第三章增强体

1、第三章第三章增强材料增强材料2015.11.23目标与要求目标与要求l掌握增强体的概念、特征以及分类；掌握增强体的概念、特征以及分类；l掌握各种增强体的增强效果及理论掌握各种增强体的增强效果及理论l掌握玻璃纤维分类、物理化学性质、掌握玻璃纤维分类、物理化学性质、制备方法，了解玻璃纤维制品制备方法，了解玻璃纤维制品3.1 增强体概述增强体概述一、增强体定义一、增强体定义 也称为也称为增强剂增强剂，是复合材料中粘结在基体，是复合材料中粘结在基体内以改进其内以改进其机械性能机械性能的高强度材料，可以提高的高强度材料，可以提高基体的基体的强度强度、韧性韧性、模量模量、耐热耐热和和耐磨耐磨等性能。等性能

2、。主要有纤维、晶须、颗粒等材料主要有纤维、晶须、颗粒等材料二、增强材料特征二、增强材料特征l 具有提高基体材料所需特性的性能，如比强具有提高基体材料所需特性的性能，如比强度、比刚度和耐热性等度、比刚度和耐热性等 l 具有化学稳定性，组织和性能不发生明显的具有化学稳定性，组织和性能不发生明显的变化和退化，与基体有良好的化学相容性变化和退化，与基体有良好的化学相容性 l 与基体良好浸润或通过表面处理后能与基体与基体良好浸润或通过表面处理后能与基体良好的润湿良好的润湿 三、增强材料分类三、增强材料分类u纤维增强体纤维增强体u颗粒增强体颗粒增强体u晶须增强体晶须增强体u金属丝金属丝u片状增强体片状增强

3、体、纤维增强体纤维增强体（1）长纤维：长纤维：l长度可达百米，性能有方向性，制备成本高、长度可达百米，性能有方向性，制备成本高、性能高性能高l分为单丝和束丝直径为分为单丝和束丝直径为5.614m的细纤的细纤维以维以50012000根组成根组成束丝束丝作为增强体，如作为增强体，如玻璃纤维、碳纤维；直径为玻璃纤维、碳纤维；直径为95140m的硼的硼纤维、碳化硅（纤维、碳化硅（CVD制备）纤维是作为制备）纤维是作为单丝单丝作为增强体作为增强体 高性能纤维复合材料结构进行设计时，较多使高性能纤维复合材料结构进行设计时，较多使用层板理论。用层板理论。 材料纵向的强度与刚度性能和复合材料组成材料纵向的强度

4、与刚度性能和复合材料组成性能加权和之间的关系，也常称为混合定律。性能加权和之间的关系，也常称为混合定律。 纤维在与其相邻的基体中产生的应力和应变纤维在与其相邻的基体中产生的应力和应变对基体产生约束，使复合材料的断裂应变比复合对基体产生约束，使复合材料的断裂应变比复合前要低的多。前要低的多。 )1 (1fmffVEVEE实际中还有不同的实际中还有不同的泊松比导致的附加泊松比导致的附加应力。通过试验分应力。通过试验分析，误差小于析，误差小于1%2%。测出两种。测出两种玻璃纤维增强聚酯玻璃纤维增强聚酯树脂体系的树脂体系的E1、Vf之之间的线型关系间的线型关系 短纤维短纤维：l长度一般几十毫米，排列无

5、方向性，生产长度一般几十毫米，排列无方向性，生产成本低、效率高、性能低成本低、效率高、性能低 l使用时可先将纤维制成预制件，再通过挤使用时可先将纤维制成预制件，再通过挤压铸造、压力浸渍、泥浆渗透等方法制造出压铸造、压力浸渍、泥浆渗透等方法制造出短纤维复合材料。短纤维复合材料。l主要的短纤维有硅酸铝纤维、碳纤维、氧主要的短纤维有硅酸铝纤维、碳纤维、氧化铝纤维、氮化硼纤维、氮化硅纤维等。化铝纤维、氮化硼纤维、氮化硅纤维等。 短纤维复合材料的性能与其分布方向、长径比短纤维复合材料的性能与其分布方向、长径比有很大的关系有很大的关系纤维增强体纤维增强体(2)(2)有机纤维有机纤维纤维增强体纤维增强体无机

6、纤维无机纤维玻璃纤维玻璃纤维、碳纤维碳纤维、氧氧化铝化铝、碳化硅碳化硅、硼纤维硼纤维等等对位酰胺、聚芳脂对位酰胺、聚芳脂、聚乙聚乙烯、聚乙烯醇烯、聚乙烯醇等等纤维在复合材料中起增强作用，是主要承力组分。纤维不纤维在复合材料中起增强作用，是主要承力组分。纤维不仅能使材料显示出较高的抗张强度和刚度，而且能减少收仅能使材料显示出较高的抗张强度和刚度，而且能减少收缩，提高热变形温度和低温冲击强度等。复合材料的性能缩，提高热变形温度和低温冲击强度等。复合材料的性能在很大程度上取决于纤维的性能、含量及使用状态。在很大程度上取决于纤维的性能、含量及使用状态。 、颗粒增强体颗粒增强体l主要是一些具有主要是一些

7、具有高强度高强度、高模量高模量、耐热耐热、耐磨耐磨的的陶瓷材等无机非金属颗粒，还有一些陶瓷材等无机非金属颗粒，还有一些金属金属和和聚合聚合物物颗粒。无机非金属有碳化硅、氧化铝、氮化硅、颗粒。无机非金属有碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石墨、金刚石等颗粒，有机颗碳化钛、碳化硼、石墨、金刚石等颗粒，有机颗粒有粒有聚乙烯、氟树脂、聚丙烯、聚酰胺等聚乙烯、氟树脂、聚丙烯、聚酰胺等 l颗粒尺寸很小（颗粒尺寸很小（400300400200350200250180200拉伸强度拉伸强度（GPa）1.71.72.762.02.752.73.0碳含量碳含量（W）99.899.096.594.599.0五

8、、碳纤维的物理性能（）五、碳纤维的物理性能（）碳纤维的比重在碳纤维的比重在1.5-2.0之间，这除了与之间，这除了与原丝原丝结构结构有关外，主要还决定于有关外，主要还决定于碳化处理的温度碳化处理的温度。一般情况下，经过高温一般情况下，经过高温(3000 )石墨化处理石墨化处理，比重可达比重可达2.0。 碳纤维的物理性能（）碳纤维的物理性能（） 碳纤维的碳纤维的与其它类型纤维不同，它与其它类型纤维不同，它有有的特点。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 /)。 碳纤维的碳纤维的比热比热一般为一般为0.030.71 kJ( kg

9、 )。导热率有方向性，平行于纤维轴方向导热率为导热率有方向性，平行于纤维轴方向导热率为0.04卡卡/秒秒厘米厘米度，而垂直于纤维轴方向为度，而垂直于纤维轴方向为0.002卡卡/秒秒厘米厘米度。导热率随温度升高而下降。度。导热率随温度升高而下降。碳纤维的物理性能（）碳纤维的物理性能（）耐高温性能好在惰性气体中，碳纤维在耐高温性能好在惰性气体中，碳纤维在2000的高温下仍能保持良好的力学性能；在液氮温度的高温下仍能保持良好的力学性能；在液氮温度下也不脆化下也不脆化 碳纤维的比电阻（电阻率）低，与纤维的类型有碳纤维的比电阻（电阻率）低，与纤维的类型有关。在关。在25时，高模量碳纤维为时，高模量碳纤维

10、为775 u cm，高，高强度碳纤维为强度碳纤维为1500 u cm还有耐油、抗放射、抗辐射、吸收有毒气体和减还有耐油、抗放射、抗辐射、吸收有毒气体和减速中子等特性速中子等特性 碳纤维的化学性能碳纤维的化学性能碳纤维碳纤维的化学性能与的化学性能与碳碳很相似。它除能被很相似。它除能被强氧化剂氧化外，对一般酸碱是惰性的。强氧化剂氧化外，对一般酸碱是惰性的。在在空气空气中，当温度高于中，当温度高于400 时，则会出时，则会出现明显的氧化，生成现明显的氧化，生成CO和和CO2。 在高温下，碳纤维与金属有不同程度的界在高温下，碳纤维与金属有不同程度的界面反映，严重的损伤纤维，因此在用作金属基面反映，严重

11、的损伤纤维，因此在用作金属基体复合材料的增强材料时，应采取有效的措施。体复合材料的增强材料时，应采取有效的措施。 碳纤维的表面改性碳纤维的表面改性清洁表面杂质，在纤维表面形成微孔或刻清洁表面杂质，在纤维表面形成微孔或刻蚀沟槽，从类石墨层面改性成碳状结构以蚀沟槽，从类石墨层面改性成碳状结构以增加表面能；引进具有极性或反应性官能增加表面能；引进具有极性或反应性官能团以及形成能与树脂起作用的中间层。团以及形成能与树脂起作用的中间层。 碳纤维表面处理途径碳纤维表面处理途径表面清洁法表面清洁法 惰性气体、高温，除水气和非碳物质惰性气体、高温，除水气和非碳物质 气相氧化法气相氧化法 氧气氛、高温和催化剂，

12、表面生成活氧气氛、高温和催化剂，表面生成活性基团性基团 液相氧化法液相氧化法 溶液中腐蚀，增加表面活性官能团溶液中腐蚀，增加表面活性官能团 表面涂层法表面涂层法 减弱表面缺陷，缓和界面应力，产生减弱表面缺陷，缓和界面应力，产生偶联等偶联等 世界碳纤维按应用领域需求的统计和预测世界碳纤维按应用领域需求的统计和预测碳纤维复合材料应用碳纤维复合材料应用l 航天航空领域航天航空领域 宇宙飞船、人造卫星，导宇宙飞船、人造卫星，导 弹等弹等l 汽车领域汽车领域 汽车内饰，发动机罩等，省油，安全汽车内饰，发动机罩等，省油，安全l 体育娱乐体育娱乐l 其他其他 防静电防静电 电磁波防护电磁波防护3.4 其他无

13、机纤维增强材料其他无机纤维增强材料 硼纤维硼纤维 碳化硅纤维碳化硅纤维 氧化铝纤维氧化铝纤维3.4.1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高温化学气相法高温化学气相法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。它具有很高的比强度比强度和和比模量比模量，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。现在硼纤维通用的现在硼纤维通用的制备方法制备方法是在加热的钨丝是在加热的钨丝表面通过表面通过硼层。硼层。硼纤维的硼纤维的有有100m、140m、200m几几

14、种。种。目前已研究用目前已研究用碳纤维碳纤维代替钨丝，降低成本和代替钨丝，降低成本和密度。碳芯硼纤维比钨丝硼纤维强度下降密度。碳芯硼纤维比钨丝硼纤维强度下降 5%，但成本降低但成本降低 25%。 HClBHBCl623223一、硼纤维的制备一、硼纤维的制备二、硼纤维的性能二、硼纤维的性能具有良好的力学性能、强度高、模量高、密度具有良好的力学性能、强度高、模量高、密度小。硼纤维具有耐高温和耐中子辐射性能。小。硼纤维具有耐高温和耐中子辐射性能。在室温下在室温下，硼纤维的，硼纤维的，但，但，不需要处理不需要处理就能与树脂进行复合，而就能与树脂进行复合，而且所制得的复合材料具有且所制得的复合材料具有较

15、高的层间剪切强度较高的层间剪切强度 在常温下在常温下为为，但，但在高温下在高温下易与易与金属反应。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。三、硼纤维的应用三、硼纤维的应用航天航空工业用作结构材料航天航空工业用作结构材料在体育及娱乐用品领域的应用在体育及娱乐用品领域的应用在工业制品领域的应用在工业制品领域的应用3.4.2 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）是以的一种的一种陶瓷纤维。在形式上，有晶须和连续纤维陶瓷纤维。在形式上，有晶须和连续纤维两种两

16、种 SiC纤维具有纤维具有高强度高强度、高模量高模量，有良好，有良好的的耐化学腐蚀性耐化学腐蚀性、耐高温耐高温和和耐辐射性能耐辐射性能。一、碳化硅纤维的制备一、碳化硅纤维的制备l化学气相沉积法化学气相沉积法l先驱体转化法先驱体转化法(PIP) 1 1、化学气相沉积法、化学气相沉积法通常在管式反应器中用水银电极直接采用直流电或射通常在管式反应器中用水银电极直接采用直流电或射频加热频加热, ,把基体芯材把基体芯材( (钨丝或碳丝钨丝或碳丝) )加热到加热到1200以上，以上，通入氯硅烷和氢气的混合气体通入氯硅烷和氢气的混合气体, ,经反应裂解为碳化硅，经反应裂解为碳化硅，并沉积在钨丝或碳丝表面。并

17、沉积在钨丝或碳丝表面。 结构由内向外依次为芯丝、富碳的碳化硅层、碳化硅结构由内向外依次为芯丝、富碳的碳化硅层、碳化硅层和外表面的富硅涂层。层和外表面的富硅涂层。 该法制备的该法制备的纤维直径为纤维直径为95140m的单丝的单丝 HClSiCSiClCH333化学气相沉积法制备的化学气相沉积法制备的SiC纤维性能纤维性能2、先驱体转化法、先驱体转化法(PIP)此方法制备的此方法制备的SiC纤维力学性能好，已经广泛应用，不足纤维力学性能好，已经广泛应用，不足之处是工艺繁杂之处是工艺繁杂直径为直径为10m的细纤维，一般由的细纤维，一般由500根纤维组成束丝为商品根纤维组成束丝为商品 以有机聚合物以有

18、机聚合物( (一般为有机金属聚合物一般为有机金属聚合物) )为先驱体，利用为先驱体，利用其可溶可熔等特性成型后，经高温热分解处理使之从有其可溶可熔等特性成型后，经高温热分解处理使之从有机化合物转变为无机陶瓷材料的方法机化合物转变为无机陶瓷材料的方法 不同工艺下碳化硅纤维的性能不同工艺下碳化硅纤维的性能二、碳化硅纤维的性能（）二、碳化硅纤维的性能（）l比强度和比模量高比强度和比模量高l高温性能好高温性能好 在在1000高温下高温下1000h或在或在1200温度下温度下10h h后后, , Nicalon的抗张强度还的抗张强度还能保持能保持2GPa。 l尺寸稳定性好尺寸稳定性好 热膨胀系数比金属小

19、热膨胀系数比金属小, ,仅为仅为(2.34.3)10-6/ 碳化硅纤维的性能（）碳化硅纤维的性能（）l不吸潮、不老化不吸潮、不老化, ,使用可靠使用可靠l优良的抗疲劳和抗蠕变性优良的抗疲劳和抗蠕变性 碳化硅纤维增碳化硅纤维增强复合材料有较好的界面结构强复合材料有较好的界面结构, ,可有效地阻止裂可有效地阻止裂纹扩散纹扩散 l较好的导热和导电性较好的导热和导电性 SiCf的电阻率在的电阻率在1cm155cm之间之间碳化硅纤维应用碳化硅纤维应用用作高温耐热材料用作高温耐热材料 用作树脂基复合材料用作树脂基复合材料 用作金属基复合材料用作金属基复合材料 用作陶瓷基复合材料用作陶瓷基复合材料 3.4.

20、3 氧化铝纤维氧化铝纤维l热学性能好热学性能好 耐高温，隔热性好耐高温，隔热性好l力学性能好，高强度、高模量、优良的抗压性能力学性能好，高强度、高模量、优良的抗压性能l化学稳定性好，不被熔融金属侵蚀，可与金属很化学稳定性好，不被熔融金属侵蚀，可与金属很好地复合好地复合 l电气绝缘、电波透过性好电气绝缘、电波透过性好l表面活性好，不需要进行表面处理，即能与树脂表面活性好，不需要进行表面处理，即能与树脂和金属复合和金属复合浙江欧诗漫晶体纤维有限公司制备。浙江欧诗漫晶体纤维有限公司制备。F-1600和和F-1600A是是当今国内外最新型的超轻质耐高温绝热材料当今国内外最新型的超轻质耐高温绝热材料氧化

21、铝纤氧化铝纤维，氧化铝纤维是集晶体材料和纤维材料特性于一体，有维，氧化铝纤维是集晶体材料和纤维材料特性于一体，有极好的耐热稳定性，熔点高达极好的耐热稳定性，熔点高达1840，其导热率是普通耐，其导热率是普通耐火砖的火砖的1/6，容量只有其，容量只有其1/25，采用高科技的化学胶体法制，采用高科技的化学胶体法制取在国外也只有少数发达国家才能生产这种产品，如美国取在国外也只有少数发达国家才能生产这种产品，如美国的的unifrax公司、英国的公司、英国的saffil公司等，产品主要技术指标达公司等，产品主要技术指标达到国际先进水平，并广泛应用于冶金、机械、陶瓷、电子、到国际先进水平，并广泛应用于冶金

22、、机械、陶瓷、电子、建材、石材、航天航空等领域高温工业窑炉及其它热工设建材、石材、航天航空等领域高温工业窑炉及其它热工设备的内衬绝热。能达到节能增产、减少炉内温差、提高产备的内衬绝热。能达到节能增产、减少炉内温差、提高产品质量、减少备件消耗、延长炉体寿命、改善工作环境之品质量、减少备件消耗、延长炉体寿命、改善工作环境之目的。目的。 F-1600A属高性能氧化铝纤维，以满足国外用户需属高性能氧化铝纤维，以满足国外用户需求。求。 氧化铝基陶瓷纤维的性能氧化铝基陶瓷纤维的性能氧化铝连续纤维的制备氧化铝连续纤维的制备 先驱体法先驱体法：将氧化铝的先驱物（如将铝粉悬浮在某：将氧化铝的先驱物（如将铝粉悬浮

23、在某种铝盐水溶液中形成的粘稠浆液）和二氧化硅的先驱种铝盐水溶液中形成的粘稠浆液）和二氧化硅的先驱物（如硅胶或有机硅烷），以及控制液体流变学性质物（如硅胶或有机硅烷），以及控制液体流变学性质的有机添加剂，制成胶体溶液。借助离心喷吹，或的有机添加剂，制成胶体溶液。借助离心喷吹，或喷丝头纺丝加空气流喷吹等成纤手段，将上述胶体溶喷丝头纺丝加空气流喷吹等成纤手段，将上述胶体溶液制成凝胶状液制成凝胶状短纤维短纤维。加热干燥。高温烧成，去。加热干燥。高温烧成，去除有机物，使两种先驱物分别转变成氧化铝和二氧化除有机物，使两种先驱物分别转变成氧化铝和二氧化硅，同时生成晶体结构。硅，同时生成晶体结构。 溶液纺丝法

24、溶液纺丝法 用烷基铝加水聚合成聚铝氧烷聚合物，用烷基铝加水聚合成聚铝氧烷聚合物，将它溶解在有机溶剂中，冉加入硅酸酯或有机硅将它溶解在有机溶剂中，冉加入硅酸酯或有机硅聚合物，将混合液浓缩成纺丝液进行干法纺丝，聚合物，将混合液浓缩成纺丝液进行干法纺丝，得到先驱体纤维，再在得到先驱体纤维，再在600空气中裂解成空气中裂解成A12O3和和SiO2组成的无机纤维，而后在组成的无机纤维，而后在l 000以上烧结，以上烧结，得到微晶聚集态的连续得到微晶聚集态的连续Al2O3纤维。纤维直径纤维。纤维直径10m，拉伸强度为，拉伸强度为3.2GPa，模量为，模量为330Gpa。特点。特点是纺丝性好，可获得是纺丝性

25、好，可获得连续长纤维连续长纤维。氧化铝纤维的应用氧化铝纤维的应用l 在兵器中的应用装甲车、坦克发动机活塞的理在兵器中的应用装甲车、坦克发动机活塞的理想材料想材料 。l 在航空、航天上的应用在航空、航天上的应用 可用作固体发动机燃烧可用作固体发动机燃烧室绝热壳体、固体火箭发动机喷管。室绝热壳体、固体火箭发动机喷管。l 在民用汽车上的应用在民用汽车上的应用 连杆、汽车发动机中继活连杆、汽车发动机中继活塞，应用氧化铝纤维增强铝基复合材料塞，应用氧化铝纤维增强铝基复合材料参考文献参考文献 复合材料学复合材料学 周祖福周祖福 武汉理工大学出版社武汉理工大学出版社 先进复合材料先进复合材料 胡保全胡保全

26、牛晋川牛晋川 国防工业出版社国防工业出版社作业作业l碳纤维有哪些分类？碳纤维的制备方法都有哪碳纤维有哪些分类？碳纤维的制备方法都有哪些，碳纤维都有哪些物理化学性质？些，碳纤维都有哪些物理化学性质？l硼纤维都有哪些特点？硼纤维都有哪些特点？lSiC纤维纤维都有哪些特点？制备方法有哪些？纤维纤维都有哪些特点？制备方法有哪些？不同制备方法的纤维都有什么特性不同制备方法的纤维都有什么特性lAl2O3纤维都有什么性能纤维都有什么性能了解了解kevlar纤维制备，纤维制备，掌握掌握其结构和物理化学性其结构和物理化学性质，了解其应用质，了解其应用了解聚乙烯纤维了解聚乙烯纤维了解了解PBO纤维纤维掌握掌握常见

27、的晶须增强体、晶须性能，了解晶须的常见的晶须增强体、晶须性能，了解晶须的应用应用 掌握掌握颗粒增强体的分类，颗粒增强体的分类，掌握掌握其常见颗粒增强体其常见颗粒增强体3.5 有机纤维有机纤维 有机纤维的典型代表是有机纤维的典型代表是kevlar纤维，其它的有纤维，其它的有机纤维有高强度聚乙烯纤维、尼龙纤维等。具机纤维有高强度聚乙烯纤维、尼龙纤维等。具有密度小，比强度、比模量高的特点。市场主有密度小，比强度、比模量高的特点。市场主要存在于北美、西欧和日本等发达国家中。要存在于北美、西欧和日本等发达国家中。 本节主要内容：本节主要内容： 芳纶芳纶（kevlar)纤维纤维；聚乙烯纤维聚乙烯纤维；PB

28、O纤维纤维3.5.1 Kevlar纤维纤维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 国内称为国内称为芳纶纤维芳纶纤维，全称为，全称为聚对苯二甲酰对苯二胺聚对苯二甲酰对苯二胺 ，有时也称有时也称有机纤维有机纤维。 目前就有目前就有Kevlar一一49、Kevlar29等十多个牌号，等十多个牌号，每个牌号又有数十种规格的产品。每个牌号又有数十种规格的产品。 生产主要集中在日本和美国、欧洲。如美国杜邦的生产主要集中在日本和美国、欧洲。如美国杜邦的Kevlar纤维，日本帝人公司的纤维，日本帝人公司的Technora纤维及俄罗斯纤维及俄罗斯的的Terlon纤维等。纤维等。 一、芳

29、纶纤维的制备一、芳纶纤维的制备由严格等摩尔比的高纯度对苯二甲酰氯或对苯二甲酸和对由严格等摩尔比的高纯度对苯二甲酰氯或对苯二甲酸和对苯二铵单体在极强性溶剂（如含有苯二铵单体在极强性溶剂（如含有LiCl或或CaCl2增容剂的增容剂的N甲基吡咯烷酮甲基吡咯烷酮(NMP)）通过）通过低温溶液缩聚低温溶液缩聚或或直接缩聚直接缩聚反应，获得分子量高，分子量分布窄的反应，获得分子量高，分子量分布窄的PPTA树脂。树脂。经过经过纺丝纺丝和和热处理热处理，得到，得到PPTA纤维纤维 。采用管式氮气保护。采用管式氮气保护下加热至下加热至270310进行热处理工艺进行热处理工艺 二、二、Kevlar纤维结构纤维结构

30、Kevlar纤维是对苯二甲酰与对苯二胺的聚合体纤维是对苯二甲酰与对苯二胺的聚合体 ，芳环对位，芳环对位上的通过共价键结合，酰氨基上的氢可以根另一个链段上的上的通过共价键结合，酰氨基上的氢可以根另一个链段上的酰氨基团上的羟基结合成氢键。这种聚合物具有很好的规整酰氨基团上的羟基结合成氢键。这种聚合物具有很好的规整性，因此具有很好的结晶度性，因此具有很好的结晶度PPTA纤维的叠层结构模型纤维的叠层结构模型纤维中的分子在纵向纤维中的分子在纵向上具有近乎平行于纤上具有近乎平行于纤维轴的取向，在横向维轴的取向，在横向上平行于氢键片层辐上平行于氢键片层辐射状取向。液晶纺丝射状取向。液晶纺丝时有少量正常分子杂

31、时有少量正常分子杂乱取向，称为轴向条乱取向，称为轴向条纹或氢键片层的打褶纹或氢键片层的打褶 。三、三、Kevlar纤维性能纤维性能l单丝强度可达单丝强度可达3773MPa；254mm长的纤维束的拉长的纤维束的拉伸强度为伸强度为2744MPa，大约为铝的，大约为铝的5 5倍倍l冲击性能，大约为石墨纤维的冲击性能，大约为石墨纤维的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。l弹性模量可达弹性模量可达127157.7GPa，比玻璃纤维高一，比玻璃纤维高一倍，为碳纤维倍，为碳纤维0.8倍倍 l断裂伸长在断裂伸长在3左右，接近玻璃纤维，高于其他纤左右，接近玻璃纤维，高于其他

32、纤维维 l密度小，比重为密度小，比重为1.441.45，只有铝的一半。，只有铝的一半。Kevlar纤维力学性能纤维力学性能几种壳体用增强纤维的性能及其壳体性能几种壳体用增强纤维的性能及其壳体性能Kevlar纤维纤维的的热稳定性热稳定性 温度达温度达487时尚不熔化，但开始碳化；短时间暴露时尚不熔化，但开始碳化；短时间暴露在在300以上，对强度几乎没有影响；即使在以上，对强度几乎没有影响；即使在200下，一周后强度降低下，一周后强度降低15，模量降低，模量降低4；在；在150下作用一周后强度、模量不会下降。下作用一周后强度、模量不会下降。另外，在低温另外，在低温(-60)不发生脆化亦不降解。不发

33、生脆化亦不降解。热膨胀系数各向异性。纵向热膨胀系数热膨胀系数各向异性。纵向热膨胀系数0100时时为为-210-6 /；在；在100200时为时为-4106/。横。横向热膨胀系数为向热膨胀系数为5910-6/Kevlar纤维纤维化学性能化学性能 l对中性化学药品的抵抗力一般是很强的；对中性化学药品的抵抗力一般是很强的；l但易受各种酸碱的侵蚀，尤其是强酸的侵蚀；但易受各种酸碱的侵蚀，尤其是强酸的侵蚀；l耐水性也不好耐水性也不好 在低湿低度（在低湿低度（20相对湿度）相对湿度）下芳纶的吸湿率为下芳纶的吸湿率为1，在高湿度（，在高湿度（85相相对湿度）下，可达对湿度）下，可达7。芳纶的缺点芳纶的缺点

34、l热膨胀系数具有各相异性热膨胀系数具有各相异性l耐光性比较差，暴露于可见光和紫外线时会耐光性比较差，暴露于可见光和紫外线时会产生光致降解，使力学性能下降和颜色变化产生光致降解，使力学性能下降和颜色变化l溶解性差溶解性差l抗压力强度低抗压力强度低l吸湿性强，吸湿后纤维性能变化大吸湿性强，吸湿后纤维性能变化大 Kevlar纤维的应用纤维的应用芳纶产品用于防弹衣、头盔等约占芳纶产品用于防弹衣、头盔等约占78%，航空航天材料、，航空航天材料、体育用材料大约占体育用材料大约占40%；轮胎骨架材料、传送带材料等方；轮胎骨架材料、传送带材料等方面大约占面大约占20%左右，还有高强绳索等方面大约占左右，还有高

35、强绳索等方面大约占 13%。利用它的轻巧品质制成手套，可使手的动作灵活自如，同利用它的轻巧品质制成手套，可使手的动作灵活自如，同时防止割伤。用以增强管道，为深海石油和天然气探勘服时防止割伤。用以增强管道，为深海石油和天然气探勘服务；用以制造防火被褥，可满足严格要求；用以增强建筑务；用以制造防火被褥，可满足严格要求；用以增强建筑结构，可防止房屋受到飓风和龙卷风的危害。结构，可防止房屋受到飓风和龙卷风的危害。以以树脂树脂作为作为基体基体，芳纶纤维芳纶纤维作为作为增强相增强相所形所形成的成的增强塑料增强塑料，简称，简称KFRP，应用领域有：，应用领域有：1 1、航空航天领域、航空航天领域 2 2、军

36、事领域、军事领域3 3、民用、工业方面、民用、工业方面 1、航空航天领域航空航天领域l航空方面，各种整流罩、机翼前缘、襟翼、方航空方面，各种整流罩、机翼前缘、襟翼、方向舵、安全面翼尖、尾椎窗框、地板、天花板、向舵、安全面翼尖、尾椎窗框、地板、天花板、舱壁、舱门、行李架、座椅等。比玻璃纤维复合舱壁、舱门、行李架、座椅等。比玻璃纤维复合材料质量减少材料质量减少30。还可以与飞机用的层叠混杂还可以与飞机用的层叠混杂增强铝材，与碳纤维混用，制造波音增强铝材，与碳纤维混用，制造波音767、777的的轻量零部件轻量零部件 l航天方面，用于火箭发动机壳体和压力容器、航天方面，用于火箭发动机壳体和压力容器、宇

37、宙飞船的驾驶舱、氧气、氮气和氦气的容器以宇宙飞船的驾驶舱、氧气、氮气和氦气的容器以及通风管道。及通风管道。 2、在军事上，可以用作防护材料，如坦克、在军事上，可以用作防护材料，如坦克、装甲车、飞机、艇的防弹板以及头盔和防弹装甲车、飞机、艇的防弹板以及头盔和防弹衣。衣。3 3、民用、工业方面、民用、工业方面 采用采用Kevlar复合材料，船体质量比用玻璃钢和复合材料，船体质量比用玻璃钢和铝轻铝轻2840，燃料节省，燃料节省35，航程延长，航程延长35。 体育用品方面，体育用品方面， Kevlar复合材料用于高尔夫球复合材料用于高尔夫球棒、网球拍、标枪、钓鱼杆、滑雪撬和其他体育棒、网球拍、标枪、钓

38、鱼杆、滑雪撬和其他体育器材，也可以与碳纤维合用器材，也可以与碳纤维合用 3.5.2 聚乙烯纤维聚乙烯纤维 高强高弹聚乙烯高强高弹聚乙烯（HSHMPE）纤维又名纤维又名超高超高相对分子质量聚乙烯（相对分子质量聚乙烯（UHMWPE）纤维）纤维，超高超高分子量聚乙烯纤维分子量聚乙烯纤维(简称简称UHMWPE)，又叫高强，又叫高强PE纤维，是当今世界三大高科技纤维（纤维，是当今世界三大高科技纤维（碳纤维碳纤维、芳纶芳纶和和超高分子量聚乙烯纤维超高分子量聚乙烯纤维）之一，也是世界）之一，也是世界上最坚韧的纤维。上最坚韧的纤维。 一、聚乙烯纤维性能一、聚乙烯纤维性能l白色，密度小，所有化学纤维中密度最小白

39、色，密度小，所有化学纤维中密度最小 l比强度高，钢丝绳的比强度高，钢丝绳的15倍，比芳纶高倍，比芳纶高40%，仅次，仅次于特级碳纤维于特级碳纤维l耐光性好耐光性好l耐低温性好，使用温度可以低至耐低温性好，使用温度可以低至-150。芳纶纤。芳纶纤维到维到-30便失去防弹效能便失去防弹效能 l能抗紫外线和耐各种化学腐蚀能抗紫外线和耐各种化学腐蚀 的不足之处：的不足之处：（约（约135）。 仅能在仅能在100以下使用。以下使用。不同产家聚乙烯纤维性能不同产家聚乙烯纤维性能聚乙烯纤维与其他纤维性能对比聚乙烯纤维与其他纤维性能对比二、应用领域二、应用领域 军用方面军用方面 航天航空航天航空 民用方面民用

40、方面 HSHMPE纤维在几个主要应用领域的用途纤维在几个主要应用领域的用途聚乙烯纤维复合材料在军聚乙烯纤维复合材料在军事领域应用事领域应用聚乙烯纤维复合材料在民用方聚乙烯纤维复合材料在民用方面应用面应用聚乙烯纤维制成的绳索、缆绳、船帆和渔具聚乙烯纤维制成的绳索、缆绳、船帆和渔具3.5.3 PBO纤维纤维20世纪末开发出来的一种超级纤维，世纪末开发出来的一种超级纤维，1994年，美国年，美国Dow化学公司进行了工业性开发化学公司进行了工业性开发, ,并授权日本东洋纺公司生产出了纤维并授权日本东洋纺公司生产出了纤维, ,其商其商品名为品名为Zylon。该纤维具有更高的比强度、。该纤维具有更高的比强

41、度、比模量，同时还具有超常的耐热性和阻燃比模量，同时还具有超常的耐热性和阻燃性。性。被誉为被誉为21世纪超级纤维世纪超级纤维 一、一、PBO聚合物的化学结构聚合物的化学结构PBO分子中的苯环和氮杂环是共面的，且处在分分子中的苯环和氮杂环是共面的，且处在分子链的轴线上，其分子的结构单元中除了一个能子链的轴线上，其分子的结构单元中除了一个能自由旋转的自由旋转的C-C键外，其余全都不能自由旋转，键外，其余全都不能自由旋转，使得使得PBO纤维具有优异的力学及热学性能纤维具有优异的力学及热学性能PBO纤维的力学性能纤维的力学性能PBO纤维纤维热稳定性热稳定性 PBO纤维的热分解温度高达纤维的热分解温度高

42、达650, , 工作温度高达工作温度高达300500，Zylon-AS和和Zylon-HM在在300空气中空气中100h后后, ,强度保持率分别为强度保持率分别为48%、42%左右。高模左右。高模PBO纤维在纤维在400下仍能保持下仍能保持75%的模量。另外，的模量。另外，PBO的的极限氧指数极限氧指数最高最高 。在。在750燃烧时产生的燃烧时产生的CO、HCN等有毒气体很少等有毒气体很少 极限氧指数极限氧指数：材料在空气中燃烧所需氧气体积的百分比叫做材料在空气中燃烧所需氧气体积的百分比叫做极限氧指数极限氧指数 PBO纤维纤维尺寸稳定性尺寸稳定性 PBO纤维在纤维在50%断裂载荷下的蠕变值是同

43、断裂载荷下的蠕变值是同样条件下对位芳纶的样条件下对位芳纶的2倍。倍。PBO纤维具有纤维具有负的负的线膨胀系数线膨胀系数, ,没有因湿引起的尺寸变化没有因湿引起的尺寸变化, ,热及水热及水分对它的影响也极小分对它的影响也极小 化学稳定性化学稳定性 PBO纤维的化学稳定性极好纤维的化学稳定性极好, ,除溶解于除溶解于100%的浓硫酸、甲基磺酸、氯磺酸等的浓硫酸、甲基磺酸、氯磺酸等强酸外强酸外, ,在其他所有的有机溶剂和碱中在其他所有的有机溶剂和碱中都是稳定的都是稳定的, ,强度几乎不变。强度几乎不变。 PBO纤维的缺点纤维的缺点 l抗压强度差抗压强度差, ,仅有仅有0.20.4 GPal抗紫外线性

44、能较差抗紫外线性能较差l纤维表面光滑且呈惰性，与树脂基体的粘纤维表面光滑且呈惰性，与树脂基体的粘结性能较差结性能较差lPBO分子非常刚直且密实性高分子非常刚直且密实性高, ,染料难以向染料难以向纤维内部扩散，染色性能差纤维内部扩散，染色性能差PBO纤维的应用纤维的应用lPBO纤维和改性纤维和改性PBO复合材料特别适用航空与航复合材料特别适用航空与航天业、军工材料、高温防护材料天业、军工材料、高温防护材料l轮胎、胶带、塑料的补强材料轮胎、胶带、塑料的补强材料l新用途，如美国最新战斗机新用途，如美国最新战斗机采用采用PBO作为作为吸波隐吸波隐形材料形材料 （具有较好的透波、吸波性能）（具有较好的透

45、波、吸波性能）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。比强度，比强度，MPa / ( g / cm 3 )3.6 其他增强材料其他增强材料l晶须增强物晶须增强物l颗粒增强物颗粒增强物3.6.1 晶须增强体晶须增强体（Whiskers，也称为猫胡子）是在，也称为猫胡子）是在人工控制

46、条件下，人工控制条件下，以单晶形式以单晶形式生长成的一种生长成的一种纤维。纤维。的直径一般为的直径一般为0.21微米，长几十微米，长几十微米，是一种微米，是一种无缺陷的理想完整晶体无缺陷的理想完整晶体。强度。强度接近于完整晶体的理论值。接近于完整晶体的理论值。具有优良的具有优良的耐高温耐高温、耐腐蚀耐腐蚀性能性能, ,以及良以及良好的好的机械强度机械强度、电绝缘性电绝缘性、轻量轻量、高硬高硬度度等特性。其作为塑料、金属、陶瓷等等特性。其作为塑料、金属、陶瓷等的改性增强材料时显示出了极佳的物理、的改性增强材料时显示出了极佳的物理、化学性能和优异的力学性能。化学性能和优异的力学性能。 迄今为止，材

47、料学家们已研究开发出了迄今为止，材料学家们已研究开发出了上百种晶须上百种晶须，有，有金属金属氧化物氧化物碳化物碳化物氮化物氮化物硼化物硼化物以及以及无机盐无机盐等多种晶须。等多种晶须。常用的有常用的有碳化硅碳化硅、氧化铝氧化铝、硼酸铝硼酸铝等等特点：性能稳定、成本低，用来增强金特点：性能稳定、成本低，用来增强金属基、陶瓷基和聚合物基复合材料属基、陶瓷基和聚合物基复合材料陶瓷晶须的基本性能如下表所示：陶瓷晶须的基本性能如下表所示：1. 1. 碳化硅晶须碳化硅晶须碳化硅晶须一般呈黄绿色或灰绿色；晶须纤维的直径碳化硅晶须一般呈黄绿色或灰绿色；晶须纤维的直径一般为一般为0.21.5m，粗晶须的直径为，

48、粗晶须的直径为35m，长度，长度为几十至几百微米；密度为为几十至几百微米；密度为3.2g/cm3；荷重软化点荷重软化点1600，熔点，熔点2690；拉伸强度为；拉伸强度为20.58 GPa，弹性，弹性模量为模量为480GPa，莫氏硬度为，莫氏硬度为9.5，热膨胀率为，热膨胀率为( (4.55.0)10-6/。荷重软化点荷重软化点：将材料单位面积上加一定静负荷，然后：将材料单位面积上加一定静负荷，然后加热，逐渐升温，当材料发生一定的变形时的温度加热，逐渐升温，当材料发生一定的变形时的温度SiC晶须的晶须的TEM照片照片碳化硅纤维的制备碳化硅纤维的制备l气液固法气液固法( (VLS) ) l谷壳灰

49、法谷壳灰法 目前工艺成熟，已经用于工业生产目前工艺成熟，已经用于工业生产气液固法气液固法(VLS)具体原理具体原理: :SiO2(S)+C(S)=SiO(g)+CO(g)SiO(S)+2C=SiC+CO(g)优点：原料易得优点：原料易得, ,工艺简单工艺简单, ,反应过程没有腐蚀性反应过程没有腐蚀性和毒性较大的中间产物。和毒性较大的中间产物。缺点：出品率较低、质量较差、成本高缺点：出品率较低、质量较差、成本高, , 生产过生产过程中的粉尘和有害气体会造成环境污染程中的粉尘和有害气体会造成环境污染。谷壳灰法谷壳灰法 1979年年Cutler将谷壳经过部分碳化，其中含有将谷壳经过部分碳化，其中含有SiO2和未完全和未完全氧化的碳，可以在较低的温度和较短的时间内反应产生细分散氧化的碳，可以在较低的温度和较短的时间内反应产生