无机纤维课件

■

具有陶瓷化学组分的纤维称为陶瓷纤维。陶瓷纤维是

先进复合材料高性能增强纤维的重要品种。■

陶瓷纤维是一种纤维状轻质耐火材料，具有重量轻、耐

高温、热稳定性好、导热率低、比热小及耐机械震动

等优点，因而在机械、冶金、化工、石油、交通运输、船舶、电子及轻工业部门都得到了广泛的应用，在航空

航天及原子能等尖端科学技术部门的应用亦日益增多.

发展前景十分看好。陶瓷纤维■陶瓷纤维按组分分类可分为氧化物系和非氧化

物系。氧化物系主要品种有氧化铝、氧化锆、

氧化铍、氧化镁、氧化钛等纤维等；非氧化物

系的主要品种有碳化硅、氮化硼、二硼化钛纤

维、硼纤维及碳(石墨)纤维等。■

陶瓷纤维可广泛应用于增强金属、增韧陶瓷和

强化树脂等。■

陶瓷纤维在我国起步较晚，但一直保持着持续

发展的势头，生产能力不断增加，并实现了产品系列化，我国已发展成为世界陶瓷纤维生产大国。陶瓷纤维的发展■1941年，美国巴布考克·维尔考克斯公司就利用

天然高岭土经电弧炉熔融后喷吹成了陶瓷纤维■20世纪40年代后期，美国有两家公司生产硅酸

铝系纤维，并第一次将其用于航空工业。■50年代，陶瓷纤维已正式投入工业化生产■60年代，已研制开发出多种陶瓷纤维制品，并开

始用于工业窑炉的壁衬。■1973年全球出现能源危机后，陶瓷纤维获得了

迅速的发展，其中以硅酸铝系纤维发展最快，每

年以10%~15%的速度增长。陶瓷纤维的发展现状■

美国和加拿大是陶瓷纤维的生产大国，年产量达到了10万t左右，约占世界耐火纤维年总产量的1/3。欧洲的陶瓷纤维产量位于第三，年产量达到6万t左右。■

在年产30万t的陶瓷纤维中，各种制品的比例大致为：毯和纤维模块45%;真空成型板、毡及异形制品25%;散

状纤维棉15%:纤维绳、布等织品6%;纤维不定形材料6%:纤维纸3%。我国陶瓷纤维的发展■我国陶瓷纤维生产起步较晚，在20世纪70年代初期，才先后在北京耐火材料厂和上海耐火材料厂研制成功并投入批量生产。其后

10余年主要以“电弧炉熔融、

一次风喷吹成纤、湿法手工制毡”的工艺生产陶瓷纤维制品，工艺落后，产品单一。■

自1984年首钢公司耐火材料厂从美国CE公司引进电阻法甩丝成纤陶瓷纤维针刺毯生产线后；至1987年，又有河南陕县电器厂、广东高明硅酸铝纤维厂和贵阳耐火材料厂分别从美国BW公司和Ferro公司引进了3条不同规模、不同成纤方法的陶瓷纤维针刺毯生产线及真空成型技术，从此改变了我国陶瓷纤维生产工艺、生产设备落后和产品单一的面貌。■自1986年开始.我国通过对引进的陶瓷纤维生产设备和工艺消化、吸收，并结合国情研制、设计建成了不同类

型的电阻法甩丝(或喷吹)成纤干法针刺毯生产线82条，

安装在45家企业内。年产量已达到10万t以上，成为世

界最大的生产国。产品品种多样化：除批量生产低温型、标准型、高纯型、高铝型等多种陶瓷纤维针刺毯及超轻质树脂干法毡(板)外，还可生产14%~17%ZrO₂

的合锆纤维毯。其使用温度可达1300℃以上。20世纪80年代末期，日本直井机织公司及英特莱等机织品公司相继在北京投资建成了陶瓷纤维纺织品专业生产企业，并批量生产

陶瓷纤维布、带、扭绳、套管、方盘根等陶瓷纤维纺织品，纤维织品生产所需的散状纤维棉及工艺装备均已实现了国产化。

90年代初，北京、上海、辽宁鞍山、山东、河南三门峡等地先后从美国、法国、日本等国引进了陶瓷纤维的喷涂技术和设备；并

在冶金、石化部门工业窑炉上应用了陶瓷纤维喷涂炉衬，节省了

能耗，取得了良好的经济效益，现已得到了普遍推广，并在冶金、石

化和机械等部门工业炉和加热装置中的应用取得了成功的经验。与陶瓷纤维喷涂技术同步发展的陶瓷纤维浇注料、可塑料、涂抹料等纤维不定形材料，不仅已建有国内生产企业，而且已在各类工业窑炉、加热装置和高温管道上推广应用。■目前我国陶瓷纤维已处于持续调整发展的阶段，陶瓷纤维的生产工艺与设备，尤其是干法针刺毯的生产工艺与

设备具有世界先进水平，含铬、含锆硅酸铝纤维板，多晶氧化铝纤维，多晶莫来石纤维及混配纤维制品等新型陶瓷纤维与制品相继开发成功，并投放了工业化生产，使纤维状轻质耐火材料构成了完整的系列产品。陶瓷纤维应用范围的不断扩大，致使高强度、抗风蚀硬性纤

维壁衬应用日益普及。同时，陶瓷纤维生产技术的发展，

也大大推动了陶瓷纤维的应用技术和施工方法的发展。(1)碳化硅纤维一种高强、高弹性模量纤维，其抗张强度可达2.5～3.5GPa,

弹性模量为200GPa,

有良好的

耐化学品腐蚀性，线膨胀系数小，约为3.1×10-

6K-1,

耐辐照、吸波性好，且具有半导体性质，

碳化硅纤维增强聚合物基复合材料可以吸收或

透过雷达波，可作为雷达天线罩及各种飞行器

部件的隐身结构材料和耐热材料；(2)硼纤维的抗张强度为310MPa,

弹性模量为420GPa,

有良好的化学稳定性，主要用于航天航

空器和军事装备的结构件中；(3)

氧化铝纤维具有优良的高温隔热性能，可以制成纤维毯、纤维纸、纤维绳和其他耐火制品；用此纤维制成的耐火制品，气孔率可高达90%以上，体密度一般为100～160kgm-3,密度小，隔

热性能好，常用作炉衬，可节约材料和能量以及

缩小加热炉的体积。(4)、氮化硼纤维(5)、氮化硅纤维

(Si₃N₄)(6)、陶瓷晶须

(Whiskers)6.1碳化硅晶须

(Silicon

Carbide

Whiskers)6.2

碳晶须按化学组成分类：■无碱玻璃纤维■

中碱玻璃纤维■

高碱玻璃纤维■特种玻璃纤维按纤维形态分类：■

连续玻璃纤维

■

定长玻璃纤维

■

玻璃棉玻璃纤维的分类连续玻璃纤维的制备■坩埚法■池窑法与坩埚法相比，池窑法拉丝工艺具有工序简单，能耗降低，铂铑合金占用量少，

玻璃熔制质量好，生产效率高，生产能

力大，生产综合成本低及能满足多品种

需要等一系列优越性。性

能E-玻璃纤维S-玻璃纤维T-玻璃纤维密度/(g·cm-3)强度/GPa模量/GPa伸长/%折射率线膨胀系数/℃-1软化温度/℃电阻率/Ω2.561.8～2.7704.61.555×10-684010142.453.6～4.5855.11.547.2×10-610002.483.9～4.6975.71.522.7×10-69751016玻璃纤维的性能注：S玻纤和T-玻纤分别为美国和日本通用的高强度玻璃纤维。玻璃纤维的应用■

玻璃钢■纺织复合材料■电子级玻璃纤维制品■

其它应用玻璃钢■

以玻璃纤维为增强相的树脂基复合材料俗称玻璃钢。树脂基复合材料于1932年在美国出现。玻璃钢以其优

良的耐腐蚀性、绝缘性、隔热性、减震性及简单的成

型工艺而备受人们的青睬。例如，玻璃钢比钢材质量

轻、耐腐蚀，易成型、外表美观，适用于高速化的交

通。日本渔船80%是玻璃钢制成的，通过对比，玻璃

钢船比钢质船省油、易维修，还可增加30%的捕鱼量。

另外，玻璃钢制品在建筑方面的应用也很广阔，包括

水箱、冷却塔、卫生洁具和水处理设备，还有门窗框

等。玻璃钢的成型方法■

(1)手糊成型法

此方法可制作各种形状的大中型产品，如渔船、容器等。但其效率低，劳动条件差。■(2)缠绕法

为纤维缠绕压力容器的制造提供了技术

储备，这种方法适宜做筒状、管状结构件。■

(3)层压及模压法

利用此方法可以用来做汽车及船的壳体，卫生洁具等大型制件。■

(4)喷射法

该工艺的成功发明使工人的劳动强度大

大降低，提高了劳动效率，其适应性较大。■

(5)拉挤法

这种方法可制作棒状、管状、箱状、槽

状等截面制品。纺织复合材料■以往的纺织复合材料的增强骨架多为纤维和机织物，近年来，

由于针织工艺技术和设备的不断革新完善及新型纤维、纱线的

不断涌现，使得针织物作为增强材料的新工艺无论在性能上、

质量上、还是成本上都显示出了很大的优势。鉴于纬编针织复

合材料独特的性能，在许多领域均得到了广泛的应用。汽车工业，纬编针织物的成型性能和树脂传递模塑工艺(RTM),

特别适合汽车壳体的生产，不仅可以取代传统的金属材料，而

且还具有良好的耐冲击性能。另外，该工艺亦能满足大批量生

产的要求。航天与航海工业，早在几十年前，就有学者研究用

针织玻璃纤维/酚醛树脂复合材料取代金属制造亚音速或超音速

火箭的前锥体。目前，飞行器的壳体，翼片和螺旋桨等均可采

用纬编针织复合材料。形状复杂的产品与构件，利用全成型纬

编针织技术，可以一次织造出无需裁剪与拼缝的三维增强结构，

如T形三通、凸缘、管道、头盔和体育运动器材、汽车配件等。电子级玻璃纤维制品■近几年来，由于集成电路的集成度迅速提高和组装技术的飞跃进步，给

印制电路板从设计、材料、生产测试等带来了革命性的变化和进步。其

技术核心是在密度上的大幅度提高，从而使印制电路板向精细导线技术

微小孔技术、薄型多层板和埋盲孔结构多样化等方向发展。

玻璃纤维电

子纱与电子布是电子工业的基础材料，而覆铜板是印制电路板的基础材料。覆铜板用电子级玻璃纤维所采用的玻璃成分均为铝硼硅酸盐类的E-玻璃，即电绝缘玻璃。介电常数是表示覆铜板电气特性的一项重要参数。目前传统的覆铜板用E

玻璃纤维的介电常数为5·8~6·3。国外为了提高印制电路板的信号传递速

度，满足大型电子计算机的高速运算需要，研制成功多种低介电常数的

玻璃纤维，其中D玻璃介电常数为3·8~4·2,Q玻璃的介电常数为3·5~3·8,

还有S及T玻璃，其介电常数为4·5~5·2。另外还有一种高介电常数的H玻

璃，其介电常数为11·6,有利于制成小型化印制电路板。覆铜板用电子级玻璃纤维布，其单纤维直径都是9微米，在池窑800孔滑

板上双分拉，或在1200孔滑板上三分拉，采用插片加喷雾冷却、单丝涂油而制成。其它应用■玻璃纤维在其他方面还有许多开创性的应用，如玻璃钢电缆保护管，玻璃钢在

航标领域的应用等。英国采用塑料/玻

璃纤维制作成”塑料坦克",利用塑料/

玻璃纤维外壳制作成的装甲战车AFV等。一、碳化硅纤维■

碳化硅纤维是典型的陶瓷纤维，在形态上有晶须和连续

纤维两种。■

连续碳化硅纤维按制法的不同分为两种：

一种是在连续

的钨丝或碳丝芯材上沉积碳化硅的化学气相沉积法

(CVD),

另一种是有机合成物烧结法，即用有机硅烷加

热(300～500℃)加压纺丝成先驱体，然后在1000~

1500℃高温下烧结而成SiC纤维。烧结时，施加一定的

张力可使纤维获得较好的取向，防止纤维发生扭曲。■

化学气相沉积法所得纤维的直径为95～140μm,

烧结法

为10μm。■60年代中期，

General

Technologies公司首先

制成了钨芯碳化硅连续纤维。■1972年美国AVCO

公司制备出大直径碳单丝

后，又开发出性能更好、成本更低的碳芯碳

化硅连续纤维。■1975年日本东北大学矢岛圣用有机硅聚合

物——聚碳硅烷作为先驱体，将它纺成纤维

后经低温交联处理，再经高温裂解制得高性

能β碳化硅纤维。■日本碳公司于1983年底完成连续碳化硅纤维批量生产，是目前烧结法碳化硅纤维的重要

生产厂家。■1984年，日本宇部兴产公司在矢岛圣的基础上，以低分子硅烷化合物与钛系化合物为原

料合成的有机金属聚合物作为先驱体，经纺

丝和先驱体烧结，制成性能非常优越的含钛

碳化硅纤维，

“Tyranno”。化学气相沉积法■

生产原理：通过甲基氯硅烷(如：甲基三氯

硅烷)类化合物气体与氢气混合，在一定温度

下发生化学反应，生成的SiC微晶沉积在细钨

丝或碳纤维等基体上，再经过热处理从而获得

含有芯材的复合SiC纤维。■反应机理：化学气相沉积是使化合物以气态形

式同被处理的部件接触，在一定条件下，气相

中的化合物发生热解或彼此间发生化学反应，

反应物以固态形式沉积在被涂件表面上成为涂

层。最基本的化学气相沉积装置包括2个加热区域：■第一个区域温度较低，维持涂层材料源蒸发并保

持其蒸汽压不变；■第二个区域是高温区，使气体中的化合物发生分

解和反应，载流气体携带材料源蒸汽从蒸发区进入

反应区。■基体是指沉积物附着的固体，其材料要求能在耐

沉积温度，不和气态物反应，沉积物厚度较小时能

附在基体上，作为基体的涂层，这时要求沉积物和

基体有着良好的附着力，而当沉积物厚度较大时，

作为独立的部分能从基体剥离，这时可以选择比沉

积物的膨胀系数大的材料作基体。有机合成物烧结法■

先驱体转化法是以有机聚合物(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。■

由于先驱体法制备的连续SiC

纤维比CVD法的制备成

本低、生产效率高，更适用于工业化生产，因此先驱

体法制得的SiC纤维正逐渐成为研究与应用的主流。■

先驱体聚合物的性质对纤维的性能有着重要的影响。好的先驱体应具有以下一些特点：流变性好，具有一

定的活性基团，裂解后基本无杂质，陶瓷产率和密度

较高，具有裂解产物微观结构的可控性和可选择性。图

2

先驱体法制备连续SC纤维的工艺路线示意图聚碳硅烷PCS)二甲基二氯硅烷PCS

不熔化纤维聚硅烷PDMS)不熔化处理钠/二甲苯熔融纺丝裂解重排PCS

纤维高温裂解SiC

纤维10001300℃活性炭纤维转化法■利用气态的二氧化硅与多孔活性炭纤维反应便转化生成了SiC纤维。图3

活性炭纤维转化法制备连续

SiC

纤

维

工

艺活性炭纤维酚醛树脂纤维氮气1600℃SiO₂

反应碳纤维热处理SC

纤活化碳化优异的力学性能由于碳化硅纤维是由均匀分散的微晶组成，内聚力极大，应力能沿着致密的粒子界面消散，因此纤维的抗拉强度和拉伸模量大，用先驱体法制得的纤维抗张强度2.5GPa,

模量200GPa,

而用CVD法纤维的，抗张强度3.4GPa,模量400GPa。碳化硅纤维增强铝基复合材料可作为飞机结构材料使用，代替钛合金，制作发动机、机翼、起落架及滑雪板、高尔夫球杆等体育用品。纤

维密度/g/cm3拉伸模量/Gpa拉伸强度/MPa比模量GPa/(g/cm³)比强度MPa

/(g/cm³)Nicalon2.55250280098.01098C

V

D

—

钨

芯3.464062760～4460122～129798～1289C

V

D

—

碳

芯3.004002410～3400117～133803～1133T

yranno2.402802000116.7833β一晶须3.15700～10002000~35000220~3301000~3320SiC纤维的力学性能SiC纤维的其它性能■SiC纤维具有极好的耐高温氧化性、耐化学腐蚀性、耐热冲击性、良好的抗蠕变

性能以及与陶瓷基体良好的相容性等一

系列的优异性能。含钛碳化硅纤维含钛碳化硅纤维是碳化硅系列陶瓷纤维的品种之一。是日本东北大学教授矢岛圣开发的又一种陶瓷纤维，日本宇部

兴产株氏会社将之工业化，商品名

“Tyranno”

。

它与熔融

金属的反应性低、纤维细、织物柔软不起毛，耐热性能高，

可用作复杂形状复合材料的增强纤维。含钛碳化硅纤维的一般特性直径/μm拉伸强度

/GPa拉伸模量/GPa伸长率/%密度/gcm-3(8~10)±0.5大于2.74大于1961.4~1.72.3~2.5二、氧化铝纤维氧化铝纤维是Al₂O₃

多晶连续纤维。Al₂O₃

纤维的种类有α-Al₂O₃

、Y-Al₂O₃和δ-Al₂O₃连续纤维以及短纤

维。除优异的力学性能，稳定的化学性质外，还有优

越的热性能。多用于高温结构材料和高温绝缘滤波器

材料。其应用前景广阔，尤其在航天航空领域，作为

增强金属、陶瓷是最有希望的纤维品种之一。氧化铝纤维由Du

Pont公司于1978年首次作为铝基复合材料的增强纤维生产，其制备方法有很多报道，其中

典型方法有以下几种。几种的典型氧化铝纤维制备方法(1)熔融纺丝法

先将氧化铝在电弧炉或电阻炉中熔融，用压缩空气或高压水蒸气等喷吹熔融液流，使之呈长短、粗细不均的短纤维。后来发展成了TYCO法，即在氧化铝

的熔融体中，放入钼制管，由于毛细现象，熔融Al₂O₃液

恰好在毛细管尖端形成弯曲面，在尖端处放上α

Al₂O₃

的

晶核，可连续拉伸得到单晶纤维；(2

)

淤浆法

杜邦公司开发的一种方法。把0.5um以下的α-Al₂O₃

粉末与少量助剂混合形成粘稠的淤浆状纺丝液，

纺丝后在1000℃以上烧结而成多晶体纤维。再在1500℃

气体火焰中处理数秒，得到连续纤维。(3)无机盐法将碱式乙酸铝等缔合的铝盐与聚氧化乙烯等水溶性高分子以及聚硅氧烷混合，配成适当稠度

的胶体，再纺成纤维，在1000℃以上高温逐步烧结而

成氧化铝纤维。(4)预烧结体法

日本住友化学公司开发的一种方法。先将烷基铝加水聚合成聚铝氧烷无机聚合物，溶解在甲

苯中，再加入硅酸酯或有机硅化合物，混合成纺丝液，

用干法纺丝，再在600℃空气中裂解成氧化铝和氧化

硅组成的无机纤维，而后在1000℃以上烧结成γ

-氧

化铝连续纤维。(5)凝胶法

亦称挤压法。美国3M公司开发的一种方法。在含有HCOO-

、CH₂COO-

等离子的氧化铝凝胶中混入适量的硅溶胶和硼酸，浓缩成纺丝溶液，直接挤出成纤维，在1000℃以上于张力下烧成连续氧化铝纤维。有关氧化铝纤维的制造方法还有一些。已经开发出的氧化铝纤维不论是由单晶的α-Al₂O₃组成，还是多晶结构的a

型或过渡形态的氧化铝纤维，它们的物理性能与

制备方法有关。制造方法Tyco法3M法ICI法Du

Pont法住友化学法比重/g/cm³3.992.52.83.93.2直径/μ

m250113209抗拉强度/Mpa24001750100014002600拉伸模量/GPa460150100390250最高使用温

度

(

℃

)2000*13001600**11001300熔点(℃)20402040204020402040各工艺制备氧化铝纤维的性能表注：*——1200℃时强度只有室温的1/3;

**——材料断裂时的最高温度结晶结构短纤维连续

长

丝α-AL2O₃Y-AL2O3δ-AL2O₃

硅酸铝硅酸铝AlzO3,wt%80~9799.585806270SiO₂3~20—15202428MgO—0.5——

—B₂O3密度，g/cm³———————1423.3~3.53.903.253.12.73.1纤维直径，μm320171010~1210~12纤维长度，mm1~300连续连续连续连续连续抗拉强度，GPa1~2*1.4**1.8***1.6***1.4~1.61.4~2.1弹性模量，GPa200~300380210150210~245表注：*——测试长度1mm;**——测试长度25mm;

***——测试长度未报导。三、硼

纤

维■

硼的原子序数为5,熔点在2000°C

以上，为高熔点半导

体元素，硬度仅次于金刚石。■

1958年C.P.Talley首先用化学气相沉积法(CVD)

将无定形

硼沉积在钨丝上或碳纤维上制成硼纤维。■

60年代后期，在美国仅有AVCO

公司和Hamiltion一

Standard公司进行硼纤维的生产及其复合材料的研究，■用CVD

法在芯丝上制得硼纤维的方法主要有硼的氢化物

热分解法和硼卤化物的还原法。■

硼的结构形式有两种：菱形六面体和四方晶系，前者为

主要形式，但硼纤维的结构和性能关键取决于沉积温度

和沉积速度。在1300℃以上用CVD法得到的是β-菱形六

面体，低于1300℃时为a-菱形六面体。■

硼纤维具有其它连续陶瓷纤维难以相比拟的强度、模量

和密度。它的密度仅2.4~2.6

g.cm³,

拉伸弹性模量高达

400Gpa,

是普通玻璃纤维的5～7倍，拉伸强度超过钢的

强度，大于3.45Gpa,是制备高性能复合材料用的优秀的

增强纤维。但其性能受沉积条件和纤维直径的影响。项

目100μ

m(B/W)100μ

m(B/C)145μ

m(B₄C/B/W)拉伸强度/Gpa3.53.23.9拉伸模量/Gpa402353363密度/g.cm³2.572.222.27硬度(努氏)/Gpa3.53.5比热容/kJ·kg¹·K-¹热导率/W·m¹·K-¹线膨胀系数/10~⁶K-1空气中，低于200℃,1000

小时空气中，315℃,1000小时空气中，500℃,1小时氩气中，315℃,1000

小时氩气中，900℃,1小时1.3385.0降至室温后强度基本不变降至室温后强度损失近30%降至室温后强度损失70%降至室温后强度基本不变降至室温后强度基本不变硼

纤

维

的

热

性

能项

目硼

纤

维

的

力

学

性

能数据性能B/WB/CB₄CSiC/硼纤维直径/μ

m100

140100140102～203密度/g.cm²2.59

2.462.272.71拉伸强度/Gpa3.445

3.5833.45>6.8903.10拉伸模量/Gpa400

400358400由于硼纤维在常温下虽然为惰性物质，但在高温下也易于金属反应，为避免与金属复合时产生不良的界面反应，通

常在纤维表面用碳化物、硼化物等作涂覆处理。涂覆后硼

纤维的拉伸强度明显高于普通的硼纤维。沉

积

涂

覆

后

硼

纤

维

的

力

学

性

能纤维名称规

格强度(MPa)模量(GPa)密度

(g●cm³)生

产

厂碳化硼/钨芯硼纤维

φ

140μ

m37004002.5SNPE(法)Borsic

φ140μ

m31004002.65AVCO(美)SCS-6

φ140μ

m>40004003.0AVCO(美)钨芯碳化硅

φ100μ

m33503903.40SIGMA(德)Nicalon

φ

15μ

m,500根/束2500～30002002.55日本碳管Tyranno

φ

10μ

m,500根/束2800～30002002.5UBE(日)高强碳纤维T₃ooφ7μm,3K/束35002301.76东丽(日)高强碳纤维Mo

φ7μm,3K/束25003901.81东丽(日)FP氧化铝纤维

φ

20μ

m;13803803.9杜邦(美)住友氧化铝纤维φ17μm,1000根/束15002003.2住友(日)硼纤维与几种连续纤维性能比较■

硼纤维和金属复合时，易达到高的纤维体积分数，增强效果明显，抗压强度高。纤维表面带有碳化硼或碳化硅

的涂层对硼纤维有良好的保护作用。例如涂有碳化硼涂层的硼纤维，在550℃空气中1小时，强度基本不变；碳化硅涂层的硼纤维，在600℃空气中加热1000小时，无明显强度下降。而无涂层的硼纤维在400℃以上就会

与金属发生反应而劣化。■

硼纤维的缺点是工艺复杂，不易规模生产，价格昂贵。■除了在航天工业中用作结构材料外，对重量和刚度要求高的航空飞行器的部件，如在F—14、F—15

和B—1洲

际战略轰炸机中已有使用，以增强钛合金的部件。硼纤

维增强铝基复合材料及增强环氧树脂复合材料，可用于

发动机的风扇或压缩机的叶片、导弹和航天飞机上的各

种零部件，可减重20%～66%。可用作中子的减速剂，用于原子能和防中子弹；还可制成各种钻头、超离心设备、超导发电机及其它高速、高受力旋转的机械设备。四、氮化硼纤维■

氮化硼纤维是60年代由美国研制成功的。氮化硼纤维制造方法主要有B₂O₃

先驱体纤维在800

℃高温氨蒸汽中处理，然后在2000

℃下热牵伸烧结而成的无机先驱体转化法。1976年日本京都纤维工艺大学木村良晴研制的以含有B-N主键结构的高分子化合物为先驱体，经熔融纺丝及交联后

经高温处理获得氮化硼纤维。以有机先驱体出发制得的氮

化硼纤维，先驱体可根据目标产物的结构和性能要求，实

现先驱体分子结构设计，通过改变分子结构和组成得到性

能相异的纤维。■由于具有许多特异性能，同时综合性能也很优越，例如优良的机械性能、耐温性、抗氧化性、耐腐蚀性以及独特

的电性能等，是陶瓷基、金属基及树脂基复合材料的重要增强纤维。其复合材料可以作为电池隔膜材料、透微波材

料、绝缘材料、绝热保温材料以及中子吸收材料等。氮化硼纤维的典型性能研

制

单

位

密度gcm

-3纤维直径μ

m拉伸强度MPa拉伸模量GPa金刚砂公司(美)1.8～2.0京都纤维工艺大学

(

日

)5～8501200100028～8480■

氮化硼的结构类似于石墨，又称为“白色石墨”,而耐氧

化性能优越于石墨，石墨(碳)纤维在空气中400℃时开始氧

化性能降低，而氮化硼纤维在850～900

℃的空气中开始氧

化。石墨(碳)纤维被氧化时不形成表面的保护层，而氮化

硼纤维在氧化过程中会形成氧化硼保护层，防止进一步被

氧化。■

在惰性或还原气氛中，纤维性能直到2500℃仍是稳定的。■

氮化硼纤维的强度和模量近于玻璃纤维，但是它的多晶性

质使它具有较好的抗腐蚀能力，它的密度只有1.4～2.0g/

cm³,是用它制造轻质结构材料的最大优点。■

纤维对酸、碱是惰性的，并不受800℃的熔融铝和

1400℃的熔融铁浸蚀。特别是纤维直到2000℃均表现

出最好的绝缘性。■

氮化硼还有很低的介电损耗和介电常数，是抗烧蚀天

线窗的理想材料。■

氮化硼纤维与碳纤维混杂编织的试样有低的烧蚀速率

和低的背面温度，所以它在空间工程方面的潜在应用

除天线窗外，还可作电绝缘器件、防护布、重返大气

层的降落伞等。■

氮化硼纤维作为复合材料的增强纤维，增强

纤维，在很大程度上取决于纤维的表面特征，

由于纤维表面上孔隙率很低且呈封闭状态，纤维很难为树脂润湿。■氮化硼纤维与有机基体制备复合材料的界面

结合主要是靠摩擦力的作用。所以在以氮化

硼纤维或其编织物制备复合材料的过程中，

重点要解决纤维与基体浸润性问题。五、氮化硅纤维

(Si₃N₄)■

氮化硅纤维按其组成来说，包括Si-C-N。■

1974年W.Verbeek等利用烷基胺与烷基氯硅烷反应制得

硅氮树脂，经熔融纺丝、不熔化处理后在N₂中加热裂解

获得Si-N-C纤维。■

80年代初B.G.Penn等人用过量甲胺与甲基三氯硅烷反应

得到三

(N-

甲胺基)甲基硅烷，再经加热处理，得到聚

合物纤维。■

新井乾郎将H₂SiCl₂

先与吡啶络合，制得聚硅氮烷，经溶

解并添加一定量的聚氧化乙烯后进行干法纺丝，得到连

续纤维，经惰性气氛中1300℃烧成得到高纯氮化硅纤维。■

该纤维在1400℃于N₂中热处理12h,抗拉强度降

低

4

0

%

,XRD

指出，此时微晶开始增长，若引入

硼

(B)

到聚硅氮烷中，用同样的制备工艺得到

的氮化硅纤维在1700℃N₂

中保持Ih,

仍保持非晶

态。性能数值直

径

/

μ

m拉

伸

强

度

/

G

p

a拉

伸

模

量

/

G

p

a伸

长

率

/

%密

度

/

(

g

.

c

m

³

)热

导

性

/

[

J

.

m

.

h

.

℃

]

I

]

]

比

热

容

/

[

J

.

(

g

.

℃

)

-

1

]电阻率

/(2.cm)介

电

常

数

/

1

M

H

z热膨胀系数/(×10

-

6

·

℃

-

1)102.52501.02.529.70.7745.0×10144.51.5高纯度(Si₃N₄)纤维的一般性能注：Si₃N4

纤

维

组

成

/%

(

质

量

百

分

数

)

:

S

i

为

5

9

.

6

;N

为

3

7

.

1

;0

为

2

.

7

;

C

为

0

.

4■

氮化硅纤维具有类似于碳化硅纤维的力

学性能和应用领域，耐化学腐蚀和耐高

温性能好，是高性能陶瓷基复合材料的

增强纤维之一。■氮化硅纤维是未来航天航空、汽车发动

机等耐高温部件最有希望的候选材料，

有着广泛的应用前景。六、

陶瓷晶须Whiskers■晶须是指在人工控制条件下以单晶结构形式生长的具有一定长径比(一般大于10)和截面积

小于52×10-5cm²的针状纤维材料，是一种高强

度材料。晶须的直径可由0.1至几个微米，长度

一般为数十至数千微米，断面呈三角形，但具

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，且其原子排列高度有序，因而其强度接近于材料原子间键力的理论值，单晶短纤维的拉伸强度接近其纯晶体的理论强

度。此外还有密度低、弹性模量高、耐热性能

好等特点，是很有发展前景的增强纤维，主要

用于宇航工业。陶瓷晶须一般用气相结晶法生

产，工艺复杂，造价较高。■

自1948年美国贝尔电话公司首次发现晶须以来，迄今已开

发出100多种晶须，但主要有金属晶须和陶瓷晶须两大类。■

已经进入工业化生产的商品晶须仅有SiC、Si₃N、TiN、

Al₂O₃

、钛酸钾和莫来石等少数几种晶须。■

晶须可分为金属晶须(如Ni、Fe、Cu、Si、Ag、Ti、Cd

、Cr等

)

,

氧

化

物

晶

须

(

如MgO

、ZnO

、BeO、Al₂O₃

、TiO₂

、Cr₂O₃

等),陶瓷晶须(如碳化物晶须

SiC

、TiC

、ZrN

、BN

、AIN等),硼化物晶须(如TiB₂、

ZrB₂

、CrB

、

等

)

和

无

机

盐

类

晶

须

(

如K₂TisO₁₃和Al₁₈B₄O₃₃)。金属晶须中，铁晶须己投人生产，它是由五羰基铁【Fe(CO)s]

分解并在磁场中结晶形成的。铁晶须可以在磁場中取向，从而能制取定向纤维增强复合材料。陶

瓷晶须的强度极高，此外还有密度低、弹性模量高、耐

热性能好等特点，是极有前途的强纤维品种。陶瓷晶须

生产工艺复杂，造价较高。几种典型晶须的性能晶须种类密度(g·cm³)熔点(℃)拉伸强度

(GPa)比强度

[GPa(g/cm³)弹性模量

(×10²GPa)比模量[GPa(g/cm³)]SiC3.212700216.54.9152B₄C2.522450145.64.9194Si₃N₄3.181960144.43.8120Al₂O₃2.962040155.34.3110MgO3.627997.142.03.44596BeO2.852570134.73.5120■

目前工业上生产的陶瓷晶须主要是碳化硅晶须，其它还有氧化铝晶须、氮化硅

晶须、钛酸钾晶须等。6.1

碳化硅晶须

(Silicon

Carbide

Whiskers)碳化硅晶须是一种灰绿色的、尺寸细小的单晶纤维，它是目前应用最广的一种晶须品种。最早在1965年由美国

开始工业化生产。碳化硅晶须通常有a-碳化硅和β-碳

化硅两种结构，α-碳化硅晶须为多面体六方结构；β-

碳化硅晶须是单一的立方结构。碳化硅晶须的物理性能

如下表。碳

化

硅

晶

须

性

能密度

/g/cm³熔点/℃拉伸强度/MPa拉伸模量

/MPa比强度比模量a

-碳化硅3.1523200.7~3.5×10⁴4.9×10⁵2250~111001.55×10⁵β-碳化硅3.1523200.71~3.55×10⁴7~10.5×10⁵2250~111002.2~3.3×10⁵目前常采用的制备碳化硅晶须方法是固相生长法。具体过程：稻壳经酸处理后碳化生成无定形SiO₂

。

将SiO₂与C

以一定的质量比放入高温烧结炉中烧结(氩气气氛，升温至1500～1800℃,保温4～6h〕。目前大量生产和使用的碳化硅晶须多为β-碳化硅晶须，它具有高强度、高模量、耐腐蚀、抗高温、密度小等特点，可广泛应用于增强金属、增韧陶瓷、强化树脂等高性能复合材料的增强纤维。■碳化硅晶须增强氧化铝复合材料可用作切削刀具，在

镍基耐热合金的机械加工中发挥作用；晶须增强塑料基

复合材料可作为零部件的粘结接头，增强零件局部应力

集中承载力大的关键部位、间隙增强和硬化表面等；在

体育用品上碳化硅晶须增强树脂基复合材料成功地制得

高尔夫球杆、钓鱼竿等。■但是，在碳化硅晶须表面处理、工艺控制等方面，仍

需作进一步深入研究。■国内研究碳化硅晶须始于70年代初，中科院上海硅酸盐研究所最先制备出碳化硅晶须，1986年后

科学院金属所、上海硅酸盐所先后在国家“863

项目”支持下进行了二氧化硅和碳源生长碳化硅

晶须的工艺研究，中国矿业大学以稻壳为硅源与

碳源生长碳化硅晶须的工艺研究使碳化硅晶须的

性能和质量接近国外同类产品水平，为碳化硅晶

须国产化和复合材料应用研究打下良好的基础。6.2碳晶须■

碳

晶须是非金属晶须。含碳量99.54%,含氢量0.15%,呈针状单晶。直径从亚微米到几微米，长

度为几十厘米，并具有高度的结晶完整性。由于

位错密度低、孔隙率低、表面缺陷少以及不存在

晶界，故碳晶须具有极高的强度，其抗拉强度为

689～3335MPa,

拉伸模量为294～412GPa,

延伸

率为0.2%～0.8%。主要用作树脂基、碳基复合材

料的增强体。■

1966年美国航空航天局采用碳板加热到2000℃,用氢气稀

释的甲烷或苯等有机物质通过它，首次制得长度约1.3mm

、

直径约0.1mm的纤维。这种纤维被称之为石墨晶须。■