第10章復(fù)合材料的表界面(上)

1、10.1 復(fù)合材料概述復(fù)合材料概述三大材料：三大材料：金屬金屬無(wú)機(jī)非金屬無(wú)機(jī)非金屬有機(jī)高分子有機(jī)高分子復(fù)合材料：復(fù)合材料：取長(zhǎng)補(bǔ)短取長(zhǎng)補(bǔ)短協(xié)同作用協(xié)同作用產(chǎn)生原來(lái)單一材料本身所沒(méi)有的新性能產(chǎn)生原來(lái)單一材料本身所沒(méi)有的新性能無(wú)機(jī)無(wú)機(jī)非金屬非金屬材料材料有機(jī)有機(jī)高分子高分子材料材料金屬金屬材料材料復(fù)復(fù)合合材材料料2復(fù)合材料的定義復(fù)合材料的定義 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織：由兩種以上在物理和化學(xué)上不：由兩種以上在物理和化學(xué)上不同的物質(zhì)組合起來(lái)而得到的一種多相固體材料。同的物質(zhì)組合起來(lái)而得到的一種多相固體材料。 材料大詞典材料大詞典 ：復(fù)合材料是根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行設(shè)：復(fù)合材料是根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)，把兩種以上

2、的有機(jī)聚合物材料或無(wú)機(jī)非金屬計(jì)，把兩種以上的有機(jī)聚合物材料或無(wú)機(jī)非金屬材料或金屬材料組合在一起，使其性能互補(bǔ)，從材料或金屬材料組合在一起，使其性能互補(bǔ)，從而制成的一類(lèi)新型材料。而制成的一類(lèi)新型材料。3 材料科學(xué)技術(shù)百科全書(shū)材料科學(xué)技術(shù)百科全書(shū) ：復(fù)合材料是由有：復(fù)合材料是由有機(jī)高分子、無(wú)機(jī)非金屬或金屬等幾類(lèi)不同材料通機(jī)高分子、無(wú)機(jī)非金屬或金屬等幾類(lèi)不同材料通過(guò)復(fù)合工藝組合而成的新型材料。它既保留原組過(guò)復(fù)合工藝組合而成的新型材料。它既保留原組成材料的重要特色，又通過(guò)復(fù)合效應(yīng)獲得原組分成材料的重要特色，又通過(guò)復(fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能。可以通過(guò)材料設(shè)計(jì)使各組分的所不具備的性能。可以通過(guò)材料設(shè)

3、計(jì)使各組分的性能互相補(bǔ)充并彼此關(guān)聯(lián)，從而獲得更優(yōu)秀的性性能互相補(bǔ)充并彼此關(guān)聯(lián)，從而獲得更優(yōu)秀的性能，與一般材料的簡(jiǎn)單混合有本質(zhì)區(qū)別。能，與一般材料的簡(jiǎn)單混合有本質(zhì)區(qū)別。 氮化硅結(jié)構(gòu)陶瓷被用作航天飛機(jī)的防熱瓦氮化硅結(jié)構(gòu)陶瓷被用作航天飛機(jī)的防熱瓦復(fù)合材料的應(yīng)用復(fù)合材料的應(yīng)用美國(guó)美國(guó)B-2B-2隱形轟炸機(jī)表面為具有良好吸波性能的碳纖維復(fù)合材料隱形轟炸機(jī)表面為具有良好吸波性能的碳纖維復(fù)合材料先進(jìn)橡膠輪胎使汽車(chē)成為交通主宰先進(jìn)橡膠輪胎使汽車(chē)成為交通主宰賽車(chē)上使用的特殊輪胎賽車(chē)上使用的特殊輪胎人工腎臟人工腎臟(1)在航空、航天方面的應(yīng)用在航空、航天方面的應(yīng)用(2)在交通運(yùn)輸方面的應(yīng)用在交通運(yùn)輸方面的應(yīng)用(

4、3)在化學(xué)工業(yè)方面的應(yīng)用在化學(xué)工業(yè)方面的應(yīng)用(4)在電氣工業(yè)方面的應(yīng)用在電氣工業(yè)方面的應(yīng)用(5)在建筑工業(yè)方面的應(yīng)用在建筑工業(yè)方面的應(yīng)用(6)在機(jī)械工業(yè)方面的應(yīng)用在機(jī)械工業(yè)方面的應(yīng)用(7)在體育用品方面的應(yīng)用在體育用品方面的應(yīng)用 復(fù)合材料的應(yīng)用復(fù)合材料的應(yīng)用 基體基體連續(xù)相連續(xù)相 增強(qiáng)材料增強(qiáng)材料分散相分散相 在基體和增強(qiáng)體之間存在著界面。在基體和增強(qiáng)體之間存在著界面。基體和增強(qiáng)材料基體和增強(qiáng)材料Matrix and Reinforcement基體和增強(qiáng)體各基體和增強(qiáng)體各有什么作用有什么作用Schematic illustration of composite constituents11復(fù)合

5、材料的分類(lèi)復(fù)合材料的分類(lèi)12按按增強(qiáng)材料形態(tài)增強(qiáng)材料形態(tài)分類(lèi)分類(lèi)1 1、纖維纖維增強(qiáng)材料增強(qiáng)材料; ;2 2、顆粒狀顆粒狀增強(qiáng)材料增強(qiáng)材料; ;3 3、片狀片狀增強(qiáng)材料。增強(qiáng)材料。Classes of composites纖維增強(qiáng)復(fù)合材料種類(lèi)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料種類(lèi) 玻璃玻璃纖維復(fù)合材料；纖維復(fù)合材料； 碳纖維碳纖維復(fù)合材料；復(fù)合材料； 有機(jī)纖維有機(jī)纖維（芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維、（芳香族聚酰胺纖維、芳香族聚酯纖維、聚烯烴纖維等）復(fù)合材料；聚烯烴纖維等）復(fù)合材料； 金屬纖維金屬纖維（如鎢絲、不銹鋼絲等）復(fù)合材料；（如鎢絲、不銹鋼絲等）復(fù)合材料； 陶瓷纖維陶瓷纖維（如氧化鋁纖維、碳化硅纖維等

6、）復(fù)合材（如氧化鋁纖維、碳化硅纖維等）復(fù)合材料。料。按按基體材料基體材料分類(lèi)分類(lèi) 聚合物基聚合物基復(fù)合材料；復(fù)合材料； 金屬基金屬基復(fù)合材料；復(fù)合材料； 無(wú)機(jī)非金屬基無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料。復(fù)合材料。按按材料作用材料作用分類(lèi)分類(lèi) 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料；復(fù)合材料； 功能功能復(fù)合材料。復(fù)合材料。 各種材料的發(fā)展?fàn)顩r各種材料的發(fā)展?fàn)顩r玻璃鋼和樹(shù)脂基復(fù)合材料玻璃鋼和樹(shù)脂基復(fù)合材料 非常成熟非常成熟 廣泛的應(yīng)用廣泛的應(yīng)用 金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料 開(kāi)發(fā)階段開(kāi)發(fā)階段 某些結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵部位某些結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵部位 陶瓷基復(fù)合材料及功能復(fù)合材料等陶瓷基復(fù)合材料及功能復(fù)合材料等 尚處于研究階段尚處于研究階段 有不少科

7、學(xué)技術(shù)問(wèn)題有待解決有不少科學(xué)技術(shù)問(wèn)題有待解決聚合物基復(fù)合材料的一般特性聚合物基復(fù)合材料的一般特性 輕質(zhì)高強(qiáng)；輕質(zhì)高強(qiáng)； 電性能好；電性能好； 耐腐蝕性能好；耐腐蝕性能好； 熱性能好；熱性能好； 性能具有可設(shè)計(jì)性。性能具有可設(shè)計(jì)性。聚合物基復(fù)合材料的分類(lèi)聚合物基復(fù)合材料的分類(lèi)用于復(fù)合材料的用于復(fù)合材料的聚合物基體聚合物基體有多種分類(lèi)方有多種分類(lèi)方法，如按法，如按樹(shù)脂熱行為樹(shù)脂熱行為可分為可分為熱固性熱固性及及熱塑熱塑性性?xún)深?lèi)。兩類(lèi)。10.1.1 聚合物基復(fù)合材料基體聚合物基復(fù)合材料基體熱塑性基體熱塑性基體如如聚丙烯聚丙烯、聚酰胺聚酰胺、聚碳酸酯聚碳酸酯、聚醚聚醚酮酮等。等。熱塑性聚合物的形態(tài)特征

8、熱塑性聚合物的形態(tài)特征熱固性基體熱固性基體如如環(huán)氧樹(shù)脂環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂酚醛樹(shù)脂、不飽和聚酯不飽和聚酯樹(shù)脂樹(shù)脂等。等。熱固性聚合物的形態(tài)特征熱固性聚合物的形態(tài)特征10.1.1 聚合物基復(fù)合材料基體聚合物基復(fù)合材料基體 1. 不飽和聚酯樹(shù)脂不飽和聚酯樹(shù)脂 不飽和聚酯樹(shù)脂是制造玻璃纖維復(fù)合材料的一不飽和聚酯樹(shù)脂是制造玻璃纖維復(fù)合材料的一種重要樹(shù)脂。在國(guó)外，聚酯樹(shù)脂占玻璃纖維復(fù)種重要樹(shù)脂。在國(guó)外，聚酯樹(shù)脂占玻璃纖維復(fù)合材料用樹(shù)脂總量的合材料用樹(shù)脂總量的80%以上。以上。 主要用于一般主要用于一般民用工業(yè)和生活用品民用工業(yè)和生活用品中。中。特點(diǎn)特點(diǎn) HOCHCH2CH3OCOCHCHCOOCHCH2C

9、H3OCOCOOHnHOCHCH2CH3O COCHCHCOOCHCH2CH3OCOCOOHnCCH3CH3OCH2OCHCH2CH3CHOOCH3CCCHOCHCCHOOOCHCHOOn鄰苯型不飽和聚酯：鄰苯型不飽和聚酯：間苯型不飽和聚酯：間苯型不飽和聚酯：雙酚型不飽和聚酯：雙酚型不飽和聚酯： CH2CHCH2OCCH3CH3OO CH2CHCH2OHOCCH3CH3CH2CHOCH2Onn = 019雙酚型環(huán)氧樹(shù)脂：雙酚型環(huán)氧樹(shù)脂：CH2CH2OOOH2CHCCH2H2CHCCH2H2CHCCH2OOOn酚醛環(huán)氧樹(shù)脂：酚醛環(huán)氧樹(shù)脂： 2. 環(huán)氧樹(shù)脂環(huán)氧樹(shù)脂特點(diǎn)特點(diǎn) 3. 酚醛樹(shù)脂酚醛樹(shù)脂

10、大量用于短纖維增強(qiáng)塑料等，大量用于短纖維增強(qiáng)塑料等， 少量用于玻璃纖維復(fù)合材料、耐燒蝕材料等，少量用于玻璃纖維復(fù)合材料、耐燒蝕材料等，很少使用在碳纖維和有機(jī)纖維復(fù)合材料中。很少使用在碳纖維和有機(jī)纖維復(fù)合材料中。OHn+ nCHOHOHCH2n+ nH2O苯酚甲醛酚醛樹(shù)脂特點(diǎn)特點(diǎn)聚合物基復(fù)合材料基體的作用：聚合物基復(fù)合材料基體的作用：把纖維粘在一起；把纖維粘在一起；分配纖維間的載荷；分配纖維間的載荷；保護(hù)纖維不受環(huán)境影響。保護(hù)纖維不受環(huán)境影響。 增強(qiáng)材料（增強(qiáng)體、增強(qiáng)劑等）增強(qiáng)材料（增強(qiáng)體、增強(qiáng)劑等）分散在分散在基體內(nèi)以改進(jìn)其機(jī)械性能的高強(qiáng)度材料?；w內(nèi)以改進(jìn)其機(jī)械性能的高強(qiáng)度材料。10.1.2

11、 增強(qiáng)材料增強(qiáng)材料10.1.3 復(fù)合材料的界面復(fù)合材料的界面 復(fù)合材料的界面是指基體與增強(qiáng)物之間化復(fù)合材料的界面是指基體與增強(qiáng)物之間化學(xué)成分有顯著變化的、構(gòu)成彼此結(jié)合的、學(xué)成分有顯著變化的、構(gòu)成彼此結(jié)合的、能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。能起載荷傳遞作用的微小區(qū)域。界面界面是復(fù)合材料的特征，可將是復(fù)合材料的特征，可將界面的機(jī)能界面的機(jī)能歸納為以下幾種效應(yīng)。歸納為以下幾種效應(yīng)。 (1)傳遞效應(yīng)傳遞效應(yīng) (2)阻斷效應(yīng)阻斷效應(yīng) (3)不連續(xù)效應(yīng)不連續(xù)效應(yīng) (4)散射和吸收效應(yīng)散射和吸收效應(yīng)(5)誘導(dǎo)效應(yīng)誘導(dǎo)效應(yīng) 10.2 玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面玻璃纖維增強(qiáng)塑料界面10.2.1 玻璃纖維概述玻璃纖維概述玻

12、璃纖維的結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成玻璃纖維的結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成玻璃纖維的物理性能玻璃纖維的物理性能玻璃纖維的化學(xué)性能玻璃纖維的化學(xué)性能玻璃纖維的結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成玻璃纖維的結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成玻璃纖維的結(jié)構(gòu)玻璃纖維的結(jié)構(gòu)玻璃纖維玻璃纖維的的拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度比比塊狀玻璃塊狀玻璃高許多倍，但經(jīng)高許多倍，但經(jīng)研究證明，研究證明，玻璃纖維玻璃纖維的的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)與與玻璃玻璃相同。相同。玻璃纖維的化學(xué)組成玻璃纖維的化學(xué)組成玻璃纖維的玻璃纖維的化學(xué)組成化學(xué)組成主要是主要是二氧化硅二氧化硅、三氧三氧化二硼化二硼、氧化鈣氧化鈣、三氧化二鋁三氧化二鋁等。等。 以以二氧化硅二氧化硅為主的稱(chēng)為為主的稱(chēng)為硅酸鹽破璃硅酸鹽破璃，以，以三三氧化二硼氧

13、化二硼為主的稱(chēng)為為主的稱(chēng)為硼酸鹽玻璃硼酸鹽玻璃。玻璃纖維的物理性能玻璃纖維的物理性能外觀和比重外觀和比重表面積表面積玻璃纖維的力學(xué)性能玻璃纖維的力學(xué)性能玻璃纖維的耐磨性與耐折性玻璃纖維的耐磨性與耐折性玻璃纖維的熱性能玻璃纖維的熱性能玻璃纖維的電性能玻璃纖維的電性能外觀和比重外觀和比重一般一般天然或人造的有機(jī)纖維天然或人造的有機(jī)纖維，其表面都有較，其表面都有較深的深的皺紋皺紋；而對(duì)于而對(duì)于玻璃纖維玻璃纖維來(lái)說(shuō)，其表面呈來(lái)說(shuō)，其表面呈光滑的圓柱光滑的圓柱，其橫斷面幾乎都是其橫斷面幾乎都是完整的圓形完整的圓形。玻璃纖維直徑玻璃纖維直徑從從1.5 25 um，大多數(shù)為，大多數(shù)為4 14 um。 玻璃纖

14、維的密度玻璃纖維的密度為為2.16 4.30 gcm3。此外，一般情況下，此外，一般情況下，無(wú)堿玻璃纖維的比重?zé)o堿玻璃纖維的比重大于大于有有堿纖維堿纖維。表面積表面積由于玻璃纖維的表面積大，使得纖由于玻璃纖維的表面積大，使得纖維維表面處理的效果表面處理的效果對(duì)對(duì)性能的影響性能的影響很大。很大。玻璃纖維的力學(xué)性能玻璃纖維的力學(xué)性能1)玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度一般一般玻璃制品玻璃制品的拉伸強(qiáng)度只有的拉伸強(qiáng)度只有40 100 MPa，而直徑而直徑3 9 um的的玻璃纖維玻璃纖維拉伸強(qiáng)度則高達(dá)拉伸強(qiáng)度則高達(dá)1500 4000 MPa。1)玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度2)影響玻璃纖維

15、強(qiáng)度的因素影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素3)玻璃纖維的彈性玻璃纖維的彈性幾種幾種纖維和金屬纖維和金屬材料的強(qiáng)度如下表所示：材料的強(qiáng)度如下表所示：幾種纖維材料和金屬材料的強(qiáng)度幾種纖維材料和金屬材料的強(qiáng)度2)影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素A、一般情況，玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度隨、一般情況，玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度隨直直徑徑變細(xì)而拉伸強(qiáng)度增加，如下表所示：變細(xì)而拉伸強(qiáng)度增加，如下表所示：A-F玻璃纖維拉伸強(qiáng)度與直徑的關(guān)系玻璃纖維拉伸強(qiáng)度與直徑的關(guān)系B、拉伸強(qiáng)度也與纖維的、拉伸強(qiáng)度也與纖維的長(zhǎng)度長(zhǎng)度有關(guān)，隨著長(zhǎng)有關(guān)，隨著長(zhǎng)度增加拉伸強(qiáng)度顯著下降。如下表所示：度增加拉伸強(qiáng)度顯著下降。如下表所示： 、化學(xué)組成化

16、學(xué)組成對(duì)強(qiáng)度的影響對(duì)強(qiáng)度的影響纖維的強(qiáng)度與玻璃化學(xué)成分關(guān)系密切。纖維的強(qiáng)度與玻璃化學(xué)成分關(guān)系密切。而而改變系統(tǒng)改變系統(tǒng)( (即改變它的基本組分即改變它的基本組分) )，強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)，強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生大幅度地變化。生大幅度地變化。 D、纖維、纖維老化老化的影響的影響E、纖維的纖維的疲勞疲勞影響影響F、成型方法成型方法和和成型條件強(qiáng)度成型條件強(qiáng)度的影響的影響3)玻璃纖維的彈性玻璃纖維的彈性A、玻璃纖維的、玻璃纖維的延伸率延伸率玻璃纖維的延伸率玻璃纖維的延伸率比其它有機(jī)纖維的延伸率比其它有機(jī)纖維的延伸率低低，一般為一般為3 3左右。左右。 B、玻璃纖維的、玻璃纖維的彈性模量彈性模量玻璃纖維的玻璃纖維的彈性模量

17、彈性模量約為約為7 104 MPa，與鋁相，與鋁相當(dāng)，只有普通鋼的三分之一，致使復(fù)合材料的當(dāng)，只有普通鋼的三分之一，致使復(fù)合材料的剛剛度較低度較低。 玻璃纖維的耐磨性與耐折性玻璃纖維的耐磨性與耐折性玻璃纖維這玻璃纖維這兩個(gè)性能都很差兩個(gè)性能都很差，經(jīng)過(guò)揉搓摩擦，經(jīng)過(guò)揉搓摩擦容易受傷或斷裂，這是玻纖的嚴(yán)重缺點(diǎn)。容易受傷或斷裂，這是玻纖的嚴(yán)重缺點(diǎn)。 玻璃纖維的熱性能玻璃纖維的熱性能1）玻璃纖維的導(dǎo)熱性玻璃纖維的導(dǎo)熱性玻璃玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)為的導(dǎo)熱系數(shù)為0.6 1.1千卡千卡/米米度度時(shí)，時(shí)，但拉制成但拉制成玻璃纖維玻璃纖維后，其導(dǎo)熱系數(shù)只有后，其導(dǎo)熱系數(shù)只有0.03千千卡米卡米度度時(shí)。時(shí)。導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性

18、耐熱性耐熱性2）破璃纖維的耐熱性）破璃纖維的耐熱性玻璃纖維玻璃纖維耐熱性較高耐熱性較高，軟化點(diǎn)為，軟化點(diǎn)為550 580，其熱膨脹系數(shù)為其熱膨脹系數(shù)為4.8 106 / 。 玻璃纖維的電性能玻璃纖維的電性能玻璃纖維的玻璃纖維的導(dǎo)電性導(dǎo)電性主要取決于主要取決于化學(xué)組成化學(xué)組成、溫度溫度和和濕度濕度。無(wú)堿無(wú)堿纖維的纖維的電絕緣性能電絕緣性能比比有堿有堿纖維優(yōu)越得多。纖維優(yōu)越得多。玻璃纖維的玻璃纖維的電阻率電阻率隨著隨著溫度的升高溫度的升高而而下降下降。雖然玻璃纖維的雖然玻璃纖維的吸附能力較小吸附能力較小，但，但空氣濕度空氣濕度對(duì)對(duì)玻璃纖維的玻璃纖維的電阻率影響很大電阻率影響很大。濕度增加，電阻率下

19、降。如下表所示：濕度增加，電阻率下降。如下表所示：玻璃纖維的化學(xué)性能玻璃纖維的化學(xué)性能玻璃玻璃是一種非常好的是一種非常好的耐腐蝕材料耐腐蝕材料，但，但拉制成拉制成玻璃纖維玻璃纖維后，其性能遠(yuǎn)不如玻璃。后，其性能遠(yuǎn)不如玻璃。這主要是由于這主要是由于玻璃纖維的比表面積大玻璃纖維的比表面積大所造成的。所造成的。10.2.2 偶聯(lián)劑偶聯(lián)劑偶聯(lián)劑偶聯(lián)劑 按化學(xué)組成，偶聯(lián)劑主要可分為有機(jī)按化學(xué)組成，偶聯(lián)劑主要可分為有機(jī)鉻和有機(jī)硅兩大類(lèi)，此外還有鈦酸酯等。鉻和有機(jī)硅兩大類(lèi)，此外還有鈦酸酯等。 何為偶聯(lián)劑？何為偶聯(lián)劑？(1)(1)有機(jī)酸氯化鉻絡(luò)合物類(lèi)偶聯(lián)劑有機(jī)酸氯化鉻絡(luò)合物類(lèi)偶聯(lián)劑 有機(jī)酸氯化鉻絡(luò)合物簡(jiǎn)稱(chēng)鉻絡(luò)

20、合物，這類(lèi)有機(jī)酸氯化鉻絡(luò)合物簡(jiǎn)稱(chēng)鉻絡(luò)合物，這類(lèi)絡(luò)合物通常是用堿式氯化鉻與羧酸反應(yīng)而制得。絡(luò)合物通常是用堿式氯化鉻與羧酸反應(yīng)而制得。 2Cr(OH)Cl2+RCOOHRCOOCr2(OH)Cl4+H2O這類(lèi)鉻絡(luò)合物無(wú)水時(shí)的結(jié)構(gòu)式為：這類(lèi)鉻絡(luò)合物無(wú)水時(shí)的結(jié)構(gòu)式為： 沃蘭沃蘭(Vo1an)(Vo1an)，結(jié)構(gòu)式為，結(jié)構(gòu)式為 ： (2)有有機(jī)硅烷類(lèi)偶聯(lián)劑機(jī)硅烷類(lèi)偶聯(lián)劑 有機(jī)硅烷是一類(lèi)品種很多，效果也很顯著的表有機(jī)硅烷是一類(lèi)品種很多，效果也很顯著的表面處理劑，其一般結(jié)構(gòu)通式為：面處理劑，其一般結(jié)構(gòu)通式為：RnSiX4-n X基團(tuán)與玻璃纖維表面的作用機(jī)理：基團(tuán)與玻璃纖維表面的作用機(jī)理： 硅烷偶聯(lián)劑處理玻璃

21、纖維通常經(jīng)歷四個(gè)階段：硅烷偶聯(lián)劑處理玻璃纖維通常經(jīng)歷四個(gè)階段： R為有機(jī)基團(tuán)，是可與合為有機(jī)基團(tuán)，是可與合成樹(shù)脂作用形成化學(xué)鍵的成樹(shù)脂作用形成化學(xué)鍵的活性基團(tuán)活性基團(tuán),如不飽和雙鍵、如不飽和雙鍵、環(huán)氧基、氨基等；環(huán)氧基、氨基等；X為易水解的基團(tuán)，為易水解的基團(tuán)，如甲氧基、乙氧如甲氧基、乙氧基等基等。n1，2，3 絕絕大多數(shù)大多數(shù)n1(3) 鈦酸酯偶聯(lián)劑鈦酸酯偶聯(lián)劑 結(jié)構(gòu)通式：結(jié)構(gòu)通式：(RO)m Ti - (O-X-R-Y)nm、n為官能團(tuán)數(shù)。為官能團(tuán)數(shù)。n2時(shí)為多官能團(tuán)的鈦酸酯，時(shí)為多官能團(tuán)的鈦酸酯，可與多官能團(tuán)的熱塑性及熱固性樹(shù)脂起作用?？膳c多官能團(tuán)的熱塑性及熱固性樹(shù)脂起作用。(4) 玻璃

22、纖維表面處理方法玻璃纖維表面處理方法 (1)玻璃纖維表面處理方法玻璃纖維表面處理方法 后處理法后處理法 前處理法前處理法 遷移法遷移法 處理意義處理意義后處理法：后處理法： 使用紡織型浸潤(rùn)劑的玻璃纖維及制品，在使使用紡織型浸潤(rùn)劑的玻璃纖維及制品，在使用前原則上都采用此法處理。目前普遍采用的一用前原則上都采用此法處理。目前普遍采用的一種方法。種方法。 前處理法前處理法 是適當(dāng)改變浸潤(rùn)劑配方，使之既能滿足拉絲、是適當(dāng)改變浸潤(rùn)劑配方，使之既能滿足拉絲、紡織各道工序的要求，又不妨礙樹(shù)脂基體對(duì)玻璃紡織各道工序的要求，又不妨礙樹(shù)脂基體對(duì)玻璃纖維的浸潤(rùn)和粘結(jié)。將偶聯(lián)劑加入到上述的浸潤(rùn)纖維的浸潤(rùn)和粘結(jié)。將偶聯(lián)

23、劑加入到上述的浸潤(rùn)劑中，在拉絲過(guò)程中表面處理劑就被覆到玻璃纖劑中，在拉絲過(guò)程中表面處理劑就被覆到玻璃纖維表面上。維表面上。 用這種被覆了增強(qiáng)型浸潤(rùn)劑的纖維織成的玻用這種被覆了增強(qiáng)型浸潤(rùn)劑的纖維織成的玻璃布稱(chēng)為前處理布。璃布稱(chēng)為前處理布。 遷移法遷移法 將化學(xué)處理劑直接加入到樹(shù)脂膠液中進(jìn)行整體將化學(xué)處理劑直接加入到樹(shù)脂膠液中進(jìn)行整體摻和，在浸膠的同時(shí)將偶聯(lián)劑施于玻璃纖維上，借摻和，在浸膠的同時(shí)將偶聯(lián)劑施于玻璃纖維上，借處理劑從樹(shù)脂膠液中到纖維表面的處理劑從樹(shù)脂膠液中到纖維表面的“遷移遷移”作用而作用而與纖維表面發(fā)生反應(yīng)，從而在樹(shù)脂固化過(guò)程中產(chǎn)生與纖維表面發(fā)生反應(yīng)，從而在樹(shù)脂固化過(guò)程中產(chǎn)生偶聯(lián)作用

24、。偶聯(lián)作用。 10.3 先進(jìn)復(fù)合材料的界面先進(jìn)復(fù)合材料的界面10.3.1 高性能增強(qiáng)纖維高性能增強(qiáng)纖維1.1.碳纖維碳纖維碳纖維碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變而成的纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變而成的纖維狀聚合物碳，是一種非金屬材料。狀聚合物碳，是一種非金屬材料。碳纖維碳纖維不屬于有機(jī)纖維范疇，但從制備方法上看，不屬于有機(jī)纖維范疇，但從制備方法上看，它又不同于普通無(wú)機(jī)纖維。它又不同于普通無(wú)機(jī)纖維。碳纖維的分類(lèi)碳纖維的分類(lèi)當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外巳商品化的當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外巳商品化的碳纖維種類(lèi)碳纖維種類(lèi)很多，很多，一般可以根據(jù)一般可以根據(jù)原絲的類(lèi)型原絲的類(lèi)型、碳纖維的性能碳纖維的性能和和碳纖碳纖維的用途維的用途

25、等三種方法進(jìn)行分類(lèi)。等三種方法進(jìn)行分類(lèi)。根據(jù)碳纖維的性能分類(lèi)根據(jù)碳纖維的性能分類(lèi)(1) 高性能碳纖維高性能碳纖維在高性能碳纖維中，有在高性能碳纖維中，有高強(qiáng)度高強(qiáng)度碳纖維、碳纖維、高模高模量量碳纖維、碳纖維、中模量中模量碳纖維等。碳纖維等。(2)低性能碳纖維低性能碳纖維這類(lèi)碳纖維中，有這類(lèi)碳纖維中，有耐火耐火纖維、纖維、碳質(zhì)碳質(zhì)纖維、纖維、石石墨墨纖維等。纖維等。2根據(jù)原絲類(lèi)型分類(lèi)根據(jù)原絲類(lèi)型分類(lèi)(1)聚丙烯腈基聚丙烯腈基纖維；纖維；(2)粘膠基粘膠基碳纖維；碳纖維；(3)瀝青基瀝青基碳纖維；碳纖維；(4)木質(zhì)素纖維基木質(zhì)素纖維基碳纖維；碳纖維；(5)其他其他有機(jī)纖維基有機(jī)纖維基(各種天然纖維

26、、再各種天然纖維、再生纖維、縮合多環(huán)芳香族合成纖維生纖維、縮合多環(huán)芳香族合成纖維)碳纖維。碳纖維。3根據(jù)碳纖維功能分類(lèi)根據(jù)碳纖維功能分類(lèi)(1)受力結(jié)構(gòu)用受力結(jié)構(gòu)用碳纖維碳纖維(2)耐焰耐焰碳纖維碳纖維(3)活性活性碳纖維碳纖維(吸附活性吸附活性)(4)導(dǎo)電用導(dǎo)電用碳纖維碳纖維(5)潤(rùn)滑用潤(rùn)滑用碳纖維碳纖維(6)耐磨用耐磨用碳纖維碳纖維碳纖維的制造碳纖維的制造在制備在制備碳纖維碳纖維的過(guò)程中，無(wú)論采用什么原的過(guò)程中，無(wú)論采用什么原材料，都要經(jīng)過(guò)材料，都要經(jīng)過(guò)原絲預(yù)氧化原絲預(yù)氧化（拉絲、牽伸、（拉絲、牽伸、穩(wěn)定）穩(wěn)定）、碳化碳化以及以及石墨化石墨化等五個(gè)階段，所等五個(gè)階段，所產(chǎn)生的最終纖維，其基本

27、成分為碳。產(chǎn)生的最終纖維，其基本成分為碳。碳纖維的結(jié)構(gòu)與性能碳纖維的結(jié)構(gòu)與性能碳纖維的碳纖維的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)碳纖維的碳纖維的物理性能物理性能碳纖維的碳纖維的化學(xué)性能化學(xué)性能 . 其他性能其他性能用用x射線、電子衍射和電子顯微鏡研究射線、電子衍射和電子顯微鏡研究發(fā)現(xiàn)，真實(shí)的發(fā)現(xiàn)，真實(shí)的碳纖維結(jié)構(gòu)碳纖維結(jié)構(gòu)并不是理想的石墨并不是理想的石墨點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，而是屬于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，而是屬于亂層石墨結(jié)構(gòu)亂層石墨結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 碳纖維的物理性能碳纖維的物理性能碳纖維的比重在碳纖維的比重在1.5-2.0之間，這除了與之間，這除了與原絲原絲結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)有關(guān)外，主要還決定于有關(guān)外，主要還決定于碳化處理的溫度碳化處理的溫度。一般情況下

28、，經(jīng)過(guò)高溫一般情況下，經(jīng)過(guò)高溫(3000 )石墨化處理石墨化處理，比重可達(dá)比重可達(dá)2.0。 碳纖維的碳纖維的熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)與其它類(lèi)型纖維不同，它與其它類(lèi)型纖維不同，它有有各向異性各向異性的特點(diǎn)。的特點(diǎn)。平行于纖維方向平行于纖維方向是負(fù)值是負(fù)值(-0.72 -0.90 10 -6 /)，而，而垂直于纖維方向垂直于纖維方向是正值是正值( 32 22 10-6 /)。碳纖維的碳纖維的比熱比熱一般為一般為7.12 l0-1 kJ( kg )。導(dǎo)熱率有方向性導(dǎo)熱率有方向性，平行于纖維軸，平行于纖維軸方向?qū)崧蕿榉较驅(qū)崧蕿?.04卡卡/秒秒厘米厘米度，而垂直于纖度，而垂直于纖維軸方向?yàn)榫S軸方向?yàn)?

29、.002卡卡/秒秒厘米厘米度。度。導(dǎo)熱率隨溫度升高而下降導(dǎo)熱率隨溫度升高而下降。 碳纖維的碳纖維的比電阻比電阻與纖維的類(lèi)型有關(guān)。在與纖維的類(lèi)型有關(guān)。在25時(shí)，時(shí)，高模量碳纖維高模量碳纖維為為775 u cm，高強(qiáng)度碳纖高強(qiáng)度碳纖維維為為1500 u cm。碳纖維的碳纖維的電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)為正值，而鋁合金的電動(dòng)勢(shì)為正值，而鋁合金的電動(dòng)勢(shì)為負(fù)值。因此當(dāng)碳纖維復(fù)合材料與鋁合金組合應(yīng)為負(fù)值。因此當(dāng)碳纖維復(fù)合材料與鋁合金組合應(yīng)用時(shí)會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕。用時(shí)會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕。碳纖維的化學(xué)性能碳纖維的化學(xué)性能碳纖維碳纖維的化學(xué)性能與的化學(xué)性能與碳碳很相似。它除能被很相似。它除能被強(qiáng)氧化劑氧化外，對(duì)一般酸堿是惰性的。強(qiáng)氧化劑氧化外，對(duì)一般酸堿是惰性的。在在空氣空氣中，當(dāng)溫度高于中，當(dāng)溫度高于400 時(shí)，則會(huì)出時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)明顯的氧化，生成現(xiàn)明顯的氧化，生成CO和和CO2。在不接觸在不