復(fù)合材料-第二章增強(qiáng)體

1、第二章 復(fù)合材料的增強(qiáng)體重點(diǎn)：增強(qiáng)體定義玻璃纖維結(jié)構(gòu)影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素C纖維的制備方法及結(jié)構(gòu)硼纖維的制備方法（CVD法）有機(jī)纖維的結(jié)構(gòu)及制備方法陶瓷纖維種類及典型的制備技術(shù)幾種纖維性能比較2-1 增強(qiáng)體的概念和分類 定義：增強(qiáng)體是結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中能提高材料力學(xué)性能的組分，在復(fù)合材料中起著增加強(qiáng)度、改善性能的作用。增強(qiáng)體的基本特征：能明顯提高材料的一種或幾種性能.具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性.與基體有良好的潤(rùn)濕性.增強(qiáng)體的分類纖維類增強(qiáng)體顆粒類增強(qiáng)體晶須類增強(qiáng)體金屬絲片狀物增強(qiáng)體按形態(tài)分類2-2 無機(jī)非金屬纖維一、玻璃纖維 （Glass Fibers）一種性能優(yōu)異的無機(jī)非金屬材料;具有不燃、耐高溫(熔

2、點(diǎn)680，沸點(diǎn)1000度）、電絕緣、拉伸強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)良性能;無普通玻璃的脆性，質(zhì)地柔軟而有彈性，可并股、加捻、紡織成各種玻璃布、玻璃帶等織物。密度2.4-2.7g/cm3.（一）玻璃纖維是復(fù)合材料中使用量最大的一種增強(qiáng)材料。玻璃球法直接熔融法(池窯拉絲法)。（1）包括制球和拉絲兩步：制玻璃球鉑金坩堝熔融小漏孔拉絲涂浸潤(rùn)劑并股成紗紡織成布、氈或帶。 （二）玻璃纖維的制造方法玻璃球法(2) 池窯漏板法拉絲工藝 池窯拉絲是連續(xù)玻璃纖維生產(chǎn)的一種新的工藝方法,將玻璃配合料投入熔窯熔化后直接拉制成各種支數(shù)的連續(xù)玻璃纖維。 （三）玻璃纖維分類：以玻璃原料成分分類以單絲直徑分類以纖維外觀分類以纖

3、維特性分類 1）以玻璃原料成分分類 一般以不同的堿金屬氧化物含量來區(qū)分。 可以分為：無堿，中堿，有堿，特種玻璃纖維無堿玻璃纖維（E玻璃纖維） 堿金屬氧化物含量0.5% 化學(xué)穩(wěn)定性、電絕緣性能、強(qiáng)度好 主要用作電絕緣材料、玻璃鋼的增強(qiáng)材料等中堿玻璃纖維（C玻璃纖維） 堿金屬氧化物含量11.5-12.5% 含堿量高，不能用作電絕緣材料，但其化學(xué)穩(wěn)定性和強(qiáng)度尚好。 一般用作乳膠布、方格布基材、酸性過濾布、窗紗基材等，也可作對(duì)電性能和強(qiáng)度要求不很嚴(yán)格的玻璃鋼增強(qiáng)材料。 成本較低，用途較廣。 有堿玻璃纖維（A玻璃纖維） 堿金屬氧化物含量15 如采用碎的平板玻璃、碎瓶子玻璃等作原料拉制而成的玻璃纖維均屬此

4、類。 可用作蓄電瓶的隔離片、管道包扎布和氈片等防水、防潮材料。特種玻璃纖維 由純鎂鋁硅三元組成的高強(qiáng)玻璃纖維； 鎂鋁硅系高強(qiáng)高彈玻璃纖維； 硅鋁鈣鎂系耐化學(xué)腐蝕玻璃纖維； 含鉛纖維； 高硅氧纖維二氧化硅含量高于96%； 石英纖維高純二氧化硅和天然石英晶體制成的纖維。 2）以單絲直徑分類粗 纖 維：?jiǎn)谓z直徑一般為30um初級(jí)纖維：?jiǎn)谓z直徑大于20um；中級(jí)纖維：?jiǎn)谓z直徑10-20um高級(jí)纖維：（紡織纖維）其單絲直徑3-10um。超細(xì)纖維：?jiǎn)谓z直徑小于4um。 一般：5-10um的纖維作為紡織制品用； 10-14um的纖維一般做無捻粗紗、無紡布、短切纖維氈等較為適宜。 3）按纖維外觀分類 連續(xù)纖維

5、； 無捻粗紗及有捻粗紗，短切纖維，空心玻璃纖維、玻璃粉及磨細(xì)纖維等。玻璃纖維紗 玻璃纖維布 玻璃纖維帶 玻璃纖維管 玻璃纖維氈4）按纖維性能分類 這是一類為適應(yīng)特殊使用要求，新發(fā)展起來的，纖維本身具有某些特殊優(yōu)異性能的新型玻璃纖維，大致可分為： 高強(qiáng)玻璃纖維； 高模量玻璃纖維； 耐高溫玻璃纖維； 耐堿玻璃纖維； 耐酸玻璃纖維； 普通玻璃纖維（指無堿及中堿玻璃纖維）； 光學(xué)纖維； 低介電常數(shù)玻璃纖維； 導(dǎo)電纖維等（四）玻璃纖維的結(jié)構(gòu)和組成 玻璃是由硅氧原子為主組成的不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)間存在空穴，空穴中填充著Na，K、Ca2、Mg2等金屬離子。骨架氧化物： 二氧化硅、三氧化二硼改性氧化物： 氧化鈣、

6、三氧化二鋁等； 能在一定條件下構(gòu)成玻璃網(wǎng)絡(luò)的一部分，改善玻璃的某些性質(zhì)和工藝性。助熔氧化物： 氧化鈉，氧化鉀等，降低玻璃的熔化溫度和粘度，使玻璃溶液中的氣泡容易排除，通過破壞玻璃骨架，使結(jié)構(gòu)疏松，從而達(dá)到助溶的目的。 組成： SiO2 + 氧化物 Al2O3、CaO、MgO、Na2O、BeO 、B2O3 等1.分子取向假說： 在玻璃纖維成型過程中，由于拉絲機(jī)的牽引作用，使玻璃纖維分子產(chǎn)生定向排列，從而提高了玻璃纖維強(qiáng)度。為什么玻璃纖維的強(qiáng)度比塊狀玻璃高許多倍？2.微裂紋假說： 玻璃的理論強(qiáng)度取決于分子或原子間的引力，其理論強(qiáng)度很高，可達(dá)2000-12000MPa。但實(shí)測(cè)強(qiáng)度很低，這是因?yàn)樵诓Ａ?/p>

7、或玻璃纖維中存在著數(shù)量不等、尺寸不同的微裂紋，因而大大降低了強(qiáng)度。 微裂紋分布在玻璃或玻璃纖維的整個(gè)體積內(nèi)，但以表面的微裂紋危害最大。由于微裂紋的存在，使玻璃在外力作用下受力不均，在危害最大的微裂紋處產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而使強(qiáng)度下降。微裂紋假說：玻璃纖維比玻璃的強(qiáng)度高得多，這是因?yàn)椴ＡЮw維高溫成型時(shí)減少了玻璃溶液的不均一性，使微裂紋產(chǎn)生的機(jī)會(huì)減少。玻璃纖維的斷面較小，隨著表面積的減小，使微裂紋存在的幾率也減少，從而使纖維強(qiáng)度增高。有人明確地提出，直徑細(xì)的玻璃纖維強(qiáng)度比直徑粗的纖維強(qiáng)度高的原因，是由于表面微裂紋尺寸和數(shù)量較小，從而減少了應(yīng)力集中，使纖維具有較高的強(qiáng)度。 （五)玻璃纖維的物理性能1.外

8、觀和密度 玻璃纖維呈表面光滑的圓柱體，表面光滑，纖維之間的抱合力非常小，不利于和樹脂粘結(jié)。而玻璃纖維彼此相靠近時(shí)，空隙填充得較為密實(shí)，有利于提高玻璃鋼制品的玻璃含量。纖維名稱羊毛蠶絲棉花人造絲尼龍?zhí)祭w維玻璃纖維無堿有堿密度g/cm31.281.331.301.451.501.601.50 1.601.141.42.62.72.4 2.62.表面積大 使得纖維表面處理的效果對(duì)性能的影響很大。3.力學(xué)性能 a.拉伸強(qiáng)度 最大特點(diǎn)是拉伸強(qiáng)度高玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度比同成分的塊狀玻璃高幾十倍例：塊狀有堿玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度： 40MPa100MPa 玻璃纖維強(qiáng)度：1500-4000MPa 纖維直徑和長(zhǎng)度對(duì)拉

9、伸強(qiáng)度的影響直徑越細(xì)，拉伸強(qiáng)度越高 直徑(m)性能457911拉伸強(qiáng)度(MPa)3000 3800 2400 29001750 2150 12501700 10501250玻璃纖維長(zhǎng)度(mm)纖維直徑(m)平均拉伸強(qiáng)度(MPa)51315002012.512109012.7860156013720b.影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素：隨著纖維長(zhǎng)度的增加，拉伸強(qiáng)度顯著下降 化學(xué)組成對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響含堿量越高，強(qiáng)度越低。無堿玻璃纖維比有堿玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度高20%。玻璃纖維纖維直徑(m)拉伸強(qiáng)度(MPa)無堿5.012000有堿4.701600 無堿玻璃纖維成型溫度高、硬化速度快、結(jié)構(gòu)鍵能大； 氧化鈉和氧化

10、鉀的含量越高，玻璃纖維的強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)的降低。 存放時(shí)間對(duì)強(qiáng)度的影響玻璃纖維存放一段時(shí)間后其強(qiáng)度會(huì)降低纖維的老化。原因：空氣中的水分和氧氣對(duì)纖維侵蝕 施加負(fù)荷時(shí)間對(duì)強(qiáng)度的影響玻璃纖維強(qiáng)度隨著施加負(fù)荷時(shí)間的增長(zhǎng)而降低。環(huán)境濕度較高時(shí)，尤其明顯.原因：吸附在微裂紋中的水分，在外力作用下，使微裂紋擴(kuò)展速度加速。玻纖的成型工藝和條件。用漏板拉制的玻璃纖維強(qiáng)度高于用玻璃棒法拉制的纖維。如用漏板法拉制10m玻璃纖維的強(qiáng)度為1700MPa，而用棒法拉制相同直徑的玻璃纖維強(qiáng)度僅為1100MPa。原因:玻璃棒只加熱到軟化，粘度仍然很大，拉絲時(shí)纖維受到很大的應(yīng)力；此外玻璃棒法是在較低溫度下拉絲成型，其冷卻速度要比漏板

11、法為低。c. 玻璃纖維的彈性玻璃纖維的延伸率：纖維在外力作用下直至拉斷時(shí)的伸長(zhǎng)百分率約為3%。是一種彈性材料，沒有塑性變形。4.玻璃纖維的耐磨性和耐折性玻璃纖維的耐磨性和耐折性能很差，尤其在潮濕環(huán)境下玻璃纖維表面吸附水分后能加速微裂紋的擴(kuò)展。5.玻璃纖維的熱性能(1) 玻璃纖維的導(dǎo)熱性玻璃導(dǎo)熱系數(shù)：0.7W/(mK)1.3W/(mK)玻璃纖維導(dǎo)熱系數(shù)：0.034W/(mK)，優(yōu)良的絕熱材料。原因：纖維間的空隙較大，容積密度較小，空氣導(dǎo)熱系數(shù)低，所以玻璃纖維的導(dǎo)熱系數(shù)低。物質(zhì)種類容積密度(kg/m3)導(dǎo)熱系數(shù)W/(mK)物質(zhì)種類容積密度(kg/m3)導(dǎo)熱系數(shù)W/(mK)羊毛800.0340.04

12、6玻璃纖維800.034蠶絲1000.0460.052玻璃0.71.3亞麻1300.0460.053空氣0.0246原棉810.0580.062水0.60（2）玻璃纖維的耐熱性玻璃纖維的耐熱性較高；軟化點(diǎn)為550580；熱膨脹系數(shù)為4.810-6 ；200 250以下，玻璃纖維強(qiáng)度不變；化學(xué)成分決定其耐熱性。6.玻璃纖維的電性能電性能:絕緣性好，主要取決于化學(xué)組成、溫度和濕度。堿金屬離子越多，電絕緣性能越差；溫度升高，電阻率下降；濕度增加，電阻率下降。7.玻璃纖維及其制品的光學(xué)性能玻璃具有優(yōu)良的透光性，但是制成玻璃纖維之后透光性不如玻璃。玻璃布的透光率與布的厚度及密度有關(guān)。8.玻璃纖維的化學(xué)性

13、能化學(xué)成分對(duì)玻璃纖維化學(xué)穩(wěn)定性的影響： 玻璃纖維除氫氟酸(HF)、濃堿(NaOH)、濃磷酸外，對(duì)所有化學(xué)藥品和有機(jī)溶劑有很好的化學(xué)穩(wěn)定性。無堿與中堿玻璃纖維性能對(duì)比種類耐酸性耐水性機(jī)械強(qiáng)度防老化性電絕緣性成本浸潤(rùn)劑適用條件無堿一般好高較好好較高樹脂易滲透強(qiáng)度高的場(chǎng)合中堿好差較低較差低低樹脂滲透性差強(qiáng)度低的場(chǎng)合中堿玻璃纖維耐酸性好酸與玻璃纖維表面的金屬氧化物作用，金屬氧化物(Na2O、K2O)離析、溶解；酸與玻璃纖維中硅酸鹽作用生成硅酸，硅酸迅速聚合并凝成膠體，在玻璃表面形成一層極薄的氧化硅保護(hù)膜，實(shí)踐證明Na2O、K2O有利于這層保護(hù)膜的形成。水與玻璃纖維的化學(xué)反應(yīng)過程：無堿玻璃纖維耐水性好

14、水與玻璃纖維作用，首先是侵蝕玻璃纖維表面的堿金屬氧化物，水呈現(xiàn)堿性，隨著時(shí)間增加，玻璃纖維與堿液繼續(xù)作用，直至使二氧化硅骨架破壞。 玻璃纖維的化學(xué)穩(wěn)定性主要取決于其成分中的二氧化硅及堿金屬氧化物的含量。 二氧化硅含量多能提高玻璃纖維的化學(xué)穩(wěn)定性； 堿金屬氧化物會(huì)使化學(xué)穩(wěn)定性降低。(1)力學(xué)性能：拉伸強(qiáng)度高，模量相對(duì)較低 抗拉強(qiáng)度：比塊玻璃高一個(gè)數(shù)量級(jí)； 直徑d, 強(qiáng)度；長(zhǎng)度，強(qiáng)度。 彈性模量：與鋁相當(dāng)，為鋼的1/3倍。 因密度低，2.5，比模量高。 斷裂延伸率：低， 3%(2)熱學(xué)性能：耐熱性僅比聚合物好、良好的絕熱性、熱膨脹系數(shù)低 導(dǎo)熱系數(shù)：比塊玻璃低12個(gè)數(shù)量級(jí) 耐熱性：普通Na-Ca-S

15、i玻纖 500; 耐熱玻纖(石英，高硅氧) 1200小結(jié)-玻璃纖維特性：(3).電性能:絕緣性好。 堿玻璃電絕緣性差，隨溫度、濕度，絕緣性。 無堿玻璃電絕緣性好。(4). 耐蝕性:水中浸泡后，強(qiáng)度降低； 除HF外，對(duì)酸、堿及有機(jī)溶劑有較好的耐腐蝕能力。 纖維比表面積大，化學(xué)穩(wěn)定性差。 加入網(wǎng)絡(luò)形成體可改善耐蝕性。 無堿玻璃耐水性好。 中堿玻璃耐酸性好。 無堿和中堿玻纖耐堿性相近。影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素直徑：拉伸強(qiáng)度隨直徑降低而增加。長(zhǎng)度：拉伸強(qiáng)度隨長(zhǎng)度降低而增加?；瘜W(xué)組成：含堿量越高，強(qiáng)度越低。存放時(shí)間：纖維的老化，與含堿量有關(guān)。施加負(fù)荷時(shí)間：纖維的疲勞。玻纖的成型工藝和條件。二、碳纖維 Ca

16、rbon Fibers (CF)定義：由有機(jī)纖維如黏膠纖維、瀝青纖維或聚丙烯腈（PAN）纖維在保護(hù)氣氛（N2或Ar）下熱處理碳化成含碳量9099的纖維。（一）概述它是一種強(qiáng)度比鋼大、密度比鋁小、比不銹鋼耐腐蝕、比耐熱鋼耐高溫、又能像銅那樣導(dǎo)電，具有許多寶貴的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能的新型材料。最高強(qiáng)度達(dá)7000MPa，最高彈性模量達(dá)900Gpa。用碳纖維制成的樹脂基復(fù)合材料比模量 比鋼和鋁合金高5倍，比強(qiáng)度高3倍以上，同時(shí)耐腐蝕、耐熱沖擊、耐燒蝕性能均優(yōu)越，因而在航空和航天工業(yè)中得到應(yīng)用并得到迅速發(fā)展。 1950年，美國(guó)制成了具有一定機(jī)械性能的碳纖維;1959年，美國(guó)實(shí)現(xiàn)了碳纖維工業(yè)化生產(chǎn)1961

17、-1964，日本和英國(guó)均以聚丙烯腈為原料制成了碳纖維，1965年日本研制瀝青基碳纖維1980年，國(guó)外已有16家公司生產(chǎn)碳纖維。歷史：美國(guó)氰特美國(guó)赫氏 理想的石墨點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)屬六方晶系，真實(shí)的碳纖維結(jié)構(gòu)屬于亂層石墨結(jié)構(gòu)。石墨的六方晶體結(jié)構(gòu)石墨：六方晶系（二）碳纖維的結(jié)構(gòu)碳：原子序數(shù)6，相對(duì)原子量12，密度為2.268 g/cm3。石墨結(jié)構(gòu)是在層面內(nèi)為六方晶格結(jié)構(gòu)，以牢固的共價(jià)鍵結(jié)合，原子間距0.142納米，鍵強(qiáng)度為627 kJ/mol；層與層之間由范德華力連接，層間距為0.34納米，層間結(jié)合能為5.4 kJ/mol。石墨的這種結(jié)構(gòu)具有性能的各向異性：楊氏模量在層面內(nèi)為1000GPa，而垂直于層面方向

18、則僅為35GPa。碳纖維：亂層石墨結(jié)構(gòu)最基本的結(jié)構(gòu)單元：石墨片層二級(jí)結(jié)構(gòu)單元：石墨微晶(由數(shù)張或數(shù)十張石墨片層組成)三級(jí)結(jié)構(gòu)單元：石墨微晶組成的原纖維。直徑在50nm左右，彎曲，彼此交叉的許多條帶狀組成的結(jié)構(gòu)。 石墨層片石墨微晶最基本的結(jié)構(gòu)單元碳纖維的二級(jí)結(jié)構(gòu)單元碳纖維的三級(jí)結(jié)構(gòu)單元： 石墨微晶組成原纖維，直徑50nm左右，長(zhǎng)度數(shù)百納米。原纖維呈現(xiàn)彎曲、彼此交叉的許多條帶狀結(jié)構(gòu)組成，條帶狀的結(jié)構(gòu)之間存在針形空隙，大體沿纖維軸平行排列。最后由原纖維組成碳纖維的單絲碳纖維的皮芯結(jié)構(gòu)： 碳纖維由表皮層和芯子兩部分組成，中間是連續(xù)的過渡區(qū)。皮層的微晶較大，排列較整齊有序，占直徑的14，芯子占39，由皮

19、層到芯子，微晶減小，排列逐漸紊亂，結(jié)構(gòu)不均勻性愈來愈顯著。皮層：微晶較大，排列有序。芯層：微晶減小，排列紊亂，結(jié)構(gòu)不均勻。聚丙烯腈基碳纖維粘膠基碳纖維瀝青基碳纖維木質(zhì)素纖維基碳纖維其它有機(jī)纖維類（各種天然纖維，再生纖維縮合多環(huán)芳香族等）（三）碳纖維的分類：按先驅(qū)體原料可按先驅(qū)體原料、碳纖維的性能和用途進(jìn)行分類高性能碳纖維（HP）中強(qiáng)型（MT）高強(qiáng)型（HT）超高強(qiáng)型（UHT）中模型（IM）高模型（HM）超高模型（UHM）通用級(jí)碳纖維（GP）UHM HM IM UHT HT 拉伸模量/Gpa拉伸強(qiáng)度/Gpa含碳量/%400 300400 180200 200350 2002501.7 1.7 2.

20、73.0 2.76 2.02.7599.8 99.0 96.5 94.5 99.0按力學(xué)性能：碳纖維用途受力結(jié)構(gòu)用碳纖維耐焰碳纖維活性碳纖維（吸附活性）導(dǎo)電用碳纖維潤(rùn)滑用碳纖維耐磨用碳纖維纖維外觀短纖維 短切碳纖維和碳?xì)珠L(zhǎng)纖維 碳纖維長(zhǎng)度可達(dá)幾千米二（雙）向織物布的疊層結(jié)構(gòu) 將碳布折疊成一定的長(zhǎng)、寬、高的形狀扭繩或編織繩 將數(shù)束單絲纖維合并成小股，以數(shù)股或數(shù)十股進(jìn)行扭編或編織，可制成粗細(xì)不等的圓形或方形繩。三向織物和多向織物短纖維長(zhǎng)纖維碳纖維的三種編織結(jié)構(gòu)(a)穿心編織； (b)八錠編織；(c)套層編織碳纖維：以碳為主要成分的纖維狀材料。 不同于有機(jī)纖維或無機(jī)纖維，不能用熔融法或溶液法直接紡絲

21、，只能以有機(jī)物為原料，采用間接方法來制造。制造的方法：氣相法有機(jī)纖維碳化法（四）碳纖維的制造將有機(jī)纖維經(jīng)過穩(wěn)定化處理變成耐焰纖維，然后再在惰性氣氛中于高溫下進(jìn)行焙燒碳化，使有機(jī)纖維失去部分碳和其他非碳原子，形成以碳為主要成分的纖維狀物。此法用于制造連續(xù)長(zhǎng)纖維。氣相法在惰性氣氛中將小分子有機(jī)物(如烴或芳烴等）在高溫下還原出碳并沉積到基板上成纖維。此法用于制造晶須或短纖維，不能用于制造長(zhǎng)纖維。有機(jī)纖維碳化法原絲類型聚丙烯腈基碳纖維粘膠基碳纖維瀝青基碳纖維木質(zhì)素纖維基碳纖維其它有機(jī)纖維類（各種天然纖維，再生纖維縮合多環(huán)芳香族等）制造高強(qiáng)度、高模量碳纖維多選用聚丙烯腈為原料 碳化法 生產(chǎn)長(zhǎng)纖維拉絲：

22、制有機(jī)長(zhǎng)纖維牽伸： 規(guī)整環(huán)狀結(jié)構(gòu)，使其平行于軸向，提高結(jié)晶度。 氧化穩(wěn)定：低溫，200300 ，防止熱塑化。碳化： 10001500，保護(hù)性氣氛下，脫氫、交聯(lián)、環(huán)化， 得亂層環(huán)狀石墨。石墨化： 20002500，亂層環(huán)結(jié)構(gòu)向三維石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化， 形成 聚合碳結(jié)晶，并平行于軸向。碳纖維的制備一般都包括5個(gè)階段。1.聚丙烯腈（PAN）為原料制造的碳纖維聚丙烯腈的結(jié)構(gòu)：a.預(yù)氧化或不溶化處理：200300的氧化氣氛中，原絲受張力情況下進(jìn)行。目的是使原絲變成不溶不熔的，使鏈狀聚丙烯腈分子發(fā)生交聯(lián)、環(huán)化、氧化、脫氫等反應(yīng)，以防止在后來的高溫處理中熔融或者粘連。PAN原絲制備碳纖維的過程分為三個(gè)階段： 在4

23、001900的高純氮?dú)庵新偌訙兀猿ゴ罅康牡?、氫、氧等非碳原子，是碳纖維生成的主要階段。改變了原PAN纖維的結(jié)構(gòu)，形成了碳纖維。碳化收率4045，含碳量95%（質(zhì)量分?jǐn)?shù) ）左右。b.碳化： 在20003000的溫度下，密封裝置，施加壓力，保護(hù)氣體高純Ar中進(jìn)行。 目的是使纖維中的結(jié)晶碳向石墨晶體取向，使之與纖維軸方向的夾角進(jìn)一步減小以提高碳纖維的彈性模量。c.石墨化碳纖維與石墨纖維的區(qū)別：碳纖維主要含無定形碳，碳含量約為95， 熱處理溫度12001500；石墨纖維含較多的結(jié)晶碳，碳含量99以上，熱處理溫度2000以上。制造纖維時(shí)的溫度不同造成以上差別PAN纖維熱處理溫度與強(qiáng)度 和彈性模量的

24、關(guān)系（五）碳纖維的性能1. 碳纖維的力學(xué)性能 研究表明，影響碳纖維彈性模量的直接因素是晶粒的取向度，而熱處理?xiàng)l件的張力是影響這種取向的主要因素。 碳纖維的強(qiáng)度()、彈性模量(E)與材料的固有彈性模量(E0)、纖維的軸向取向度()、結(jié)晶厚度(d)、碳化處理的反應(yīng)速度常數(shù)(K)之間的關(guān)系： 取向度越高，纖維的彈性模量越大 反應(yīng)速率常數(shù)K主要取決于反應(yīng)溫度，提高溫度可以提高反應(yīng)速率。在提高溫度的同時(shí)提高牽伸率，同時(shí)兼顧結(jié)晶厚度，則可提高纖維的強(qiáng)度。2. 碳纖維的化學(xué)性能 與碳相似，除能被強(qiáng)氧化劑氧化外，對(duì)一般的酸堿是惰性的?？諝庵袦囟雀哂?00時(shí)，出現(xiàn)明顯的氧化。不接觸空氣或氧化氣氛時(shí)，碳纖維具有突

25、出的耐熱性。 碳纖維還有良好的耐低溫性能，如在液氮溫度下也不脆化。還有耐油、抗放射、抗輻射、吸收有毒氣體和減速中子等特性。一些纖維或晶須、合金的溫度與強(qiáng)度的關(guān)系3.影響碳纖維性能的因素：聚丙烯腈纖維內(nèi)部缺陷的種類微晶大小、取向及孔洞缺陷。微晶尺寸大，取向度高、缺陷少，則碳纖維的模量、拉伸強(qiáng)度及導(dǎo)電導(dǎo)熱性好。碳纖維的性能總結(jié)最突出的特點(diǎn)是強(qiáng)度和模量高、密度?。?.52.0g/cm3), 因而比強(qiáng)度、比模量高。耐高低溫性能好，在惰性氣體保護(hù)下，2000仍保持良好的力學(xué)性能。液氮下不脆斷。良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，且有方向性。耐腐蝕性，除了強(qiáng)氧化劑如濃硝酸、次氯酸外，一般的酸堿對(duì)它的作用小，較GF具有更好

26、的耐腐蝕性。熱膨脹系數(shù)小，甚至為負(fù)值；摩擦系數(shù)小，耐水性比GF好；斷裂伸長(zhǎng)率低。碳纖維的不足之處是價(jià)格昂貴，比玻璃纖維貴25倍以上，因此大大限制了它的推廣應(yīng)用。此外碳纖維的抗氧化能力較差，在高溫下有氧存在時(shí)會(huì)生成二氧化碳。（六）碳纖維的應(yīng)用 碳纖維在航空航天、人造衛(wèi)星、導(dǎo)彈、原子能、工業(yè)、體育器材許多方面有著廣泛的應(yīng)用。碳纖維的應(yīng)用1.在體育休閑用品領(lǐng)域的應(yīng)用2.在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用 用于生產(chǎn)手機(jī)、計(jì)算機(jī)、辦公設(shè)施等，在電磁屏蔽和靜電消散方面的應(yīng)用也在不斷增長(zhǎng)。3.在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用 目前碳纖維復(fù)合材料已獲得應(yīng)用或正在研究開發(fā)應(yīng)用的領(lǐng)域主要包括：飛輪、壓縮天然氣貯罐、剎車裝置，其它部件如蓄電池、

27、活塞、傳動(dòng)軸、彈翼、大梁、汽車骨架、螺旋槳芯軸、輪轂、緩沖器、彈簧片、引擎零件、船舶的增強(qiáng)材料等。4.在土木建筑領(lǐng)域的應(yīng)用 利用碳纖維復(fù)合材料棒材替代圓鋼，利用碳纖維片材加固或修復(fù)橋梁及建筑物，及利用碳纖維增強(qiáng)混凝土等將會(huì)有很大的發(fā)展。目前在土木建筑領(lǐng)域的應(yīng)用主要是：復(fù)合材料棒材、纖維增強(qiáng)膠接層板、碳纖維增強(qiáng)混凝土、碳纖維復(fù)合材料板等。5.在軍事航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用 新武器裝備研制過程中的小型化、輕質(zhì)化、高強(qiáng)度、長(zhǎng)壽命、機(jī)動(dòng)性、穩(wěn)定性等都離不開碳纖維的應(yīng)用, 可以說碳纖維在國(guó)防軍工中有舉足輕重的影響。6.在能源領(lǐng)域的應(yīng)用 能源方面和貯能方面，像液化天然氣罐、風(fēng)力發(fā)電用葉片、飛輪、電池等應(yīng)用也不斷

28、擴(kuò)大。7. 在電子工業(yè)的應(yīng)用 碳纖維除因其優(yōu)良的力學(xué)性能而用于結(jié)構(gòu)材料的增強(qiáng)外，還因其導(dǎo)電性極好且呈非磁性而用作功能材料。在電子工業(yè)中也有重要的應(yīng)用。 用碳纖維制作的電子屏蔽裝置具有很好的電磁波吸收能力，碳纖維與聚合物復(fù)合成為填充型復(fù)合材料，不僅具有良好的屏蔽作用，同時(shí)使殼體材料的力學(xué)性能大大提高。硼纖維是將硼通過高溫化學(xué)氣相沉積在鎢絲或碳芯表面沉積制成高性能增強(qiáng)纖維。三、硼纖維（Boron Fibre，BF或Bf）化學(xué)氣相沉積：將金屬或非金屬的化合物鹽（主要為揮發(fā)性鹵化物）氣化，與H2等氣體一起加熱，并使其與基體接觸。由于熱分解或還原反應(yīng)，可以使金屬或化合物在基體上析出。（1）硼纖維的制造C

29、VD法制備硼纖維，是以氫氣為還原劑，從三鹵化硼中還原出硼并沉積在炙熱的芯材上。 2BX3 + 3H2 2B + 6HX 上式中，X為鹵素原子（Cl、Br、I）。硼纖維的直徑有100m、140m、200m幾種。實(shí)驗(yàn)用CVD（2)硼纖維的形貌：硼纖維是由一些邊界分開的、不規(guī)則的 小結(jié)節(jié) 構(gòu)成“玉米棒”結(jié)構(gòu)，因此表面粗燥。小結(jié)節(jié)是硼在沉積過程中成核并逐漸長(zhǎng)大的，直徑為37微米，高13微米，節(jié)間溝深0.250.75微米。硼纖維的表面形貌和斷口形貌（3）硼纖維的結(jié)構(gòu)缺陷：包括表面缺陷和芯材與覆蓋層之間的界面缺陷。對(duì)硼纖維表面進(jìn)行化學(xué)處理，表面缺陷被腐蝕掉，硼纖維的性能將有所提高。（4）硼纖維的表面涂層：

30、由于硼的表面能高，所以在制備復(fù)合材料時(shí)硼纖維容易被基體材料所浸潤(rùn)，但同時(shí)也容易與多數(shù)金屬（如鋁、鎂、鈦等）強(qiáng)烈反應(yīng)。因此硼纖維表面必須進(jìn)行涂層制備，包括：BN、SiC、B4C等。硼纖維具有很高的彈性模量和強(qiáng)度，但其性能受沉積條件和纖維直徑的影響，硼纖維的密度為2.42.65g/cm3，拉伸強(qiáng)度為3.25.2GPa，彈性模量為350400GPa，空氣中耐熱500度。主要用于金屬基復(fù)合材料?？v向壓縮強(qiáng)度高于任何纖維復(fù)合材料硼纖維具有耐高溫和耐中子輻射性能。(5)硼纖維性能：工藝復(fù)雜，不易大量生產(chǎn)，其價(jià)格昂貴。由于鎢絲的密度大，硼纖維的密度也大。直徑大、質(zhì)硬、不能編織，導(dǎo)致成型性差。目前已研究用碳纖

31、維代替鎢絲，以降低成本和密度，結(jié)果表明，碳芯硼纖維比鎢絲硼纖維強(qiáng)度下降5%，但成本降低25%。硼纖維在常溫為較惰性物質(zhì)，但在高溫下易與金屬反應(yīng)，因此需在表面沉積SiC層，稱之為Bosic纖維。(6) 硼纖維的缺點(diǎn)：(7)硼纖維的應(yīng)用硼纖維主要用于聚合物基和鋁基復(fù)合材料。由于 卓越的性能 和 昂貴的價(jià)格，硼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料主要用于航空航天、軍事領(lǐng)域。應(yīng)用實(shí)例：轟炸機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)的水平尾翼。硼纖維增強(qiáng)鋁基時(shí)一般帶有SiC涂層，以避免硼纖維與鋁、鎂等基體之間產(chǎn)生有害的界面反應(yīng)；硼纖維增強(qiáng)鈦合金時(shí)一般帶有B4C涂層。SiC纖維是高強(qiáng)度高模量的陶瓷纖維，有良好的耐化學(xué)腐蝕性、耐高溫和耐輻射性能。密度，2.6

32、-3.4g/cm3，最高使用溫度為1250，在1200其拉伸強(qiáng)度和彈性模量均無明顯下降，因此比碳纖維和硼纖維具有更好的高溫穩(wěn)定性。此外SiC纖維還具有半導(dǎo)體性能。與金屬相容性好，常用于金屬基和陶瓷基復(fù)合材料。目前SiC纖維的生產(chǎn)有CVD法和先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法兩種。四、碳化硅纖維（Silicon Carbide Fibre，SF或SiCf）（1）CVD法：將芯材連續(xù)通過玻璃管狀反應(yīng)器，并在加熱到1200 1300C的同時(shí)通入適量的氯硅烷與氫氣的混合反應(yīng)氣體，反應(yīng)氣體在熱絲上發(fā)生熱解反應(yīng)生成SiC并沉積在熱絲上形成帶有芯（絲）材的連續(xù)SiC纖維，直徑在95-140 m 。CH3 SiCl3 + H2 S

33、iC + HCl（2）先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法：1975年由日本的關(guān)島教授首先研制成功。纖維呈束狀，每束500根左右，每根纖維 10 m 左右。先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備碳化硅纖維工藝流程：聚碳硅烷合成、聚碳硅烷紡絲、不熔化處理、燒結(jié)等階段。(3) 碳化硅纖維的性能力學(xué)性能：優(yōu)異力學(xué)性能，高強(qiáng)度，高模量（均勻分散的微晶凝聚力大）。耐氧化性：優(yōu)異的耐高溫性能，在1000度以下力學(xué)性能基本沒有變化，1300度以上由于微晶長(zhǎng)大而力學(xué)性能下降。耐腐蝕性：具有良好的耐化學(xué)腐蝕性。與金屬相容性好：1000度以下與金屬幾乎不反應(yīng)，但有良好的浸潤(rùn)性，有益于與金屬?gòu)?fù)合。碳化硅纖維的應(yīng)用，常用于金屬基和陶瓷基復(fù)合材料。主要應(yīng)用于航空航

34、天領(lǐng)域。碳化硅纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料，可以吸收或透過部分雷達(dá)波；作為雷達(dá)天線罩、火箭、導(dǎo)彈、汽車工業(yè)的結(jié)構(gòu)材料和耐熱材料。氧化鋁纖維是多晶連續(xù)陶瓷纖維，除Al2O3外常含有約15%的SiO2。具有優(yōu)良的耐熱性和抗氧化性，直到1370強(qiáng)度仍下降不大。缺點(diǎn)是在所有纖維中密度最大, 3-4g/cm3 。主要用于金屬基復(fù)合材料。五、 氧化鋁纖維（Aluminia Fibre，AF或（Al2O3）f）制備方法短纖維：熔噴法和離心甩絲法；長(zhǎng)纖維：燒結(jié)法、先驅(qū)體法和熔融法。熔噴法:主要用于生產(chǎn)硅酸鋁纖維。步驟：氧化鋁和氧化硅（熔融）、噴吹細(xì)纖維、冷卻凝固成短纖維。離心甩絲法：將熔融的氧化鋁陶瓷熔體流落到高

35、速旋轉(zhuǎn)的離心輥上，甩成細(xì)纖維。短纖維：燒結(jié)法：以Al2O3與Al(OH)3及少量Mg(OH)2混合成一定粘度的紡絲料進(jìn)行干法紡絲，紡成的絲在1000度以上高溫?zé)Y(jié)。先驅(qū)體法：將烷基鋁或烷氧基鋁等、與水水解縮合成聚鋁硅烷、再與有機(jī)聚合物混合制成漿液、干法紡絲、空氣中加熱、得到a- Al2O3纖維。熔融法：將Al2O3加熱到2400度熔融、通過噴絲板、拉出、冷凝成連續(xù)纖維。生產(chǎn)長(zhǎng)纖維： 纖 維比 重(g/cm3)直 徑(m)拉伸強(qiáng)度(MPa)拉伸模量(GPa)最高使用溫度（C）Du Pont法3.92014003001100Tyco法3. 9925024004602000住友法3.29260025

36、01300三M法2.51117501501300ICI法3.4310001001600各種氧化鋁纖維的性能 氧化鋁纖維的缺點(diǎn)是 密度大、脆性大，主要用于增強(qiáng)聚合物及金屬基體復(fù)合材料，增強(qiáng)陶瓷基體復(fù)合材料尚需進(jìn)一步開發(fā)。氧化鋁纖維的性能及應(yīng)用： 具有很好的 機(jī)械性能 ； 出類拔萃的耐熱性和抗氧化性 ； 以及 優(yōu)異的電絕緣性。多用于高溫結(jié)構(gòu)材料，特別是在航空、宇航空間技術(shù)方面有廣泛應(yīng)用前景。制備方法：先獲得具有紡絲功能的聚氮硅烷，再經(jīng)過不熔化處理、1200度左右的高溫?zé)崽幚?，從而獲得直徑為1015微米、性能優(yōu)異的氮化硅纖維。性能特點(diǎn)：力學(xué)性能類似于碳化硅，拉伸強(qiáng)度約為1.53.0GPa，彈性模量約

37、為120260GPa，耐化學(xué)腐蝕，電絕緣性能優(yōu)異。應(yīng)用領(lǐng)域：航空航天領(lǐng)域制造高溫部件最好的侯選材料。六、氮化硅纖維 用作復(fù)合材料增強(qiáng)體的金屬絲有高強(qiáng)鋼絲、不銹鋼絲 和難熔金屬絲（如鎢、鉬等）。 主要用來增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，也可用來增強(qiáng)水泥基復(fù)合材。 鎢絲增強(qiáng)鎳基耐熱合金是比較成功的金屬基復(fù)合材料。 用鎢絲增強(qiáng)鎳基合金可以使高溫持久強(qiáng)度提高一倍以上，高溫蠕變性能也明顯提高。2-3金屬絲（纖維）金屬絲直徑，微米密度，g/cm3彈性模量，GPa拉伸強(qiáng)度，MPa熔點(diǎn)，KW1319.440740203673Mo2510.232921602895鋼絲137.7419641201673不銹鋼絲807.8196

38、34301673各種金屬絲的性能2-4 有機(jī)纖維：Kevlar纖維、聚乙烯纖維 芳香族酰胺纖維（Aromatic Polymide Fibre, Kevlar （Dupont）, KF）Kevlar化學(xué)結(jié)構(gòu)：長(zhǎng)鏈狀聚酰胺，其中至少85%的酰胺直接鍵合在芳香環(huán)上。剛硬的直線狀分子鏈在纖維軸向上高度定向，由氫鍵作橫向連接，使它具有軸向強(qiáng)度及剛度高而橫向強(qiáng)度低的特點(diǎn)。化學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：含有大量苯環(huán)，內(nèi)旋轉(zhuǎn)困難，為處于拉伸狀態(tài)的剛性伸直鏈晶體；苯環(huán)與酰胺鍵交替排列對(duì)稱性好，結(jié)晶性好；分子間有氫鍵在沿纖維方向的強(qiáng)共價(jià)鍵 和橫向弱的氫鍵（是纖維性能各向異性的原因）。Kevlar纖維的“皮-芯”結(jié)構(gòu)模型圖性能缺

39、點(diǎn)：橫向強(qiáng)度低，壓縮強(qiáng)度和剪切性能低、 易劈裂。Kevlar纖維的制造過程（干噴濕紡法）：將原料溶于濃硫酸中、制成各向異性的液晶紡絲液、擠壓噴絲、干濕紡、溶劑萃取與洗滌、干燥、氮?dú)獗Ｗo(hù)下熱處理。Kevlar 纖維-49的性能力學(xué)性能彈性模量高，CFEf125 Gpa 2GF拉伸強(qiáng)度高，3620 Mpa，與S-GF相當(dāng)密度小，1.45g/3,低于GF、CF良好的韌性各向異性抗蠕變、疲勞性能好抗壓性能、抗扭性能較低芳綸的致命弱點(diǎn)。2） 熱性能良好的熱穩(wěn)定性和耐低溫性。直至分解不變形, -196 不變脆，能保持其性能。3） 化學(xué)性能除強(qiáng)酸強(qiáng)堿以外，不受任何有機(jī)溶劑、油類的影響。因大量苯環(huán)存在，耐紫外

40、光差，吸收水分后，破壞氫鍵，纖維強(qiáng)度降低。應(yīng)用芳綸編織布芳綸復(fù)合防彈衣芳綸纖維防彈頭盔自行車鏈輪航空、航天器聚乙烯纖維是目前國(guó)際上最新的超輕、高比強(qiáng)度、高比模量纖維，成本也比較低。通常聚乙烯纖維的分子量大于106，纖維的拉伸強(qiáng)度為3.5GPa，彈性模量為100GPa，延伸率為3.4%，密度為0.97g/cm3。在纖維材料中，聚乙烯纖維具有高比強(qiáng)度、高比模量以及耐沖擊、耐磨、自潤(rùn)滑、耐腐蝕、耐紫外線、耐低溫、電絕緣等多種優(yōu)異性能。其不足之處是熔點(diǎn)較低（約135）和高溫容易蠕變。因此僅能在100以下使用。 超高相對(duì)分子量聚乙烯纖維（Polyethylene, UHMWPE）UHMWPE相對(duì)分子質(zhì)量：（15）106高度結(jié)晶、高度取向各種纖維性能比較各種纖維的柔韌性及斷裂纖維的應(yīng)力應(yīng)變曲線表明，各種纖維在拉伸斷裂前不發(fā)生任何屈服。僅Kevlar49纖維呈韌性斷裂。而碳纖維和玻璃纖維幾乎就是理想的脆性斷裂，斷裂時(shí)不發(fā)生截面積的縮小。由圖還可