增强材料要点PPT课件

1、第第2章章 增强材料增强材料2.1 概述概述1.添加剂（助剂或配合剂） 能改善聚合物基体性能，而不明显影响聚合物分子结构能改善聚合物基体性能，而不明显影响聚合物分子结构的辅助材料。的辅助材料。2.添加剂种类提高稳定性的添加剂：抗氧剂、光（热）稳定剂、防霉剂提高稳定性的添加剂：抗氧剂、光（热）稳定剂、防霉剂改善力学性能的添加剂：纤维增强剂、微粒填充剂、偶联剂改善力学性能的添加剂：纤维增强剂、微粒填充剂、偶联剂改善加工性能：增塑剂、润滑剂、脱模剂改善加工性能：增塑剂、润滑剂、脱模剂改进表面性能和外观：抗静电剂、防雾剂、着色剂、荧光增加剂改进表面性能和外观：抗静电剂、防雾剂、着色剂、荧光增加剂提高耐

2、燃性能：阻燃剂提高耐燃性能：阻燃剂改变其他性能的添加剂：发泡剂改变其他性能的添加剂：发泡剂第1页/共72页2.1 概述概述3. 增强纤维显著提高基体材料的机械性能（高强度、高模量）显著提高基体材料的机械性能（高强度、高模量）无机纤维：无机纤维：玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维维、氧化铝纤维有机纤维：有机纤维：芳纶纤维、聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维芳纶纤维、聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维第第2章章 增强材料增强材料第2页/共72页2.2 玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维的组成玻璃纤维的组成 玻璃纤维是由玻璃纤维是由SiO2及各种金属氧化物组成的硅酸盐类及各种金属氧

3、化物组成的硅酸盐类混合物，属无定形离子结构物质。混合物，属无定形离子结构物质。SiO2：主要组分，形成基本骨架，有高的熔点主要组分，形成基本骨架，有高的熔点金属氧化物：金属氧化物：改善制备玻璃纤维的工艺条件和性能改善制备玻璃纤维的工艺条件和性能（Al2O3 ，CaO ，MgO ，BeO ，B2O3）第第2章章 增强材料增强材料第3页/共72页2.2 玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维的分类玻璃纤维的分类 按按化学组成分：化学组成分：有碱玻璃纤维（碱金属氧化物有碱玻璃纤维（碱金属氧化物MxOy含量大含量大于于12%）；中碱玻纤（）；中碱玻纤（ MxOy：612% ）；低碱玻纤（）；低碱玻纤（ MxOy：2

4、6% ）；微碱玻纤（）；微碱玻纤（ MxOy：2% ）按纤维使用特性：按纤维使用特性：普通玻纤；电工玻纤（普通玻纤；电工玻纤（E玻纤）；高强玻纤）；高强玻纤（玻纤（S玻纤或玻纤或R玻纤）；耐化学药品玻纤（玻纤）；耐化学药品玻纤（C玻纤）玻纤）按产品特点分：按产品特点分：长度（定长玻纤，连续玻纤）；长度（定长玻纤，连续玻纤）； 直径直径（粗纤维，初级纤维，中级纤维，高级纤维）；外观（连续纤（粗纤维，初级纤维，中级纤维，高级纤维）；外观（连续纤维，短切纤维，空心玻纤，玻璃粉）维，短切纤维，空心玻纤，玻璃粉）第第2章章 增强材料增强材料第4页/共72页2.2 玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维的制备玻璃纤维的

5、制备 坩埚拉丝法坩埚拉丝法玻璃原料玻璃原料制球制球拉丝拉丝玻纤玻纤玻璃原料（砂、玻璃原料（砂、石灰石、硼酸石灰石、硼酸）熔炼炉（熔炼炉（1260）造球机造球机玻璃球玻璃球第第2章章 增强材料增强材料第5页/共72页第6页/共72页2.2 玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维的制备玻璃纤维的制备 池窑法池窑法将玻璃配合料投入熔窑熔化后，直接拉制成玻纤将玻璃配合料投入熔窑熔化后，直接拉制成玻纤优点：效率高，生产能力高；优点：效率高，生产能力高； 自动化控制，产品质量稳定；自动化控制，产品质量稳定； 节约原料，便于回收节约原料，便于回收第第2章章 增强材料增强材料第7页/共72页2.2 玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维

6、制品的制造玻璃纤维制品的制造 玻纤玻纤玻纤制品（布、带、毡）玻纤制品（布、带、毡）纺织、加工纺织、加工第第2章章 增强材料增强材料第8页/共72页第9页/共72页2.2 玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维浸润剂玻璃纤维浸润剂 第第2章章 增强材料增强材料浸润剂浸润剂：在单根纤维表面涂覆的由粘接组分、润在单根纤维表面涂覆的由粘接组分、润滑组分和表面活性剂等配制的乳液。滑组分和表面活性剂等配制的乳液。作用：作用：使单丝集束；使单丝集束； 防止原纱缠绕成卷时，纤维相互粘接；防止原纱缠绕成卷时，纤维相互粘接； 保护纤维，防止纤维磨损降低强度。保护纤维，防止纤维磨损降低强度。种类：种类：纺织型浸润剂（石蜡型、淀粉

7、型）纺织型浸润剂（石蜡型、淀粉型） 增强型浸润剂（偶联剂）增强型浸润剂（偶联剂） 化学处理剂（偶联剂）化学处理剂（偶联剂）前处理法第10页/共72页2.2 玻璃纤维玻璃纤维的性能第第2章章 增强材料增强材料1.力学性能（拉伸强度较高，但模量较低）d10mm, s纤=1000MPa；d5mm，s纤=2400MPa s玻璃40100MPa微裂纹理论：微裂纹理论：玻璃在制造过程中引入许多微裂纹，受力后裂纹尖端应力集中。当玻璃在制造过程中引入许多微裂纹，受力后裂纹尖端应力集中。当应力达到一定值时，裂纹扩展，材料破坏。所以，缺陷尺寸越大，应力达到一定值时，裂纹扩展，材料破坏。所以，缺陷尺寸越大，越多，应

8、力集中越严重，导致强度越低。越多，应力集中越严重，导致强度越低。分子取向理论：分子取向理论：玻纤在制备过程中，受到定向牵引力作用，分子玻纤在制备过程中，受到定向牵引力作用，分子排列更规整，所以玻纤强度更大。排列更规整，所以玻纤强度更大。s玻纤 s玻璃第11页/共72页 玻璃纤维强度的尺寸效应（体积效应） （1） d 越小， sb越高： df=50m，855MPa； df=8m，2.21GPa； df=3.4m，3.32GPa。 （2）L越大， sb越低： df=5m时，L=4.4mm，2.86GPa； L=18.6mm，2.33GPa； L=87mm，1.71GPa。2.2 玻璃纤维玻璃纤维的

9、性能第12页/共72页 玻璃纤维强度的分散性较大； 玻璃纤维强度受湿度影响； 玻璃纤维的拉伸模量较低。 高强度玻璃纤维的主要性能见表2-3.2.2 玻璃纤维玻璃纤维的性能第13页/共72页2.2 玻璃纤维玻璃纤维的性能第第2章章 增强材料增强材料2.热性能Tg600，Tf 1200；T250 ，温度越高，强度越低，具有短时耐高温特性；，温度越高，强度越低，具有短时耐高温特性；300 ，24h， s s降低降低20%； 400 ，24h， s s降低降低50%；导热系数导热系数k k低（低（20100 ，0.86Kcal/m.h. ）,良好的绝热性能；良好的绝热性能；热膨胀系数热膨胀系数a a低

10、（低（20100 ，4.810-6/ ），），比热容比热容C为为0.19 cal/g. 第14页/共72页2.2 玻璃纤维玻璃纤维的性能第第2章章 增强材料增强材料3.耐腐蚀性能耐腐蚀性能 玻璃除了氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对酸、碱、盐以及有玻璃除了氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对酸、碱、盐以及有机溶剂具有较好的耐腐蚀能力。玻纤表面积大，故比块状玻璃机溶剂具有较好的耐腐蚀能力。玻纤表面积大，故比块状玻璃耐腐蚀性差。耐腐蚀性差。Na2O/K2O离析，溶解酸玻纤硅酸盐硅酸胶体 保护膜（减缓溶解过程）水玻纤Na2O/K2O溶解碱性SiO2骨架破坏碱玻纤溶解玻纤所有成分，玻纤变细中碱玻纤耐酸，不耐水不耐碱；无

11、碱玻纤耐水，不耐酸不耐碱中碱玻纤耐酸，不耐水不耐碱；无碱玻纤耐水，不耐酸不耐碱第15页/共72页2.2 玻璃纤维玻璃纤维的性能第第2章章 增强材料增强材料4.电性能电性能电绝缘性好：含碱量越高，绝缘性越低；电绝缘性好：含碱量越高，绝缘性越低； （碱金属离子迁移，成为载流子）（碱金属离子迁移，成为载流子） 湿度、温度提高，绝缘性降低湿度、温度提高，绝缘性降低良好的高频介电性能（介电常数较小，介质损耗低）良好的高频介电性能（介电常数较小，介质损耗低）第16页/共72页 常用术语、参数（1）原纱（2）表示原纱粗细的指标：支数、特tex和旦（带）denier（3）捻度（4）股数N玻璃纤维制品的品种与规

12、格玻璃纤维制品的品种与规格1.玻璃纤维纱玻璃纤维纱第17页/共72页 纤维支数有两种表示方法：纤维支数有两种表示方法： (1) 定质量法定质量法 用质量为用质量为1g的原纱的长度来表示，即：的原纱的长度来表示，即： 原纱克质量数）纤维质量（测量）纤维长度（通常用纤维支数m100m10040支纱支纱(2) 定长法定长法 目前国际上统一使用的方法，通称目前国际上统一使用的方法，通称“TEXTEX”( (公制号数公制号数) )。 1000m长的原纱的克质量。长的原纱的克质量。 4“TEX”质量为质量为1g的原纱长的原纱长40m。1000m原纱质量为原纱质量为4g。第18页/共72页捻度捻度 单位长度

13、内纤维与纤维之间所加的转数，以捻单位长度内纤维与纤维之间所加的转数，以捻m为单位为单位 Z捻捻(左捻左捻)，顺时针方向加捻；，顺时针方向加捻；S捻捻(右捻右捻)，逆时针方向加捻。，逆时针方向加捻。 加捻的作用：加捻的作用：提高纤维的抱合力提高纤维的抱合力改善单纤维的受力状况，改善单纤维的受力状况，利于纺织工序的进行。利于纺织工序的进行。缺点：缺点：捻度过大不易被树脂浸透。捻度过大不易被树脂浸透。 第19页/共72页纱的品种与规格纱的品种与规格 玻璃纤维纱可分无捻纱及有捻纱两种。玻璃纤维纱可分无捻纱及有捻纱两种。 无捻纱一般用增强型浸润剂，由原纱直接并股、无捻纱一般用增强型浸润剂，由原纱直接并股

14、、络纱制成络纱制成 有捻纱则多用纺织型浸润剂，原纱经过退绕、加有捻纱则多用纺织型浸润剂，原纱经过退绕、加捻、并股、络纱而制成。捻、并股、络纱而制成。 根据纤维直径、支数及股数不同，无捻纱和有根据纤维直径、支数及股数不同，无捻纱和有捻纱的规格有许多种。捻纱的规格有许多种。 牌号表示法：牌号表示法：第20页/共72页 无捻粗纱中的纤维是平行排列的，拉伸强度很高，易被树无捻粗纱中的纤维是平行排列的，拉伸强度很高，易被树脂浸透，故无捻粗纱多用于缠绕高压容器及管道等，同时也用脂浸透，故无捻粗纱多用于缠绕高压容器及管道等，同时也用于拉挤成型、喷射成型等工艺中。于拉挤成型、喷射成型等工艺中。 第21页/共7

15、2页折算断裂强度，便于比较不用粗细的纱的强度高低。折算断裂强度，便于比较不用粗细的纱的强度高低。 sb =Pb/A纱强强度低于单丝，原因：纱强强度低于单丝，原因：测量标距不同；测量标距不同；单丝实际负载时是分批断裂；单丝实际负载时是分批断裂；加捻使纤维承受附加的扭转力。加捻使纤维承受附加的扭转力。第22页/共72页 玻璃布的品种与规格玻璃布的品种与规格（1 1）玻璃布的品种）玻璃布的品种按照编制方法不同，分为平纹布、斜纹布及缎纹布按照编制方法不同，分为平纹布、斜纹布及缎纹布（2 2）主要规格）主要规格见表见表2-7.2-7.（3 3）牌号表示法）牌号表示法第23页/共72页 玻璃布的折算断裂强

16、度玻璃布的折算断裂强度 sb =Pb/F布布强度低于纱强度的原因：布强度低于纱强度的原因：由于布中的玻璃纤维经过纺织及在布中呈现弯曲及扭曲由于布中的玻璃纤维经过纺织及在布中呈现弯曲及扭曲状态，其拉伸强度远低于玻璃纱强度。状态，其拉伸强度远低于玻璃纱强度。第24页/共72页 玻璃布的使用情况玻璃布的使用情况（1 1）编制情况）编制情况（2 2）布厚度）布厚度（3 3）排纱密度）排纱密度第25页/共72页其他玻纤制品其他玻纤制品1 1）立体编织物）立体编织物2 2）玻璃纤维毡片）玻璃纤维毡片3 3）缝合毡）缝合毡4 4）无维布（带）无维布（带）第26页/共72页1、无捻粗纱、无捻粗纱2、无碱布、无

17、碱布3、短切玻璃纤维、短切玻璃纤维4、无捻方格布、无捻方格布5、玻璃纤维耐碱网布、玻璃纤维耐碱网布6、膨体纱与膨体布、膨体纱与膨体布7、拉挤纱、拉挤纱8、缠绕纱、缠绕纱9、喷射纱、喷射纱.第27页/共72页1、无捻粗纱无捻粗纱 无捻粗纱是由平行原无捻粗纱是由平行原丝或平行单丝集束而成。丝或平行单丝集束而成。无捻粗纱是加工方格布、无捻粗纱是加工方格布、网格布的基本原料，是网格布的基本原料，是玻璃钢基材最基本的原玻璃钢基材最基本的原材料。材料。 喷射用无捻粗纱，缠绕型无捻粗纱，拉挤用无捻粗纱及织喷射用无捻粗纱，缠绕型无捻粗纱，拉挤用无捻粗纱及织造用无捻粗纱等，用途十分广泛。造用无捻粗纱等，用途十分

18、广泛。 种类种类第28页/共72页2、无碱布无碱布 无碱布是用无碱玻纤无碱布是用无碱玻纤纱织造而成，具有优异的纱织造而成，具有优异的电气绝缘性、力学性能、电气绝缘性、力学性能、耐热性及抗吸湿性。主要耐热性及抗吸湿性。主要用于生产各种电绝缘层压用于生产各种电绝缘层压板、印刷线路板、各种车板、印刷线路板、各种车辆车体、贮罐、船艇、模辆车体、贮罐、船艇、模具等具等 无碱布还适合用作玻璃无碱布还适合用作玻璃漆布，玻璃布层压制品与漆布，玻璃布层压制品与覆铜箔层压的基材，以及覆铜箔层压的基材，以及玻璃云母制品等的补强材玻璃云母制品等的补强材料。料。第29页/共72页第30页/共72页3、短切玻璃纤维短切玻

19、璃纤维 短切玻璃纤维，适应于各种不同的用途。采用适当短切玻璃纤维，适应于各种不同的用途。采用适当的浸润剂和集束数，切成不同长度的玻璃纤维，在热固的浸润剂和集束数，切成不同长度的玻璃纤维，在热固性，热塑性树脂增强材料中获得广泛的应用。性，热塑性树脂增强材料中获得广泛的应用。 第31页/共72页4、无捻方格布无捻方格布 以无捻粗纱织成的方格布，广泛应用于手糊玻璃钢以无捻粗纱织成的方格布，广泛应用于手糊玻璃钢(FRP)产品领域。产品领域。 第32页/共72页5、玻璃纤维耐碱网布玻璃纤维耐碱网布 玻璃纤维耐碱网布是玻璃纤维耐碱网布是以中碱或无碱玻璃纤维织以中碱或无碱玻璃纤维织物为基础，经耐碱涂层处物为

20、基础，经耐碱涂层处理而成。该产品强度高、理而成。该产品强度高、粘结性好、服贴性、定位粘结性好、服贴性、定位性极佳，广泛应用于墙体性极佳，广泛应用于墙体增强，外墙保温，屋面防增强，外墙保温，屋面防水等方面，还可应用于水水等方面，还可应用于水泥、塑料、沥青、大理石、泥、塑料、沥青、大理石、马赛克等墙体材料的增强，马赛克等墙体材料的增强，是建筑行业理想的工程材是建筑行业理想的工程材料。料。第33页/共72页6、膨体纱与膨体布膨体纱与膨体布 膨体纱由玻璃纤维膨体纱由玻璃纤维纱经过高压空气装置，纱经过高压空气装置，特殊膨化而成，该产品特殊膨化而成，该产品兼有连续长纤维的高强兼有连续长纤维的高强度，又有短

21、切纤维的蓬度，又有短切纤维的蓬松性，具有耐高温、耐松性，具有耐高温、耐腐蚀、高过滤效果、高腐蚀、高过滤效果、高强度等特点，被广泛应强度等特点，被广泛应用于过滤布、装饰布、用于过滤布、装饰布、绝缘织物等，是石棉制绝缘织物等，是石棉制品理想的替代材料，在品理想的替代材料，在环保工业方面应用广泛。环保工业方面应用广泛。 第34页/共72页 膨体布是由膨体布是由膨体纱制造而成，膨体纱制造而成，具有透气性好，具有透气性好，容尘量大、过滤容尘量大、过滤效率高等特点。效率高等特点。主要用于钢铁、主要用于钢铁、水泥、发电等行水泥、发电等行业的高温袋过滤业的高温袋过滤器；包装材料；器；包装材料；装饰材料等。装饰

22、材料等。 第35页/共72页7、拉挤纱、拉挤纱 具有良好的耐磨性、具有良好的耐磨性、柔软成性好、纤维光滑毛柔软成性好、纤维光滑毛纱少、与苯乙烯有极好的纱少、与苯乙烯有极好的相溶性，浸透速度非常快。相溶性，浸透速度非常快。通过拉挤成型与聚酯或环通过拉挤成型与聚酯或环氧树脂结合成高强度的玻氧树脂结合成高强度的玻璃钢制品。璃钢制品。 第36页/共72页挤拉纱产品特性：品名品名产品产品代号代号浸润剂浸润剂类型类型含水率含水率选用选用树脂树脂卷装量卷装量(Kg)无碱拉无碱拉挤纱挤纱ERL-1200硅烷类硅烷类0.18聚酯或聚酯或环氧环氧200.5无碱拉无碱拉挤纱挤纱ERL-2400硅烷类硅烷类0.18聚

23、酯或聚酯或环氧环氧200.5中碱拉中碱拉挤纱挤纱CRL-1200硅烷类硅烷类0.2聚酯或聚酯或环氧环氧200.5中碱拉中碱拉挤纱挤纱CRL-2400硅烷类硅烷类0.2聚酯或聚酯或环氧环氧200.5第37页/共72页8、缠绕纱、缠绕纱 具有较好的成带性、柔软、纤维光滑、与苯乙具有较好的成带性、柔软、纤维光滑、与苯乙烯有很好的相溶性、浸透速度快。制成的玻璃钢耐烯有很好的相溶性、浸透速度快。制成的玻璃钢耐水性好。通过管道缠绕成型与聚酯或环氧树脂结合水性好。通过管道缠绕成型与聚酯或环氧树脂结合成高强度的玻璃钢制品。成高强度的玻璃钢制品。品名品名产品产品代号代号浸润剂浸润剂类型类型含水率含水率选用选用树

24、脂树脂卷装量卷装量(Kg)无碱缠无碱缠绕纱绕纱ERC-1200硅烷类硅烷类0.18聚酯或聚酯或环氧环氧200.5无碱缠无碱缠绕纱绕纱ERC-2400硅烷类硅烷类0.18聚酯或聚酯或环氧环氧200.5中碱缠中碱缠绕纱绕纱CRC-2400硅烷类硅烷类0.2聚酯或聚酯或环氧环氧200.5第38页/共72页9、喷射纱、喷射纱 具有较好的短切性具有较好的短切性能、无静电、与苯乙烯能、无静电、与苯乙烯有良好的相溶性、浸透有良好的相溶性、浸透速度较快。通过连续喷速度较快。通过连续喷射法与聚酯或环氧树脂射法与聚酯或环氧树脂结合成高强度的玻璃钢结合成高强度的玻璃钢制品。制品。第39页/共72页10、玻璃纤维套管

25、、玻璃纤维套管 玻璃纤维套管是玻璃纤维套管是由无碱纱编织而成，由无碱纱编织而成，用于电视、仪表、无用于电视、仪表、无线电、电视机、电扇线电、电视机、电扇及其他家用电器上。及其他家用电器上。应用玻璃纤维套管的应用玻璃纤维套管的电线和电缆能提供良电线和电缆能提供良好的性能和可靠的绝好的性能和可靠的绝缘。缘。第40页/共72页11、短切毡、短切毡 把玻璃纤维短切成约把玻璃纤维短切成约50mm长，然后均匀沉降在长，然后均匀沉降在成型带上，并敷上特种粘结剂形成短切毡，它具有成型带上，并敷上特种粘结剂形成短切毡，它具有各向同性与树脂结合良好的亲和性，脱泡性、易成各向同性与树脂结合良好的亲和性，脱泡性、易成

26、型等特点，广泛使用于手糊玻璃钢型等特点，广泛使用于手糊玻璃钢(FRP)及玻纤层压及玻纤层压板材上。板材上。第41页/共72页12、连续原丝毡、连续原丝毡 连续原丝毡是新型玻纤无纺增强材料，广泛连续原丝毡是新型玻纤无纺增强材料，广泛用于高质量玻璃钢的模压和拉挤成型工艺。该技用于高质量玻璃钢的模压和拉挤成型工艺。该技术以玻璃纤维原丝为原料，经机械铺叠制成高强术以玻璃纤维原丝为原料，经机械铺叠制成高强度无纺毡，产品规格为度无纺毡，产品规格为225900克克/平方米平方米第42页/共72页13、玻璃纤维方格布、玻璃纤维方格布 玻璃纤维方格布具有高强、耐腐、绝缘等特点。是制造玻璃纤维方格布具有高强、耐腐

27、、绝缘等特点。是制造玻璃钢制品基布。广泛应用于仪表、无线电贮槽建筑构件、玻璃钢制品基布。广泛应用于仪表、无线电贮槽建筑构件、制造游艇、汽车车体、透明玻璃钢及手糊玻璃钢工艺上。制造游艇、汽车车体、透明玻璃钢及手糊玻璃钢工艺上。第43页/共72页14、无碱纤维带、无碱纤维带 无碱玻璃纤维带是电机及电器的良好的包扎绝缘材料，无碱玻璃纤维带是电机及电器的良好的包扎绝缘材料，也是玻璃钢也是玻璃钢(FRP)用基材。用基材。第44页/共72页2.3碳纤维（CF）第第2章章 增强材料增强材料 碳纤维是有机纤维在惰性气氛中经碳纤维是有机纤维在惰性气氛中经高温碳化高温碳化而成而成的的纤维状碳化合物纤维状碳化合物。

28、（高强度、高模量、耐热性好、密度低）（高强度、高模量、耐热性好、密度低）1959年美国研制人造丝碳纤维；年美国研制人造丝碳纤维；1963年日本以沥青为原料研制出碳纤维；年日本以沥青为原料研制出碳纤维；1964年英国，聚丙烯腈基碳纤维年英国，聚丙烯腈基碳纤维20世纪世纪70年代，中国生产碳纤维年代，中国生产碳纤维（品种少，性能一般，产量低）（品种少，性能一般，产量低）1969年年 CF100t1985年年 4700t2000年年 20000t第45页/共72页2.3碳纤维（CF）第第2章章 增强材料增强材料碳纤维的分类原丝种类：原丝种类：聚丙烯腈基聚丙烯腈基CF，沥青基，沥青基CF 、粘胶基、粘

29、胶基CF制造方法：制造方法：碳纤维（碳纤维（8001600，金刚石结构，空间网格，金刚石结构，空间网格） 石墨纤维（石墨纤维（20003000 ，石墨结构，层状），石墨结构，层状）力学性能：力学性能：通用级通用级CF、高性能、高性能CF （高强、超高强、高模、超高模）（高强、超高强、高模、超高模）应用领域：应用领域：商品级商品级CF，宇航级，宇航级CF功能：功能：导电导电CF，耐磨，耐磨CF，耐火，耐火CF，活性，活性CF第46页/共72页2.3碳纤维（CF）第第2章章 增强材料增强材料碳纤维的制造方法气相法：惰性气氛，小分子有机物（烃或芳烃）在高温下沉积而成，形成晶须或短纤维。有机纤维碳化法

30、：经稳定剂处理的有机纤维在惰性气体中焙烧碳化，形成碳纤维1. 聚丙烯腈基碳纤维（PAN-CF）PAN纤维 预氧化200300氧化气氛 碳化4001900惰性气氛N2 石墨化25003000惰性气氛Ar碳纤维第47页/共72页2.3碳纤维（CF）碳纤维的制造方法1. 聚丙烯腈基碳纤维（PAN-CF）第第2章章 增强材料增强材料预氧化：预氧化：PAN Tg120，分解前会软化熔融；，分解前会软化熔融；现象：现象：白白 黄黄 棕褐色棕褐色 黑黑结果：结果：PAN分子结构调整为稳定梯形六元环结构，并生成碳氧键，分子结构调整为稳定梯形六元环结构，并生成碳氧键，吸氧量为吸氧量为810%，PAN丝抵抗外加张

31、力，分子链收缩并择优取向丝抵抗外加张力，分子链收缩并择优取向碳化（乱层石墨结构）碳化（乱层石墨结构）分解分解N，H，O等非碳元素，碳化产率约为等非碳元素，碳化产率约为4045%（一般以上原料（一般以上原料被分解），碳纤维含碳率在被分解），碳纤维含碳率在92%以上以上石墨化（石墨片层结构）石墨化（石墨片层结构）纤维中结晶碳向石墨晶体取向，并使之与纤维轴向夹角进一步减小，纤维中结晶碳向石墨晶体取向，并使之与纤维轴向夹角进一步减小，以提高碳纤维的弹性模量以提高碳纤维的弹性模量第48页/共72页2.3碳纤维（CF）碳纤维的制造方法2. 粘胶基碳纤维（质量损失90%以上）第第2章章 增强材料增强材料 粘

32、胶纤维（天然/人造纤维） 热处理碳化石墨化碳纤维25150，脱水（吸附水）150240 ，纤维素环脱水240400 ，自由基反应（C-C，C-O），CO，CO2400 ，芳环化，H2第49页/共72页2.3碳纤维（CF）碳纤维的制造方法3. 沥青基碳纤维第第2章章 增强材料增强材料原料：石油沥青、煤焦油沥青、PVC沥青前处理（调整化学成分和结构）：溶剂萃取蒸馏、加氢处理、添加化合物沥青熔融纺丝稳定化 处理碳化石墨化碳纤维前处理第50页/共72页2.3碳纤维（CF）碳纤维的结构第第2章章 增强材料增强材料石墨片层石墨微晶乱层结构石墨原纤条带结构碳纤维 外内微晶变小，排列逐渐紊乱缺陷（内部杂质、外

33、来杂质、裂缝、空穴、气泡、表面污染）缺陷（内部杂质、外来杂质、裂缝、空穴、气泡、表面污染）缺陷是影响缺陷是影响CF强度的重要因素强度的重要因素缺陷来源：原丝存在的缺陷（杂质、裂缝）缺陷来源：原丝存在的缺陷（杂质、裂缝） 碳化过程产生缺陷（空穴、气泡）碳化过程产生缺陷（空穴、气泡）第51页/共72页2.3碳纤维（CF）碳纤维的性能碳纤维的性能第第2章章 增强材料增强材料1.力学性能力学性能强度高（强度高（s s=1.42.5GPa），模量大（），模量大（E=（2.54.6）102GPa2. 物理性能物理性能密度小密度小(r(r1.52.0g/cm3 )；耐温性好；耐温性好(2502000)；热膨

34、胀系数；热膨胀系数；导电性好；自润滑性导电性好；自润滑性3. 化学性能化学性能氧化性（氧化性（200 以上在空气中氧化）以上在空气中氧化）耐腐蚀性好（耐酸碱、耐水）耐腐蚀性好（耐酸碱、耐水）第52页/共72页2.4 芳纶纤维（KF，VF）第第2章章 增强材料增强材料 KF是一种低密度、高强度、高模量和耐腐蚀的有机纤维，1960年美国杜邦公司发明。芳纶纤维的种类间位芳香族聚酰胺纤维（Nomex）对位芳香族聚酰胺纤维（Kevlar）聚间苯二甲酰间苯二胺聚对苯甲酰胺聚对苯二甲酰对苯二胺第53页/共72页2.4芳纶纤维（KF，VF）芳纶纤维的制备第第2章章 增强材料增强材料第54页/共72页2.4芳纶

35、纤维（KF，VF）芳纶纤维的制备第第2章章 增强材料增强材料1. 纺丝原液（向列相液晶）A.在某一温度下，存在临界浓度在某一温度下，存在临界浓度（x%），各向同性转变为各向异），各向同性转变为各向异性性. x%增加，增加，h h下降；达到液晶下降；达到液晶最大浓度，最大浓度， x%增加，增加，h h增加（高增加（高浓度，低粘度）浓度，低粘度）B. B. 温度越高，临界浓度也越高温度越高，临界浓度也越高第55页/共72页2.4芳纶纤维（KF，VF）芳纶纤维的制备第第2章章 增强材料增强材料2. 干/湿法纺丝PPTA液晶喷丝纺丝管丝束洗涤干燥KF3. 热处理K-29K-49N2，150550目的：

36、分子链进一步取向，提高结晶率（96%）； 增加纤维强度、模量，降低断裂伸长率第56页/共72页2.4芳纶纤维（KF，VF）芳纶纤维的结构第第2章章 增强材料增强材料1.化学结构化学结构苯环：刚性链晶体苯环：刚性链晶体苯环与酰胺键交替排列，规律性好，对称性好，结晶性好苯环与酰胺键交替排列，规律性好，对称性好，结晶性好分子间有氢键，形成梯形化合物分子间有氢键，形成梯形化合物2. 微观结构椭圆形片状结构微纤微纤层KF组成组成组成第57页/共72页2.4芳纶纤维（KF，VF）芳纶纤维的性能第第2章章 增强材料增强材料1.力学性能力学性能弹性模量高（约为玻纤弹性模量高（约为玻纤2倍）；倍）；强度高（与强

37、度高（与GF、CF相当）；相当）；密度最小密度最小r=1.45r=1.45；良好韧性；良好韧性；各向异性（平行轴向强度高，垂直则低）；各向异性（平行轴向强度高，垂直则低）；抗压、抗扭差；抗压、抗扭差；抗蠕变，耐疲劳抗蠕变，耐疲劳第58页/共72页2.4芳纶纤维（KF，VF）芳纶纤维的性能第第2章章 增强材料增强材料2. 热性能热性能良好耐温性能（良好耐温性能（-196500，短时间使用可达，短时间使用可达 ）；）；耐火性能好，不燃；耐火性能好，不燃；热膨胀系数各向异性，轴向为负，垂直为正。热膨胀系数各向异性，轴向为负，垂直为正。3. 化学性能化学性能除强酸、强碱外，除强酸、强碱外，KF耐各种有

38、机溶剂浸蚀；耐各种有机溶剂浸蚀；耐紫外光差（苯环）；耐紫外光差（苯环）；耐水性差（饱和吸湿率大，使用前应干燥，耐水性差（饱和吸湿率大，使用前应干燥，80 /24h ）第59页/共72页2.5 其他纤维硼纤维（BF）第第2章章 增强材料增强材料 20世纪世纪50年代末，美国开发的高性能纤维，主要用于年代末，美国开发的高性能纤维，主要用于制造树脂基和金属基复合材料。制造树脂基和金属基复合材料。CF比比BF生产工艺简单，成生产工艺简单，成本低，性能相当，本低，性能相当，BF被被CF替代。目前，主要用于金属基复替代。目前，主要用于金属基复合材料。合材料。1.制造方法有机金属法：有机金属法：硼的有机金属

39、化合物（三乙基硼或硼烷）进行高硼的有机金属化合物（三乙基硼或硼烷）进行高温分解使硼沉积在底丝上。温分解使硼沉积在底丝上。Al丝 沉积室（600）BF成本下降，使用温度和性能也下降第60页/共72页2.5 其他纤维硼纤维（BF）第第2章章 增强材料增强材料1.制造方法卤化法钨芯BF：碳芯BF：钨丝清洗室 H2/1200 沉积室 BCl3+H2/1350 涂覆室保护层BF CF33mm裂解石墨室 H2+CH4HClBHBCl622223影响沉积速率的因素：反应物速率、流量、副产物浓度、被涂物温度沉积速度不能太快，否则BF表面缺陷；太慢，则BF强度降低第61页/共72页2.5 其他纤维硼纤维（BF）

40、第第2章章 增强材料增强材料2. 性能弹性模量高（弹性模量高（350400GPa），直径大（），直径大（100m mm），），纵向压缩强度高；纵向压缩强度高；空气空空气空200以下以下1000h性能不变，性能不变，330 /1000h，s s下降下降70%；650 无强度，（全部老化）。适合于制备树脂基复无强度，（全部老化）。适合于制备树脂基复合材料；合材料；常温，常温，BF稳定；高于稳定；高于650 ，BF与金属反应；与金属反应；BF与树脂基体粘接性比与树脂基体粘接性比CF好（好（BF沉积形成，表面粗糙）沉积形成，表面粗糙）第62页/共72页2.5 其他纤维碳化硅纤维（SiCF）第第2章章 增强材料增强材料1.制造方法CVD法:钨丝/碳丝 沉积室烷基硅烷分解SiCF（d100150mm）先驱体法:烷基硅烷聚合、纺丝有机纤维高温处理 SiCF（d100150mm）第63页/共72页2.5 其他纤维碳化硅纤维（SiCF）第第2章章 增强材料增强材料2