复合材料的增强材料-2

1、1复合材料原理复合材料原理2一、纤维及其织物一、纤维及其织物v玻璃纤维v碳纤维v硼纤维v氧化铝纤维v碳化硅纤维v芳纶纤维 3l玻璃纤维简介及分类玻璃纤维简介及分类l玻璃纤维的结构及化学组成玻璃纤维的结构及化学组成l玻璃纤维的物理性能与化学性能玻璃纤维的物理性能与化学性能l玻璃纤维及其制品的制造工艺玻璃纤维及其制品的制造工艺l玻璃纤维制品的性能及应用玻璃纤维制品的性能及应用、玻璃纤维、玻璃纤维4思考题1、玻璃纤维有哪些主要物理和化学特性，这些性能在玻、玻璃纤维有哪些主要物理和化学特性，这些性能在玻璃钢制品中发挥怎样的作用？璃钢制品中发挥怎样的作用？（外观、密度、强度、耐热、膨胀特性、耐腐蚀）（外

2、观、密度、强度、耐热、膨胀特性、耐腐蚀）2、玻璃纤维有哪些制品，它们主要应用在哪些场合？你、玻璃纤维有哪些制品，它们主要应用在哪些场合？你觉得还可以开发哪些玻璃纤维制品？觉得还可以开发哪些玻璃纤维制品？（无捻粗纱无捻粗纱、无捻粗纱方格布无捻粗纱方格布、玻璃纤维毡片玻璃纤维毡片、缝合毡缝合毡、加捻玻璃纤加捻玻璃纤维布维布、玻璃带玻璃带、三向织物等三向织物等；玻璃纤维绳、笼、立体编织物等玻璃纤维绳、笼、立体编织物等）52、碳纤维、碳纤维（Carbon Fibre, CF或或Cf）的开发历史可追）的开发历史可追溯到溯到19世纪末期世纪末期，美国科学家爱迪生发明的白炽，美国科学家爱迪生发明的白炽灯灯丝

3、，而真正作为灯灯丝，而真正作为有使用价值有使用价值并规模生产的碳并规模生产的碳纤维，则出现在纤维，则出现在二十世纪二十世纪50年代末期年代末期。61959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)为原丝制成商品名为为原丝制成商品名为“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)的工业化的工业化生产。生

4、产。71963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素为原料以沥青或木质素为原料的的；1970年日本昊羽化学公司实现年日本昊羽化学公司实现Pitch-based carbon fiber的工业规模生产；的工业规模生产；81968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

5、放市场。投放市场。9 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。10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

6、、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。 11碳纤维的分类碳纤维的分类当前，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。12根据原丝类型分类根据原丝类型分类(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。13根据碳纤维的性能分类根据碳纤维的性能分类(1) 高性能碳纤维高性能碳纤维在高性能碳纤维中，有在高性能碳纤维中，有高强度高强度碳

7、纤维、碳纤维、高模高模量量碳纤维、碳纤维、中模量中模量碳纤维等。碳纤维等。(2)低性能碳纤维低性能碳纤维这类碳纤维中，有这类碳纤维中，有耐火耐火纤维、纤维、碳质碳质纤维、纤维、石石墨墨纤维等。纤维等。14根据碳纤维用途分类：根据碳纤维用途分类：碳纤维，碳纤维，碳纤维，碳纤维，碳纤维碳纤维(吸吸附活性附活性)，碳纤维，碳纤维，碳纤维，碳纤维，碳纤维碳纤维15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。它不的纤维状材料。它不同于同于有机纤维有机纤维或或无机纤维无机纤维，不能用，不能用熔融法或溶液法熔融法或溶液法直接纺丝，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

8、用间接方法间接方法制制造。造。碳纤维制造方法碳纤维制造方法可分为两种类型，即可分为两种类型，即气相法气相法和和有机有机纤维碳化法纤维碳化法。 碳纤维的制造碳纤维的制造16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。17可以制造可以制造，它通常分为两，它通常分为两步进行：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，使有机纤维失去纤维失去部分碳部分碳和和其它非碳原子其它非碳原子，形成，形成

9、的的纤维状物。纤维状物。18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，选择的条件是，选择的条件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。19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。20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。21无论用哪一种无论用哪一种原丝纤维原丝纤维

10、来制造碳纤维，所产来制造碳纤维，所产生的最终纤维基本成分为碳，都要经过生的最终纤维基本成分为碳，都要经过：22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中的任意三种中的任意一种方法进行。一种方法进行。在室温以上，通常是在室温以上，通常是100-300 范围内进行。范围内进行。通过通过400 加热氧化的方法。加热氧化的方法。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。23材料的性能主要决定于材料的结构。结构有两方材料的性能主要决定于材料的结构。结构有两方面的含义，一是化学结构，二是物理结构。面的含义，一是化学结构，二是物理结构。 碳

11、纤维的结构决定于碳纤维的结构决定于与与。对对有机纤维有机纤维进行进行、等工艺处理的目的等工艺处理的目的是，除去是，除去有机纤维中有机纤维中碳以外的元素，形成碳以外的元素，形成平面结构。平面结构。碳纤维的结构与性能碳纤维的结构与性能24用用x射线射线、电子衍射电子衍射和和电子显微镜电子显微镜研究研究发现，真实的发现，真实的并不是理想的石墨并不是理想的石墨点阵结构，而是属于点阵结构，而是属于。25图图1 石墨晶体结构与乱层结构图石墨晶体结构与乱层结构图 26在在中，石墨层片是基本的结构单元，中，石墨层片是基本的结构单元，若干若干组成组成，微晶堆砌成直径数十纳米、长度数，微晶堆砌成直径数十纳米、长度

12、数百纳米的百纳米的，原纤则构成了，原纤则构成了，其直径约数，其直径约数微米。微米。实测碳纤维实测碳纤维约约0.339-0.342 nm，比，比(0.335nm)略大，各略大，各平行层面间的碳平行层面间的碳原子排列原子排列也不如石墨那样规整。也不如石墨那样规整。27依据依据C-C键的键的键能及密度键能及密度计算得到的计算得到的单晶石墨单晶石墨强强度和模量度和模量分别为分别为180 Pa和和1000 GPa左右。而左右。而碳纤维碳纤维的实际的实际强度和模量强度和模量远远低于此理论值。远远低于此理论值。这主要是由于这主要是由于纤维中的缺陷纤维中的缺陷和和原丝中的缺陷原丝中的缺陷所造所造成的。成的。2

13、8主要是指主要是指结构不匀结构不匀、直径变直径变异异、微孔微孔、裂缝或沟槽裂缝或沟槽、气孔气孔、杂质杂质等。等。来自两个方面，一是来自两个方面，一是原丝中原丝中特有的特有的，二是，二是在碳化过程中产生的在碳化过程中产生的。29主要是主要是在纤维成形过程中在纤维成形过程中产生的。产生的。l在碳化时在碳化时，则由于从纤维中会，则由于从纤维中会释放出特种气体释放出特种气体物质物质，进而，进而在纤维表面及内部在纤维表面及内部产生产生等缺陷。等缺陷。不容易发生屈服。不容易发生屈服。30碳纤维碳纤维比石墨大，所以比石墨大，所以它的它的都明显高于石墨；都明显高于石墨；碳纤维的碳纤维的，较较差，轴向差，轴向抗

14、压强度抗压强度仅为仅为抗张强度抗张强度的的10-30，而且不能结节。而且不能结节。31l碳纤维的密度在碳纤维的密度在1.5-2.0之间，这除了与之间，这除了与有有关外，主要还决定于关外，主要还决定于。经过高温。经过高温(3000 )可达可达2.0。 l碳纤维碳纤维的的与与其它类型纤维其它类型纤维不同，它有不同，它有的特点。的特点。是负值是负值(-0.72 -0.90 10 -6 /)，而，而是正值是正值( 32 22 10-6 /)。32l碳纤维的碳纤维的一般为一般为7.12 l0-1 kJ( kg )。，平行于纤维轴方向平行于纤维轴方向导热率为导热率为0.04卡卡/秒秒厘米厘米度，而度，而垂

15、直于纤维轴方向垂直于纤维轴方向为为0.002卡卡/秒秒厘厘米米度。度。 l碳纤维的碳纤维的与与纤维的类型纤维的类型有关。在有关。在25时，时，为为775 u cm，为为1500 u cm。33l碳纤维碳纤维的的化学性能化学性能与与碳碳很相似。它除能被很相似。它除能被强氧化强氧化剂氧化剂氧化外，对外，对一般酸碱一般酸碱是惰性的。是惰性的。l在在空气空气中，当温度高于中，当温度高于400 时，则会出现明显时，则会出现明显的氧化，生成的氧化，生成CO和和CO2。l在不接触空气或氧化气氛时，碳纤维具有突出的在不接触空气或氧化气氛时，碳纤维具有突出的耐热性。耐热性。l当碳纤维在高于当碳纤维在高于1500

16、 时，强度才开始下降。时，强度才开始下降。343、硼纤维、硼纤维硼纤维（硼纤维（Boron Fibre, BF或或Bf）是一种将硼）是一种将硼元素通过元素通过沉积在沉积在钨丝表面钨丝表面制成的制成的高性能增强纤维。它具有很高的高性能增强纤维。它具有很高的和和，也是制造也是制造金属复合材料金属复合材料最早采用的高性能纤维。最早采用的高性能纤维。35用用制成的航天飞机制成的航天飞机主舱框架主舱框架、，代替，代替铝合金骨架铝合金骨架节省重量节省重量44，取得了十分显著的效果，也有力地促进了取得了十分显著的效果，也有力地促进了硼纤维硼纤维金属基复合材料金属基复合材料的发展。的发展。361959年美国年

17、美国TELLY首先发表了用首先发表了用制造制造高性能硼纤维高性能硼纤维的论文，并受到了的论文，并受到了美国空军材料实验美国空军材料实验室室的高度重视，积极推进的高度重视，积极推进。美国美国AVCO、TEXFROU公司是硼纤维的主要生产厂家。公司是硼纤维的主要生产厂家。37现在硼纤维通用的制备方法是在加热的钨丝表面现在硼纤维通用的制备方法是在加热的钨丝表面通过化学反应沉积硼层。通过化学反应沉积硼层。硼纤维的硼纤维的有有100m、140m、200m几种。几种。 具有良好的具有良好的、。硼纤维具有硼纤维具有性能。性能。38硼纤维具有很高的硼纤维具有很高的和和，但其，但其性能受性能受沉积条件和纤维直径

18、沉积条件和纤维直径的影响。的影响。硼纤维的硼纤维的为为2.4 2.65 g / cm3，为为3.2 5.2 GPa，为为350 400 GPa。39在常温下在常温下为为，但，但在高温下在高温下易易与金属反应。与金属反应。因此，需在表面因此，需在表面，称之为，称之为Bosic纤维。纤维。硼纤维主要用于硼纤维主要用于和和。40：工艺复杂工艺复杂，不易大量生产，其，不易大量生产，其价价格昂贵格昂贵。由于钨丝的密度大，由于钨丝的密度大，硼纤维的密度硼纤维的密度也大。也大。41目前已研究用目前已研究用代替代替，以降，以降低成本和密度。低成本和密度。结果表明，结果表明，比比强度下降强度下降 5%，但成本降

19、低，但成本降低 25%。424、氧化铝纤维、氧化铝纤维以以为为主要纤维组分主要纤维组分的陶瓷纤维的陶瓷纤维统称为氧化铝纤维统称为氧化铝纤维( Aluminia Fibre, AF或或( Al2O3 )f )。43通常情况下，将通常情况下，将氧化铝含量大于氧化铝含量大于70的纤维相称为的纤维相称为；将将氧化铝含量小于氧化铝含量小于70，其余为，其余为二氧化硅和少量杂质二氧化硅和少量杂质的的纤维称为纤维称为。44(1) ，在空气中加热到，在空气中加热到1250 还保持室温强度的还保持室温强度的90%，碳纤维碳纤维通常在通常在400 以上就氧化燃烧。以上就氧化燃烧。45(2) ，可与金属很好地复合。

20、，可与金属很好地复合。 (3)，不需要进行表面处理，即能，不需要进行表面处理，即能与树肥和金属复合。与树肥和金属复合。(4)具有极佳的具有极佳的和和，尤其，尤其在高温条件这些性能更为突出在高温条件这些性能更为突出。46(5) 。用氧化铝增强的复合材料用氧化铝增强的复合材料压缩压缩强度比强度比GFRP高，是高，是GFRP的的3倍以上，耐疲劳强度高，经倍以上，耐疲劳强度高，经107次次重复交变加载重复交变加载后，强度不低于静强度的后，强度不低于静强度的70。 (6)。与玻璃钢相比，它的。与玻璃钢相比，它的介电常数和损耗值小，且随频率的变化小，电波透过性更介电常数和损耗值小，且随频率的变化小，电波透

21、过性更好。好。47氧化铝纤维的应用氧化铝纤维的应用氧化铝纤维适合于制造既需要氧化铝纤维适合于制造既需要又需又需要要的结构件。的结构件。用它制作用它制作雷达天线罩雷达天线罩，其，其刚性刚性比玻璃钢高，比玻璃钢高，透电波透电波性能好，性能好，耐高温耐高温。48若用若用氧化铝纤维的复合材料氧化铝纤维的复合材料制制，则有，则有可能不开天线窗，将天线装在弹内。可能不开天线窗，将天线装在弹内。目前，目前，正处于正处于开发阶段开发阶段，不久的将来将在不久的将来将在航空航空、航天航天、卫星卫星、交通交通和和能源能源等等部门得到广泛应用。部门得到广泛应用。49氧化铝纤维氧化铝纤维是是，约为，约为3.20 g /

22、 cm 3，是纤维中最大的一种。，是纤维中最大的一种。505、碳化硅纤维、碳化硅纤维 碳化硅纤维（碳化硅纤维（Silicon Carbide Fibre，SF或或SiCf）是以）是以的一种陶瓷纤维。的一种陶瓷纤维。 SiC纤维是纤维是、纤维，有纤维，有、和和。51表表1 尼卡纶尼卡纶（日本碳公司）（日本碳公司）的基本性能的基本性能52具有优良的具有优良的，在在1000以下以下，其力学性能（，其力学性能（拉伸强度拉伸强度和和弹性模量弹性模量）基本）基本上不变，可长期使用。上不变，可长期使用。当当温度超过温度超过1300时，其性能才开始下降。时，其性能才开始下降。因此，相比于碳纤维和硼纤维，因此，

23、相比于碳纤维和硼纤维，具有具有更好的更好的，是一种较好的耐高温材料，是一种较好的耐高温材料。53良好的耐化学性能良好的耐化学性能具有良好的具有良好的，在，在80下耐强酸下耐强酸(HCl、H2SO4、HNO3)；用用30NaOH浸蚀浸蚀20小时后，纤维仅失重小时后，纤维仅失重1以下，其以下，其力学性能仍不变。力学性能仍不变。与全属在与全属在1000以下也不发生反应，而且以下也不发生反应，而且有很好的浸润性，有益于金属的复合。有很好的浸润性，有益于金属的复合。 54SiC纤维还具有纤维还具有，与，与好，常用于金属基和陶瓷基复合材料。好，常用于金属基和陶瓷基复合材料。55碳化硅纤维的应用碳化硅纤维的

24、应用由于碳化硅纤维具有由于碳化硅纤维具有、的的三耐性能三耐性能，是一种耐热的，是一种耐热的理想材料。理想材料。56用用编织成双向和三向编织成双向和三向，巳，巳用于高温的传送带、过滤材料，如汽车的废气用于高温的传送带、过滤材料，如汽车的废气过滤器等。过滤器等。已应用于已应用于喷气发动机涡轮喷气发动机涡轮叶片叶片、飞机螺旋桨飞机螺旋桨等受力部件。等受力部件。57在军事上，在军事上，用于大口径军用步枪用于大口径军用步枪金属基复合枪筒套管金属基复合枪筒套管，M-1作战坦克履带、火箭作战坦克履带、火箭推进剂传送系统，先进战术战斗机的推进剂传送系统，先进战术战斗机的垂直安定面垂直安定面，导弹尾部，火箭发动

25、机导弹尾部，火箭发动机外壳外壳，鱼雷壳体鱼雷壳体等。等。58碳化硅纤维的制造方法碳化硅纤维的制造方法A、化学气相沉积法（法）、化学气相沉积法（法） B、烧结法、烧结法(有机聚合物转化法有机聚合物转化法)59化学气相沉积法化学气相沉积法生产的生产的是直径为是直径为95-140 um的单丝；的单丝；烧结法烧结法生产的生产的是直径为是直径为10 um的的细纤维，一般由细纤维，一般由500根纤维组成的丝束为商品。根纤维组成的丝束为商品。 60的主要生产国是美、日两国。的主要生产国是美、日两国。美国美国Texton公司是公司是的主要生产厂。的主要生产厂。碳化硅纤维的碳化硅纤维的系列产品系列产品是是SCS

26、2，SCS6等，并研究等，并研究发展发展碳化硅纤维增强铝、钛基复合材料碳化硅纤维增强铝、钛基复合材料。61日本碳公司日本碳公司是利用是利用生产生产碳化硅纤维碳化硅纤维的主要厂家，系列商品名为的主要厂家，系列商品名为Nicalon纤维。纤维。80年代末，日本又发展了年代末，日本又发展了。虽有其性能特点，但虽有其性能特点，但，应，应用尚未广泛。用尚未广泛。62 6、氮化硼纤维、氮化硼纤维是是20 世纪世纪60年代发展起来的无机年代发展起来的无机纤维，该纤维具有优良的纤维，该纤维具有优良的、以及独特的以及独特的等，等，可用作可用作金属基金属基、陶瓷基陶瓷基、聚合物基聚合物基复合材料的增复合材料的增强

27、材料。强材料。63类似于石墨，而类似于石墨，而比石墨优越。比石墨优越。在空气中在空气中400时氧化性能开始降低，时氧化性能开始降低，而而在在850的空气中的空气中才开始氧化。才开始氧化。64的的和和接近于接近于玻璃纤维玻璃纤维，但是它的但是它的使它具有较好的使它具有较好的。它的密度为它的密度为1.4 2.0 g / m3，用其制备的复合材，用其制备的复合材料具有料具有的特点。的特点。65具有具有称为称为，如氧化，如氧化锆、氧化铍、氧化镁、氧化钛和硼化钛等纤维。锆、氧化铍、氧化镁、氧化钛和硼化钛等纤维。是可是可耐耐12601790的高温的高温（在（在惰性和氧化性气氛中）、惰性和氧化性气氛中）、耐

28、磨耐腐蚀性好耐磨耐腐蚀性好和和良好的物良好的物理机械性能理机械性能，特别适合于陶瓷基复合材料。，特别适合于陶瓷基复合材料。陶瓷纤维的缺点是陶瓷纤维的缺点是，。66：金属和钢的特点是：金属和钢的特点是和和好，好，和和好。好。常用于常用于混凝土基复合材料混凝土基复合材料。67一、纤维及其织物一、纤维及其织物v玻璃纤维v碳纤维碳纤维v硼纤维硼纤维v氧化铝纤维氧化铝纤维v碳化硅纤维碳化硅纤维v芳纶纤维 68思考题思考题v1、碳纤维有什么样的性能优势，目前应用中还存在哪些问题？v2、试对氧化铝纤维和碳化硅纤维的主要性能进行比较。6970（二）（二） 有机纤维有机纤维纤维纤维纤维纤维71l 芳纶纤维芳纶纤

29、维是指目前已经工业化生产并广泛应是指目前已经工业化生产并广泛应用的用的聚芳酰胺纤维聚芳酰胺纤维。l 国外商品牌号叫国外商品牌号叫凯芙拉凯芙拉(Kevlar)纤维纤维，我国，我国暂命名为暂命名为芳纶纤维芳纶纤维，有时也称，有时也称有机纤维有机纤维。 1、芳纶纤维、芳纶纤维72芳纶纤维的历史很短芳纶纤维的历史很短，发展很快。，发展很快。1968午美国午美国杜邦公司杜邦公司开始研制。开始研制。1972年以年以B纤维为名纤维为名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PRD-49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ARAMID

30、纤维。纤维。73芳纶、芳纶芳纶、芳纶-29、芳纶、芳纶-49这三种牌号纤维的用途各这三种牌号纤维的用途各不相同。不相同。芳纶芳纶主要用于主要用于橡胶增强橡胶增强，制造轮胎制造轮胎、三角皮带三角皮带、同步带同步带等；等；芳纶芳纶-29主要用于主要用于绳索绳索、电缆电缆、涂漆织物涂漆织物、带带和和带带状物状物，以及，以及防弹背心防弹背心等。等。芳纶芳纶-49用于用于航空航空、宇航宇航、造船工业造船工业的复合材料制的复合材料制件。件。 74由于该由于该，使之广泛应，使之广泛应用到用到和和各个部门。各个部门。自自1972年年作为商品出售以来，作为商品出售以来，产产量逐年增加量逐年增加。75芳纶纤维的性

31、能特点芳纶纤维的性能特点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。76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。77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

32、纤维。，高于其他纤维。78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。79表表 芳纶纤维的基本性能芳纶纤维的基本性能80、 芳纶纤维的热稳定性芳纶纤维的热稳定性芳纶纤维芳纶纤维有有良好的热稳定性良好的热稳定性，耐火而不耐火而不熔熔，当温度达，当温度达487 时尚时尚不熔化不熔化，但开始，但开始碳化碳化。81在高温作用下，不发生变形，直至分解。在高温作用下，不发生变形，直至分解。如，能长期在如，能长期在180下使用；在下使用；在150下作用一周后下作用一周后、不会下降；即使在不

33、会下降；即使在200下，一周后下，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。82和碳纤维一样，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 /83、芳纶纤维的化学性能、芳纶纤维的化学性能芳纶纤维芳纶纤维具有良好的具有良好的耐介质耐介质性能，对中性能，对中性化学药品的性化学药品的抵抗力抵抗力一般是很强的，但易受一般是很强的，但易受各种各种酸碱的侵蚀酸碱的侵蚀，尤其是，尤其是强酸的侵蚀强酸的侵蚀。84芳纶纤维的芳纶

34、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，但在(85相对湿度相对湿度)下，可达到下，可达到7。85（）（） 芳纶纤维的结构芳纶纤维的结构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，经溶解的聚合体，经溶解转为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：86 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，

35、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。87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，是造成芳纶纤维是造成芳纶纤维的原因，即纤维的原因，即纤维的的，而，而。 88由于由于具有具有，因此，它具有，因此，它具有、以及在以及在很高温度下很高温度下等特点。等特点。89(3) 用用 途途目前，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。 90以以作为作为，作为作为所形所形成

36、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。91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。92通常情况下，通常情况下，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。93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

37、下使用。94（三）各种纤维的比较（三）各种纤维的比较纤维的柔韧性及断裂纤维的柔韧性及断裂比性能比性能热稳定性热稳定性95各种纤维各种纤维在拉伸断裂前在拉伸断裂前，如下图所示的纤维的如下图所示的纤维的曲线。曲线。96拉伸应变，拉伸应变，%拉伸应力拉伸应力, GPa各种纤维的应力各种纤维的应力-应变曲线应变曲线97从从拉断后拉断后观察发现，仅观察发现，仅Kevlar-49纤维呈纤维呈，断裂前断裂前纤维有明显纤维有明显的的，并在发生，并在发生很大的局部伸长后很大的局部伸长后才最终断裂才最终断裂和和几乎就是理想的几乎就是理想的，断裂时不发生截面积的缩小。断裂时不发生截面积的缩小。98和和是纤维性能的一

38、个重是纤维性能的一个重要指标。下图给出了各种纤维比强度和比要指标。下图给出了各种纤维比强度和比模量全图。模量全图。99比强度，比强度，MPa / ( g / cm 3 )100纤维的纤维的与与有关。有关。一般来讲，材料的熔点越高，热稳定性就越好。一般来讲，材料的熔点越高，热稳定性就越好。在在没有空气和氧气的条件没有空气和氧气的条件下，下，具有非常好的具有非常好的。101尽管块状玻璃的尽管块状玻璃的软化温度软化温度为为850 ，但当温度高于，但当温度高于250 时，时，E玻璃纤维的玻璃纤维的就开始迅速下降。就开始迅速下降。玻璃纤维玻璃纤维的的高于高于Kevlar49纤维纤维。在受到太阳。在受到太

39、阳光照射时，光照射时，Kevlar纤维产生严重的光致劣化，使纤维变色，纤维产生严重的光致劣化，使纤维变色，机械性能下降。机械性能下降。102二、晶须增强体二、晶须增强体（Whiskers）是在人工控制条件下，）是在人工控制条件下，以单晶形式以单晶形式生长成的一种纤维。生长成的一种纤维。的直径一般为几微米，长几十微米，的直径一般为几微米，长几十微米，是一种是一种无缺陷的理想完整晶体无缺陷的理想完整晶体。103由于晶须的由于晶须的，所以，所以不适合容纳不适合容纳在大晶体在大晶体中常出现的中常出现的，因而，因而近年来，晶须作为一种新型增强材料倍受青睐。近年来，晶须作为一种新型增强材料倍受青睐。104

40、自自1948年美国年美国贝尔电话公司贝尔电话公司的科学家首次发现晶须以的科学家首次发现晶须以来，迄今为止，材料学家们已研究开发出了来，迄今为止，材料学家们已研究开发出了上百种晶须上百种晶须，有有、以及以及等等多种晶须。多种晶须。但是，已经得到但是，已经得到实际应用实际应用并开始并开始工业化生产工业化生产的晶须只的晶须只有几种。有几种。105从大的方面来看，从大的方面来看，分为分为和和两类，两类，用作用作增强材料增强材料的主要是的主要是。的的直径直径只有几个微米，长度一般为几厘米，只有几个微米，长度一般为几厘米，断面断面多呈多角状。多呈多角状。106表表 几种陶瓷晶须的基本性能几种陶瓷晶须的基本

41、性能107主要有主要有Ni、Fe、Cu、Si、Ag、Ti、Cd等；等；主要有主要有MgO、ZnO、BeO、Al2O3、TiO2、Y2O3、Cr2O3等。等。108主要是主要是SiC、TiC、ZrC、WC、B4C等。等。主要有主要有TiB2、ZrB2、TaB2、CrB、NbB2等等主要有如主要有如K2Ti6O13和和Al18B4O33109具有实用价值的具有实用价值的约为约为1 10m，在在51000之间。之间。实际上，晶须是含实际上，晶须是含的的单晶短纤维单晶短纤维，其，其拉伸强拉伸强度度接近其接近其纯晶体的理论强度纯晶体的理论强度。110兼有兼有和和的优良性能。它具有玻的优良性能。它具有玻璃

42、纤维的延伸率璃纤维的延伸率(3-4)和硼纤维的弹性模量和硼纤维的弹性模量(4.2 7.0 106 MPa)。例如，氧化铝晶须例如，氧化铝晶须在在2070高温下高温下，仍能保持，仍能保持7000 MPa的拉伸强度。的拉伸强度。111晶须的制备方法晶须的制备方法CVD法法 法法（VLS）法）法法法法法112晶须一般都是晶须一般都是, 主要用作复合材料主要用作复合材料增强体，而且增强体，而且生产成本生产成本很高，不易推广使用。很高，不易推广使用。 晶须复合材料由于其价格昂贵，日前主要用在晶须复合材料由于其价格昂贵，日前主要用在，在民用方面主要用于，在民用方面主要用于及及和和等。等。113新型氧化锌晶

43、须新型氧化锌晶须在众多种类的晶须中，在众多种类的晶须中，（ Zinc Oxide Whisker, 简写为简写为ZnOw）以其）以其而倍受注目。而倍受注目。全世界进入产业化生产程序的企业仅有两家，一全世界进入产业化生产程序的企业仅有两家，一家是家是，另一家则是，另一家则是。114新型新型与普通与普通的晶须完全不同的晶须完全不同, 为为微纤维。微纤维。115116氧化锌晶须氧化锌晶须主要用途主要用途（1）导电、压电、抗静电）导电、压电、抗静电复合材料复合材料。（2）微波吸收、微波）微波吸收、微波-热热转换材料转换材料。（3）耐磨防滑）耐磨防滑复合材料复合材料。（4）减振、降噪、抗冲制品。）减振、

44、降噪、抗冲制品。（5）各项）各项同性增强复合材料同性增强复合材料。（6）抗碎裂陶瓷材料及制品。）抗碎裂陶瓷材料及制品。（7）抗菌材料。）抗菌材料。117硼酸铝晶须硼酸铝晶须 外观：外观：分子量：分子量：1056.88 直径：直径：0.51um长度：长度：530um 相对密度：相对密度：2.90-2.94 拉伸强度：拉伸强度：8Gpa 莫氏硬度：莫氏硬度：7 弹性模量：弹性模量：400Mpa 热膨胀系数：热膨胀系数：4.2106/ 118硼酸铝晶须硼酸铝晶须119(1)极高的极高的强度和弹性强度和弹性(2)优良的优良的耐酸、碱性耐酸、碱性 (3)高熔点、高熔点、耐热性能耐热性能较好较好(4)近似

45、近似化学中性化学中性 (5)温度膨胀系数温度膨胀系数低低120碳晶须碳晶须碳晶须碳晶须是是非金属晶须非金属晶须，碳含量碳含量99.5，氢含量氢含量0.15，呈呈针状单晶针状单晶。碳晶须碳晶须的直径从的直径从亚微米亚微米到到几微米几微米，长度为，长度为几毫米几毫米到到几几百毫米百毫米，并具有高度的，并具有高度的结晶完整性结晶完整性。由于。由于位错密度位错密度低、低、孔孔隙率隙率低、低、表面缺陷表面缺陷少以及少以及不存在晶界不存在晶界，碳晶须具有极，碳晶须具有极高的高的强度强度。121在空气中在空气中可可，在惰性气体在惰性气体中中可可，而且，而且热膨胀系数小热膨胀系数小、受中子受中子照射后尺寸变化

46、小照射后尺寸变化小，耐磨性耐磨性和和自润滑性自润滑性优良。优良。 主要用作主要用作聚合物基聚合物基、碳基复合材料碳基复合材料的增的增强材料。强材料。122类似于类似于气相生长碳纤维气相生长碳纤维，通常采用通常采用，即在管式炉中，即在管式炉中以氢气以氢气为为载体通入苯、甲烷或乙烯，在有载体通入苯、甲烷或乙烯，在有铁、钴、镍等铁、钴、镍等催化剂催化剂存在下将基极加热到存在下将基极加热到1050 1100而制而制得碳丝。得碳丝。123三、颗粒增强体三、颗粒增强体用以改善复合材料用以改善复合材料力学性能力学性能、提高、提高断断裂性裂性、耐磨性耐磨性和和硬度硬度、增进、增进耐腐蚀性能耐腐蚀性能的的颗粒状材料，称为颗粒状材料，称为(Particle Reinforcement)。1241)选材方便选材方便，可根据不同的性能要求选用不同的颗，可根据不同的性能要求选用不同的颗粒增强体。粒增强体。2)颗