輕型結(jié)構(gòu)材料課上使用

輕型結(jié)構(gòu)材料課上使用第一頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五分類(lèi)鋁鋰合金纖維材料第二頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五一、鋁鋰合金鋁鋰合金發(fā)展史：1.1825年丹麥的奧斯特以無(wú)水三氯化鋁與鉀汞齊作用，在蒸發(fā)去汞后得到金屬鋁。2.1854年德維爾用金屬鈉還原氯化鈉和氧化鋁的熔鹽，也能制得金屬鋁。3.1886年美國(guó)霍爾和法國(guó)埃魯分別發(fā)明的電解氧化鋁和冰晶石熔鹽的制鋁法。4.1983年在巴黎國(guó)際航空博覽會(huì)上，世界上兩家最大的鋁合金生產(chǎn)企業(yè)——英國(guó)阿爾康鋁業(yè)公司和美國(guó)阿爾考鋁業(yè)公司，同時(shí)宣布研制成功新的革命性材料——鋁鋰合金。專(zhuān)家們認(rèn)為，鋁鋰合金是從1943年發(fā)明鋁鋅系高強(qiáng)合金以來(lái)，鋁合金研究和開(kāi)發(fā)的又一個(gè)里程碑。第三頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五鋁鋰合金的特點(diǎn)密度低比強(qiáng)度比剛度高耐熱性和抗應(yīng)力低溫性能好具有良好的耐腐蝕性能具有非常好的超塑性第四頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五新材料是航空航天技術(shù)的重要基礎(chǔ)，航空航天技術(shù)的發(fā)展又不斷對(duì)材料科學(xué)提出新的問(wèn)題和要求。鋁鋰合金是近十幾年來(lái)航空金屬材料中發(fā)展最為迅速的一個(gè)領(lǐng)域。鋁鋰合金是航空技術(shù)一種新材料

第五頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五鋁鋰合金的航空應(yīng)用Al-Li合金已經(jīng)在軍用飛機(jī)、民用客機(jī)和直升飛機(jī)上使用或試用，主要用于機(jī)身框架、襟翼翼肋，垂直安定面、整流罩、進(jìn)氣道唇口、艙門(mén)、燃油箱等等。第六頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五二、纖維材料玻璃纖維碳纖維碳化硅纖維等其他無(wú)機(jī)纖維芳酰胺纖維金屬纖維晶須第七頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五1、玻璃纖維玻璃纖維是一種性能優(yōu)異的無(wú)機(jī)非金屬材料。優(yōu)點(diǎn)：是絕緣性好耐熱性強(qiáng)抗腐蝕性好機(jī)械強(qiáng)度高缺點(diǎn)：性脆，耐磨性較差第八頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五現(xiàn)狀前景玻璃纖維是非常好的金屬材料替代材料，隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，玻璃纖維成為建筑、交通、電子、電氣、化工、冶金、環(huán)境保護(hù)、國(guó)防等行業(yè)必不可少的原材料。由于在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，因此，玻璃纖維日益受到人們的重視。全球玻纖生產(chǎn)消費(fèi)大國(guó)主要是美國(guó)、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，其人均玻纖消費(fèi)量較高。歐洲仍然是玻璃纖維消費(fèi)的最大地區(qū)，用量占全球總用量的35%。第九頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五2、碳纖維碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。材料的比強(qiáng)度高，構(gòu)件自重愈小材料的比模量高，構(gòu)件的剛度大第十頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五應(yīng)用領(lǐng)域碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料可用作飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用于制造火箭外殼、機(jī)動(dòng)船、工業(yè)機(jī)器人、汽車(chē)板簧和驅(qū)動(dòng)軸等。碳纖維廣泛用于民用，軍用，建筑，化工，工業(yè)，航天以及超級(jí)跑車(chē)領(lǐng)域。第十一頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五碳纖維中碳原子呈層狀結(jié)構(gòu)，它的制造過(guò)程就是從有機(jī)聚合物制成層狀結(jié)構(gòu)聚合物的過(guò)程。

第十二頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五碳纖維的特性圖表第十三頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五3、碳化硅纖維等其他無(wú)機(jī)纖維

碳化硅纖維等其他無(wú)機(jī)纖維是以有機(jī)硅化合物為原料經(jīng)紡絲、碳化或氣相沉積而制得具有β-碳化硅結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)纖維,屬陶瓷纖維類(lèi)。性能及應(yīng)用

耐熱性和耐氧化性均優(yōu)于碳纖維，強(qiáng)度達(dá)1960～4410MPa，在最高使用溫度下強(qiáng)度保持率在80％以上，模量為176.4～294GPa，化學(xué)穩(wěn)定性也好。

碳化硅纖維主要用作耐高溫材料和增強(qiáng)材料，還可用做體育用品，其短切纖維則可用做高溫爐材等。第十四頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五

由于碳化硅纖維是由均勻分散的微晶組成，內(nèi)聚力極大，應(yīng)力能沿著致密的粒子界面消散，因此纖維的抗拉強(qiáng)度和拉伸模量大，用先驅(qū)體法制得的纖維抗張強(qiáng)度2.5GPa，模量200GPa，而用CVD法纖維的，抗張強(qiáng)度3.4GPa，模量400GPa。

碳化硅纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料可作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料使用，代替鈦合金，制作發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)翼、起落架及滑雪板、高爾夫球桿等體育用品。優(yōu)異的力學(xué)性能

第十五頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五SiC纖維的力學(xué)性能

纖維密度/g/cm3拉伸模量/Gpa拉伸強(qiáng)度/MPa比模量GPa/（g/cm3）

比強(qiáng)度MPa／(g/cm3)Nicalon2.55250280098.01098CVD—鎢芯3.464062760～4460122～129798～1289CVD—碳芯3.004002410～3400117～133803～1133Ｔyranno2.402802000116.7833β－晶須3.15700～10002000~35000220~3301000~3320第十六頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五氮化硼纖維是60年代由美國(guó)研制成功的。氮化硼纖維制造方法主要有B2O3先驅(qū)體纖維在800℃高溫氨蒸汽中處理，然后在2000℃下熱牽伸燒結(jié)而成的無(wú)機(jī)先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法。（1）.氮化硼纖維第十七頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五氮化硼的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于石墨，又稱(chēng)為“白色石墨”，而耐氧化性能優(yōu)越于石墨，石墨(碳)纖維在空氣中400℃時(shí)開(kāi)始氧化性能降低，而氮化硼纖維在850～900℃的空氣中開(kāi)始氧化。石墨(碳)纖維被氧化時(shí)不形成表面的保護(hù)層，而氮化硼纖維在氧化過(guò)程中會(huì)形成氧化硼保護(hù)層，防止進(jìn)一步被氧化。在惰性或還原氣氛中，纖維性能直到2500℃仍是穩(wěn)定的。氮化硼纖維的強(qiáng)度和模量近于玻璃纖維，但是它的多晶性質(zhì)使它具有較好的抗腐蝕能力，它的密度只有1.4～2.0g／cm3，是用它制造輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的最大優(yōu)點(diǎn)。第十八頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五氮化硼纖維作為復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維，增強(qiáng)纖維，在很大程度上取決于纖維的表面特征，由于纖維表面上孔隙率很低且呈封閉狀態(tài)，纖維很難為樹(shù)脂潤(rùn)濕。氮化硼纖維與有機(jī)基體制備復(fù)合材料的界面結(jié)合主要是靠摩擦力的作用。所以在以氮化硼纖維或其編織物制備復(fù)合材料的過(guò)程中，重點(diǎn)要解決纖維與基體浸潤(rùn)性問(wèn)題。第十九頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五（2）氧化鋁纖維

氧化鋁纖維是Al2O3多晶連續(xù)纖維。Al2O3纖維的種類(lèi)有α-Al2O3、γ-Al2O3和δ-Al2O3連續(xù)纖維以及

短纖維。除優(yōu)異的力學(xué)性能，穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)外，還有優(yōu)越的熱性能。多用于高溫結(jié)構(gòu)材料和高溫絕緣濾波器材料。其應(yīng)用前景廣闊，尤其在航天航空領(lǐng)域，作為增強(qiáng)金屬、陶瓷是最有希望的纖維品種之一。第二十頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五（3）硼纖維硼的原子序數(shù)為5，熔點(diǎn)在2000°C以上，為高熔點(diǎn)半導(dǎo)體元素，硬度僅次于金剛石。1958年C.P.Talley首先用化學(xué)氣相沉積法(CVD)將無(wú)定形硼沉積在鎢絲上或碳纖維上制成硼纖維。60年代后期，在美國(guó)僅有AVCO公司和Hamiltion－Standard公司進(jìn)行硼纖維的生產(chǎn)及其復(fù)合材料的研究，用CVD法在芯絲上制得硼纖維的方法主要有硼的氫化物熱分解法和硼鹵化物的還原法。

第二十一頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五4、芳酰胺纖維定義：泛指由酰胺基團(tuán)直接與兩個(gè)苯環(huán)基團(tuán)連接而成的線(xiàn)形高分子制造的纖維，稱(chēng)作芳香族聚酰胺纖維（Aramid纖維）。在我國(guó)，芳香族聚酰胺纖維稱(chēng)作芳綸，間位Aramid纖維稱(chēng)做芳綸1313，對(duì)位Aramid纖維稱(chēng)做芳綸1414。第二十二頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五芳酰胺纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)

第二十三頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五性能特點(diǎn)

①機(jī)械性質(zhì)：芳綸1414是目前使用的有機(jī)纖維中強(qiáng)度最高的，其強(qiáng)度可達(dá)193.6cN/tex，斷裂伸長(zhǎng)率為4%。②纖維密度：為1.43~1.44g/cm3。③熱學(xué)性質(zhì)：纖維的熱穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于其它纖維，在150℃下纖維的收縮率為0，在較高的溫度下仍能保持很高的強(qiáng)度。熔點(diǎn)為600℃，最高使用溫度為232℃。第二十四頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五④化學(xué)性能：具有良好的耐堿性，耐酸性好于錦綸，具有良好的耐有機(jī)溶劑、漂白劑以及抗蟲(chóng)蛀和霉變。對(duì)橡膠具有良好的粘附性。第二十五頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五對(duì)位芳香族聚酰胺纖維的一般物理性能纖維種類(lèi)

密度（g/cm3）強(qiáng)度(cN/tex)伸度（%）彈性模量（cN/tex

）含水率（%）PPTAKevlar291.43202.93.648517.0Kevlar491.45195.82.474974.5Kevlar1191.44211.74.437937.0Kevlar1291.44233.73.367036.5Kevlar1491.47158.81.597901.5Technora1.392474.652032.0E玻璃

2.5484.74.02646—鋼7.8301.72469—第二十六頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五5、金屬纖維金屬纖維不同于塑料纖維和陶瓷纖維，它具有很好的粘合性，在適度表面處理時(shí)，和其它材料的接合性非常好，適用于任何一種復(fù)合素材。第二十七頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五金屬纖維的特性纖維密度/g.cm-3直徑/um彈性率/GPa抗張強(qiáng)度/MPa鎢19.4134104100鉬10.2253652200不銹鋼7.9------1770-2250鋼絲7.74132004200鋼琴絲7.8801993430SUS3047.880196520第二十八頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五第二十九頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五6、晶須晶須（Whiskers）是一種纖維狀單晶體，橫斷面幾乎一致，內(nèi)外結(jié)構(gòu)高度完整，長(zhǎng)徑一般在5-1000以上，直徑通常在200nm-100um之間。第三十頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五在什么條件下，晶體易朝縱向方向生長(zhǎng)？為什么？(1)合成溫度是影響晶須質(zhì)量最主要的因素，晶須在1000℃左右開(kāi)始大量合成，隨著合成溫度的升高，晶須直徑明顯呈增大趨勢(shì)，而長(zhǎng)徑比則呈減少趨勢(shì)；(2)升溫速率對(duì)晶須質(zhì)量影響較顯著，在晶核形成之后升溫速度應(yīng)當(dāng)適中。(3)保溫時(shí)間對(duì)晶須質(zhì)量影響較小，時(shí)間太短或過(guò)長(zhǎng)會(huì)一定程度上影響到晶須的均勻性，但晶須形態(tài)差別不太明顯；(4)六鈦酸鉀晶須的最優(yōu)制備工藝為：合成溫度為1000℃，保溫1h