復(fù)合材料的增強(qiáng)材料

1、會(huì)計(jì)學(xué)1復(fù)合材料的增強(qiáng)材料復(fù)合材料的增強(qiáng)材料本章教學(xué)目的：1. 了解增強(qiáng)材料的作用、種類2. 了解玻璃纖維的組成、制備方法、性能3. 了解碳纖維的組成、制備方法、性能4. 了解芳綸纖維的組成、制備方法、性能本章重點(diǎn)難點(diǎn)：增強(qiáng)材料的組成、制備方法、性能本章課時(shí)安排：8學(xué)時(shí)0 0 前言前言密度g/cm3抗拉強(qiáng)度GPa拉伸模量100GPa比強(qiáng)度106N.m/kg比模量106N.m/kg無堿玻璃纖維2.553.400.711.3328高強(qiáng)度碳纖維（II）1.742.422.161.39124高模量碳纖維（I）2.002.233.751.12188Kevlar491.442.801.261.9488硼纖

2、維2.362.753.821.17162SiC纖維（鎢芯）2.693.434.801.28178鋼絲7.744.202.000.5426鎢絲19.404.104.100.2121鉬絲10.202.203.600.2235常用增強(qiáng)纖維與金屬絲性能對(duì)比常用增強(qiáng)纖維與金屬絲性能對(duì)比0 前言前言0 0 前言前言表示材料的柔曲性直徑越小，柔曲性越好；柔曲性越好，其可使纖維可以適應(yīng)復(fù)合材料的各種各樣的工藝?yán)w維狀材料增強(qiáng)體具有較大的長(zhǎng)徑比（L/d），可使得其在復(fù)合材料中比其它幾何形狀的增強(qiáng)體更容易發(fā)揮固有的強(qiáng)度玻璃纖維玻璃纖維1碳纖維碳纖維2芳綸纖維芳綸纖維3其它增強(qiáng)纖維其它增強(qiáng)纖維4主要內(nèi)容主要內(nèi)容1 玻

3、璃纖維玻璃纖維1 1 玻璃纖維玻璃纖維玻璃纖維的組成 玻璃纖維是由SiO2及各種金屬氧化物組成的硅酸鹽類混合物，屬無定形離子結(jié)構(gòu)物質(zhì)。SiO2：主要組分，形成基本骨架，有高的熔點(diǎn)金屬氧化物：（Al2O3 ，CaO ，MgO ，BeO ，Na2O,K2O，B2O3）改善制備玻璃纖維的工藝條件(Na2O,K2O為助熔劑，降低熔點(diǎn)) 和性能(BeO，模量 ；B2O3，耐酸 ) 1 1 玻璃纖維玻璃纖維圖圖3-1玻璃纖維結(jié)構(gòu)示意圖玻璃纖維結(jié)構(gòu)示意圖GF無規(guī)網(wǎng)絡(luò)模型無規(guī)網(wǎng)絡(luò)模型兩種玻璃結(jié)構(gòu)假說:1. .微晶結(jié)構(gòu)假說微晶結(jié)構(gòu)假說:玻璃有SiO2”微晶子”組成,其間有硅酸塊過冷液填充.2. .網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)假說網(wǎng)

4、絡(luò)結(jié)構(gòu)假說,見圖3-1.SiONa ,Ca大量資料表明大量資料表明, ,玻璃結(jié)玻璃結(jié)構(gòu)是近程有序的構(gòu)是近程有序的. .玻璃纖維的分類玻璃纖維的分類 有堿玻璃纖維（堿金屬氧化物MxOy含量大于2%）；中堿玻纖（ MxOy：612% ）；低堿玻纖（ MxOy：26% ）；微堿玻纖（ MxOy：2% ）1 1 玻璃纖維玻璃纖維按化學(xué)組成分：按化學(xué)組成分：按纖維使用特性按纖維使用特性：長(zhǎng)度（定長(zhǎng)玻纖，連續(xù)玻纖）； 直徑（粗纖維d30m，初級(jí)纖維20m d30m ，中級(jí)纖維10m d20m ，高級(jí)纖維3m d92%)92%)圖圖27圖圖2-8 PAN纖維熱處理溫度與強(qiáng)度和拉伸纖維熱處理溫度與強(qiáng)度和拉伸模

5、量的關(guān)系模量的關(guān)系分解分解N，H，O等非碳元素，碳化產(chǎn)率約為等非碳元素，碳化產(chǎn)率約為4045%（一半以上原料被分解），（一半以上原料被分解），碳纖維含碳率在碳纖維含碳率在92%92%以上以上。2 碳纖維碳纖維 石墨化石墨化2 2 碳纖維碳纖維粘膠纖維粘膠纖維(人造絲人造絲/天然纖維天然纖維) 熱處理熱處理 碳化碳化 石墨化石墨化 碳纖維碳纖維 熱處理熱處理:25150 ,脫去吸附水脫去吸附水; 150 240 ,纖維素環(huán)脫水纖維素環(huán)脫水 240 400 ,發(fā)生自由基反應(yīng)發(fā)生自由基反應(yīng),碳碳/氧鍵和碳氧鍵和碳/碳斷裂碳斷裂,生成生成H2O 、CO和和CO2等氣體放出；等氣體放出； 400 以上，

6、進(jìn)行芳香化，放出氫氣以上，進(jìn)行芳香化，放出氫氣 碳化碳化： 1000 1500 ，這個(gè)過程損失，這個(gè)過程損失90 石墨化石墨化：3000 2 2 碳纖維碳纖維預(yù)處理預(yù)處理3 3）瀝青基碳纖維的制造）瀝青基碳纖維的制造2 2 碳纖維碳纖維表表 7 3 不同品種碳纖維的力學(xué)性能不同品種碳纖維的力學(xué)性能2.3 碳纖維的結(jié)構(gòu)與性能碳纖維的結(jié)構(gòu)與性能2 2 碳纖維碳纖維理想的石墨晶體結(jié)構(gòu)理想的石墨晶體結(jié)構(gòu)三維有序的六方晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)三維有序的六方晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)2 2 碳纖維碳纖維亂層石墨（二維有序結(jié)構(gòu)）亂層石墨（二維有序結(jié)構(gòu)）石墨片層 石墨微晶（亂層結(jié)構(gòu)） 石墨原纖（條帶結(jié)構(gòu)）碳纖維 2.3 碳纖維的結(jié)構(gòu)與

7、性能碳纖維的結(jié)構(gòu)與性能2 2 碳纖維碳纖維2 2 碳纖維碳纖維表面為圓形的表面薄層表面為圓形的表面薄層中央是不規(guī)則的結(jié)晶中央是不規(guī)則的結(jié)晶 “皮芯皮芯”結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)（皮層占（皮層占14，芯子占芯子占39）缺陷缺陷是影響碳纖維強(qiáng)度的是影響碳纖維強(qiáng)度的 主要因主要因素，該因素主要來自原絲的缺陷素，該因素主要來自原絲的缺陷與碳化過程中產(chǎn)生的缺陷與碳化過程中產(chǎn)生的缺陷2.3 碳纖維的結(jié)構(gòu)與性能碳纖維的結(jié)構(gòu)與性能2 碳纖維碳纖維缺陷：缺陷：內(nèi)部雜質(zhì)、外來雜質(zhì)、裂縫、空穴、氣泡、表面污染 （影響CF強(qiáng)度的重要因素）來源：來源：原絲存在的缺陷（雜質(zhì)、裂縫） 碳化過程產(chǎn)生缺陷（空穴、氣泡）2 2 碳纖維碳纖維表表

8、23 幾種碳纖維的力學(xué)性能幾種碳纖維的力學(xué)性能型碳纖維型碳纖維高模量碳纖維（經(jīng)高模量碳纖維（經(jīng)25002500高溫處理的碳纖維）高溫處理的碳纖維）型碳纖維型碳纖維高強(qiáng)度碳纖維（經(jīng)高強(qiáng)度碳纖維（經(jīng)130013001700 1700 處理的碳纖維處理的碳纖維）強(qiáng)度高（強(qiáng)度高（s=1.42.5GPa），模量大），模量大（E=（2.54.6）102GPa2 2 碳纖維碳纖維與樹脂粘結(jié)性能差與樹脂粘結(jié)性能差 （表面活性差）（表面活性差）2 2 碳纖維碳纖維化學(xué)性能化學(xué)性能其他性能其他性能 沿纖維方向?qū)щ娦院?，摩擦系?shù)小且具有自潤滑性沿纖維方向?qū)щ娦院?，摩擦系?shù)小且具有自潤滑性2 碳纖維碳纖維2.4 碳纖

9、維的品種與規(guī)格碳纖維的品種與規(guī)格2 2 碳纖維碳纖維碳纖維的制品碳纖維的制品3 3 芳綸纖維芳綸纖維芳綸纖維芳綸纖維: :芳香族聚酰胺芳香族聚酰胺（PA）類纖維，其具有高強(qiáng)度、高模類纖維，其具有高強(qiáng)度、高模量、韌性好、耐腐蝕、低密度的量、韌性好、耐腐蝕、低密度的高模量有機(jī)纖維高模量有機(jī)纖維。芳綸纖維的發(fā)展芳綸纖維的發(fā)展1960年，美國杜邦公司（年，美國杜邦公司（Dupon)研制出間位芳香族聚酰胺纖維（研制出間位芳香族聚酰胺纖維（Nomex)1968年，美國杜邦公司開始研制對(duì)位芳香族聚酰胺纖維年，美國杜邦公司開始研制對(duì)位芳香族聚酰胺纖維1972年，對(duì)位芳香族聚酰胺纖維開始工業(yè)化，取商品名為年，對(duì)

10、位芳香族聚酰胺纖維開始工業(yè)化，取商品名為Kevlar（凱夫拉）（凱夫拉），主要有三品種：主要有三品種：Kevlar、Kevlar29、Kevlar49。1972年芳綸纖維產(chǎn)量年芳綸纖維產(chǎn)量?jī)H僅45t，1977年年4200t，1982年年21000t,其后以其后以20的速度增長(zhǎng)。的速度增長(zhǎng)。3.1 概概 述述3 3 芳綸纖維芳綸纖維 Kevlar 主要用于增強(qiáng)塑料、制造輪胎、三角皮帶、同步帶等主要用于增強(qiáng)塑料、制造輪胎、三角皮帶、同步帶等 Kevlar29 主要用于繩索、電纜、涂漆織物、帶和帶狀物、防彈板、防彈頭盔主要用于繩索、電纜、涂漆織物、帶和帶狀物、防彈板、防彈頭盔 Kevlar49 主要

11、用于航空、航天、國防、造船等部門應(yīng)用的各類復(fù)合材料增強(qiáng)主要用于航空、航天、國防、造船等部門應(yīng)用的各類復(fù)合材料增強(qiáng)材料，如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，飛機(jī)的各種部件材料，如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，飛機(jī)的各種部件芳綸纖維的應(yīng)用領(lǐng)域芳綸纖維的應(yīng)用領(lǐng)域aircraft oxygen cylinder 3.1 概概 述述3 3 芳綸纖維芳綸纖維3 3 芳綸纖維芳綸纖維芳綸纖維分類芳綸纖維分類間位芳香族聚酰胺纖維（間位芳香族聚酰胺纖維（Nomex）對(duì)位芳香族聚酰胺纖維（對(duì)位芳香族聚酰胺纖維（Kevlar）聚間苯二甲酰間苯二胺聚對(duì)苯甲酰胺聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺3 3 芳綸纖維芳綸纖維圖圖3 3、Kevlar纖維生產(chǎn)工藝流程纖維生

12、產(chǎn)工藝流程分為兩階段分為兩階段第一，聚合；第二第一，聚合；第二 ，紡絲，紡絲3 3 芳綸纖維芳綸纖維聚合條件：聚合條件：低溫溶液縮聚低溫溶液縮聚 （1 1）聚合）聚合3 3 芳綸纖維芳綸纖維( (液晶大分子：液晶大分子：PPTA溶于濃硫酸，向列態(tài)液晶體溶于濃硫酸，向列態(tài)液晶體) )圖圖3-5 3-5 PPTA溶液黏度與濃度的關(guān)系曲線溶液黏度與濃度的關(guān)系曲線液晶溶液具有宏觀流動(dòng)性、連續(xù)性、有序性、和各項(xiàng)異性。向列液晶：液體溶液中的有序區(qū)。受剪切時(shí)，聚合物的鏈會(huì)更加有序；可直接紡成纖維晶體沿軸向排列的定向、直鏈纖維而無需牽伸技術(shù)（2 2）紡絲工藝）紡絲工藝紡絲工藝流程紡絲工藝流程向列向列液晶液晶的

13、特的特點(diǎn)：點(diǎn)：只有方向序，沒有位置序只有方向序，沒有位置序3.3 芳綸纖維的制備芳綸纖維的制備3 3 芳綸纖維芳綸纖維圖3-6 紡絲工藝流程示意圖3 3 芳綸纖維芳綸纖維干干- -濕紡絲濕紡絲紡絲工藝流程如下圖：紡絲工藝流程如下圖：干燥干燥Kevelar29纖維纖維N2，一定的張力，一定的張力， 150550Kevelar49熱處理目的：使分子鏈進(jìn)一步取向，提高結(jié)晶速率（熱處理目的：使分子鏈進(jìn)一步取向，提高結(jié)晶速率（9696），纖），纖維的維的、EE、（4 4）熱處理）熱處理3.3 芳綸纖維的制備芳綸纖維的制備3 3 芳綸纖維芳綸纖維x-ray micrographs of the diffe

14、rent fiber grades obtained at 285 eV3 3 芳綸纖維芳綸纖維含有大量苯環(huán)，內(nèi)旋轉(zhuǎn)困難，處于含有大量苯環(huán)，內(nèi)旋轉(zhuǎn)困難，處于剛性伸直鏈晶體；剛性伸直鏈晶體； 苯環(huán)與酰胺鍵交替排列，全處于對(duì)苯環(huán)與酰胺鍵交替排列，全處于對(duì)位，規(guī)律行好，對(duì)稱性好，結(jié)晶性好位，規(guī)律行好，對(duì)稱性好，結(jié)晶性好；分子間有氫鍵，形成梯形化合物分子間有氫鍵，形成梯形化合物特有的化學(xué)結(jié)構(gòu)決定了特有的化學(xué)結(jié)構(gòu)決定了Kevelar模模量高、強(qiáng)度高、各向異性、韌性比量高、強(qiáng)度高、各向異性、韌性比CF好、耐熱性好、耐腐蝕性好好、耐熱性好、耐腐蝕性好Kevelar纖維的結(jié)構(gòu)纖維的結(jié)構(gòu)1 1）化學(xué)結(jié)構(gòu)）化學(xué)結(jié)

15、構(gòu)Kevelar化學(xué)結(jié)構(gòu)三大特征化學(xué)結(jié)構(gòu)三大特征：3 3 芳綸纖維芳綸纖維KevlarKevlar纖維結(jié)構(gòu)的定向纖維定向模型纖維結(jié)構(gòu)的定向纖維定向模型3 3 芳綸纖維芳綸纖維3 3 芳綸纖維芳綸纖維0.7m0.4m圖圖3 37 7 橢圓形片狀結(jié)構(gòu)和微纖維橢圓形片狀結(jié)構(gòu)和微纖維組成組成組成3 3 芳綸纖維芳綸纖維彈性模量高（約為玻纖2倍）；強(qiáng)度高（與GF、CF相當(dāng)）；密度最小=1.45；良好韌性；各向異性（平行軸向強(qiáng)度高，垂直則低）；抗壓、抗扭差；抗蠕變，耐疲勞 1)1)力學(xué)性能力學(xué)性能3 3 芳綸纖維芳綸纖維3 3 芳綸纖維芳綸纖維圖38 纖維的斷裂行為特征纖維的斷裂行為特征 3 3 芳綸纖維

16、芳綸纖維良好耐溫性能良好耐溫性能（-196+500）；耐火性能好，不燃；耐火性能好，不燃；熱膨脹系數(shù)各向異性，軸向?yàn)樨?fù)，垂直為正熱膨脹系數(shù)各向異性，軸向?yàn)樨?fù)，垂直為正。除強(qiáng)酸、強(qiáng)堿外，除強(qiáng)酸、強(qiáng)堿外，KF耐各種有機(jī)溶劑浸蝕；耐各種有機(jī)溶劑浸蝕；耐紫外光差（苯環(huán)）；耐紫外光差（苯環(huán)）；耐水性差（飽和吸濕率大，使用前應(yīng)干燥，耐水性差（飽和吸濕率大，使用前應(yīng)干燥，80 /24h 80 /24h ）2). 熱性能熱性能3). 化學(xué)性能化學(xué)性能4 4）其他性能）其他性能4.4.其他增強(qiáng)纖維其他增強(qiáng)纖維圖圖4-1 4-1 硼纖維表面形貌圖硼纖維表面形貌圖圖4-2 硼纖維斷面圖4-3 硼纖維工藝流程圖4.4

17、.其他增強(qiáng)纖維其他增強(qiáng)纖維 彈性模量：390GPa 密度：2. 68 g / cm3 狀態(tài)：連續(xù)單絲。 抗氧性和耐高溫性差：400，BF強(qiáng)度保持室溫強(qiáng)度的80%；在500 氧氣氛圍中幾分鐘強(qiáng)度迅速下降；在650 失去所有性能化學(xué)穩(wěn)定性好，表面活性好，其復(fù)合材料有較好的層間剪切強(qiáng)度n 應(yīng)用領(lǐng)域 主要用于金屬基復(fù)合材料，如硼/鋁及硼/鈦復(fù)合材料4.4.其他增強(qiáng)纖維其他增強(qiáng)纖維圖圖41先驅(qū)體熔融紡絲法制備先驅(qū)體熔融紡絲法制備SiC纖維（束絲）工藝流程示意圖纖維（束絲）工藝流程示意圖 4.4.其他增強(qiáng)纖維其他增強(qiáng)纖維烷基硅烷分解烷基硅烷分解W絲/C絲 沉積 SiC纖維化學(xué)反應(yīng)：化學(xué)反應(yīng)：CH3 SiC

18、l3 + H2 SiC + HCl + 水銀電極直流加熱水銀電極直流加熱CVDCVD法制備法制備SiCSiC纖維示意圖纖維示意圖 典型性能典型性能 直徑：100 140 mm 抗張強(qiáng)度：3500MPa 彈性模量：400GPa 密度：3.0 3.4 g / cm3 狀態(tài)：連續(xù)單絲 4.4.其他增強(qiáng)纖維其他增強(qiáng)纖維4.4.其他增強(qiáng)纖維其他增強(qiáng)纖維氧化鋁纖維制備工藝流程示意圖 (杜邦法)AL2O3纖維纖維 多晶纖維，良好的機(jī)械性能，耐熱性，抗氧化性；主要用于金屬多晶纖維，良好的機(jī)械性能，耐熱性，抗氧化性；主要用于金屬基基 復(fù)合材料復(fù)合材料 FP- AL2O3熔點(diǎn)熔點(diǎn)2045,密度密度3.95g/cm

19、3,1380Mpa,E 383Gpa,最高使用最高使用溫度溫度10001100.1 1 玻璃纖維玻璃纖維圖圖3-1玻璃纖維結(jié)構(gòu)示意圖玻璃纖維結(jié)構(gòu)示意圖GF無規(guī)網(wǎng)絡(luò)模型無規(guī)網(wǎng)絡(luò)模型兩種玻璃結(jié)構(gòu)假說:1. .微晶結(jié)構(gòu)假說微晶結(jié)構(gòu)假說:玻璃有SiO2”微晶子”組成,其間有硅酸塊過冷液填充.2. .網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)假說網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)假說,見圖3-1.SiONa ,Ca大量資料表明大量資料表明, ,玻璃結(jié)玻璃結(jié)構(gòu)是近程有序的構(gòu)是近程有序的. .玻璃纖維的分類玻璃纖維的分類 有堿玻璃纖維（堿金屬氧化物MxOy含量大于2%）；中堿玻纖（ MxOy：612% ）；低堿玻纖（ MxOy：26% ）；微堿玻纖（ MxOy：2% ）1 1 玻璃纖維玻璃纖維按化學(xué)組成分：按化學(xué)組成分：按纖維使用特性按纖維使用特性：長(zhǎng)度（定長(zhǎng)玻纖，連續(xù)玻纖）； 直徑（粗纖維d30m，初級(jí)纖維20m d30m ，中級(jí)纖維10m d20m ，高級(jí)纖維3m d9m ）；外觀（連續(xù)纖維，短切纖維，空心玻纖，玻璃粉）普通玻纖；電工玻纖（E玻纖）；高強(qiáng)玻纖（S玻纖或R玻纖）；耐化學(xué)藥品玻纖（C玻纖） ：按產(chǎn)品特點(diǎn)分按產(chǎn)品特點(diǎn)分：1 1 玻璃纖維玻璃纖維1 1 玻璃纖維玻璃纖維工藝中的幾個(gè)名詞的定義：工藝中的幾個(gè)名詞的定義： (1)(1)玻璃纖維浸潤劑玻璃纖維浸潤劑 浸潤劑：在拉制玻璃纖維的過程中，把在單根纖維表面涂覆的一種由浸潤劑：