第二章 复合材料的增强体

第二章复合材料的增强体

增强体是结构复合材料中能提高材料力学性能的组分，在复合材料中起着增加强度、改善性能的作用。增强体的基本特征：能明显提高材料的一种或几种性能具有良好的化学稳定性具有良好的润湿性2.1增强体的概念

颗粒状（零维）纤维、晶须状（一维）片状（二维）立体编织物（三维）无机非金属类(共价键)有机聚合物类(共价键、高分子链)金属类(金属键)。按形态分类：按化学特征分类：2.2增强体的分类一、玻璃纤维（GlassFibers）一种性能优异的无机非金属材料具有不燃、耐高温、电绝然、拉伸强度高、化学稳定性好等优良性能是将熔融的玻璃液，以极快的速度拉成细丝而成无普通玻璃的脆性，质地柔软而有弹性，可并股、加捻、纺织成各种玻璃布、玻璃带等织物。2.3无机非金属纤维

玻璃纤维的制造方法主要有玻璃球法(也称为坩埚拉丝法)和直接熔融法(也称为池窑拉丝法)。分类：组成：SiO2+MetalOxides(Al2O3、CaO、MgO、Na2O、BeO、B2O3

）。有碱玻璃纤维，碱性氧化物含量>12%，也称为A玻璃纤维中碱玻璃纤维，碱性氧化物含量6~12%低碱玻璃纤维，碱性氧化物含量2~6%无碱玻璃纤维，碱性氧化物含量<2%，也称为E玻璃纤维按含碱量可分为：粗纤维，单丝直径30μm初级纤维，单丝直径30μm中级纤维，单丝直径10~20μm高级纤维，单丝直径3~10μm按单丝直径可分为：按纤维的外观可分为：无捻粗纱、有捻粗纱、短切纤维、空心玻璃纤维、玻璃粉及磨细纤维按纤维的特性分类：高强玻璃纤维、高模量玻璃纤维、耐碱玻璃纤维、耐酸玻璃纤维、耐高温玻璃纤维、普通玻璃纤维特性：力学性能：拉伸强度高，模量低热学性能：耐热性仅比聚合物好、良好的绝热性、热膨胀系数低电学性能：绝缘性好、良好的高频介电性能。耐介质性能：水中浸泡后，强度降低；除HF外，对酸、碱及有机溶剂有较好的耐腐蚀能力玻璃纤维纱玻璃纤维布玻璃纤维带玻璃纤维管玻璃纤维毡玻璃纤维制品种类水与玻璃纤维的化学反应过程：—Si—O—Na+H2O→—Si—OH+Na++OH-—Si—O—Si—+H2O→—Si—O—+—Si—OH—Si—O-

+H2O→—Si—OH+OH-影响玻璃纤维强度的因素直径：拉伸强度随直径降低而增加。长度：拉伸强度随长度降低而增加。化学组成：含碱量越高，强度越低。存放时间：纤维的老化，与含碱量有关。施加负荷时间：纤维的疲劳。玻纤的成型工艺和条件。瞄准新材料之王碳纤维碳纤维是一种纤维状碳材料。它是一种强度比钢大、密度比铝小、比不锈钢耐腐蚀性强、比耐热钢耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。碳纤维主要被制成碳纤维增强塑料这种复合材料来应用。

二、碳纤维CarbonFibers分类：按先驱体原料：黏胶基碳纤维、沥青基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维和气相生长碳纤维。碳纤维：由有机纤维如黏胶纤维、沥青纤维或聚丙烯腈（Polyacrylonitrile，PAN）纤维在保护气氛（N2或Ar）下热处理碳化成含碳量90－99％的纤维。按功能：受力结构用碳纤维；耐焰（火）碳纤维；活性碳纤维（吸附活性）；导电用碳纤维；润滑用碳纤维；耐磨用碳纤维；耐腐蚀用碳纤维。高性能碳纤维（HP）中强型（MT）高强型（HT）超高强型（UHT）中模型（IM）高模型（HM）超高模型（UHM）按力学性能：通用级碳纤维（GP）UHMHMIMUHTHT拉伸模量/Gpa拉伸强度/Gpa含碳量/%﹥400300~400180~200200~350200~250﹥1.7﹥1.72.7~3.0﹥2.762.0~2.7599.899.096.594.599.0200-300℃，空气中预氧化1150℃惰性气体保护PAN基碳纤维的制备过程碳纤维的性能最突出的特点是强度和模量高、密度小（1.5～2.0g/cm3),因而比强度、比模量高。耐高低温性能好，在惰性气体保护下，2000℃任保持良好的力学性能。液氮下不脆断。良好的导电导热性能，且有方向性。耐腐蚀性，除了强氧化剂如浓硝酸、次氯酸外，一般的酸碱对它的作用小，较GF具有更好的耐腐蚀性。热膨胀系数小，甚至为负值；摩擦系数小，耐水性比GF好。断裂伸长率低。碳纤维的不足之处是价格昂贵，比玻璃纤维贵25倍以上，因此大大限制了它的推广应用。此外碳纤维的抗氧化能力较差，在高温下有氧存在时会生成二氧化碳。1958年C.P.Talley首先用化学气相沉积（Chemicalvapourdeposition，简称CVD）方法研制成功高模量的硼纤维。现在硼纤维通用的制备方法是在加热的钨丝、碳芯或铝丝表面通过化学反应沉积硼层。硼纤维的直径有100μm、140μm、200μm几种。三、硼纤维（BoronFibre，BF或Bf）2BCl3＋3H26HCl＋2B硼沉积的化学反应：硼纤维具有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响，硼纤维的密度为2.4~2.65g/cm3，拉伸强度为3.2~5.2GPa，弹性模量为350~400GPa。主要用于金属基复合材料。纵向压缩强度高于任何纤维复合材料硼纤维具有耐高温和耐中子辐射性能。工艺复杂，不易大量生产，其价格昂贵。由于钨丝的密度大，硼纤维的密度也大。直径大、质硬、不能编织，导致成型性差。目前已研究用碳纤维代替钨丝，以降低成本和密度，结果表明，碳芯硼纤维比钨丝硼纤维强度下降5%，但成本降低25%。硼纤维在常温为较惰性物质，但在高温下易与金属反应，因此需在表面沉积SiC层，称之为Bosic纤维。硼纤维的缺点目前SiC纤维的生产有有机合成法和CVD法两种。SiC纤维是高强度高模量的陶瓷纤维，有良好的耐化学腐蚀性、耐高温和耐辐射性能。最高使用温度为1250℃，在1200℃其拉伸强度和弹性模量均无明显下降，因此比碳纤维和硼纤维具有更好的高温稳定性。此外SiC纤维还具有半导体性能。与金属相容性好，常用于金属基和陶瓷基复合材料。四、碳化硅纤维（SiliconCarbideFibre，SF或SiCf）氧化铝纤维是多晶连续陶瓷纤维，除Al2O3外常含有约15%的SiO2。具有优良的耐热性和抗氧化性，直到1370℃强度仍下降不大。缺点是在所有纤维中密度最大,3-4g/cm3

。主要用于金属基复合材料。五、氧化铝纤维（AluminiaFibre，AF或（Al2O3）f）①芳香族酰胺纤维（AromaticPolymideFibre,Aramid,Kevlar（Dupont）,KF）化学结构特点：含有大量苯环，内旋转困难，为处于拉伸状态的刚性伸直链晶体苯环与酰胺键交替排列对称性好，结晶性好分子间有氢键Kevlar2.4有机纤维：Kevlar纤维、聚乙烯纤维

Kevlar纤维-49的性能力学性能弹性模量高，CF＞Ef＝125Gpa≈2GF拉伸强度高，3620Mpa，与S-GF、CF-Ⅱ相当密度小，1.45g/㎝3,低于GF、CF良好的韧性各向异性抗蠕变、疲劳性能好抗压性能、抗扭性能较低－－芳纶的致命弱点。Kevlar纤维的制造过程：这种纤维用干喷湿纺法职称，具体工艺流程如下：将原料溶于浓硫酸中，制成各向异性液晶纺丝液→挤压喷丝→干湿纺→溶剂萃取与洗涤→干燥→Kevlar29纤维→在氮气保护下经550℃热处理→Kevlar49纤维2）热性能良好的热稳定性和耐低温性。Tc427℃,Tm570℃，直至分解不变形Td500℃,-196℃不变脆，仍能保持其性能。3）化学性能除强酸强碱以外，不受任何有机溶剂、油类的影响。因大量苯环存在，耐紫外光差，吸收水分后，破坏氢键，纤维强度降低。聚乙烯纤维是目前国际上最新的超轻、高比强度、高比模量纤维，成本也比较低。通常聚乙烯纤维的分子量大于106，纤维的拉伸强度为3.5GPa，弹性模量为100GPa，延伸率为3.4%，密度为0.97g/cm3。在纤维材料中，聚乙烯纤维具有高比强度、高比模量以及耐冲击、耐磨、自润滑、耐腐蚀、耐紫外线、耐低温、电绝缘等多种优异性能。其不足之处是熔点较低（约135℃）和高温容易蠕变。因此仅能在100℃以下使用。②超高相对分子量聚乙烯纤维（Polyethylene,UHMWPE）各种纤维性能比较各种纤维的柔韧性及断裂从图所示的纤维的应力一应变曲线表明，各种纤维在拉伸断裂前不发生任何屈服。从拉断后纤维的TEM观察发现，仅Kevlar49纤维呈韧性断裂。而碳纤维和玻璃纤维几乎就是理想的脆性断裂，断裂时不发生截面积的缩小。由图还可以比较各种纤维的弹性模量大小。

比强度和比模量是纤维性能的一个重要指标。聚乙烯纤维具有最佳的比强度和比模量搭配，碳纤维的比模量最高。氧化铝纤维由于密度最大，因而比模量和比强度较低，比模量最低的是玻璃纤维。晶须（Wisker）是指具有一定长径比（一般大于10）和截面积小于52×10-5cm2的单晶纤维材料。具有实用价值的晶须直径约为1～10μm，长度与直径比在5～1000之间。晶须是含缺陷很少的单晶短纤维，其拉伸强度接近其纯晶体的理论强度。2.5晶须增强体

金属晶须（如Ni、Fe、Cu、Si、Ag、Ti、Cd）氧化物晶须（如MgO、ZnO、BeO、Al2O3、TiO2）陶瓷晶须（如碳化物晶须SiC、TiC、ZrC、WC）硼化物晶须（如TiB2、ZrB2、TaB2、CrB、NbB2）无机盐类晶须（如K2Ti6O13和Al18B4O33）。晶须的制备方法有化学气相沉积（CVD）法、溶胶—凝胶法、气液固（VLS）法、液相生长法、固相生长法和原位生长法等。晶须分类：1）刚性颗粒增强体（RagidParticleReinforcement）。颗粒增强体主要是指具有高强度、高模量、耐热、耐磨、耐高温的陶瓷和石墨等非金属颗粒，如碳化硅、氧化钛、氮化硅、石墨、细金刚石等。用以改善基体材料性能的颗粒状材料，称为颗粒增强体（ParticleReinforcement）2.6颗粒增强体

颗粒增强体以很细的粉末（一般在10μm以下）加入到基体中起提高耐磨、耐热、强度、模量等作用。如在Al合金中加入体积为30%，粒径为0.3μm的Al2O