，更适合于要求高强度和高高强度和高 模量制品模

47、量制品，以及，以及航空、宇航所用的制品航空、宇航所用的制品。 国内这种玻璃的成分质量比如下：国内这种玻璃的成分质量比如下： 是一种优良的耐高温材料，这是一种优良的耐高温材料，这 种纤维仅限于用高纯度种纤维仅限于用高纯度(99.95二氧化硅二氧化硅) 制成的纤维，它保持了制成的纤维，它保持了固体石英的特固体石英的特 点和性能点和性能。 石英纤维的直径一般为石英纤维的直径一般为10-100 um，由于，由于 其其，故纺织品价格比一般玻璃纱，故纺织品价格比一般玻璃纱 高很多。高很多。 石英纤维的具有以下五个方面的性能：石英纤维的具有以下五个方面的性能： 一般玻璃纤维一般玻璃纤维的的软化温度软化温度只

48、有只有550-580 ， 而而石英纤维石英纤维的的软化温度软化温度可达可达1250 以上。以上。 室温下，室温下，的膨胀系数为的膨胀系数为5 10 7/， 当温度升高到当温度升高到1200 时、仅增大为时、仅增大为11 10 -7 / ， 为普通玻璃纤维的为普通玻璃纤维的1/10-1/20。 另外，另外，加热到加热到800-1000 后，用水后，用水 冷却，其性能无损伤。冷却，其性能无损伤。 在高温下在高温下的的电绝缘性能电绝缘性能良好，其导良好，其导 电率只有电率只有10-16 -1.cm 1，为一般纤维的干分之一，为一般纤维的干分之一 至万分之一。至万分之一。 能能100-200，但，但

49、的能力差些。的能力差些。 在在250-4700 um的光谱区内，有较的光谱区内，有较 高的透光率。高的透光率。 广泛用在广泛用在电机制造电机制造、光通讯光通讯、火箭火箭及及 原子反应堆工程原子反应堆工程等方面。等方面。 是以是以高岭土高岭土、铝矾土铝矾土、蓝蓝 晶石晶石等为原料，在高频炉、电弧炉或其它高温等为原料，在高频炉、电弧炉或其它高温 炉中熔化，用炉中熔化，用制成的玻璃纤维。制成的玻璃纤维。 成的成的纤维较短纤维较短，可以，可以捻丝成线捻丝成线， 但但强度较低强度较低。 的的化学组成特点化学组成特点是是A12O3 占占50以上，其以上，其熔化温度熔化温度为为1760，最高使用温最高使用温

50、 度度为为1260。 的主要用途是作的主要用途是作 和和，多用于，多用于火箭火箭、喷气发动机喷气发动机、原子反原子反 应堆应堆等。等。 是采用是采用原料，用原料，用 特制特制拔丝炉拔丝炉拔丝制成。拔丝制成。 呈呈中空状态中空状态，质轻质轻、刚性好刚性好，制，制 成玻璃钢制品比一般的轻成玻璃钢制品比一般的轻10以上，而且弹性模量以上，而且弹性模量 较高，适用于较高，适用于航空航空与与海底装备海底装备。 另外，另外，的的好，好， 低，但性质较脆。低，但性质较脆。 空心玻璃纤维的直径为空心玻璃纤维的直径为10-17um。 是空心玻璃纤维性能的重要因素。当体积重是空心玻璃纤维性能的重要因素。当体积重

51、量为量为1.6 1.8 g/ cm3时，毛细系数为时，毛细系数为0.6-0.7。 3.1 概概 述述 （Carbon Fibre, CF或或Cf）的开发历史）的开发历史 可追溯到可追溯到19世纪末期世纪末期，美国科学家爱迪生发明的，美国科学家爱迪生发明的 白炽灯灯丝，而真正作为白炽灯灯丝，而真正作为有使用价值有使用价值并规模生产并规模生产 的碳纤维，则出现在的碳纤维，则出现在二十世纪二十世纪50年代末期年代末期。 1959年美国联合碳化公司年美国联合碳化公司(Union Carbide Corporation，UCC)以粘胶纤维以粘胶纤维(Viscose firber)为原丝为原丝 制成商品名

52、为制成商品名为“Hyfil Thornel”的的 (Rayon-based carbon firber)。 1962年日本年日本炭素公司炭素公司实现低模量实现低模量 (Polyacry lontrile-based carbon firber，PANCF)的的 工业化生产工业化生产; 1963年英国年英国航空材料研究所航空材料研究所(Royal Aircraft Establishment，RAE)开发出高模量开发出高模量 ； 1965年日本群马大学试制成功年日本群马大学试制成功以沥青或木质以沥青或木质 素为原料素为原料的的； 1970年日本昊羽化学公司实现年日本昊羽化学公司实现 Pitch-

53、based carbon fiber的工业规模生产；的工业规模生产； 1968年美国金刚砂公司研制出商品名为年美国金刚砂公司研制出商品名为“Kynol” 的的Phenolic fibers; 1980年以年以酚醛纤维为原丝酚醛纤维为原丝的的(Fibrous activated carbon)投放市场。投放市场。 1988年，世界年，世界总生产能力为总生产能力为10054吨吨/年，年， 其中其中为为7840吨，占总量的吨，占总量的78。 日本是最大的聚丙烯腈基碳纤维生产国，生产能力日本是最大的聚丙烯腈基碳纤维生产国，生产能力 约约3400吨吨/年，占总量的年，占总量的43。 美国的碳纤维主要用于

54、美国的碳纤维主要用于航空航天航空航天领域，欧洲在领域，欧洲在 航空航天、体育用品和工业方面的需求比较均衡，航空航天、体育用品和工业方面的需求比较均衡， 而日本则以而日本则以体育器材体育器材为主。为主。 是由是由有机纤维有机纤维经经固相反应固相反应转变而成转变而成 的的纤维状聚合物碳纤维状聚合物碳，是一种非金属材料。，是一种非金属材料。 不属于不属于有机纤维有机纤维范畴，但范畴，但从制备方法从制备方法 上上看，它又不同于看，它又不同于普通无机纤维普通无机纤维。 碳纤维具有碳纤维具有、 ； 好，除硝酸等少数强酸外，几好，除硝酸等少数强酸外，几 乎对所有药品均稳定；另外，碳纤维对乎对所有药品均稳定；

55、另外，碳纤维对也稳定。也稳定。 具有非常优良的具有非常优良的X射线透过性射线透过性，阻阻 止中子透过性止中子透过性，还可，还可赋予塑料赋予塑料以以和和。 以碳纤维为增强剂的复合材料以碳纤维为增强剂的复合材料具有具有 的特性，是一种目前最受重视的高性能材料之的特性，是一种目前最受重视的高性能材料之 一。它在航空航天、军事、工业、体育器材等许多一。它在航空航天、军事、工业、体育器材等许多 方面有着广泛的用途。方面有着广泛的用途。 当前，国内外巳商品化的当前，国内外巳商品化的很多，很多， 一般可以根据一般可以根据、和和 等三种方法进行分类。等三种方法进行分类。 在高性能碳纤维中，有在高性能碳纤维中，

56、有碳纤维、碳纤维、 碳纤维、碳纤维、碳纤维等。碳纤维等。 这类碳纤维中，有这类碳纤维中，有纤维、纤维、纤维、纤维、 纤维等。纤维等。 (1)纤维；纤维； (2)碳纤维；碳纤维； (3)碳纤维；碳纤维； (4)碳纤维；碳纤维； (5)其他其他(各种天然纤维、再各种天然纤维、再 生纤维、缩合多环芳香族合成纤维生纤维、缩合多环芳香族合成纤维)碳纤维。碳纤维。 (1)碳纤维碳纤维 (2)碳纤维碳纤维 (3)碳纤维碳纤维(吸附活性吸附活性) (4)碳纤维碳纤维 (5)碳纤维碳纤维 (6)碳纤维碳纤维 是一种是一种以碳为主要成分以碳为主要成分的纤维状材料。的纤维状材料。 它不同于它不同于有机纤维有机纤维或

57、或无机纤维无机纤维，不能用，不能用熔融法或溶熔融法或溶 液法液法直接纺丝，只能直接纺丝，只能以有机物为原料以有机物为原料，采用，采用 制造。制造。 可分为两种类型，可分为两种类型， 即即和和。 是是在惰性气氛中在惰性气氛中，(如如 烃或芳烃等烃或芳烃等)在高温下在高温下沉积成纤维。沉积成纤维。 用这种方法只能制造用这种方法只能制造或或，不能制，不能制 造造连续长丝连续长丝。 可以制造可以制造， 它通常分为两步进行：它通常分为两步进行： 将将有机纤维有机纤维经过经过变成变成耐焰纤维耐焰纤维； 在惰性气氛中在惰性气氛中，于高温下进行，于高温下进行 ，使有机纤维失去，使有机纤维失去部分碳部分碳和和其

58、它非碳其它非碳 原子原子，形成，形成的纤维状物。的纤维状物。 天然纤维天然纤维、再生纤维再生纤维和和合成纤维合成纤维都可都可 用来制备用来制备。 制备制备时时，是是加热时加热时 不熔融不熔融，可牵伸可牵伸，且，且碳纤维产率高碳纤维产率高。 制作碳纤维的制作碳纤维的有三种：有三种： 人造丝人造丝(粘胶纤维粘胶纤维)； 聚丙烯腈聚丙烯腈(PNN) 纤维；纤维； 沥青。沥青。 用用人造丝人造丝、聚丙烯腈纤维聚丙烯腈纤维、沥青沥青为为 原料生产的碳纤维各有其不同特点。原料生产的碳纤维各有其不同特点。 其中，制造其中，制造高强度高强度、高模量高模量碳纤维碳纤维 多选多选为原料。为原料。 无论用哪一种无论

59、用哪一种原丝纤维原丝纤维来制造碳纤维，来制造碳纤维， 都要经过都要经过： 可用可用湿法湿法、干法干法或者或者熔融状态熔融状态三种三种 中的任意一种方法进行。中的任意一种方法进行。 在室温以上，通常是在室温以上，通常是100-300 范围内范围内 进行。进行。 W.Watt首先发现首先发现的拉伸的拉伸 效应，而且这种效应控制着最终效应，而且这种效应控制着最终。 通过通过400 加热氧化加热氧化的方法。的方法。 400 的氧化阶段的氧化阶段是是A. Shindos 最近最近在工在工 艺上艺上做出的贡献。它显著地降低所有的热失重，做出的贡献。它显著地降低所有的热失重， 并因此保证高度并因此保证高度和

60、取得和取得。 在在1000-2000 范围内进行。范围内进行。 在在2000-3000 范围内进行。范围内进行。 在制备在制备的过程中，无论采用什的过程中，无论采用什 么原材料，都要经过上述五个阶段，即么原材料，都要经过上述五个阶段，即 、以以 及及等，所产生的最终纤维，其基本等，所产生的最终纤维，其基本 成分为碳。成分为碳。 1碳纤维的碳纤维的与与 2碳纤维的碳纤维的 3碳纤维的碳纤维的 材料的材料的主要决定于材料的主要决定于材料的。结构有。结构有 两方面的含义，一是两方面的含义，一是，二是，二是。 决定于决定于与与。 对对有机纤维有机纤维进行进行、等工艺处理等工艺处理 的目的是，除去的目的