复合材料增强材料

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,2,章 增强材料,2.1,概 述,增强材料：,能提高基体材料力学性能的物质。,增强材料是复合材料的主要组成部分，它起着提高树脂基体的,强度,、,模量,、,耐热,和,耐磨,等性能的作用；同时，增强材料能减少复合材料成型过程中的,收缩率,，提高制品,硬度,等作用。,从物理形态分：有,纤维状,增强材料、,片状,增强材料、,颗粒状,增强材料等。,玻璃纤维,、,碳纤维,、,芳伦纤维,等。这是因为纤维状材料的拉伸强度和拉伸弹性模量比同一块状材料要大几个数量级。用纤维材料对基体材料进行增强可得到高强度、高模量的复合材料。,表,2-1,常用金属丝和非金属纤维增强材料的性质,作为聚合物基,CM,的增强材料,基本特征,：,1.,增强材料应具有能明显提高树脂基体某种所需特性的性能，如高的,比强度,、,比模量,、,高导热性,、,耐热性,、,低热膨胀性,等，以便赋予树脂基体某种所需的特性和综合性能。,2.,增强材料应具有良好的,化学稳定性,。在树脂基复合材料制备和使用过程中其组织结构和性能不发生明显的变化和退化。,3.,与树脂有良好的浸润性和适当的,界面反应,，使增强材料与基体树脂有良好的,界面结合,。,4.,价格低廉,。,2.2,玻璃纤维及其制品,玻璃纤维的发展现况,使用量最大的增强纤维。,主要特点,是：采用,池窑拉丝,新技术；大力发展,多排多孔,拉丝工艺；用于玻璃纤维增强塑料的纤维直径逐渐向粗的方向发展，纤维直径为,14,24m,，甚至达到,27m,；大量生产无碱纤维；大力发展无纺织玻璃纤维织物，无捻粗纱的短切纤维毡片所占比例增加；重视纤维,-,树脂,界面,的研究，新,型偶联剂,不断出现，玻璃纤维的前处理受到重视。,玻璃纤维的分类,玻璃纤维的分类方法很多。一般按,玻璃原料成分,、单丝,直径,、纤维,外观,及纤维,特性,等方面进行分类。,1.,以玻璃原料,成分,分类,这种分类方法用于连续玻璃纤维的分类。以不同的,含碱量,来区分：,无碱,玻璃纤维,(,通称,E,玻纤）：国内目前规定碱金属氧化物含量,不大于,0.5%,，国外一般为,1%,左右。是以钙铝硼硅酸盐组成的玻璃纤维，此纤维强度较高，耐热性和电性能优良，能抗大气侵蚀，化学稳定性好（但不耐酸），最大的特点是电性能好，因此有时称为电气玻璃。,中碱,玻璃纤维：碱金属氧化物含量为,11.5%,12.5%,；此纤维主要是耐酸性好，但强度不如,E,玻璃纤维高，主要用于耐腐蚀领域，价格较便宜。,特种,玻璃纤维：由纯,镁铝硅三元组成,的高强度玻璃纤维，镁铝硅系高强、高弹玻璃纤维，硅铝钙镁系耐化学介质腐蚀玻璃纤维、含铅纤维、高硅氧纤维、石英纤维等。,2.,以单丝,直径,分类,玻璃纤维单丝呈圆柱形，以其直径的不同可以分：,粗,纤维（,30m,）；,初级,纤维（,20m,）；,中级,纤维（,10,20m),；,高级,纤维（,3,10m,，亦称为纺织纤维）；,超细,纤维（直径小于,4m,）。,单丝,直径,的不同，不仅使纤维的性能有差异，而且影响到纤维的生产工艺、产量和成本。一般,5,10m,纤维作为纺织制品使用；,10,14m,的纤维一般做无捻粗纱、无纺布、短切纤维毡等较为适宜。,3.,以纤维,外观,分类,有,连续,纤维，其中有,无捻,粗纱及,有捻,粗纱（用于纺织）、,短切,纤维、,空心,玻璃纤维、,玻璃粉及磨细,纤维等。,4.,以纤维,特性,分类,根据纤维本身具有的性能可分为：,高强度玻璃纤维、高模量玻璃纤维、,耐高温玻璃纤维、耐碱玻璃纤维、,耐酸玻璃纤维、普通玻璃纤维（指无碱及中碱纤维）。,玻璃纤维的结构及化学组成,1.,玻璃纤维的,物态,玻璃纤维是纤维状的玻璃。玻璃是无色透明具有光泽的脆性固体，它是熔融态过冷时，因粘度增加而具有固体物理机械性能的无定形物体，属于,各向同性的均质,材料。,玻璃无固定的熔点，随着温度的升高，逐渐由固体变为液体，其软化温度范围较宽。,2.,玻璃纤维的结构,微晶结构,假说：玻璃是由硅酸盐或二氧化硅的“微晶子”所组成，,“微晶子”,在结构上是高度变形的晶体，在“微晶子”之间由无定形中间层隔离，即由硅酸盐过冷溶液所填充。,网络结构,假说：由二氧化硅四面体，铝氧四面体或硼氧三面体相互连成不规则的,三维网络,，网络间的空隙由,Na,+,、,K,+,、,Ca,2+,、,Mg,2+,等阳离子所填充。二氧化硅四面体的三维网状结构是决定玻璃性能的基础，填充的,Na,+,、,K,+,等阳离子为,网络改性物,。,3.,玻璃纤维的,化学组成,化学组成主要是：,SiO,2,、,B,2,O,3,、,CaO,、,Al,2,O,3,等，,硅酸盐,玻璃：以,SiO,2,为主,硼酸盐,玻璃：以,B,2,O,3,为主,Na,2,O,、,K,2,O,:,助熔氧化物，可,降低,玻璃的,熔化温度,和,粘度,，使玻璃熔液中的气泡容易排除，通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，达到助熔的目的。,Na,2,O,、,Al,2,O,3,的含量越高，玻璃纤维的,强度、电绝缘性能和化学稳定性,都会相应的,降低,。,CaO,、,Al,2,O,3,等，能在一定条件下构成玻璃网络的一部分，改善玻璃的,某些性质和工艺性能,；,CaO,取代,SiO,2,，可降低拉丝温度；,Al,2,O,3,可提高耐水性。,玻璃纤维的物理性能,玻璃纤维具有一系列优异性能，,拉伸强度高,，,防火,、,防霉、防蛀、耐高温和电绝缘性能好,等。,缺点,：具有,脆性,，,不耐腐蚀,，对人的皮肤有刺激性等。,1,外观与比重,玻璃纤维表面呈光滑的圆柱，其横断面几乎是完整的圆形。玻璃纤维直径从,1.5,30m,，大多数为,4,14m,。其密度为,2.16,4.30,g/cm,3,，与铝几乎一样。,2,玻璃纤维的,力学性能,块状玻璃的强度不高，很易被破坏，当将玻璃拉成玻璃纤维后，不仅变得具有柔曲性，而且强度也大大提高。,(1),玻璃纤维的拉伸性能,拉伸强度高。比同成分的块状玻璃高几十倍。一般玻璃制品的拉伸强度只有,40,100MPa,，而直径,3,9m,的玻璃纤维拉伸强度则高达,1500,4000MPa,。比一般合成纤维高约,10,倍，比合金钢还高,2,倍。,玻璃纤维,高强,的原因：（微裂纹假说。微裂纹），玻璃的理论强度取决于分子或原子间的引力，其理论强度很高，可达到,2000,12000MPa,。但实测强度很低。原因：在玻璃或玻璃纤维中存在着数量不等，尺寸不同的,微裂纹,，因而大大降低了它的强度。微裂纹分布在玻璃或玻璃纤维的整个体积内，但以表面的微裂纹危害最大。由于微裂纹的存在，使玻璃在外力作用下,受力不均,，在危害最大的微裂纹处，产生,应力集中,，从而使强度下降。玻璃纤维比玻璃的强度高得多，这是因为玻璃纤维高温成型时减少了玻璃溶液的不均匀性，使微裂纹产生的机会减少。此外，玻璃纤维的,断面较小,，使微裂纹存在的几率也减少，从而减少应力集中，使纤维强度增高。,影响玻璃纤维强度的因素很多，主要有以下几点：, 纤维,直径和长度,。一般情况，玻璃纤维的直径越细，拉伸强度越高。玻璃纤维的拉伸强度和长度有关，随着纤维长度的增加，拉伸强度显著下降。,直径和长度对玻璃纤维的拉伸强度影响，可以用微裂纹假说来解释。主要是因为随着纤维直径和长度的减小，纤维中的微裂纹会相应减少，从而提高了纤维强度。,化学组成,：一般来说，含碱量越高，强度越低。这是因为高强和无碱纤维由于成型温度高、硬化速度快、结构键能大。,存放时间,-,纤维的老化：当纤维存放一段时间后，会出现强度下降的现象。这主要取决于纤维对大气水分的化学稳定性。,施加负荷时间,-,纤维的疲劳：纤维强度随施加负载时间的增加而降低。其原因在于吸附作用的影响，即水分吸附并渗透到纤维裂纹中，在外力作用下，加速裂纹的扩展。, 玻璃纤维：玻璃硬化速度越快，拉直的纤维强度也越高。,(2),玻璃纤维的,弹性, 玻璃纤维的,延伸率,，比其他有机纤维的延伸率低，,3 %,左右；, 玻璃纤维的,弹性模量,，约为,7104 MPa,，与铝相当，只有普通钢的三分之一，致使复合材料的刚度较低。对玻璃纤维的弹性模量起主要作用的是其化学组成。加入氧化铍、氧化镁能够提高玻璃纤维的弹性模量。含氧化铍的高弹玻璃纤维其弹性模量比无碱玻璃纤维提高,60%,。它取决于玻璃纤维的结构本身，与直径大小、磨损程度等无关。,3,玻璃纤维,耐磨性和耐折性,玻璃纤维抵抗摩擦的能力和抵抗折断的能力都很差。吸附水分后，这两个性能还会降低。纤维的柔性一般以断裂前的弯曲半径大小表示，弯曲半径越小，柔性越好。,4,玻璃纤维的,热性能,玻璃的导热系数为,0.6,1.,千卡,/,米,度,时，但拉制成纤维后，其导热系数只有,0.03,千卡,/,米,度,时。其原因主要是纤维间的空隙较小，容量较小所致，因为空气导热系数低。,玻璃纤维耐热性较高，软化点为,550,580,，膨胀系数为,4.810-6 ,。玻璃纤维不会引起燃烧，将玻璃纤维加温直到某一强度界限以前，强度基本不变。,5,玻璃纤维的,电性能,大部分玻璃纤维同玻璃一样，在外电场作用下，由于玻璃纤维内的离子产生迁移而导电。玻璃纤维的导电主要取决于,化学组成、温度和湿度,。无碱纤维电绝缘性能比有碱纤维优越，主要是因为无碱纤维中金属离子少的缘故。碱金属离子越多，电绝缘性能越差。空气湿度对玻璃纤维的电阻率影响很大，湿度增加，电阻率下降。,6,玻璃纤维及制品的,光学,性能,玻璃是优良的透光材料，但制成玻璃纤维后，其透光性远不如玻璃。,玻璃纤维的,化学性能,1.,侵蚀介质对玻璃纤维制品的腐蚀情况,根据网络结构假说，二氧化硅四面体相互连接构成玻璃纤维的骨架，它很难与水、酸（,H,3,PO,3,、,HF,除外）起反应；在玻璃纤维结构中还有钠、钾、钙等金属离子及二氧化硅与金属离子结合的硅酸盐部分。当侵蚀介质与玻璃纤维制品作用时，多数是溶解玻璃纤维结构中的金属离子或破坏硅酸盐部分；对于浓碱溶液、氢氟酸、磷酸等，将使玻璃纤维结构全部溶解。,2.,影响玻璃纤维化学稳定性的因素, 玻璃纤维的,化学成分,中碱,玻璃纤维对酸的稳定性较高，但对水的稳定性是较差的；,无碱,玻璃纤维耐酸性较差，但耐水性较好；中碱玻璃纤维和无碱玻璃纤维弱碱液侵蚀的性能相近。,玻璃纤维的化学稳定性主要取决于其化学成分中的二氧化硅及碱金属氧化物的含量。,SiO,2,含量,越多玻璃纤维的,化学稳定性越高,，,而,碱金属氧化物,则会使化学,稳定性降低,。, 玻璃纤维,表面,情况对化学稳定性影响,玻璃是一种非常好的耐腐蚀材料，但拉制成玻璃纤维后，其性能远不如玻璃。主要是由于玻璃纤维的比表面积大的原因。玻璃纤维直径对化学稳定性的影响大，随着纤维的直径的减小，其化学稳定性也降低。, 侵蚀,介质温度,对玻璃纤维化学稳定性的影响,温度对玻璃纤维的化学稳定性有很大影响，在,100,以下时，温度每升高,10,，纤维在介质侵蚀下的破坏速度增加,50%,100%,。当温度升高到,100,以上时，破坏作用将更剧烈。,2.2.6,玻璃纤维及其制品,1,玻璃纤维的生产工艺,目前生产玻璃纤维应用最广泛的方法有,坩埚法,拉丝和,池窑漏板,法拉丝两种。,（,1,）,坩埚法,拉丝工艺,坩埚法拉丝是较常用的方法。,生产,工艺,：,制球,、,拉丝,和,纺织,两部分组成。,主要,设备,：,玻璃熔窑、喂料机和制球,。制球工艺是根据纤维质量要求将制球原料按一定比例混合后装入熔窑熔制成玻璃液，玻璃液流经制球机制成玻璃球供拉丝用。,（,2,）,池窑漏板法,拉丝工艺,生产连续玻璃纤维一种工艺方法。池窑拉丝是将玻璃配合料投入熔窑，熔化后直接拉制成各种支数的连续玻璃纤维。,优点：,节省制球工艺，简化工艺流程，效率高；池窑拉丝一窑可安装,10,块到上百块漏板，容量大，生产能力高；由于一窑多块漏板拉丝，因此对窑温、液面、压力、流量和漏板温度可以集中自动控制玻璃温度，产品质量稳定，减少断头、飞丝，为高速拉丝生产自动化提供了有利条件；适于多孔大漏板生产玻璃钢适用的粗纤维；生产的废纱便于回炉。,2,玻璃纤维纱的制造,分为,加捻纱,和,无捻纱,。,加捻纱,：经过,退绕、加捻、并股、络纱,而制成的玻璃纤维纱；,无捻纱：,不经过退绕、加捻，直接并股、络纱而成。,有捻纱一般是以,石蜡乳剂作为浸润剂,；无捻纱一般用,聚醋酸乙烯酯,作浸润剂。,3,玻璃纤维纱的,规格及性能,纤维,直径、支数及股数,不同，使无捻纱和有捻纱的规格有许多种。纤维支数有两种表示方法：,定量法,是用质量为,1,克的原纱的长度来表示，即：,如，,40,支纱，即是指质量为,1,克的原纱长,40,米。,定长法,： 通称“,TEX”,（公制号数）。是指,1000,米长的原纱克质量。如，,4“TEX”,是指,1000,米原纱质量为,4,克。,捻度,：指单位长度内纤维与纤维之间所加的,转数,，以捻,/,米为单位。有,Z,捻和,S,捻,。,Z,捻为左捻，顺时针方向加捻；,S,捻为右捻，是逆时针方向加捻。通过加捻可提高纤维的抱合力，有利于纺织工序，但捻度过大不易被树脂浸透。,玻璃纤维的,表面处理,1,表面处理的,意义,表面处理：在玻璃纤维表面覆一种表面处理剂，使玻璃纤维与合成树脂牢固地粘结在一起，达到提高玻璃钢性能的目的。表面处理剂处于玻璃纤维与合成树脂之间，所以也叫做“,偶联剂,”、或“,架桥剂,”。这种连接作用可称为“,偶联作用,”或“,架桥作用,”。,2,表面处理剂种类,有机铬、有机硅和钛酸酯,三大类。,有机铬处理剂,：“沃兰（,Volan,）”，甲基丙烯酸氯化铬化合物。,有机硅,处理剂：结构通式为,RnSiX4-n,。,R,是有机基团，含有能与合成树脂作用形成化学键的活性基团，如,不饱和双键,、,环氧,基团、氨基、,巯基,等。式中,X,是易于水解的基团，水解后能与玻璃作用。,3,表面,处理方法,后处理法、前处理法和迁移法,。,后处理法,：分两步。,A,：除去玻璃纤维表面的纺织型浸润剂，,B,：经处理剂溶液浸渍、水洗、烘干等工艺，使玻璃纤维表面被覆上一层处理剂。,主要特点,：处理的各道工序都需要专门的设备，投资较大，玻璃纤维强度损失大，但处理效果好，比较稳定。,前处理法,：是适当改变浸润剂的配方，既能满足拉丝、退并、纺织各道工序的要求，又不妨碍树脂对玻璃纤维的浸润和粘结。将化学处理剂加入到浸润剂中，前处理与后处理法比较，省去了复杂的处理工艺及设备，使用简便，避免了因热处理造成的玻璃纤维强度损失。,迁移法,：是将化学处理剂直接加入到树脂胶液中整体渗合，在浸胶同时将处理剂施于玻璃纤维上，借处理剂从树脂胶液至纤维表面的迁移作用而与表面发生作用，从而在树脂固化过程中产生偶联作用。,特种玻璃纤维,1.,高强度玻璃纤维, 高强度玻璃纤维,镁铝硅酸盐,（,S,）和,硼硅酸盐,镁铝硅酸盐玻璃纤维也称,S,玻璃纤维。化学成分：,SiO,2,65%,、,Al,2,O,3,25%,、,MgO 10%,。,硼硅酸盐高强度玻璃纤维的主要成分为：,SiO,2,40%,50%,、,Al,2,O,3,19%,29%,、,B,2,O 10%,20%,、,Li,2,O 0.1%,1%,。, 高模量玻璃纤维,氧化铍具有大幅度提高玻璃纤维弹性模量的效应。含铍的高弹玻璃纤维，例如美国的,YM-31A,玻璃（简称,M,玻璃。,2.3,碳纤维,概述,碳纤维,（,CF,）：由有机纤维在,惰性气氛,中经,高温碳化,而成的纤维状聚合物碳，是一种非金属材料。碳纤维性能优异，不仅重量轻、比强度高、模量高，而且耐热性高以及化学稳定性好（除硝酸的少数强酸外，几乎对所有药品均稳定，对碱也稳定。其制品具有非常优良的,X,射线透过性，阻止中子透过性，还可赋予塑料以导,电性,和,导热,性。以碳纤维为增强体的复合材料具有比钢强比铝轻的特性。,2.3.2,碳纤维,分类,1.,根据碳纤维的,性能,分类,（,1,）高性能碳纤维（包括高强度碳纤维、高模量碳纤维、中模量碳纤维等）；,（,2,）低性能碳纤维（包括耐火纤维、碳质纤维、石墨纤维等）。,2.,根据,原丝,类型分类,（,1,）聚丙烯腈基纤维；,（,2,）粘胶基碳纤维；,（,3,）沥青基碳纤维；,（,4,）木质素纤维基碳纤维；,（,5,）其他有机纤维基（各种天然纤维、再生纤维、缩合多环芳香族合成纤维）碳纤维。,3.,根据碳纤维,功能,分类,（,1,）受力结构用碳纤维；,（,2,）耐焰碳纤维；,（,3,）活性碳纤维（吸附活性）；,（,4,）导电用碳纤维；,（,5,）润滑用碳纤维；,（,6,）耐磨用碳纤维。,2.3.3,碳纤维的,性能,碳纤维具有,低密度、高强度、高模量、耐高温、耐化学腐蚀、低电阻、高热传导系数、低热膨胀系数、耐辐射,等优异的性能。,1.,力学性能,碳纤维的拉伸性能与纤维,形状,有很大关系。随纤维形状不同，拉伸强度与模量出现不同的变化趋势，与圆形纤维相比，狗骨形截面纤维强度升高，模量也升高。,2.,物理性质,碳纤维比重在,1.5,2.0 g/cm,3,之间，与原丝结构和碳化温度有关；膨胀系数有各向异性特点；碳纤维的比热为,.0712 kJ,；导热率有方向性；碳纤维的比电阻与纤维的类型有关，在,25,时，高模量纤维为,775cm,，高强度碳纤维为,1500cm,，且碳纤维电动势为正，与铝合金相反。,3.,化学性质,碳纤维的化学性质与碳很相似。它除能被强氧化剂氧化以外，对一般酸碱多是惰性的。在不接触空气时，碳纤维在高于,1500,时强度才下降。另外，碳纤维还有很好的耐低温性能，还能耐油、抗放射、抗辐射、吸收有毒气体和减速中子等特性。,碳纤维的制造方法,依靠不同的原料和生产方法，可以产生出不同强度和模量的碳纤维，热解法制造碳纤维的工艺基本步骤如下：,1,纤维化,:,聚合物熔化或溶解后制成纤维。,2,稳定,（氧化或热固化）,:,通常在相对低的温度（,200,450,）和空气中进行，这个过程使这些聚合物纤维在以后高温中不被熔化。,3,碳化,:,碳化一般在,1000,2000,的惰性气体保护下（通常是,N2,）进行，纤维经过碳化后，其含碳量一般已达到,85,99,。,4,石墨化,:,石墨化是在,2500,以上的氢气保护下进行，纤维在石墨化后，碳含量达到了,99,以上，同时纤维内分子排列具有很高的定向程度。,聚丙烯腈基碳纤维,聚丙烯腈（,PAN,）基碳纤维的制造工艺流程如下：,1.,聚丙烯腈基碳纤维的,制备,聚丙烯腈基碳纤维的制造包括,PAN,纤维的制备,、,PAN,纤维的,预氧化,（温度,180,380,）、,碳化,（温度为,1500,）和,石墨化,过程,。,（,1,）,PAN,纤维的制备,PAN,纤维的制备分为两个步骤，一是丙烯腈的,聚合,；二是聚丙烯腈的,纺丝,。,丙烯腈的聚合方法很多，自由基聚合主要有,溶液聚合、乳液聚合、悬浮聚合和本体聚合,。按聚合单体的配比可分为,共聚和均聚,；按聚合所用的溶剂可分为,有机溶剂和无机溶剂,；按聚合和纺丝工艺又可分为,一步法和二步法,。,PAN,纤维的,预氧化,：预氧化的目的是使热塑性,PAN,线型大分子链转化为非塑性耐热梯形结构，使其在碳化高温下不熔不燃，保持纤维形态，热力学处于稳定状态，最后转化为具有乱层石墨结构的碳纤维。,聚丙烯腈纤维的预氧化程度对制备高性能碳纤维有着重大的影响，因此提出了各种控制预氧化程度的指标。,A,氧含量。,B,残存氰基浓度。,C,吸湿率。,碳化,：,PAN,原丝经预氧化处理后转化为耐热梯形结构，再经低温碳化和高温碳化转化为具有乱层石墨结构的碳纤维。,石墨化,：石墨化是指在高的热处理温度下由无定形、乱层结构的碳材料向三维石墨结构转化。,石墨化的,目的,：为了获得高模量的石墨纤维或者高强、高模的高性能碳纤维。,（,2,）,PAN,纤维生产中,影响质量,的因素,杂质和灰尘,对原丝质量的影响。, 聚合物,相对分子质量,对碳纤维性能的影响。随着相对分子质量的增大，表现为特性粘度加大，分子间范德华力增大，分子间不易滑移，相当于分子间形成了物理交联点，因此其力学性能提高。但相对分子质量也不应过高，否则粘度太大纺丝困难，得到的纤维易变脆。, 聚合物,结晶度、分子取向度,对碳纤维性能的影响。聚合物的结晶度高，分子间排列紧密有序，孔隙率低，分子间相互作用增强，使链段不易运动，提高了聚合物的强度。分子取向度的提高也可使碳纤维的强度提高，因为通过牵伸使分子沿轴向排列，使轴向抗拉强度提高。但也应防止过度牵伸，因为过度牵伸会造成碳纤维中产生裂纹和缺陷。,（,3,）提高原丝质量的方法有以下几种：, 丙烯腈单体,原料纯度,要高，含杂质少。聚合物相对分子质量控制在,810,4,左右。, 纺丝液应,多次脱泡过滤,，除去原料中气泡、粒子等杂质。, 纺丝环境应,干净、清洁、灰尘少,。空气中灰尘也会造成原丝中的缺陷。, 原丝生产中应注意提高其,结晶度和取向度,。,3. PAN,基碳纤维的性能,碳纤维的应用与发展,1.,在航空航天,领域的应用,CF,增强复合材料的,比强度高,，可用于飞机机翼、尾翼以及直升机桨叶。各种宇宙飞行器、探测器、空间站和人造卫星等在太空轨道中飞行以及航天飞机和战略武器重返大气层需经苛刻的高温环境，在这种恶劣的环境中飞行。比如洲际弹道导弹再入大气层的温度高达,6600 ,，任何金属材料都会化为灰烬，只有碳,/,碳复合材料仅烧蚀减薄，不会熔融。,2,在,汽车及交通运输,使汽车,轻量化,，,多功能,性。,3,在土木建筑,其中纤维增强复合材料发展较快，因为其具有高比强度、高比模量、阻燃及耐腐蚀等性能以及导电、电磁屏蔽等性能。,4,在,医疗器械,和医用器材,生物具有良好的组织,相容性,和,血液相容性,，可作为人体,植入材料,。碳纤维具有,诱发组织再生,功能，促进新生组织的再生并在植入碳纤维周围形成。可应用于,外伤包扎带,、医疗加热毯、灭菌除臭褥等。,5,在体育娱乐器材,高档的羽毛球拍、网球拍、钓芳、高尔夫球棒和赛车等几乎都是用碳纤维复合材料制备的。,2.4,芳纶纤维（有机纤维）,2.4.1,概述,芳纶纤维结构中聚合物的主链由,芳香环和酰胺基,构成。芳纶纤维有两大类：,全芳族聚酰胺纤维,和,杂环芳族聚酰胺纤维,。,芳纶纤维的制备,聚对苯二甲酰对苯二胺（,PPTA,）是以,对苯二甲酰氯或对苯二甲酸和对苯二胺,为原料，在强极性溶剂（,N-,甲基吡咯烷酮）中，通过低温溶液缩聚或直接缩聚反应而得，其反应式如下：,将缩聚反应制得的聚合物溶于浓硫酸中配成临界浓度以上的溶致液晶纺丝液，纺丝后经洗涤、干燥或热处理，可以制得各种规格的纤维。,芳纶纤维的结构与性能,1.,力学性能,拉伸强度高，冲击性能好，断裂伸长可达,3%,左右。,2.,热稳定性,芳纶纤维有良好的热稳定性，耐火而不熔；当温度达,487,时尚不熔化，但开始碳化；在高温作用下，它直至分解不发生变形，能在,180,下长期使用。,热膨胀系数和碳纤维一样具有,各向异性,的特点。,3.,化学性能,耐介质性能，对中性化学药品的抵抗力较强，易受各种酸碱的侵蚀，尤其是强酸的侵蚀；由于结构中存在着极性的酰胺键使其,耐水性不好,。,4.,结构,对苯二甲酰对苯二胺的聚合体，经溶解转为液晶纺丝而成。,芳纶纤维的,用途,芳纶纤维主要用作环氧、聚酯和其他树脂的增强材料，制成各种航空、宇航和其他军事用途的构件。,2.5,玄武岩纤维,2.5.1,发展现状,一种新型绿色环保材料出现于上世纪,60,年代初，从,70,年代开始，美国和德国的科学家先后对玄武岩连续纤维的制备进行了大量的研究。,是以纯天然火山岩为原料，在,1450,1500,熔融后，通过,铂铑合金拉丝漏板,高速拉制而成的连续纤维，以玄武岩纤维为增强体可制成多种复合材料。既是,21,世纪符合生态环境要求的绿色新材料。,2.5.2,玄武岩纤维（,BF,）的,组成及结构,由玄武岩矿石经,熔融、拉丝,、等工艺制得，纤维密度在,2.6,3.05 g/cm,3,之间，主要组份为二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁、氧化亚铁、二氧化钛、氧化钠等。各组份含量如表,2-9,所示（随产地的不同含量存在差异）。,组份中硅氧化物所占比例最大，由它形成了纤维的,链状,结构骨架，,Al,2,O,3,也进入结构骨架网络中，链的侧方由阳离子铁、钛、钠等进行连接形成结构稳定的非晶态物质。各组份对玄武岩连续纤维性能产生不同的影响。,2.5.3,玄武岩纤维的性能,玄武岩连续纤维属于非晶态物质，化学稳定性好，使用温度范围大（工作温度约为,-269,900,），具有良好的力学性能，导热系数及吸湿能力低且不随温度变化，无毒、不易燃，废弃后可天然降解，是一种“绿色环保材料”。,1.,热稳定性,导热系数低，在,25,下玄武岩纤维板的导热系数仅为,0.04W/(mK),。玄武岩纤维为非晶态物质，使用温度,高于,玻璃纤维,2.,声绝缘性,随着频率增加，其,吸音系数,显著增加。,隔音和吸音效果好,，采用玄武岩连续纤维制作的隔音材料在航空、船舶等领域有着广阔的前景。,3.,介电性能、电绝缘性能和电磁波,的透过性,良好的,介电性能,。体积电阻率比玻璃纤维要高一个数量级,，,可用于制造新型耐热介电材料,。,具有比玻璃纤维高的电绝缘性和对电磁波的高透过性。由玄武岩纤维制造高压电绝缘材料、低压的电器装置、天线整流罩以及雷达无线电装置的前景十分广阔。,4.,化学稳定性,良好的,耐酸、碱性,，,耐水性,也相当强，属于一级耐水材料,。,玄武岩连续纤维的,吸湿性极低,，吸湿能力只有,0.2%,0.3%,，而且吸湿能力不随时间变化，这就保证了它在使用过程中的热稳定性、长寿命和环境协调性。玄武岩细纤维的耐水性远优于玻璃纤维。,5.,绿色环保性,6.,机械性能,具有优良的机械性能，拉伸强度、弹性摸量及断裂伸长率都较大，可代替,GF,、,CF,等充当复合材料的增强体，且性价比较其优越。,BF,的制备,1.,原料选择,各组份含量必须满足一定要求,(,见表,2-14),，而且玄武岩中基本酸性氧化物与碱性氧化物比值的酸性模量要在,3,6.5,之间，即：,6.5( SiO,2,+ A1,2,0,3,)/(CaO+MgO),3(,酸性模量在一定程度上反应了玄武岩连续纤维的化学稳定性及使用寿命的高低,),。,2.,生产工艺步骤：,BF,应用,1.,土工和建筑材料,（,1,）土工织物、涂层织物,玄武岩连续纤维编织物和无捻粗纱制成的土工织物,(,土工格栅、土工布等,),可用来,加固堤坝,和水电站,水坝,，可增强高速公路和立交桥的地基，用在经常被高湿度、酸、碱、盐类介质作用的建筑结构中能有效地,防止发生建筑物发生裂缝、龟裂,等质量问题。,（,2,）水泥基复合材料。,代替钢筋增强混凝土,。由于玄武岩纤维具有较高的强度、弹性模量、耐高温和优良的耐化学腐蚀性能，其在水泥基复合材料中具有广阔的应用前景。,2,结构复合材料增强纤维,可用于石油,开采、炼油、天然气化工、石油化工等工业管道,，可大幅度减少检修期和避免断裂，特别对于腐蚀性液体和气体的输送管道具有更好的使用效果和性价比。,3,过滤材料,利用原料可,天然降解性,开发出性能优良的绿色复合材料，从源头控制污染， “零排放”。,4,军工、航空航天材料,在,宇宙飞船、火箭、导弹、战斗机、核潜艇、军舰、坦克等武器,装备的国防军工领域及航空航天领域也有广泛的应用。它可以促进军队武器装备的升级换代，增强军队的战斗力，可在某些领域替代碳纤维，降低武器装备的制造成本。,5,其它用途,比如日常用品中的,快餐盒、纸杯,等一次性产品，农业用品中的,育苗钵,，,工,业用品的,摩擦材料、热绝缘材料、介电材料和造船材料,等。,2.6,其它纤维,2.6.1,碳化硅纤维,1,概述,以,碳和硅,为主要组分的一种,陶瓷,纤维。,按其,形态,可分为,:,连续,纤维、,晶须,和,短切,纤维；,按其,结构,可分为,:,单晶,和,多晶纤维,；,按其,集束,状态可分为,:,单丝和束丝,纤维。,利用,先驱体转化法或化学气相沉积,法能够制成使用温度极高的,SiC/SiC,复合材料。,2. SiC,纤维的制备,（,1,）化学气相沉积法,（,CVD,）,CVD,：,制备的碳化硅纤维是一种复合纤维。其制法是在管式反应器中采用水银电极直接用直流电或射频加热，将钨丝或碳丝加热到,1200,以上，并通入氯硅烷和氢气的混合气体，在灼热的芯丝表面上反应生成碳化硅并沉积在芯丝表面。,CVD,法,步骤,： 反应气体向热芯丝表面迁移扩散； 反应气体被热芯丝表面吸附； 反应气体在热芯丝表面上裂解； 反应尾气的分解和向外扩散。,（,2,）,先驱体法,运用,控制聚合物热解方法,制得,SiC,纤维的方法称为先驱体法。,3,碳化硅纤维的性能,（,1,）化学气相沉积,SiC,纤维的性能,CVD,碳化硅纤维具有很高的室温拉伸强度和拉伸模量，突出的高温性能和抗蠕变性能。,（,2,）先驱体法制备的,SiC,纤维的性能,主要,特性,： 拉伸强度和拉伸模量高，密度小；耐热性好，在空气中可长期于,1100,使用； 与金属反应性小，浸润性良好，在,1000,以下几乎不与金属发生反应； 纤维具有半导体性，可以通过不同的处理温度来控制所生产的纤维的导电性； 纤维细，柔曲性好，易编成各种织物，可制备形状复杂的复合材料制品； 耐腐蚀性优异。,4,SiC,纤维的应用,具有耐高温、耐腐蚀、耐辐射的性能，所以碳化硅纤维是一种理想的,耐热材料,。,2.6.2,硼纤维,将硼元素通过高温化学气相法沉积在钨丝的表面的高性能增强纤维，具有很高的比强度和比模量。硼纤维具有良好的力学性能，强度高、模量高、密度小。,1,硼纤维的制备,CVD,法生产，其制备方法是在连续移动的钨丝或碳丝基体上，三氯化硼与氢气的混合物加热至,1300,，发生下列反应，反应生成的硼沉积在钨丝上，制得直径为,100,200 m,的连续单丝硼纤维。,2.,硼纤维的,结构和形态,气相沉积时的温度，混合气体组分，气体的动力等因素。硼有多种结晶体，当化学气相沉积温度在,1300,以上时形成,-,菱形结晶。而在,1300,以下，最普通的结构是,-,菱形结晶。,3.,硼纤维的,性能,由于硼纤维中的复合组分，复杂的残余应力以及一些空隙或结构不连续的缺陷等，因此，实际硼纤维的强度与理论值有一定的距离，通常硼纤维的平均拉伸强度是,3,4GPa,，弹性模量在,380,400GPa,，硼纤维的密度为,2.34 kg/m,3,（比铝小,15% ),，熔点,2040,，在,315,以上热膨胀系数为,4.8610-8 K,-1,。,2.6.3 Al,2,O,3,纤维,Al,2,O,3,纤维是多晶陶瓷纤维，以氧化铝为主要成分，含有少量的氧化硅、氧化硼或氧化锆、氧化镁。一般将含氧化铝大于,70%,的纤维称为氧化铝纤维，而将氧化铝含量小于,70%,，其余为二氧化硅和少量杂质的纤维称为硅酸铝纤维。,优点,:,高强度、高模量、超常的耐热性和耐高温氧化性，可应用在,1400,的高温场合。与碳纤维和金属纤维相比，可以在更高温度下保持很好的抗拉强度；其表面活性好，易于与金属、陶瓷基体复合；同时还具有热导率小，热膨胀系数低，抗热震性好，具有独特的电学性能和抗腐蚀等一系列特点。,1.,Al,2,O,3,纤维的性能,具有优异的机械性能和耐热性能，其特点为：,耐热性好,；,不被熔融金属侵蚀,，可与金属很好复合；,表面活性好,，不需要表面处理；, 具有,极高的耐化学腐蚀和抗氧化性,；, 用氧化铝增强的复合材料具有优良的抗压性能，压缩强度是,GFRP,的三倍，,耐疲劳强度也很高,；,电气绝缘、电波透过性好,，与玻璃钢相比，它的介电常数和损耗角正切小，且随频率的变小，电波透过性更好。,2.,氧化铝纤维的制备,(1),熔融纺丝法,首先将氧化铝在电弧炉或电阻炉中熔融，用压缩空气或高压水蒸气等喷吹熔融液流，使之呈长短、粗细不均的短纤维，这种制造方法称之为喷吹工艺。,(2),淤浆纺丝法,该法是把,0.5m,以下的氧化铝微粒在增塑剂羟基氧化铝和少量的氯化镁组成的淤浆液进行纺丝，然后在,1300,的空气中烧结，就成为氧化铝多晶体纤维，再在,1500,气体火焰中处理数秒，使结晶粒之间烧结，得到连续的氧化铝纤维。,2.6.4,晶须,晶须是指由高纯度单晶生长而成的直径几微米、长度几十微米的单晶纤维材料。由于其原子结构排列高度有序，结构完整难以容纳大晶体中常存的缺陷，故其机械强度近似等于原子间价键力的理论强度，是一类力学性能十分优异的新型复合材料补强增韧材料。晶须是目前已知纤维中强度最高的，其机械强度等于相邻原子间的作用力。,晶须是以单晶结构生长的直径极小的短纤维。由于直径小（小于,3m ),，晶体中缺陷少，其原子排列高度有序，故其强度接近于原子间键力的理论值。晶须可用作高性能复合材料的增强材料，以增强金属、陶瓷和聚合物。,几种常见晶须的性能见表,2-18,。,复习题,1,概念题：复合材料、化学气相沉积,2,玻璃纤维按成分分为哪几种,3,聚合物基复合材料的性能特点,4,碳纤维的生产工艺,5,玄武岩纤维各组分的作用,6,选择聚合物基体的原则,