第三章增强体课件

第三章增强体课件第一页，共151页。目标与要求掌握增强体的概念、特征以及分类；掌握各种增强体的增强效果及理论掌握玻璃纤维分类、物理化学性质、制备方法，了解玻璃纤维制品第一页第二页，共151页。3.1增强体概述

一、增强体定义也称为增强剂，是复合材料中粘结在基体内以改进其机械性能的高强度材料，可以提高基体的强度、韧性、模量、耐热和耐磨等性能。主要有纤维、晶须、颗粒等材料第二页第三页，共151页。二、增强材料特征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

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与基体良好浸润或通过表面处理后能与基体良好的润湿第三页第四页，共151页。三、增强材料分类纤维增强体颗粒增强体晶须增强体金属丝片状增强体第四页第五页，共151页。１、纤维增强体（1）长纤维：长度可达百米，性能有方向性，制备成本高、性能高分为单丝和束丝直径为5.6～14μm的细纤维以500～12000根组成束丝作为增强体，如玻璃纤维、碳纤维；直径为95～140μm的硼纤维、碳化硅（CVD制备）纤维是作为单丝作为增强体

第五页第六页，共151页。高性能纤维复合材料结构进行设计时，较多使用层板理论。

材料纵向的强度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。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前要低的多。第六页第七页，共151页。实际中还有不同的泊松比导致的附加应力。通过试验分析，误差小于1%~2%。测出两种玻璃纤维增强聚酯树脂体系的E1、Vf之间的线型关系第七页第八页，共151页。短纤维：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

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短纤维复合材料。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。

第八页第九页，共151页。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第九页第十页，共151页。纤维增强体(2)有机纤维纤维增强体{无机纤维玻璃纤维、碳纤维、氧化铝、碳化硅、硼纤维等对位酰胺、聚芳脂、聚乙烯、聚乙烯醇等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。第十页第十一页，共151页。２、颗粒增强体主要是一些具有高强度、高模量、耐热、耐磨的陶瓷材等无机非金属颗粒，还有一些金属和聚合物颗粒。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，有机颗粒有聚乙烯、氟树脂、聚丙烯、聚酰胺等

颗粒尺寸很小（<50μm)用烧结法、热压、粉末冶金法、液体搅拌法等制备复合材料。颗粒增强复合材料具有各向同性

第十一页第十二页，共151页。增强颗粒尺寸较大（大于1μm）时，载荷由基体和增强颗粒共同承担，颗粒还起到约束基体变形。颗粒阻止基体位错运动的作用越大，颗粒增强的效果越好。弥散颗粒增强复合材料中载荷主要由基体承担，弥散微粒阻碍基体的位错运动。颗粒尺寸愈小，体积分数越高，颗粒对复合材料的增强效果越好。

第十二页第十三页，共151页。3、晶须增强体人工条件下制造出来细小单晶，棒状，直径为0.2～1μm，长度为几十个微米高强度、高模量常用的有SiC、Al2O3、Si3N4陶瓷晶须晶须增强效果介于颗粒和纤维之间第十三页第十四页，共151页。4、其它增强体金属丝主要有铍丝、钢丝、不锈钢和钨丝，一般用于金属基复合材料和水泥基复合材料中。在铝基复合材料中选用铍丝和不锈钢丝作为增强材料。片状增强体主要是陶瓷薄片。具有层状结构的SiC/C、ZrO2、Si3N4等陶瓷复合材料比常规的陶瓷材料韧性提高到数十倍。第十四页第十五页，共151页。3.2玻璃纤维玻璃纤维的分类玻璃纤维的结构和化学组成玻璃纤维的物理性质玻璃纤维的化学性质玻璃纤维的制备第十五页第十六页，共151页。一、玻璃纤维的分类以原料分类以单丝直径分类以纤维特性分类第十六页第十七页，共151页。以原料分类：无碱玻璃纤维（E玻璃）碱金属含量不大于0.5%，国外为1％中碱玻璃纤维碱金属含量为11.5～12.5％有碱玻璃纤维（A玻璃）很少作为增强材料特种玻璃纤维纯镁铝硅三元玻璃、硅铝钙镁系耐化学腐蚀玻璃纤维、含铅纤维、钙硅氧纤维、石英纤维第十七页第十八页，共151页。无碱玻璃纤维(通称E玻纤)：是以钙铝硼硅酸盐组成的玻璃纤维，这种纤维强度较高，耐热性和电性能优良，能抗大气侵蚀，化学稳定性也好(但不耐酸)。也称做电气玻璃。现在，国内外大多数都使用这种Ｅ破璃纤维作为复合材料的原材料。第十八页第十九页，共151页。E-CR玻璃纤维，它完全不含硼，从而减轻环境污染。其耐水性比无碱玻纤改善7～8倍，耐酸性比中碱玻纤也优越不少，是专为地下管道、贮罐等开发的新品种。无氟玻璃纤维，是为环保要求而开发出来的改进型无碱玻璃纤维。

第十九页第二十页，共151页。中碱玻璃纤维它是指碱金属氧化物含量在11.5％~12.5％之间的玻璃纤维。国外没有这种玻璃纤维，它的主要特点是耐酸性好，但强度不如E玻璃纤维高。它主要用于耐腐蚀领域中，价格较便宜。 第二十页第二十一页，共151页。特种玻璃纤维如由纯镁铝硅三元组成的高强玻璃纤维，镁铝硅系高强高弹玻璃纤维，硅铝钙镁系耐化学介质腐蚀玻璃纤维，含铅纤维，高硅氧纤维，石英纤维等。可以分为高强度玻璃纤维，高模量玻璃纤维，高硅氧纤维和石英纤维，空心玻璃纤维第二十一页第二十二页，共151页。纤维类别性能有碱A中碱C低介电D无碱E高强度S粗纤维R高模量M拉伸强度GPa3.13.12.53.44.584.43.5弹性模量GPa737455718586110延伸率%3.63.374.65.2密度g/cm32.462.462.142.52.52.552.89玻璃纤维品种性能一览表

第二十二页第二十三页，共151页。以单丝直径分类粗纤维：30μm初级纤维：20μm中级纤维：10～20μm高级纤维：3～10μm，直径小于4μm的玻璃纤维称为超细纤维第二十三页第二十四页，共151页。以纤维外观分类连续纤维有无捻粗纱和有捻细纱短切纤维空心玻璃纤维等磨细纤维等第二十四页第二十五页，共151页。连续玻璃纤维玻璃短纤维磨细玻璃纤维第二十五页第二十六页，共151页。以纤维特性分类高强玻璃纤维高模量玻璃纤维耐高温玻璃纤维耐碱玻璃纤维耐酸玻璃纤维普通玻璃纤维（包括无碱基中碱玻璃纤维）第二十六页第二十七页，共151页。二、玻璃纤维的结构网络结构假说：玻璃是由二氧化硅的四面体、铝氧三面体或硼氧三面体相互连成不规则三维网络；网络间的空隙由Na、K、Ca、Mg等阳离子所填充。

资料证明，玻璃结构是近似有序的。玻璃结构中存在一定数量和大小比较规则排列的区域，类似晶体晶体结构的规则排列。但有序区域又没有晶体结构那样具有严格周期性。微观上不均匀，宏观上是均匀，性能上各向同性。第二十七页第二十八页，共151页。玻璃纤维的化学组成玻璃纤维的化学组成主要是二氧化硅、三氧化二硼、氧化钙、三氧化二铝等。玻璃纤维的化学组成对玻璃纤维的性质和生产工艺起决定性作用，以二氧化硅为主的称为硅酸盐破璃，以三氧化二硼为主的称为硼酸盐玻璃。第二十八页第二十九页，共151页。三、玻璃纤维的物理性能外观为光滑的圆柱体、合抱力小。密度2.0g/cm3左右，大于有机纤维，但低于一般金属，玻璃纤维的力学性能：拉伸强度高、弹性好、耐磨性和耐折性玻璃纤维的热性能：导热系数0.034W/(m∙K)，隔热效果好；耐热性由化学成分决定，一般钠钙玻璃470℃，石英和高硅氧玻璃纤维可达2000℃电性能取决于化学成分、温度和湿度。碱金属离子越多，玻璃纤维的电绝缘性能越差，湿度增加，电阻下降光学性能玻璃纤维透光性远不如玻璃第二十九页第三十页，共151页。玻璃纤维的力学性能

玻璃纤维拉伸强度高，比较有说服力的是微裂纹假说。该假说认为，玻璃的理论强度取决于分子或原子间的引力，可达到2000~l2000Mpa，但实测强度很低。因为存在着数量不等，尺小不同的微裂纹。微裂纹分布在破璃或玻璃纤维的整个体积内，但以表面的微裂纹危害最大。微裂纹的存在，使玻璃在外力作用下受力不均，在微裂纹处产生应力集中，从而使强度下降。第三十页第三十一页，共151页。影响玻璃纤维强度的因素

玻璃纤维直径纤维的长度玻璃化学成分纤维的老化纤维的疲劳成型方法和成型条件

第三十一页第三十二页，共151页。玻璃纤维拉伸强度与直径的关系第三十二页第三十三页，共151页。拉伸强度随着长度增加显著下降第三十三页第三十四页，共151页。玻璃纤维的延伸率较低，一般为3％左右。玻璃纤维的弹性模量约为7

104MPa，加入BeO、MgO能够提高玻璃纤维的弹性模量玻璃纤维是一种优良的弹性材料，应力－应变曲线图基本上是一条直线，没有塑性形变阶段。玻璃的断裂延伸率与直径有关，直径大的纤维延伸率小。

第三十四页第三十五页，共151页。四、玻璃纤维的化学性能除了氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，玻璃纤维对化学药品和有机溶剂都有良好的化学稳定性种类耐酸性耐水性机械强度防老化性电绝缘性成本浸润性使用条件无碱玻璃纤维一般好高较好好较高树脂易浸透强度高场合中碱玻璃纤维好差较低较差低低树脂浸透性差强度低场合第三十五页第三十六页，共151页。根据网络结构假说，玻璃纤维结构中含有Ca、Na、K等金属粒子，侵蚀介质溶解玻璃纤维中的金属离子或破坏硅酸盐部分；浓碱溶液、氢氟酸、磷酸等，溶解玻璃纤维结构。中碱玻璃的耐酸性最好，纤维中的硅酸盐与酸形成硅酸，硅酸在纤维表面聚合并凝成胶体形成一层极薄的氧化硅薄膜，Na2O、K2O的存在有利于保护膜的形成。Na2O、K2O溶解使水呈现碱性，二氧化硅骨架长时间下被破坏。所以中碱玻璃纤维对水的稳定性较差。无碱玻璃纤维对水的稳定性较高。石英、高硅氧玻璃纤维对水、酸的化学稳定性比较好，耐碱性比普通玻璃好。

第三十六页第三十七页，共151页。玻璃纤维的化学稳定性取决于化学成分中二氧化硅和碱金属氧化物的含量。在玻璃纤维中增加SiO2和Al2O3含量，或加入ZrO2及TiO2都可以提高玻璃纤维的耐酸性。增加SiO2含量，或加入CaO、ZrO2及ZnO能提高玻璃纤维的耐碱性；在玻璃纤维中加入Al2O3、ZrO2

和TiO2等氧化物，可以提高耐水性。玻璃纤维的耐腐蚀性比玻璃块差温度越高，侵蚀介质的腐蚀速度加快第三十七页第三十八页，共151页。五、玻璃纤维制备工艺坩锅法拉丝工艺池窑漏板法拉丝工艺吹制法（短纤维）

第三十八页第三十九页，共151页。第三十九页第四十页，共151页。六、浸润剂的作用和类型

主要作用：润滑作用，防止玻璃纤维间的磨损；黏结作用，使单丝集束成原纱或束丝；防止玻璃纤维表面聚集静电荷；纤维与基体良好的黏结性能。常用的浸润剂

石蜡乳剂属于纺织型，含有石蜡、凡士林、硬脂酸等，严重阻碍树脂对玻璃布的浸润，使用时要经过脱蜡处理

聚脂酸乙烯酯，属于增强型。纺织时，玻璃纤维容易起毛

第四十页第四十一页，共151页。玻璃纤维制品的性能和应用（自学）玻璃纤维方格布高清玻璃纤维布特殊行业玻璃纤维布玻璃纤维纱第四十一页第四十二页，共151页。玻璃钢应用领域运输车辆零部件建筑和土木工程中用于承重结构、维护结构、室内装饰化工防腐的管道、储罐、储槽、烟囱等；供水和排水的各种结构和零件发电和配电装备和设备、工业和家庭各种电器设备各种游艇、渔船文体休闲用品、商业和军用飞机等部件第四十二页第四十三页，共151页。玻璃钢座椅玻璃钢整体水箱玻璃钢防腐工程玻璃钢平开窗用型材第四十三页第四十四页，共151页。作业增强体作用是什么？按形状分有哪几种按成分玻璃纤维可以分为哪几类，耐酸碱性、耐水性如何？玻璃纤维与大块玻璃的力学性能有什么差别？为什么常见玻璃纤维的制备方法是哪两种第四十四页第四十五页，共151页。本次课程的主要内容掌握碳纤维的分类、结构物理化学性质和制备方法，了解碳纤维复合材料的应用掌握硼纤维的制备方法和性能掌握碳化硅纤维的制备方法和性能，了解碳化硅纤维复合材料的应用了解氧化铝纤维的制备和性能第四十五页第四十六页，共151页。3.3碳纤维碳纤维具有重量轻、比强度大、模量高、耐热性高、化学稳定性好。

以碳纤维为增强剂的复合材料具有比钢强、比铝轻的特性，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、体育器材等许多方面有着广泛的用途。第四十六页第四十七页，共151页。目前世界碳纤维产量达到4万吨／年以上，全世界主要是日本东丽、东邦人造丝和三菱人造丝三家公司以及美国的HEXCEL、ZOLTEK、ALDILA三家公司，以及德国SGL西格里集团，韩国泰光产业，我国台湾省的台塑集团，等少数单位掌握了碳纤维生产的核心技术，并且有规模化大生产。第四十七页第四十八页，共151页。一、碳纤维的分类根据碳纤维的性能高能碳纤维包括高强度碳纤维（HS），超高强度碳纤维（VHS），高模量碳纤维（HM）和中模量碳纤维（MM）低能碳纤维包括耐火碳纤维、碳质纤维、石墨纤维根据原丝类型：聚丙烯腈碳纤维、沥青碳纤维、黏胶碳纤维根据碳纤维石墨化程度：碳纤维（处理温度小于1500℃）和石墨纤维（处理温度大于2500℃）根据功能：受力结构用碳纤维、耐焰碳纤维、活性碳纤维、导电用碳纤维、润滑用碳纤维和耐磨碳纤维第四十八页第四十九页，共151页。二、碳纤维的制备碳纤维制造方法可分为两种类型，即气相法和有机纤维碳化法。气相法是在惰性气氛中，小分子有机物(如烃或芳烃等)在高温下沉积成纤维。用这种方法只能制造晶须或短纤维，不能制造连续长丝。有机纤维碳化法可以制造连续长纤维，将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤维，然后在惰性气氛中高温下进行焙烧碳化，使有机纤维失去部分碳和其它非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维状物。第四十九页第五十页，共151页。碳纤维的原料聚丙烯腈（PAN）

生产高性能碳纤维的主要原料

人造丝（黏胶）

收碳率低，获得碳纤维的力学性能比较低，耐烧蚀性和隔热性较好，碱金属含量低，适用于制造运载火箭的头部的耐烧蚀性部件沥青原料来源广泛，而且材料可以综合利用第五十页第五十一页，共151页。连续碳纤维制备过程拉丝（喷丝）：可用湿法、干法或者熔融状态进行，称为先驱丝。稳定（预氧化处理）：在室温以上，100--300℃范围，在氧化气氛内进行。链状聚合物分子发生交联、环化、氧化、脱氢等化学反应，去除非碳原子。碳化高纯氮气中慢速加热(1000—1500℃)，去除其中的非碳原子石墨化在2000--3000℃范围内进行。在高纯氩气的气氛下，纤维中的碳发生石墨结晶第五十一页第五十二页，共151页。各种碳纤维的力学性能原料抗拉强度（MPa）弹性模量（GPa）延伸率（%）人造丝（低弹性模量丝）686391.8人造丝（高弹性模量丝）27444900.6沥青（低弹性模量丝）784392.0沥青（高弹性模量丝）2450343～4900.5～0.7PAN（高强度丝）34302251.5PAN（高弹性模量丝）24503920.6第五十二页第五十三页，共151页。三、碳纤维结构碳纤维的结构决定于原丝结构与碳化工艺无论用哪种原料，高模量碳纤维中的碳分子平面总是沿纤维轴平行地取向。用x射线、电子衍射和电子显微镜研究发现，真实的碳纤维结构并不是理想的石墨点阵结构，而是属于乱层石墨结构。第五十三页第五十四页，共151页。在乱层石墨结构中，石墨层片是基本的结构单元，若干层片组成微晶，微晶堆砌成直径数十纳米、长度数百纳米的原纤维，原纤则构成了碳纤维单丝，其直径约数微米。第五十四页第五十五页，共151页。影响碳纤维力学性能的因素缺陷，是影响碳纤维强度的主要因素。一方面是碳纤维内的石墨晶体的取向度（很小），狭长条带状原纤彼此交叉其间存在针状空隙，原纤带来的直径不均匀、表面污染、外部夹杂、内部杂质、各种裂纹、空穴、气泡等缺陷；另一方面是氧化和碳化过程中的化学反应，化学反应使大量的非碳元素以气体的形式溢出，在纤维表面和内部留下空隙和孔洞。第五十五页第五十六页，共151页。四、碳纤维力学性能日本东丽公司生产的碳纤维，T－300纤维拉伸强度大于2451MPa，延伸率1.3％，高强碳纤维T－400，拉伸强度达4118MPa，延伸率为1.7％；还有M－46高模量碳纤维，弹性模量可达451GPa，拉伸强度为2255Pa，断裂延伸率为0.5％。

碳纤维的应力--应变曲线为一直线，由于伸长小，断裂过程在瞬间完成，所以碳纤维不容易发生屈服。碳纤维的抗张强度和模量都明显高于石墨；而碳纤维的径向分子间作用力弱，抗压性能较差，轴向抗压强度仅为抗张强度的10％--30％

第五十六页第五十七页，共151页。Ｔ聚丙烯腈碳纤维Ｐ沥青碳纤维第五十七页第五十八页，共151页。碳纤维性能性能碳纤维VHMHMVHSHSMM拉伸弹性模量（GPa）>400300~400200~350200~250180~200拉伸强度（GPa）>1.7>1.7>2.762.0~2.752.7~3.0碳含量（W％）99.899.096.594.599.0第五十八页第五十九页，共151页。五、碳纤维的物理性能（１）碳纤维的比重在1.5--2.0之间，这除了与原丝结构有关外，主要还决定于碳化处理的温度。一般情况下，经过高温(3000℃)石墨化处理，比重可达2.0。第五十九页第六十页，共151页。

碳纤维的物理性能（２）

碳纤维的热膨胀系数与其它类型纤维不同，它有各向异性的特点。平行于纤维方向是负值(-0.72~-0.90

10-6/℃)，而垂直于纤维方向是正值(32~22

10-6/℃)。碳纤维的比热一般为0.03～0.71kJ(kg·℃)。导热率有方向性，平行于纤维轴方向导热率为0.04卡/秒·厘米·度，而垂直于纤维轴方向为0.002卡/秒·厘米·度。导热率随温度升高而下降。第六十页第六十一页，共151页。

碳纤维的物理性能（３）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；在液氮温度下也不脆化碳纤维的比电阻（电阻率）低，与纤维的类型有关。在25℃时，高模量碳纤维为775u

·cm，高强度碳纤维为1500u

·cm还有耐油、抗放射、抗辐射、吸收有毒气体和减速中子等特性

第六十一页第六十二页，共151页。碳纤维的化学性能

碳纤维的化学性能与碳很相似。它除能被强氧化剂氧化外，对一般酸碱是惰性的。在空气中，当温度高于400℃时，则会出现明显的氧化，生成CO和CO2。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，因此在用作金属基体复合材料的增强材料时，应采取有效的措施。

第六十二页第六十三页，共151页。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团以及形成能与树脂起作用的中间层。第六十三页第六十四页，共151页。碳纤维表面处理途径①表面清洁法惰性气体、高温，除水气和非碳物质

②气相氧化法氧气氛、高温和催化剂，表面生成活性基团

③液相氧化法溶液中腐蚀，增加表面活性官能团④表面涂层法减弱表面缺陷，缓和界面应力，产生偶联等第六十四页第六十五页，共151页。世界碳纤维按应用领域需求的统计和预测第六十五页第六十六页，共151页。碳纤维复合材料应用航天航空领域宇宙飞船、人造卫星，导弹等汽车领域汽车内饰，发动机罩等，省油，安全体育娱乐其他防静电电磁波防护第六十六页第六十七页，共151页。3.4

其他无机纤维增强材料硼纤维碳化硅纤维氧化铝纤维第六十七页第六十八页，共151页。3.4.1硼纤维

硼纤维（BoronFibre,BF或Bf）是一种将硼元素通过高温化学气相法沉积在钨丝表面制成的高性能增强纤维。它具有很高的比强度和比模量，也是制造金属复合材料最早采用的高性能纤维。第六十八页第六十九页，共151页。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。硼纤维的直径有100μm、140μm、200μm几种。目前已研究用碳纤维代替钨丝，降低成本和密度。碳芯硼纤维比钨丝硼纤维强度下降5%，但成本降低25%。一、硼纤维的制备第六十九页第七十页，共151页。二、硼纤维的性能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。

第七十页第七十一页，共151页。

在室温下，硼纤维的化学稳定性好，但表面具有活性，不需要处理就能与树脂进行复合，而且所制得的复合材料具有较高的层间剪切强度

硼纤维在常温下为惰性物质，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。硼纤维主要用于聚合物基和金属基复合材料。第七十一页第七十二页，共151页。三、硼纤维的应用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工业制品领域的应用第七十二页第七十三页，共151页。3.4.2

碳化硅纤维第七十三页第七十四页，共151页。

碳化硅纤维（SiliconCarbideFibre，SF或SiCf）是以碳和硅为主要组分的一种陶瓷纤维。在形式上，有晶须和连续纤维两种

SiC纤维具有高强度、高模量，有良好的耐化学腐蚀性、耐高温和耐辐射性能。第七十四页第七十五页，共151页。一、碳化硅纤维的制备化学气相沉积法先驱体转化法(PIP)

第七十五页第七十六页，共151页。1、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频加热,把基体芯材(钨丝或碳丝)加热到1200℃以上，通入氯硅烷和氢气的混合气体,经反应裂解为碳化硅，并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、碳化硅层和外表面的富硅涂层。

该法制备的纤维直径为95~140μm的单丝第七十六页第七十七页，共151页。化学气相沉积法制备的SiC纤维性能第七十七页第七十八页，共151页。2、先驱体转化法(PIP)此方法制备的SiC纤维力学性能好，已经广泛应用，不足之处是工艺繁杂直径为10μm的细纤维，一般由500根纤维组成束丝为商品以有机聚合物(一般为有机金属聚合物)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机化合物转变为无机陶瓷材料的方法

第七十八页第七十九页，共151页。不同工艺下碳化硅纤维的性能第七十九页第八十页，共151页。二、碳化硅纤维的性能（１）比强度和比模量高高温性能好在1000℃高温下1000h或在1200℃温度下10h后,Nicalon的抗张强度还能保持2GPa。尺寸稳定性好热膨胀系数比金属小,仅为(2.3～4.3)×10-6/℃

第八十页第八十一页，共151页。碳化硅纤维的性能（２）不吸潮、不老化,使用可靠优良的抗疲劳和抗蠕变性碳化硅纤维增强复合材料有较好的界面结构,可有效地阻止裂纹扩散

较好的导热和导电性SiCf的电阻率在1Ω·cm～155Ω·cm之间第八十一页第八十二页，共151页。碳化硅纤维应用用作高温耐热材料用作树脂基复合材料用作金属基复合材料用作陶瓷基复合材料第八十二页第八十三页，共151页。3.4.3氧化铝纤维热学性能好耐高温，隔热性好力学性能好，高强度、高模量、优良的抗压性能化学稳定性好，不被熔融金属侵蚀，可与金属很好地复合电气绝缘、电波透过性好表面活性好，不需要进行表面处理，即能与树脂和金属复合第八十三页第八十四页，共151页。浙江欧诗漫晶体纤维有限公司制备。F-1600和F-1600A是当今国内外最新型的超轻质耐高温绝热材料——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，有极好的耐热稳定性，熔点高达1840℃，其导热率是普通耐火砖的1/6，容量只有其1/25，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，如美国的unifrax公司、英国的saffil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、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、提高产品质量、减少备件消耗、延长炉体寿命、改善工作环境之目的。F-1600A属高性能氧化铝纤维，以满足国外用户需求。第八十四页第八十五页，共151页。氧化铝基陶瓷纤维的性能第八十五页第八十六页，共151页。氧化铝连续纤维的制备

先驱体法：①将氧化铝的先驱物（如将铝粉悬浮在某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的有机添加剂，制成胶体溶液。②借助离心喷吹，或喷丝头纺丝加空气流喷吹等成纤手段，将上述胶体溶液制成凝胶状短纤维。③加热干燥。④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硅，同时生成晶体结构。第八十六页第八十七页，共151页。溶液纺丝法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600℃空气中裂解成A12O3和SiO2组成的无机纤维，而后在l000℃以上烧结，得到微晶聚集态的连续Al2O3纤维。纤维直径10μm，拉伸强度为3.2GPa，模量为330Gpa。特点是纺丝性好，可获得连续长纤维。第八十七页第八十八页，共151页。氧化铝纤维的应用在兵器中的应用装甲车、坦克发动机活塞的理想材料。在航空、航天上的应用可用作固体发动机燃烧室绝热壳体、固体火箭发动机喷管。在民用汽车上的应用连杆、汽车发动机中继活塞，应用氧化铝纤维增强铝基复合材料第八十八页第八十九页，共151页。参考文献复合材料学周祖福武汉理工大学出版社先进复合材料胡保全牛晋川国防工业出版社第八十九页第九十页，共151页。作业碳纤维有哪些分类？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？硼纤维都有哪些特点？SiC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Al2O3纤维都有什么性能第九十页第九十一页，共151页。了解kevlar纤维制备，掌握其结构和物理化学性质，了解其应用了解聚乙烯纤维了解PBO纤维掌握常见的晶须增强体、晶须性能，了解晶须的应用掌握颗粒增强体的分类，掌握其常见颗粒增强体第九十一页第九十二页，共151页。3.5

有机纤维有机纤维的典型代表是kevlar纤维，其它的有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。市场主要存在于北美、西欧和日本等发达国家中。本节主要内容：芳纶（kevlar)纤维；聚乙烯纤维；PBO纤维第九十二页第九十三页，共151页。3.5.1Kevlar纤维国外商品牌号叫凯芙拉(Kevlar)纤维国内称为芳纶纤维，全称为聚对苯二甲酰对苯二胺，有时也称有机纤维。目前就有Kevlar一49、Kevlar－29等十多个牌号，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Kevlar纤维，日本帝人公司的Technora纤维及俄罗斯的Terlon纤维等。第九十三页第九十四页，共151页。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苯二铵单体在极强性溶剂（如含有LiCl或CaCl2增容剂的N－甲基吡咯烷酮(NMP)）通过低温溶液缩聚或直接缩聚反应，获得分子量高，分子量分布窄的PPTA树脂。经过纺丝和热处理，得到PPTA纤维。采用管式氮气保护下加热至270～310℃进行热处理工艺第九十四页第九十五页，共151页。二、Kevlar纤维结构Kevlar纤维是对苯二甲酰与对苯二胺的聚合体，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第九十五页第九十六页，共151页。PPTA纤维的叠层结构模型纤维中的分子在纵向上具有近乎平行于纤维轴的取向，在横向上平行于氢键片层辐射状取向。液晶纺丝时有少量正常分子杂乱取向，称为轴向条纹或氢键片层的打褶。第九十六页第九十七页，共151页。三、Kevlar纤维性能单丝强度可达3773MPa；254mm长的纤维束的拉伸强度为2744MPa，大约为铝的5倍冲击性能，大约为石墨纤维的6倍，为硼纤维的3倍，为玻璃纤维0.8倍。弹性模量可达127～157.7GPa，比玻璃纤维高一倍，为碳纤维0.8倍断裂伸长在3％左右，接近玻璃纤维，高于其他纤维密度小，比重为1.44～1.45，只有铝的一半。第九十七页第九十八页，共151页。Kevlar纤维力学性能几种壳体用增强纤维的性能及其壳体性能第九十八页第九十九页，共151页。Kevlar纤维的热稳定性

温度达487℃时尚不熔化，但开始碳化；短时间暴露在300℃以上，对强度几乎没有影响；即使在200℃下，一周后强度降低15％，模量降低4％；在150℃下作用一周后强度、模量不会下降。另外，在低温(-60℃)不发生脆化亦不降解。热膨胀系数各向异性。纵向热膨胀系数0～100℃时为-2×10-6/℃；在100～200℃时为-4×10–6/℃。横向热膨胀系数为59×10-6/℃第九十九页第一百页，共151页。Kevlar纤维化学性能

对中性化学药品的抵抗力一般是很强的；但易受各种酸碱的侵蚀，尤其是强酸的侵蚀；耐水性也不好在低湿低度（20％相对湿度）下芳纶的吸湿率为1％，在高湿度（85％相对湿度）下，可达7％。第一百页第一百零一页，共151页。芳纶的缺点

热膨胀系数具有各相异性耐光性比较差，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溶解性差抗压力强度低吸湿性强，吸湿后纤维性能变化大

第一百零一页第一百零二页，共151页。Kevlar纤维的应用芳纶产品用于防弹衣、头盔等约占7～8%，航空航天材料、体育用材料大约占40%；轮胎骨架材料、传送带材料等方面大约占20%左右，还有高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；用以增强建筑结构，可防止房屋受到飓风和龙卷风的危害。第一百零二页第一百零三页，共151页。以树脂作为基体，芳纶纤维作为增强相所形成的增强塑料，简称KFRP，应用领域有：1、航空航天领域2、军事领域3、民用、工业方面第一百零三页第一百零四页，共151页。1、航空航天领域航空方面，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、舱壁、舱门、行李架、座椅等。比玻璃纤维复合材料质量减少30％。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767、777的轻量零部件航天方面，用于火箭发动机壳体和压力容器、宇宙飞船的驾驶舱、氧气、氮气和氦气的容器以及通风管道。

第一百零四页第一百零五页，共151页。2、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衣。第一百零五页第一百零六页，共151页。3、民用、工业方面

采用Kevlar复合材料，船体质量比用玻璃钢和铝轻28～40％，燃料节省35％，航程延长35％。

体育用品方面，Kevlar复合材料用于高尔夫球棒、网球拍、标枪、钓鱼杆、滑雪撬和其他体育器材，也可以与碳纤维合用第一百零六页第一百零七页，共151页。3.5.2

聚乙烯纤维

高强高弹聚乙烯（HSHMPE）纤维又名超高相对分子质量聚乙烯（UHMWPE）纤维，超高分子量聚乙烯纤维(简称UHMWPE)，又叫高强PE纤维，是当今世界三大高科技纤维（碳纤维、芳纶和超高分子量聚乙烯纤维）之一，也是世界上最坚韧的纤维。第一百零七页第一百零八页，共151页。一、聚乙烯纤维性能白色，密度小，所有化学纤维中密度最小比强度高，钢丝绳的15倍，比芳纶高40%，仅次于特级碳纤维耐光性好耐低温性好，使用温度可以低至-150℃。芳纶纤维到-30℃便失去防弹效能能抗紫外线和耐各种化学腐蚀第一百零八页第一百零九页，共151页。聚乙烯纤维的不足之处：

(1)熔点较低（约135℃）

(2)高温容易蠕变。仅能在100℃以下使用。第一百零九页第一百一十页，共151页。不同产家聚乙烯纤维性能第一百一十页第一百一十一页，共151页。聚乙烯纤维与其他纤维性能对比第一百一十一页第一百一十二页，共151页。二、应用领域军用方面航天航空民用方面

第一百一十二页第一百一十三页，共151页。HSHMPE纤维在几个主要应用领域的用途第一百一十三页第一百一十四页，共151页。聚乙烯纤维复合材料在军事领域应用第一百一十四页第一百一十五页，共151页。聚乙烯纤维复合材料在民用方面应用第一百一十五页第一百一十六页，共151页。聚乙烯纤维制成的绳索、缆绳、船帆和渔具第一百一十六页第一百一十七页，共151页。3.5.3

PBO纤维20世纪末开发出来的一种超级纤维，1994年，美国Dow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,其商品名为Zylon。该纤维具有更高的比强度、比模量，同时还具有超常的耐热性和阻燃性。被誉为21世纪超级纤维第一百一十七页第一百一十八页，共151页。一、PBO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C-C键外，其余全都不能自由旋转，使得PBO纤维具有优异的力学及热学性能第一百一十八页第一百一十九页，共151页。PBO纤维的力学性能第一百一十九页第一百二十页，共151页。PBO纤维热稳定性

PBO纤维的热分解温度高达650℃,工作温度高达300～500℃，Zylon-AS和Zylon-HM在300℃空气中100h后,强度保持率分别为48%、42%左右。高模PBO纤维在400℃下仍能保持75%的模量。另外，PBO的极限氧指数最高

。在750℃燃烧时产生的CO、HCN等有毒气体很少极限氧指数：材料在空气中燃烧所需氧气体积的百分比叫做极限氧指数

第一百二十页第一百二十一页，共151页。PBO纤维尺寸稳定性

PBO纤维在50%断裂载荷下的蠕变值是同样条件下对位芳纶的2倍。PBO纤维具有负的线膨胀系数,没有因湿引起的尺寸变化,热及水分对它的影响也极小

第一百二十一页第一百二十二页，共151页。化学稳定性

PBO纤维的化学稳定性极好,除溶解于100%的浓硫酸、甲基磺酸、氯磺酸等强酸外,在其他所有的有机溶剂和碱中都是稳定的,强度几乎不变。

第一百二十二页第一百二十三页，共151页。PBO纤维的缺点

抗压强度差,仅有0.2～0.4GPa抗紫外线性能较差纤维表面光滑且呈惰性，与树脂基体的粘结性能较差PBO分子非常刚直且密实性高,染料难以向纤维内部扩散，染色性能差第一百二十三页第一百二十四页，共151页。PBO纤维的应用PBO纤维和改性PBO复合材料特别适用航空与航天业、军工材料、高温防护材料轮胎、胶带、塑料的补强材料新用途，如美国最新战斗机采用PBO作为吸波隐形材料（具有较好的透波、吸波性能）第一百二十四页第一百二十五页，共151页。第一百二十五页第一百二十六页，共151页。拉伸应变，%拉伸应力,GPa各种纤维的应力----应变曲线第一百二十六页第一百二十七页，共151页。从拉断后纤维的扫描电镜观察发现，仅Kevlar--49纤维呈韧性断裂，断裂前纤维有明显的颈缩，并在发生很大的局部伸长后才最终断裂

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。第一百二十七页第一百二十八页，共151页。各种纤维的比强度和比模量比较比模量，GPa/(g/cm3)比强度，MPa/(g/cm3)具有最佳的比强度和比模量搭配比模量最高比模量和比强度较低比模量最低第一百二十八页第一百二十九页，共151页。3.6其他增强材料晶须增强物颗粒增强物第一百二十九页第一百三十页，共151页。3.6.1晶须增强体

晶须（Whiskers，也称为猫胡子）是在人工控制条件下，以单晶形式生长成的一种纤维。

晶须的直径一般为0.2～1微米，长几十微米，是一种无缺陷的理想完整晶体。强度接近于完整晶体的理论值。第一百三十页第一百三十一页，共151页。具有优良的耐高温、耐腐蚀性能,以及良好的机械强度、电绝缘性、轻量、高硬度等特性。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、化学性能和优异的力学性能。

第一百三十一页第一百三十二页，共151页。迄今为止，材料学家们已研究开发出了上百种晶须，有金属、氧化物、碳化物、氮化物、硼化物以及无机盐等多种晶须。常用的有碳化硅、氧化铝、硼酸铝等特点：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第一百三十二页第一百三十三页，共151页。陶瓷晶须的基本性能如下表所示：第一百三十三页第一百三十四页，共151页。1.碳化硅晶须碳化硅晶须一般呈黄绿色或灰绿色；晶须纤维的直径一般为0.2～1.5μm，粗晶须的直径为3～5μm，长度为几十至几百微米；密度为3.2g/cm3；荷重软化点1600℃，熔点2690℃；拉伸强度为20.58GPa，弹性模量为480GPa，莫氏硬度为9.5，热膨胀率为(4.5～5.0)×10-6/℃。荷重软化点：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第一百三十四页第一百三十五页，共151页。SiC晶须的TEM照片第一百三十五页第一百三十六页，共151页。碳化硅纤维的制备气液固法(VLS)

谷壳灰法

目前工艺成熟，已经用