Com.其它纤维(10)

1、17 其它无机纤维材料其它无机纤维材料一、一、 硼纤维（硼纤维（Boron Fibre，BF或或Bf）概述概述 BF是一种新型无机纤维，最早由美国研制，是一种新型无机纤维，最早由美国研制，并于并于1966年在航天工业上得到应用，与前面介绍年在航天工业上得到应用，与前面介绍的的GF或或CF不同，不同，BF本身就是一种复合材料，常本身就是一种复合材料，常见的复合形式有：见的复合形式有： B/W，在细钨丝上沉积硼，在细钨丝上沉积硼 B/SiO2，在石英纤维上沉积硼，石英纤维事，在石英纤维上沉积硼，石英纤维事先要进行涂碳或涂钨处理先要进行涂碳或涂钨处理21.1 硼纤维的特点硼纤维的特点 弹性模量高弹性

2、模量高 拉伸强度、压缩强度高拉伸强度、压缩强度高 不仅可以以纤维形式使用，还可以作环不仅可以以纤维形式使用，还可以作环氧树脂、铝和钛的增强体氧树脂、铝和钛的增强体主要问题：主要问题： 价格昂贵价格昂贵31.2 BF的制造的制造 1958年，年，C.P.Talley首先发表用化学气首先发表用化学气相沉积相沉积(Chemical Vapour Deposition，CVD)方法研制成功高模量的硼纤维。方法研制成功高模量的硼纤维。 钨丝：钨丝：D：10um，L：3000m 硼层：硼层：50-100um 目前，目前，BF的直径有的直径有100、140、200um等几种。等几种。4BF的制造的制造（平行

3、反应器）（平行反应器）1 1）. . 氢化硼热分解氢化硼热分解, ,在钨丝上沉积在钨丝上沉积 B2H6 B + H2 (t =600)5BF的制造的制造 通过卤化物反应在钨丝载通过卤化物反应在钨丝载体上沉积硼制造硼纤维体上沉积硼制造硼纤维 2）. . 卤化硼反应沉积在钨卤化硼反应沉积在钨 丝上丝上 BCl3 +3/2H2 B +3HCl (t=1300)（竖直反应器）（竖直反应器）61.4 BF的性能的性能 优点：优点：很高的弹性模量和强度，很高的弹性模量和强度，但其性能受沉积条件和纤维直径的影但其性能受沉积条件和纤维直径的影响，具有耐高温和耐中子辐射性能。响，具有耐高温和耐中子辐射性能。 缺

4、点：缺点：是工艺复杂，不易大量生是工艺复杂，不易大量生产，价格昂贵，限制了广泛的应用。产，价格昂贵，限制了广泛的应用。 密度：密度：(2.4-2.65)g/cm37拉伸强度：拉伸强度： (3.2-5.2)GPa弹性模量：弹性模量： (350-400)GPa BF美国年产量约美国年产量约50吨。目前研究已吨。目前研究已用碳纤维代替钨丝，以降低成本和密度。用碳纤维代替钨丝，以降低成本和密度。碳芯硼纤维比钨丝硼纤维强度下降碳芯硼纤维比钨丝硼纤维强度下降5，但成本降低了但成本降低了25。81.5 硼纤维的应用硼纤维的应用 BF增强树脂，增强树脂，BF增强铝等先进复合材增强铝等先进复合材料。用于航天飞机

5、、料。用于航天飞机、B-1轰炸机、运载火箭、轰炸机、运载火箭、核潜艇等军事装备，取得了巨大效益。核潜艇等军事装备，取得了巨大效益。 我国我国70年代初开始研制年代初开始研制BF和复合材料，和复合材料，但仍处于实验室阶段，离大批量生产应用还但仍处于实验室阶段，离大批量生产应用还有相当的差距。有相当的差距。9二、碳化硅纤维二、碳化硅纤维( (SiC) ) (Silicon Carbide Fibre, SF或或SiCf)2.1 概述概述： 高性能的碳化硅（高性能的碳化硅（SiC）纤维是由）纤维是由聚二聚二甲基硅烷甲基硅烷经热分解重排转化为聚碳硅烷经热分解重排转化为聚碳硅烷（PCS），再以），再以P

6、CS为先驱体经熔融纺丝、为先驱体经熔融纺丝、不熔化处理及高温煅烧成而制得。不熔化处理及高温煅烧成而制得。10概述概述 SiC纤维具有高强度、高模量、耐高温氧纤维具有高强度、高模量、耐高温氧化性、耐化学腐蚀性等独特性能。化性、耐化学腐蚀性等独特性能。 SiC纤维自身是一种半导体材料（电阻纤维自身是一种半导体材料（电阻率在率在106.cm左右），通过改变原料组成或左右），通过改变原料组成或制备工艺条件可调节碳化硅纤维的电阻率，使制备工艺条件可调节碳化硅纤维的电阻率，使其成为吸波材料（电阻率在其成为吸波材料（电阻率在101-103.cm时时纤维具有最佳吸波性能）。纤维具有最佳吸波性能）。112.2

7、制备方法制备方法：化学气相沉积法（化学气相沉积法（CVD），聚合物转化法），聚合物转化法2.2.1 化学气相沉积法：化学气相沉积法： 类似于类似于BF的的CVD法，芯丝可用钨或碳法，芯丝可用钨或碳 1961年，年，Gareis首先申请碳化硅专利首先申请碳化硅专利 60年代，美国通用利用年代，美国通用利用CVD制造钨芯碳化硅纤维制造钨芯碳化硅纤维 钨芯后来被碳芯取代钨芯后来被碳芯取代 1975年，制造了碳芯碳化硅纤维年，制造了碳芯碳化硅纤维 1984年，美国制成连续碳化硅纤维年，美国制成连续碳化硅纤维12 CVD法钨芯碳化硅纤维的制造方法法钨芯碳化硅纤维的制造方法CVD法制造钨芯碳化硅法制造钨芯

8、碳化硅纤维的工艺装置简图纤维的工艺装置简图甲基三氯硅烷热分解甲基三氯硅烷热分解CH3SiCl3 SiC+3HCl此外还有：此外还有：二氯硅烷二氯硅烷乙基三氯硅烷乙基三氯硅烷四氯硅烷等四氯硅烷等132.3 SiC 纤维的结构纤维的结构 （9001500）的热解的热解SiC 纤维的纤维的XRD表明：表明： 1000， SiC 纤维具有非晶结构纤维具有非晶结构 1300， SiC 纤维结晶度增加，纤维纤维结晶度增加，纤维强度同时下降。强度同时下降。142.4 CVD碳化硅纤维的性能、特点碳化硅纤维的性能、特点性能性能 很高的室温拉伸强度、拉伸模量；突出的高温很高的室温拉伸强度、拉伸模量；突出的高温性

9、能和抗蠕变性能性能和抗蠕变性能特点特点钨芯碳化硅纤维的特点：钨芯碳化硅纤维的特点：密度大，界面复杂，密度大，界面复杂， 适宜于高温使用。适宜于高温使用。 碳芯碳化硅纤维的特点：碳芯碳化硅纤维的特点：密度小，制造成本低，密度小，制造成本低， 高温更稳定。高温更稳定。 152.5 CVD碳化硅纤维的不足：碳化硅纤维的不足： 单丝直径粗，柔曲性较差，成本单丝直径粗，柔曲性较差，成本较高较高 较高的表面损伤敏感性较高的表面损伤敏感性162.2.2 聚合物转化法聚合物转化法： 1975年日本失岛圣使教授首次提出年日本失岛圣使教授首次提出171 1）聚合物转化法）聚合物转化法的制备工艺的制备工艺包括四个阶

10、段：包括四个阶段：(1) (1) 制备聚碳硅烷制备聚碳硅烷( (PCS) )(2) (2) 熔融纺丝熔融纺丝(3) (3) 不熔化处理不熔化处理(4) (4) 高温烧成高温烧成( (Nicalon 纤维纤维) )，Nicalon纤维纤维即即-SiC纤维纤维182）. . Nicalon碳化硅纤维的结构、性能碳化硅纤维的结构、性能Nicalon纤维含有纤维含有：SiC 63%、SiO2 21.5%、 游离碳游离碳15.5%性能：性能：直径较小、柔曲性好直径较小、柔曲性好拉伸强度、拉伸模量高拉伸强度、拉伸模量高相对密度低，耐热性好相对密度低，耐热性好与金属反应性小、相容性好与金属反应性小、相容性好

11、192.4 SiC 纤维的应用纤维的应用1) 1) CVD法碳化硅纤维：法碳化硅纤维： 可适用于增强铝、镁及其合金，钛及钛合金可适用于增强铝、镁及其合金，钛及钛合金2) 2) 聚合物转化法制备碳化硅纤维聚合物转化法制备碳化硅纤维( (Nicalon) )： 作为聚合物、金属、碳及各种陶瓷材料的增强作为聚合物、金属、碳及各种陶瓷材料的增强体。体。203） 碳化硅纤维复合材料碳化硅纤维复合材料 吸波材料：吸波材料：吸波特性好，减弱发动机红外信吸波特性好，减弱发动机红外信号，具有耐高温、相对密度小、韧性好、强度号，具有耐高温、相对密度小、韧性好、强度大、电阻率高等优点。大、电阻率高等优点。 将碳、碳

12、化硅以不同比设计的方，控制电将碳、碳化硅以不同比设计的方，控制电阻率，便可制成耐高温、抗氧化、具有优异力阻率，便可制成耐高温、抗氧化、具有优异力学性能和良好吸波性能的学性能和良好吸波性能的SiC-C复合纤维。复合纤维。 SiC-C复合纤维与接枝酰亚胺基团与环氧树复合纤维与接枝酰亚胺基团与环氧树脂共聚改性复合材料，吸波性能都很优异。脂共聚改性复合材料，吸波性能都很优异。214） 金属基复合材料中的应用金属基复合材料中的应用 碳化硅纤维增强铝比铝轻碳化硅纤维增强铝比铝轻10，强度高，强度高1010，刚性高一倍，具有更好的化学稳定，刚性高一倍，具有更好的化学稳定性、耐热性和高温抗氧化性。它们主要用性

13、、耐热性和高温抗氧化性。它们主要用于汽车工业和飞机制造业。用碳化硅纤维于汽车工业和飞机制造业。用碳化硅纤维增强钛做成的板材和管材已用来制造飞机增强钛做成的板材和管材已用来制造飞机垂尾、导弹壳体和空间部件。垂尾、导弹壳体和空间部件。22三、三、 氧化铝纤维氧化铝纤维（Alumina Fibre， AF或或(Al2O3)f） 氧化铝纤维是多晶连续纤维，除了氧化铝纤维是多晶连续纤维，除了Al2O3以外，常含有约以外，常含有约15%的的SiO2。 SiO2作用是作用是高温下高温下抑制其相变。抑制其相变。233.1 氧化铝纤维的种类：氧化铝纤维的种类：-Al2O3-Al2O3-Al2O3连续纤维连续纤维

14、-Al2O3短纤维短纤维。243.2 氧化铝纤维的制造方法氧化铝纤维的制造方法杜邦法杜邦法拉晶法拉晶法( (TYCO法法) )住友法住友法( (日本住友公司研制）日本住友公司研制）溶胶溶胶- -凝胶法（凝胶法（3M法）法）ICI（英国（英国ICI公司研制）公司研制）253.3 氧化铝纤维的应用氧化铝纤维的应用 莫来石莫来石纤维是氧化铝基纤维的主要品纤维是氧化铝基纤维的主要品种，在结构上主要是以莫来石微晶相的形式种，在结构上主要是以莫来石微晶相的形式存在。与一般氧化铝基纤维相比，莫来石纤存在。与一般氧化铝基纤维相比，莫来石纤维具有更好的耐高温性，使用温度在（维具有更好的耐高温性，使用温度在（15

15、00-1600），特别是高温抗蠕变性和抗热震性均，特别是高温抗蠕变性和抗热震性均有很大提高，是当今国内外最新型的超轻质有很大提高，是当今国内外最新型的超轻质高温耐热纤维。高温耐热纤维。 26四、四、 有机纤维有机纤维6.1 芳香族聚酰胺纤维芳香族聚酰胺纤维（Aromatic Polyamide Fibre, Kevlar, KF) 芳纶纤维是芳香族聚酰胺纤维的商品名称，芳纶纤维是芳香族聚酰胺纤维的商品名称，国外名国外名Kevlar。274.2 概况概况 2020世纪世纪6060年代美国杜邦年代美国杜邦（DuPont）公司开发出芳纶纤维并实现产业化。现在公司开发出芳纶纤维并实现产业化。现在国外芳

16、纶无论是研发水平还是规模化生产国外芳纶无论是研发水平还是规模化生产都日趋成熟。都日趋成熟。 在芳纶纤维生产领域，对位芳酰胺纤维在芳纶纤维生产领域，对位芳酰胺纤维发展最快，产能主要集中在日本和美国、发展最快，产能主要集中在日本和美国、欧洲。欧洲。284.3 芳纶纤维的主要品种芳纶纤维的主要品种主要品种有：主要品种有： 美国杜邦美国杜邦聚对苯二甲酰对苯二胺聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)聚对苯甲酰胺聚对苯甲酰胺(PBA) 日本帝人日本帝人对位芳酰胺共聚纤维对位芳酰胺共聚纤维( (Technora) ) 俄罗斯公司俄罗斯公司 聚对芳酰胺苯并咪唑纤维聚对芳酰胺苯并咪唑纤维(CBM) ARMOC纤维纤维

17、294.3.1 聚对苯二甲酰对苯二胺聚对苯二甲酰对苯二胺 (PPTA)纤维纤维 常用品种有常用品种有Kelvar-29和和Kelvar-49等。等。Kelvar-49性能比性能比Kelvar-29好，好，强度高，密度小，刚性非常好，弹性强度高，密度小，刚性非常好，弹性模量很高。耐寒、耐热、耐辐射、耐模量很高。耐寒、耐热、耐辐射、耐疲劳、耐腐蚀。主要用作高强度复合疲劳、耐腐蚀。主要用作高强度复合材料的增强材料，广泛用作飞机、船材料的增强材料，广泛用作飞机、船体的结构材料。体的结构材料。 304.3.2定义定义 Kevlar纤维是分子链上至少含有纤维是分子链上至少含有85%的直接的直接与两个芳环相

18、连的酰胺基团的聚酰胺经溶液纺与两个芳环相连的酰胺基团的聚酰胺经溶液纺丝所得到的合成纤维。丝所得到的合成纤维。聚对苯二甲酰对苯二胺聚对苯二甲酰对苯二胺 PPTA314.3.3 聚对苯二甲酰对苯二胺聚对苯二甲酰对苯二胺 ( (PPTA) ) 纤维的制造纤维的制造第一阶段：第一阶段：原料对苯二胺与对苯二甲酰氯缩聚成原料对苯二胺与对苯二甲酰氯缩聚成PPTA第二阶段：第二阶段：聚合体溶解在溶剂中再进行纺丝，制成所需的纤维材料聚合体溶解在溶剂中再进行纺丝，制成所需的纤维材料NH2NH2+ COClClCOPPTA + 2nHCl溶于浓硫酸，制成各向异性液晶纺丝液溶于浓硫酸，制成各向异性液晶纺丝液挤压喷丝挤压喷丝干喷湿纺干喷湿纺干燥干燥溶液萃取与洗涤溶液萃取与洗涤K-29氮气保护下氮气保护下550550热处理热处理K-49324.3.5 结构结构纤维方向纤维方向1 1条链条链1 1条链条链334.3.6 芳纶纤维的性能芳纶纤维的性能1. .各向异性各向异性 力学性能：力学性能：拉伸断裂时，纵向开裂而劈成拉伸断裂时，纵向开裂而劈成许多更细的单丝（竹子），横向受压时，许多更细的单丝（竹子），横向受压时，会出现一定数量的纵向分层（氢键破坏）。会出现一定数量的纵向分层（氢键破坏）。 热性能：热性能：纵向热膨胀系