新型纺织纤维作业

新型纺织纤维作业姓名李 智班级轻化1202学号江南大学纺织服装学院轻化工程系有关硼纤维及其复合材料的研究及应用李智摘要 该文从硼纤维的基本性质及与其她纤维性能上的比较等方面，综述了复合材料增强机理和硼纤维增强复合材料的性能特点,并简述了硼纤维增强复合材料的应用领域，对其在将来的发展和应用进行了展望核心词 硼纤维; 复合材料; 性能特点 ; 应用Reeacand Application f Boron Fber and Cmposte MarialLi hiAstractThe fundmeal popetieof bon fir and isrforce comr wih other ie werecusd , herinforement mechnofmposte a th peomaccharcterstics of boonfbe reinfoced cmposite maerial wre riewed, andthe lcaton filds o bon fiber einforedomposite matrials were briefl presed . Finally , h develpmen an its pplaons in he uture were dicued.Keywrd Brn iber ;ompsies ；orance Chratristis ；Applicaon 2世纪以来, 高度成熟的钢铁工业已成为现代工业的重要支柱，在已使用的构造材料中,钢铁材料占了一半以上, 但是随着宇航、导弹原子能等现代科技的飞速发展, 现代的钢铁和有色合金材料已越来越难以满足客观形势的需要2 世纪4O年代发展起来的新型复合材料将多种材料的长处集于一身,扬长避短, 兼有高强度 高模量和轻密度等一系列长处，因此迅速在各行各业都得到了广泛的应用 为了提高复合材料的力学性能引入增强体重要有三种形式: 颗粒 晶须和纤维 纤维增强复合材料因其固有的长处, 是发展最早应用最广泛的一类复合材料从 2 世纪5O 年代开始, 纤维增强复合材料就成为了研究和使用的重点对象,其核心技术是开发质量轻 强度和纵向弹性模量高的纤维增强材料 在诸多种类的纤维增强复合材料中, 硼纤维复合材料由于强度好 韧性大 抗疲劳 抗冲击性能好等突出的性能而倍受青睐,其缺陷就是价格相对比其她增强体复合材料偏高, 实际生产生活中大规模推广应用有一定难度1 硼纤维及其性能1. 1 硼纤维性能 硼纤维是高性能复合材料重要的纤维增强体之一，是用化学气相沉积法使硼纤维沉积在钨丝或碳纤维芯材上制得的直径为100 200的持续单丝 它具有相对于其她陶瓷纤维难以比拟的高强度 高模量和低密度等特点,是制备高性能复合材料的重要增强纤维硼纤维拉伸强度超过了高强度钢, 密度只有.5 / , 强度比一般金属 (钢 铝等)高 4倍硼的硬度极高,摩氏硬度 9., 仅次于金刚石,比碳化硅几乎高0,比碳化钨高 1 倍1.2 硼纤维与其她纤维性能比较 硼纤维和广泛应用的T30碳纤维相比, 在拉伸强度略优(T300的拉伸强度 30 a）条件下，拉伸模量比T30高约7(T0拉伸模量230GP)，亦即硼纤维的刚度大大高于碳纤维2硼纤维增强复合材料机理 复合材料性能与组分性能组分分布以及组分间的物理 化学作用有密切关系 用纤维增强塑料 混凝土 陶瓷基体等,能使整体复合材料的强度 韧性增大， 其抗疲劳 抗冲击性能也能得到很大的改善， 其重要因素就是当纤维定向或不定向地分散在复合材料中时, 基体与纤维是紧密结合的,纤维将限制基体的变形, 于是在基体和纤维界面部分产生了剪应力, 并通过剪应力将复合材料承受的载荷合理地分派在纤维和基体两种组分上 纤维会受到比基体更大的拉应力,这就是纤维起到增强的因素 纤维能阻滞基体微裂纹的扩展也是其增强的一种重要因素, 近年来,国内外对纤维的桥联增强效应已有了诸多的研究成果 。 影响复合材料断裂韧性的因素中,纤维性能及铺设方向和顺序是重要的, 基体的作用也很大，其关系不同于一般力学性能的规律， 要达到最高的断裂韧性, 最佳的纤维性能 基体性能及纤维方向配比叠成顺序和界面强度的理论问题尚有待深入研究3 硼纤维增强复合材料. 硼纤维增强铝基复合材料 硼纤维可用于增强铝 镁铁等金属材料和树脂, 但重要用于增强金属材料, 它是目前唯一实用的金属增强用纤维 在金属基复合材料中,硼/铝的发展历史最长, 20近年来的研究与实验积累了大量的数据与丰富的经验铝和硼纤维增强体复合, 可以把铝及铝合金良好的韧性 延展性和容易成形的长处与硼纤维的高强度 耐烧蚀和质量轻等长处 结合在一起, 既克服了增强体脆性的弱点，又弥补了基体金属硬度局限性和较重的缺陷 硼纤维增强铝基复合材料作为目前纤维强化金属的一种较典型的代表, 具有高的比强度和比模量以及高强度和刚性轻质量 高导热性和低热膨胀性等突出长处，具有优秀的疲劳强度和耐蚀性能, 能在0摄氏度或更高的温度下安全工作,重要用于制造对质量和刚度规定高的航空航天飞行器部件 硼纤维在和金属复合时,与金属基体之间的润湿性比较好,并且反映性比较低, 纤维直径较大因而操作简便 但也正是由于纤维的直径较大,从而导致制成复合材料时在纤维纵向容易断裂,并且价格也贵 采用新的较小直径硼纤维及硼/ 碳纤维环氧树脂预浸带用于加强低熔 点铝合金,是硼/铝复合材料新的研究热点之一 已开发的小直径硼纤维的长处是更容易弯曲和解决 ，与原则单纤维相比, 拉伸强度增长约20% , 且仍保存了硼纤维固有的高压缩性能 硼纤维在高温下能与大多数金属起反映而变脆, 使用温度超过1200时， 强度明显下降3.2 硼纤维增强环氧树脂复合材料硼纤维增强复合材料提供了高的拉伸压缩 弯曲强度及刚性 这些性能取决于纤维自身性能和纤维铺层的方向 随着复合材料的高速发展， 目前在保证复合材料性能的前提下, 尽量减少固化温度, 可以节省下大量的能耗 同步延长预浸料的室温贮存期 ， 甚至在有效期内就不需要冷藏保存,节省基本冷藏设备的使用费用 硼纤维/ 环氧复合材料除了具有高的比强度和比模量之外,相对于碳纤维/ 环氧复合材料来讲， 还具有较大的热膨胀系数以及不易与铝合金发生电化学腐蚀等特点因此国外已将其应用于损伤铝合金构造的修复 目前， 国外已有商品化生产的硼纤维环氧预浸带, 但国内对硼纤维/环氧复合材料的研究较少4 硼纤维复合材料的应用.1航空航天领域的应用 由于硼纤维具有独特的机械性能,硼纤维增强金属铝复合材料的韧性是铝合金的 3 倍,而质量仅为铝合金的/ 3 因此硼纤维被大量用于军用航空和民用航空方面 其实硼纤维增强复合材料最初就是用在高性能飞机及宇宙飞船的构件上例如, 美国的F-15和 F1飞机的垂直尾翼 稳定器, 轰炸机B-1的机翅纵向通材, 直升机H -4 飞机F4的方向舵, 飞机70 的机襟翼等都使用硼纤维与环氧树脂复合材料, 以及法国制造的幻影 飞机, 也采用了某些硼纤维复合材料 除了在构件上有重要应用之外,硼纤维也被广泛应用于飞机上的金属构件修理, 在这方面,硼环氧树脂复合板(局部加强 )被黏结在断裂的或受损的飞机构件上, 硼复合板构件减少了构件的局部疲劳应力, 从而达到修补和加固的效果, 在某些发达国家已有了运用硼纤维与环氧树脂带材对飞机金属机体进行修补的先例, 例如 Loc eed公司制造的美国军用飞机C-0和C-141等, 机体发生龟裂及金属疲劳的部位就是运用硼纤维与环氧树脂带材进行修补的， 并获得了良好的效果特别是近年来, 无论是商用 机还是军用飞机, 都存在一种特别严重的飞机表面材料老化问题, 也会因长期在空中高速飞行， 与气流及空气中的杂物颗粒等高速摩擦而使飞机表面浮现龟裂及金属疲劳, 这就给硼纤维复合材料的应用带来了契机, 有关技术科研人员也正在研究如何可以更加有效地运用这种复合材料来进行修补采用硼纤维复合材料修补飞机有如下特点:1) 不需要分解机体就可进行修补， 从而缩短修理时间停飞时间，为航空公司带来一定的经济效益 ; 2) 修补时, 不需要铆钉和螺栓等来进行连接,而是采用树脂粘接修补, 这样可避免使用铆 螺栓时导致的孔穴产生龟裂与应力; 3) 可使用超声波和涡流非破坏性实验检查, 简朴而精确;4) 可延长疲劳寿命, 减少维修的成本 此外， 在航天航空方面, 硼纤维复合材料也可作航天器的构造零件, 采用硼纤维与碳纤维混杂构造, 由于具有很高的刚性， 特别是能使热膨胀系数趋近于零,这种性能使得航天器能满足宇宙中苛刻环境的变化需要42 体育用品领域的应用 在体育用品方面使用的大多数状况都是将硼纤维与碳纤维制成混杂纤维复合材, 由硼纤维与碳纤维混杂纤维制成的高尔夫球棒,兼有碳纤维球棒轻便和钢质球棒那样的打球感,这样就使高尔夫球的飞行距离及飞行方向变的更加容易控制；用硼纤维复合材料制成的网球拍及羽毛球拍, 能使击球的感觉和效果更好; 在钓鱼竿上硼纤维的使用, 使鱼竿在鱼上钩的时候振动传递性更强,还增长了韧性， 难折断; 在滑雪板方面， 硼纤维因衰减性优秀 , 减板的“挠度”,能适应雪面的微妙变化， 滑行过程中更加舒服和安全 这些应用中， 硼纤维已被以便地用作接桥或局部加强以便增强高应力区的强度或刚性 由此导致的质量的减轻对系统性能也有益处4.3 工业制品领域的应用 由于硼纤维强度高, 质量轻, 物性好,可向工业制品方面进行开发 硼纤维增强金属铝具有高导热系数和低热膨胀系数, 可用于制造半导体冷却基板；运用硼纤维硬度高的特性制切割轮工具等; 硼纤维对中子具有吸取能力可用作核废料的运送贮存容器等; 运用硼纤维的高压缩强度,在沥青系碳纤维的强度补强方面也极其有效 除了上述应用之外， 硼纤维复合材料在宇航服和防火服 汽车车轮 雷达 超导材料等领域也有重要应用,在此就不具体论述了5 结语 硼纤维是高性能复合材料重要的纤维增强体之一,具有其她陶瓷纤维难以比拟的高强度 高模量和低密度等特点, 使硼纤维复合材料有了优越的机械性能， 特别是良好的压缩性能， 使其应用已有了无数的成功事例 硼纤维增强铝基复合材料在航空航天领域的应用就是一种较典型的事例代表, 而较小直径 较高强度硼纤维和一种新的硼纤维的混合预浸带的开发, 其优越的机械性能将使硼纤维的应用在1世纪将更加广泛 目前硼纤维复合材料重要应用在航空航天汽车 军事等方面,但在一般工业和民用领域应用较少,最重要因素是制导致本高 随着增强体与基体结合理论的进一步研究, 成本更低的增强体制备工艺及设备的不断开发和改善， 硼纤维铝基复合材料在保持优秀性能的同步,成本将更加低廉, 其应用领域将越来越广虽然硼纤维复合材料性能优秀,但由于它的价格相对其她纤维复合材料较高,使它只限于在航空航天 汽车军事 高难表演性体育设备等方面， 在一般工业和民用领域应用较少, 随着硼纤维继续成功的应用及用量的增长， 生产价格将由于规模经济而下降 这会使硼纤维成为一种更有实用价值的加强材料, 从而使其在将来的生产和生活中发挥更大更重要的作用参 考 文 献1汤佩钊 复合材料及其应用技术M . 重庆:重庆大学出版社. 98 :1 3.2吴人洁.复合材料 M . 天津:天津大学出版社, :1-3.3 王荣国, 武卫莉, 谷万里. 复合材料概论 M . 哈尔冰: 哈尔滨工业大学出版社,199：1-5.尹洪峰, 魏剑复合材料 M .北京 :冶金工业出版社， : 10.5李荣久.陶瓷金属复合材料 M . 北京:冶金工业出版社 , :21 22.6 赵稼祥 硼纤维及其复合材料 J. 纤维复合材料, , 12 (4 ) : 3 57 张国栋，彭刚.现代混凝土理论与设计 M.武汉 : 武汉理工大学出版社， 8刘智恩.材料科学基本 .西安: 西北工业大学出版社, :109 董启文， 冯凭, 孙毅 等.桥联特性对纤维复合材料裂纹扩展阻力曲线的影响 哈尔滨工业大学学报, ，34 ( ) ： 3 4 5 1.10 宋桂明, 周玉, 孙毅纤维增强陶瓷基复合材料中纤维增强分析模型 J. 固体火箭技术, 199 ,22 (1） :1I5 3 .11 易志坚 ,杨庆国,李祖伟等. 基于断裂力学原理的纤维砼阻裂机理分析 J. 重庆交通学院学报, 2OO , 23(6):43 45.2 MARSHALB ， OX B N AA G The echaics of matrixrcig in ritler-matrix iber ompoites .ActaMtal, 1985,33 : -.13 蔡四维.短纤维复合材料理论及其应用 M . 北京：人民交通出版社 , 1994 ：65-114 杜善义, 王彪. 复合材料细观力学 .北京: 科学出版社, 1998.15 PIGGOTT M R.Whyinteraeestn by sngl-fie metod ca b misedgJ.omo SiTechnol, 1997 ;5 : 5-974 .