第二章復(fù)合材料增強(qiáng)體2017上課講義

第二章

復(fù)合材料增強(qiáng)體主要內(nèi)容：增強(qiáng)體的概念和分類無(wú)機(jī)非金屬纖維金屬絲有機(jī)纖維晶須顆粒

從物理形態(tài)分：有纖維狀增強(qiáng)體、片狀增強(qiáng)體、顆粒狀增強(qiáng)體等。纖維狀材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量比同一塊狀材料要大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。用纖維材料對(duì)基體材料進(jìn)行增強(qiáng)可得到高強(qiáng)度、高模量的復(fù)合材料。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(wú)機(jī)非金屬纖維一、玻璃纖維（GlassFibers）一種性能優(yōu)異的無(wú)機(jī)非金屬材料;具有不燃、耐高溫(熔點(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(wú)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）概述：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(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(lái)區(qū)分。可以分為：無(wú)堿，中堿，有堿，特種玻璃纖維無(wú)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(guò)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類?？捎米餍铍娖康母綦x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(wú)捻粗紗、無(wú)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；無(wú)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(lái)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(wú)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、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(guò)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（五)玻璃纖維的物理性能1.外觀和密度

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(shù)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。2.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：40MPa~100MPa

玻璃纖維強(qiáng)度：1500-4000MPa①

纖維直徑和長(zhǎng)度對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響直徑越細(xì)，拉伸強(qiáng)度越高b.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②

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(wú)堿玻璃纖維比有堿玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度高20%。

無(wú)堿玻璃纖維成型溫度高、硬化速度快、結(jié)構(gòu)鍵能大；

氧化鈉和氧化鉀的含量越高，玻璃纖維的強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)的降低。③

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④

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。⑤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10μm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(méi)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/(m·K)~1.3W/(m·K)玻璃纖維導(dǎo)熱系數(shù)：0.034W/(m·K)，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。（2）玻璃纖維的耐熱性玻璃纖維的耐熱性較高；軟化點(diǎn)為550℃~580℃；熱膨脹系數(shù)為4.8×10-6℃；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)。二、碳纖維CarbonFibers(CF)（一）概述（1）碳纖維的起源

1860年，英國(guó)人瑟夫·斯旺將細(xì)長(zhǎng)的繩狀紙片碳化制取碳絲，以此制作電燈的燈絲。大約在1879年，他把棉紗浸入硫酸，焦干處理，然后碳化，或?qū)⑾趸w維素從膜孔中擠出成絲，然后再碳化，制取碳絲（獲得專利）。由于當(dāng)時(shí)解決不了燈泡的真空問(wèn)題，所以沒(méi)有實(shí)用化意義。但是，碳絲的起源或溯源點(diǎn)應(yīng)該是從他開(kāi)始的。1880年Edson成功研制出白熾碳絲燈泡（用棉、亞麻等天然植物纖維碳化得到碳纖維用于篩選白熾燈的燈絲）；1881年，發(fā)現(xiàn)在碳纖維的表面涂覆一層碳膜提高其性能；1909年，將碳纖維在惰性氣體中加熱到2600度以上，獲得最早的石墨纖維；1910年鎢絲的出現(xiàn)，使這方面的研究停頓；20世紀(jì)50年代，美國(guó)研發(fā)大型火箭和人造衛(wèi)星以及全面提升飛機(jī)性能，急需新型結(jié)構(gòu)材料及耐腐蝕材料，使碳纖維重新出現(xiàn)在新材料的舞臺(tái)上。1959年美國(guó)聯(lián)合碳化物公司黏膠基碳纖維研制成功，同年日本人發(fā)明了用丙烯腈(PAN)原絲制取碳纖維的新方法并申請(qǐng)了專利。歷時(shí)多年的風(fēng)雨歷程，碳纖維的發(fā)展已初具規(guī)模。（2）定義：

CF是有機(jī)纖維在惰性氣氛中經(jīng)高溫（1500度）碳化而成的纖維狀碳化合物?；颍豪w維化學(xué)組成中碳元素占總質(zhì)量90％以上的纖維。Notes：只有在碳化過(guò)程中不熔融，不劇烈分解的有機(jī)纖維才能作為CF的原料。有些纖維要經(jīng)過(guò)予氧化處理后才能滿足這個(gè)要求。

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(shù)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。

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2.268g/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627kJ/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5.4kJ/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(guò)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％，由皮層到芯子，微晶減小，排列逐漸紊亂，結(jié)構(gòu)不均勻性愈來(lái)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）UHMHMIMUHTHT拉伸模量/Gpa拉伸強(qiáng)度/Gpa含碳量/%﹥400300~400180~200200~350200~250﹥1.7﹥1.72.7~3.0﹥2.762.0~2.7599.899.096.594.599.0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：以碳為主要成分的纖維狀材料。不同于有機(jī)纖維或無(wú)機(jī)纖維，不能用熔融法或溶液法直接紡絲，只能以有機(jī)物為原料，采用間接方法來(lái)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(guò)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：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，200～300℃，防止熱塑化。碳化：1000～1500℃，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：2000～2500℃，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：200℃～300℃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(lái)的高溫處理中熔融或者粘連。PAN原絲制備碳纖維的過(guò)程分為三個(gè)階段：

在400℃～1900℃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40％~45％，含碳量95%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）左右。b.碳化：

在2000℃～3000℃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(wú)定形碳，碳含量約為95％，熱處理溫度1200～1500℃；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(σ)、彈性模量(E)與材料的固有彈性模量(E0)、纖維的軸向取向度(α)、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。（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(kāi)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、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(guò)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(kāi)碳纖維的應(yīng)用,可以說(shuō)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(guò)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（BoronFibre，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CVD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。

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2B

+6HX

上式中，X為鹵素原子（Cl、Br、I）。硼纖維的直徑有100μm、140μm、200μm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(kāi)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(guò)程中成核并逐漸長(zhǎng)大的，直徑為3~7微米，高1~3微米，節(jié)間溝深0.25~0.75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：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2.4~2.65g/cm3，拉伸強(qiáng)度為3.2~5.2GPa，彈性模量為350~400GPa，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，2.6-3.4g/cm3，最高使用溫度為1250℃，在1200℃其拉伸強(qiáng)度和彈性模量均無(wú)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（SiliconCarbideFibre，SF或SiCf）（1）CVD法：將芯材連續(xù)通過(guò)玻璃管狀反應(yīng)器，并在加熱到1200~1300

C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

。CH3SiCl3+H2

SiC

+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(méi)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(guò)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（AluminiaFibre，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(guò)噴絲板、拉出、冷凝成連續(xù)纖維。生產(chǎn)長(zhǎng)纖維：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(kāi)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(guò)不熔化處理、1200度左右的高溫?zé)崽幚?，從而獲得直徑為10~15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1.5~3.0GPa，彈性模量約為120~260GPa，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(lái)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，也可用來(lái)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）各種金屬絲的性能高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、低密度一芳綸纖維

芳香族聚酰胺類纖維(Aramidefiber)的通稱，國(guó)外商品牌號(hào)為凱芙拉(Kevlar)纖維(美國(guó)杜邦公司1968年開(kāi)始研究，1973年研制成功)，我國(guó)命名為芳綸纖維。特點(diǎn)：§2-4有機(jī)纖維（一）概述芳綸纖維的歷史很短，發(fā)展很快。1968年美國(guó)杜邦公司開(kāi)始研制。1972年以B纖維為名發(fā)表了專利并提供產(chǎn)品。1972年又研制了以PRD--49命名的纖維。1973年正式登記的商品名稱為ARAMID纖維。ARAMID纖維包括三種牌號(hào)的產(chǎn)品，并重改名稱。PRD--49--IV改稱為芳綸--29；PRD--49--III改稱為芳綸--49；B纖維改稱為芳綸。主要用于繩索、電纜、涂漆織物、帶和帶狀物，以及防彈背心等。用于航空、宇航、造船工業(yè)的復(fù)合材料制件。主要用于橡膠增強(qiáng)，制造輪胎、三角皮帶、同步帶等化學(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）。優(yōu)點(diǎn)（1）不熔融（2）高溫能保持高強(qiáng)度與高彈性模量（3）耐熱、不易燃燒（4）尺寸穩(wěn)定、幾乎不發(fā)生蠕變（5）耐藥性好，在有機(jī)溶劑及油中性能不下降（6）耐疲勞性，耐磨性好（7）對(duì)放射性線的抵抗性大（8）非導(dǎo)電、且誘電性能優(yōu)越（9）與無(wú)機(jī)纖維相比振動(dòng)吸收性好、減衰速度快缺點(diǎn)(1)壓縮性差，壓縮強(qiáng)度僅有不到拉伸強(qiáng)度的1/5。(2)紫外線照射時(shí)強(qiáng)度大幅下降。（二）芳綸纖維的基本性能A、芳綸纖維的力學(xué)性能；Ｂ、芳綸纖維的熱穩(wěn)定性；Ｃ、芳綸纖維的化學(xué)性能。

芳綸纖維的特點(diǎn)是拉伸強(qiáng)度高，初始模量很高，而延伸率較低。

單絲強(qiáng)度可達(dá)3773MPa；254mm長(zhǎng)的纖維束的拉伸強(qiáng)度為2744MPa，大約為鋁的5倍。

芳綸纖維的拉伸強(qiáng)度約為E玻璃纖維的1.5倍，與碳纖維相當(dāng)或略高。拉伸模量?jī)H次于碳纖維和硼纖維。A、芳綸纖維的力學(xué)性能芳綸纖維的沖擊性能好，大約為石墨纖維的6倍，為硼纖維的3倍，為玻璃纖維0.8倍。

芳綸纖維的彈性模量高，可達(dá)1.27~1.577MPa，比玻璃纖維高一倍，為碳纖維0.8倍。

芳綸纖維的斷裂伸長(zhǎng)在3％左右，接近玻璃纖維，高于其他纖維。芳綸與各種纖維性能比較芳綸纖維的強(qiáng)度和模量高，密度低，因而此種增強(qiáng)纖維有很高的比強(qiáng)度和比模量。各類增強(qiáng)纖維比強(qiáng)度比模量

芳綸細(xì)紗在水中浸泡5min，而后在21℃水中測(cè)定其拉伸性能，幾乎沒(méi)有影響。在88℃水中的強(qiáng)度有所下降，強(qiáng)度保留率為21℃水中的85%。水中的強(qiáng)度保留率高：收縮率和膨脹率小具有良好的耐應(yīng)力開(kāi)裂性能，能在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保留很大的極限抗拉強(qiáng)度。

由于芳綸不熔融也不助燃，短時(shí)間內(nèi)暴露在300℃以上，對(duì)于強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響。在-170℃的低溫下也不會(huì)變脆，仍能保持其性能。Ｂ、芳綸纖維的熱穩(wěn)定性

芳綸纖維有良好的熱穩(wěn)定性，耐火而不熔，在180℃的溫度下，仍能很好的保持其性能，當(dāng)溫度達(dá)487℃時(shí)尚不熔化，但開(kāi)始碳化。

芳綸的濕強(qiáng)度幾乎與干強(qiáng)度相等。對(duì)飽和水蒸氣的穩(wěn)定性，比其它有機(jī)纖維好。芳綸對(duì)紫外線是比較敏感的。若長(zhǎng)期裸露在陽(yáng)光下，其強(qiáng)度損失很大，因此應(yīng)加能阻擋紫外光的保護(hù)層。Ｃ、芳綸纖維的化學(xué)性能

芳綸纖維具有良好的耐介質(zhì)性能，對(duì)中性化學(xué)藥品的抵抗力一般是很強(qiáng)的，但易受各種酸堿的侵蝕，尤其是強(qiáng)酸的侵蝕。KevIar纖維表面缺少化學(xué)活性基團(tuán)，用等離子體空氣或氯氣處理纖維表面，可使Kevlar纖維表面形成一些含氧或含氮的官能團(tuán)，提高表面活性及表面能，顯著地改善對(duì)樹(shù)脂的浸潤(rùn)性和反應(yīng)性，增加界面粘結(jié)強(qiáng)度。芳綸在各種化學(xué)藥品中的穩(wěn)定性（三）芳綸纖維的制造1.聚對(duì)苯撐對(duì)苯二甲酰胺的聚合兩個(gè)階段第一階段對(duì)苯二胺與對(duì)苯二甲酸酰氯縮聚成對(duì)苯撐對(duì)苯二甲酰胺的聚合體。第二階段聚合體溶解在溶劑中再進(jìn)行紡絲，制得所需要的纖維材料。簡(jiǎn)單流程圖

常選用溶劑：六甲基磷酰胺、N-甲基吡咯烷酮及二甲基乙酰胺等。為防止對(duì)苯二甲酰的水解，反應(yīng)體系及溶劑中的含水量要嚴(yán)格控制。低溫溶液縮聚法，不能用熔融縮聚法原因：聚對(duì)苯撐對(duì)苯二甲酰胺是剛性鏈分子，分子鏈段的自由旋轉(zhuǎn)受到阻礙，玻璃化溫度與熔點(diǎn)溫度較高。2.紡絲工藝

液晶從宏觀性能上看屬于液體，但從微觀角度或光學(xué)角度來(lái)研究，又有晶體的性質(zhì)。液晶是介于固體和液體之間的中間相物質(zhì)。液晶分類近晶型向列型膽甾型液晶紡絲工藝近晶型近晶型

棒狀分子通過(guò)垂直于分子長(zhǎng)軸方向的強(qiáng)相互作用，互相平行排列成層狀結(jié)構(gòu)，分子軸垂直于層面。棒狀分子只能在層內(nèi)活動(dòng)。向列型向列型

棒狀分子雖然也平行排列，但長(zhǎng)短不一，不分層次，只有一維有序性，在外力作用下發(fā)生流動(dòng)時(shí)，棒狀分子易沿流動(dòng)方向取向，并可流動(dòng)取向中互相穿越。膽甾型膽甾型棒狀分子分層平行排列，每個(gè)單層內(nèi)分子排列與向列型相似，相鄰兩層中分子長(zhǎng)軸依次有規(guī)則地扭轉(zhuǎn)一定角度，分子長(zhǎng)軸在旋轉(zhuǎn)360o后復(fù)原。對(duì)于紡絲來(lái)說(shuō)，應(yīng)用向列態(tài)液晶。此種液晶分子溶液在流動(dòng)取向相中相互穿越，且其粘度比各向同性液體低。聚合物PPTA在溶液中呈一定取向狀態(tài)，為一維有序緊密排列，也就是纖維中所希望得到的分子排列。在外界作用下，分子很容易沿作用力方向取向，這就是具有液晶性質(zhì)的大分子有利于成纖的原因。聚對(duì)苯撐對(duì)苯二甲酰胺(PPTA)溶于100%的硫酸中，顯示液晶特性PPTA濃硫酸溶液粘度-濃度示意圖

濃度增加，溶液粘度增大，達(dá)到極大值，超過(guò)此極值，濃度再增加，粘度降低，且溶液從各向同性向各向異性轉(zhuǎn)變(臨近濃度)；達(dá)到液晶最大濃度后，濃度再增加，溶液的粘度重又上升。PPTA溶液具有高濃度低粘度的特點(diǎn)與濃度的關(guān)系：

溫度上升時(shí)，液晶溶液的粘度下降，但當(dāng)粘度降到一個(gè)最低值后，溫度再上升，則粘度將大幅度增加，同時(shí)溶液由各向異性狀態(tài)向各向同性狀態(tài)轉(zhuǎn)變。紡織時(shí)要選擇適當(dāng)?shù)臐舛群蜏囟确秶??？杉弲^(qū)的溫度范圍比較窄與溫度的關(guān)系：兩種干噴混紡裝置示意圖

高濃度、高溫度的PPTA液晶溶液在較高的噴絲速度下噴絲，噴絲進(jìn)入溫度低的凝固液浴，在凝固液浴中，經(jīng)過(guò)一個(gè)紡絲管，在凝固液的作用下形成絲束，繞到繞絲輥上，再經(jīng)洗滌，在張力下熱輥上干燥。最后在惰性氣體中于較高的溫度下進(jìn)行熱處理。干噴濕紡工藝（四）

芳綸纖維及其復(fù)合材料的應(yīng)用目前，芳綸纖維的總產(chǎn)量43％用于輪胎的簾子線(芳綸--29)，31％用于復(fù)合材料，17.5％用于繩索類和防彈衣，8.5％用于其他。以樹(shù)脂作為基體，芳綸纖維作為增強(qiáng)相所形成的增強(qiáng)塑料，簡(jiǎn)稱KFRP，它在航空航天方面的應(yīng)用，僅次于碳纖維，成為必不可少的材料。一超高分子量聚乙烯纖維超高分子量聚乙烯纖維(UltraHighMolecularWeightPolyethyleneFiber，簡(jiǎn)稱UHMWPE)，又稱高強(qiáng)高模聚乙烯纖維，是目前世界上比強(qiáng)度和比模量最高的纖維，其分子量在100萬(wàn)～500萬(wàn)的聚乙烯所紡出的纖維。在目前已商業(yè)化的高強(qiáng)力纖維中也以UHMWPE纖維的強(qiáng)力達(dá)45g/denier

為最強(qiáng)。此種UHMWPE纖維自上世紀(jì)80年代末期荷蘭DSM公司申請(qǐng)凝膠紡絲量產(chǎn)至今，其產(chǎn)量在30年內(nèi)增加數(shù)百倍，全球目前的商業(yè)化產(chǎn)能已超過(guò)1萬(wàn)噸/年。（一）概述（二）UHMWPE的性能

UHMWPE纖維的密度為0.97g/cm3，只有芳綸纖維的2/3和高模碳纖維的1/2，而軸向拉伸性能很高。其比拉伸強(qiáng)度是現(xiàn)有高性能纖維中最高的，比拉伸模量除高模碳纖維外也是很高的，較芳綸纖維高得多。1

優(yōu)良的力學(xué)性能

UHMWPE纖維是玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低的熱塑性纖維，韌性很好，在塑性變形過(guò)程中吸收能量，因此，它的復(fù)合材料在高應(yīng)變率和低溫下仍具有良好的力學(xué)性能，抗沖擊能力比碳纖維、芳綸纖維及一般玻璃纖維復(fù)合材料高。UHMWPE纖維復(fù)合材料的比沖擊總吸收能量Et/p分別是碳、芳綸和E玻璃纖維1.8、2.6和3倍，其防彈能力比芳綸纖維裝甲結(jié)構(gòu)的防彈能力2.6倍。2

優(yōu)良的耐沖擊性能UHMWPESPectra纖維在多種介質(zhì)中，如水、油、酸和堿等溶液中浸泡半年，強(qiáng)度不受影響。SPectra1000纖維在水中浸泡2年，仍保留原有強(qiáng)度，還可防生物腐蝕。下表列出了SPectra1000

纖維和Kevlar纖維在各種化學(xué)介質(zhì)中強(qiáng)度保留率的比較。維具有高度的分子取向和結(jié)晶，具有良好的耐溶劑溶解3

優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性Spectra纖維和Kevlar纖維在不同介質(zhì)中的強(qiáng)度保留率

材料的耐磨性一般隨模量的增大而降低，但對(duì)UHMWPE纖維而言，則相反。這是因?yàn)樵摾w維的摩擦系數(shù)低所致。Specra

900纖維繩子的破斷循環(huán)數(shù)n比芳綸纖維高8倍，耐磨性和彎曲疲勞也比芳綸纖維高，適合做繩索。4

優(yōu)越的耐磨性能

UHMWPE纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的介電常數(shù)和介電損耗值低，反射雷達(dá)波很少，對(duì)雷達(dá)波的透射率高于玻璃纖維復(fù)合材料。不同材料的介電常數(shù)和介電損耗值比較，聚乙烯材料最小，適用于制造各種