复合材料学之四(增强材料)

1、4 增强材料的性能和制备n作为纤维增强复合材料，主要应用于航空和航天，如飞机。n现在从机翼出发对纤维增强复合材料的性能要求进行分析，研究增强材料的选择条件。n当机翼弯曲变形成曲率半径为R时，若机翼承受的力矩为M，则有：nMR=EInI惯性矩，E弹性模量n设机翼梁的厚度为d，则Id3/12n即： MR=E d3/12n对具有相同MR或E d3/12的材料，具有相同的弯曲抗力。n具有相同弯曲抗力的不同材料：n两种材料的重量比为：n因此，作为机翼的材料应使 较小n对于纤维增强复合材料，常把Al、Mg、Ti及其合金作为基体材料，以减小密度，增强材料主要有：无机纤维和有机纤维。322311221121/

2、EEddww3/E322311dEdEn1） 有机纤维芳纶纤维、聚酯纤维、尼龙等n有机物纤维由于模量不高和高温特性差原因，一般不能做增强金属的纤维。n2）无机纤维有：B、C、SiC、Al2O3等密度小、熔点高。纤维种类n纤维增强金属大多数是以得到高的比强度、比模量及高温强度为主要目标，因此增强纤维应具有高的比强度、比模量及耐热性。主要是由元素周期表中的B、C、N、O、F、Al、Si、P、S，能形成结合力强的共价键材料。n B、C、SiC、Al2O3、Si3N4等密度小、熔点高,在高温时也具有高的强度和刚性，但断裂延伸小，而铝镁钛等材料塑性好，可为基体。即：纤维增强金属复合材料主要是脆性纤维与塑

3、性金属的结合。n1氧化铝晶须 2碳化硅（W芯） 3碳化硅 4C n5W 6B 7-氧化铝单晶 8E玻璃1 碳纤维的特点n1）密度小。一般在1.62.2g/cm3之间变化，随着弹性模量的增大，密度也增加。n2）强度和弹性模量高。高强度碳纤维抗拉强度可达7000MPa，但碳纤维延伸率很小，仅为1，打结时易断。n石墨纤维（高模量碳纤维），由于经过2000 以上热处理，结晶完全，晶粒尺寸大，取向性高，弹性模量可达400GPa以上，但延伸率仅有0.5%。n3）热膨胀系数小，热导率高。碳纤维膨胀系数小，其热容量低，可以经受剧烈的加热或冷却。即使从3000 的高温猛降到室温也不会炸裂。当温度发生变化时，它在

4、长度方向不是热胀冷缩，而是热缩冷胀。n4） 耐热性能好，抗氧化性差。n5） 电导性。石墨纤维的导电性比碳纤维好。碳纤维分类n碳纤维是由有机物热分解得到的，可按照机械性能、原材料和制造方法来分类n1 按机械性能分类：nA 低弹性模量nB 高强度nC 高弹性模量nD 超高强度nE 超高弹性模量按原料和制造方法分类n1 聚丙烯腈（PAN）系碳纤维：n以为原料，生产工艺流程如图。2沥青系碳纤维气相生长碳纤维n以Fe、Ni、Co或它们的化合物为催化剂，从CO或者气相低分子有机物得到。2 硼纤维n性能n1）弹性模量高n2）与金属润湿性好n3）反应性低且纤维粗n4）易于金属结合n5）价格昂贵n制造原理：n2

5、BCl3+3H22B+6HCln硼在W或C纤维芯表面上形成n硼纤维3 碳化硅纤维n性能n1）高强度、高模量：纤维是由3050 的SiC超微粒子形成，凝集力大，由于应力沿致密的粒界分散，因而这种纤维具有高强度和高模量，可以加工成各种形态的织物。n2）耐热性好，在氧化气氛中也能使用。n3）耐腐蚀性高。n4）与金属反应性小，润湿性好，适于作金属基复合材料的增强纤维。A碳化硅纤维制法n1 化学气相沉积法：用直流电把反应管中的钨丝加热到1000 以上，向管内通入硅烷及载体氢气，硅烷在钨丝上分解并沉积出碳化硅晶体：nRmSiCln+H2SiC+HCln2 用聚硅烷纺纱、烧结法：n采用的原料是n二甲基二氯n

6、甲硅烷，n制造工艺流程如图4氧化铝及其纤维n氧化铝是常用的陶瓷材料之一，有多种晶体结构，氧化铝是最稳定的晶体结构，熔点高达2040 ，密度3.997，比中间氧化铝大10以上，莫氏硬度9。 氧化铝是尖晶石型结构，密度3.13.4。n氧化铝纤维的制法：n1） 前驱聚合物法n向含有（AlO）为主链的无机聚合物聚铝氧烷的粘稠液里加硅酸酯进行混合，把其混合物干纺得到前驱体纤维，然后在1000 以上空气中烧结，得到含有氧化硅为030的连续的氧化铝纤维。工艺流程如图所示。n2) 粘合液法：n将氧化铝微粉及少量的MgCl2.6H2O再加入作为粘结剂成分的nAl2(OH)5.2.2H2O得到粘稠的粘合液进行干纺

7、，把得到的前驱体纤维在1000 以上烧结， Al2(OH)5.2.2H2O在烧结时热分解成氧化铝结晶粒子集合成的连续纤维，再通过1500 煤气火焰使其烧结成结晶粒子， MgCl2.6H2O热分解成MgO，在各氧化铝粒子表面扩散形成尖晶石，抑制氧化铝粒子的长大。n3） 无机盐法n4） 溶胶法n5）定边供膜生长法晶须n晶须是直径1微米左右，长度是直径的几十到几千倍细长的几乎没有位错的结晶，抗拉强度通常为0.1E，非常接近理论强度值0.2E。n晶须的强度随直径的增加而急剧减少，晶须越细缺陷越少，强度越接近理论值，这叫做晶须的尺寸效应。n晶须主要有：n1） 氧化铝晶须n2） 碳化硅晶须n3）碳化硅晶须

8、n4）石墨晶须n5）金刚石晶须n6）钛酸钾晶须晶须的制法n1） 氧化铝晶须n氧化铝蓝宝石晶须：Al或TiAl放在磁坩锅内，在含有水蒸气的氢气气氛中加热到15731723K进行合成。熔融的铝沉积，和氢气中的水蒸气按下列反应n生成晶须：n2Al(l)+3H2O(g)=Al2O3(s)+3H2(g)2) 碳化硅晶须采用将石英粉和石墨粉末混合，在氢气气氛中加热的方法，或者采用含有硅的氯化物和含有碳的化合物的气体和氢气混合在高温反应，用CVD法来制造。碳化硅晶须制法n美国发明了由稻壳大量生产碳化硅晶须n的方法。钛酸钾晶须n钛酸钾晶须是以一般式为K2O.nTiO2n表示的直径为0.21.2微米的晶须，n是

9、有独特物理性能的合成无机化合物。金属纤维n金属纤维由于弹性模量高、韧性好，可以编制在一起做成有用的增强纤维，且制造和购买方便，最早出现的金属基复合材料便是W/Cu复合材料。增强纤维的表面处理增强纤维的表面处理碳纤维、 氧化铝纤维、钛酸钾纤维等几乎与熔融金属不润湿，制造时不易得到致密和牢固的结合。另外，有的纤维在高温制造和使用时容易与基体发生反应而劣化，因此，必须对纤维进行表面处理，以提高纤维与金属间的润湿性或者抑制其高温时的界面反应。表面处理的方法主要有：1）干法的CVD和PVD法2）湿法的电镀和非电镀法CVD法即化学气相沉积法，是硼纤维。碳化硅纤维和晶须的制造方法之一，用其对纤维进行表面处理

10、时主要是把金属的卤化物加热分解，使金属或化合物在被处理的纤维表面上析出而形成沉积层。1）在碳纤维表面沉积SiC所用装置如图所示。 在保持一定温度并控制蒸气压的甲基三氯硅烷中通入氢气载体，所得到的混合气体进入反应管，在101MPa、1573K的条件下进行热分解，SiC在碳纤维表面析出。在碳纤维表面涂覆TiB,它以973K的Zn蒸气为还原剂，有四氯化钛和三氯化硼同时析出TiB,这种涂层与铝液润湿性好，铝能很好浸透到纤维的间隙内，但这种混合物涂层一接触空气后，和铝液的润湿性就变差了。PVD法即物理气相沉积法，它是使加热蒸发的金属在被处理的纤维表面上析出和包覆纤维的方法。有：真空沉积法、溅射法、等离子

11、喷镀法等1） 真空沉积法：把需涂覆的金属在108Pa的压力下单独加热、蒸发使其在纤维上沉积的方法。2） 溅射法：使电子或离子冲击欲涂覆的金属表面，使溅射出来的金属在被涂覆纤维表面上沉积下来。3） 等离子喷镀涂覆：将金属蒸气等离子化后在纤维上沉积下来的方法，它可以得到涂着性好的致密的涂层。电镀和非电镀n1) 电镀： 适于对粗的金属纤维线的涂覆。对电阻高、直径细的碳纤维就很困难。对碳纤维束连续镀Ni的装置如图所示。n2）非电镀n还原剂氧化时放出的电子使溶液中的金属离子在纤维表面析出的方法，因此它能对陶瓷类的不导电的纤维以及晶须类的短纤维进行涂覆喷涂就是把金属熔化后象喷雾那样喷上去的方法，它不同于CVD PVD、电镀和非电镀那样对纤维一根根进行处理，而是对排列整齐的纤维进行整体喷涂，主要目的是制造增强纤维和金属的单层复合体，然后经高温加压成型，被喷涂上的金属就成为基体了。n1）等离子喷涂：从枪的后部送入氩气冷却阴极后继续前进，由于在外加高频的阳极和阴极间引发电弧而形成等离子体，温度超过10000K，在这个等离子体流中用气流送入直径10！45微米的金属粉末，金属粉末就在等离子体流中迅速熔化，高