第2章 增強體材料

1、第第2 2章章 增強體材料增強體材料 種類、性能、制備方法及應(yīng)用種類、性能、制備方法及應(yīng)用 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 增強體的分類增強體的分類 纖維類增強體纖維類增強體 晶須類增強體晶須類增強體 金屬絲金屬絲 顆粒類增強體顆粒類增強體 基本要求基本要求熟悉使用工況和成本熟悉使用工況和成本 了解增強體的種類、制備方法及應(yīng)用領(lǐng)域了解增強體的種類、制備方法及應(yīng)用領(lǐng)域 掌握設(shè)計選擇適當?shù)脑鰪婓w掌握設(shè)計選擇適當?shù)脑鰪婓w 增強體增強體 三要素之一三要素之一 主要作用主要作用 主要類型主要類型 選擇原則選擇原則 纖維類增強體的力學(xué)性能比較纖維類增強體的力學(xué)性能比較 碳纖維：碳纖維： 7000 MPa (T1000)

2、 1.8 g/cm3 2% Elongation 石墨纖維：石墨纖維： 7000 MPa (P130) 2.1 g/cm3 1.510-6 /K 碳纖維的理論強度為碳纖維的理論強度為180GPa180GPa，目前世界上強度最高的碳纖維，目前世界上強度最高的碳纖維 T1000T1000（日本東麗公司）的拉伸強度也僅是理論值的（日本東麗公司）的拉伸強度也僅是理論值的3.93.9， 而國產(chǎn)碳纖維的拉伸強度則更低，所以提高碳纖維的拉伸強而國產(chǎn)碳纖維的拉伸強度則更低，所以提高碳纖維的拉伸強 度有很大的潛力和空間。度有很大的潛力和空間。 高的比強度、比模量、高導(dǎo)熱性、高的比強度、比模量、高導(dǎo)熱性、 耐熱性

3、、耐磨性、低熱膨脹性等，耐熱性、耐磨性、低熱膨脹性等， 以便賦予金屬基體某種所需的特以便賦予金屬基體某種所需的特 性和綜合性能。性和綜合性能。 在金屬基復(fù)合材料制備和使用過在金屬基復(fù)合材料制備和使用過 程中其組織結(jié)構(gòu)和性能不發(fā)生明程中其組織結(jié)構(gòu)和性能不發(fā)生明 顯的變化和退化，與金屬基體有顯的變化和退化，與金屬基體有 良好的化學(xué)相容性，不發(fā)生嚴重良好的化學(xué)相容性，不發(fā)生嚴重 的界面反應(yīng)。的界面反應(yīng)。 與金屬有良好的浸潤性，或通過與金屬有良好的浸潤性，或通過 表面處理能與金屬良好浸潤，基表面處理能與金屬良好浸潤，基 體良好復(fù)合和分布均勻。此外，體良好復(fù)合和分布均勻。此外， 增強物的成本也是應(yīng)考慮的

4、一個增強物的成本也是應(yīng)考慮的一個 重要因素。重要因素。 能明顯提高金屬基能明顯提高金屬基 體所需的某種特性體所需的某種特性 具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性 有良好的浸潤性有良好的浸潤性 金屬基復(fù)合材料的增強物金屬基復(fù)合材料的增強物應(yīng)具有以下基本特性應(yīng)具有以下基本特性 2.1.1 2.1.1 纖維類增強體纖維類增強體 纖維類增強物有連續(xù)長纖纖維類增強物有連續(xù)長纖 維和短纖維。維和短纖維。 2.1.2 2.1.2 顆粒類增強體顆粒類增強體 顆粒增強體分外加和內(nèi)生顆粒增強體分外加和內(nèi)生 兩種，一般是具有高強度、兩種，一般是具有高強度、 高模量、耐熱、耐磨性好、高模量、耐熱、耐磨性好、 耐高

5、溫的陶瓷、石墨等非金耐高溫的陶瓷、石墨等非金 屬顆粒。屬顆粒。 2.1.3 2.1.3 晶須類增強體晶須類增強體 晶須是在人工條件下生晶須是在人工條件下生 長出來的細小單晶。由于長出來的細小單晶。由于 細小組織結(jié)構(gòu)缺陷少，具細小組織結(jié)構(gòu)缺陷少，具 有很高的強度和模量。有很高的強度和模量。 2.1.4 2.1.4 其它增強體其它增強體 用于金屬基復(fù)合材料的用于金屬基復(fù)合材料的 高強度、高模量金屬絲增高強度、高模量金屬絲增 強物主要有鐵絲、高強度強物主要有鐵絲、高強度 鋼絲、不銹鋼絲和鎢絲等。鋼絲、不銹鋼絲和鎢絲等。 2.1 增強體的分類增強體的分類 2.2 纖維類纖維類增強體增強體 2.2.1

6、2.2.1 碳纖維碳纖維 一種高強度、高模量材料，理論上大多數(shù)有機纖維都可被制成碳纖維。一種高強度、高模量材料，理論上大多數(shù)有機纖維都可被制成碳纖維。 實際用作碳纖維原料的有機纖維主要有三種：實際用作碳纖維原料的有機纖維主要有三種： 粘膠纖維；粘膠纖維； 瀝青纖維；瀝青纖維； 聚丙烯腈纖維。聚丙烯腈纖維。 發(fā)展史發(fā)展史 20世紀世紀60年代；年代； 20世紀世紀80年代：年代： 20世紀世紀90年代：年代： 2020世紀世紀8080年代以來，國外許多以年代以來，國外許多以PANPAN纖維為原料制造碳纖維的廠家在原料供纖維為原料制造碳纖維的廠家在原料供 應(yīng)及碳纖維的生產(chǎn)、供銷方面進行廣泛合作與競

7、爭，促進了應(yīng)及碳纖維的生產(chǎn)、供銷方面進行廣泛合作與競爭，促進了PANPAN基基 碳纖維工業(yè)的長足發(fā)展。碳纖維工業(yè)的長足發(fā)展。 19691969年，日本東麗公司研究成功特殊的單體共聚年，日本東麗公司研究成功特殊的單體共聚PANPAN基碳纖維，結(jié)合美基碳纖維，結(jié)合美 國聯(lián)合碳化物公司國聯(lián)合碳化物公司(Union Carbide)(Union Carbide)的碳化技術(shù)，生產(chǎn)出高強的碳化技術(shù)，生產(chǎn)出高強 度、高模量碳纖維。度、高模量碳纖維。 19591959年，日本的進藤昭男發(fā)明了用聚丙烯腈年，日本的進藤昭男發(fā)明了用聚丙烯腈(PAN)(PAN)原絲生產(chǎn)碳纖維的方法原絲生產(chǎn)碳纖維的方法; ; 1962

8、1962年，日本東麗公司開始生產(chǎn)并研制用于生產(chǎn)碳纖維的專用優(yōu)質(zhì)原絲，年，日本東麗公司開始生產(chǎn)并研制用于生產(chǎn)碳纖維的專用優(yōu)質(zhì)原絲， 并于并于19671967年成功生產(chǎn)年成功生產(chǎn)T300PANT300PANCFCF； 英國考陶爾公司英國考陶爾公司(Courtaulds)(Courtaulds)利用這項技術(shù)開始生產(chǎn)高強度、高利用這項技術(shù)開始生產(chǎn)高強度、高 模量模量PANPAN基碳纖維?；祭w維。 英國皇家航空研究所的英國皇家航空研究所的WattWatt等人，對等人，對PANPAN纖維生產(chǎn)進行技術(shù)改進；纖維生產(chǎn)進行技術(shù)改進； 美國、前蘇聯(lián)、法國、德國、印度、南斯拉夫、以色列、韓國也美國、前蘇聯(lián)、法國、

9、德國、印度、南斯拉夫、以色列、韓國也 都引進或開發(fā)了都引進或開發(fā)了PANPAN原絲及碳纖維的生產(chǎn)。其中，日本東麗公司的原絲及碳纖維的生產(chǎn)。其中，日本東麗公司的 碳纖維研發(fā)與生產(chǎn)一直處于世界領(lǐng)先水平，碳纖維研發(fā)與生產(chǎn)一直處于世界領(lǐng)先水平，3000MPa3000MPa。 2020世紀世紀9090年代后，由于年代后，由于PANPAN基碳纖維性能優(yōu)越，應(yīng)用領(lǐng)域日益擴展。目前世基碳纖維性能優(yōu)越，應(yīng)用領(lǐng)域日益擴展。目前世 界界PANPAN基碳纖維已進入發(fā)展旺盛的成熟期，基碳纖維已進入發(fā)展旺盛的成熟期，IM7IM7和和IM8IM8的強度達到的強度達到 5300MPa5300MPa。 2.2.1.1 2.2.

10、1.1 碳纖維的分類碳纖維的分類 按力學(xué)性能按力學(xué)性能 超高模量（超高模量（UHMUHM）碳纖維）碳纖維 超高強度（超高強度（UHSUHS）碳纖維）碳纖維 高強度（高強度（HSHS）碳纖維）碳纖維 高模量（高模量（HMHM）碳纖維）碳纖維 聚丙烯腈聚丙烯腈PAN PAN 碳纖維碳纖維 粘膠碳纖維粘膠碳纖維 瀝青碳纖維瀝青碳纖維 24K24K以下為宇航級小絲束碳纖維以下為宇航級小絲束碳纖維 （1K1K為為10001000根單絲）根單絲） 48K48K以上為工業(yè)級大絲束碳纖維以上為工業(yè)級大絲束碳纖維 按原材料分按原材料分 按用途分類按用途分類 各種材質(zhì)碳纖維的主要性能表各種材質(zhì)碳纖維的主要性能表

11、2.2.1.2 2.2.1.2 主要性能主要性能 耐酸性能好，超過惰性金屬黃金和鉑金；耐酸性能好，超過惰性金屬黃金和鉑金； 熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱系數(shù)大；熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱系數(shù)大； 強度高，大于強度高，大于1600MPa1600MPa； 高模量，大于高模量，大于230MPa230MPa； 密度小，比強度高；密度小，比強度高； 耐超高溫，耐超高溫，20002000正常使用；正常使用； 耐低溫，在耐低溫，在-180-180保持柔軟；保持柔軟； 軸向抗剪切模量較低，延伸率小，耐沖擊差，軸向抗剪切模量較低，延伸率小，耐沖擊差， 并且并且 后加工后加工 較為困難。較為困難。 導(dǎo)電性能好（導(dǎo)電性能好（5 51

12、7m17m）；）； 防原子輻射，能使中子減速；防原子輻射，能使中子減速； 2.2.1.3 2.2.1.3 碳纖維的制造碳纖維的制造 原材料原材料 人造絲人造絲( (粘膠纖維粘膠纖維) )； 聚丙烯腈聚丙烯腈(PAN)(PAN)纖維；纖維； 瀝青。瀝青。 (1)(1)拉絲：可用濕法、干法或者熔融狀態(tài)三種任意一種；拉絲：可用濕法、干法或者熔融狀態(tài)三種任意一種； (2)(2)牽伸：在室溫以上，通常是牽伸：在室溫以上，通常是100100300300范圍內(nèi)進行；范圍內(nèi)進行； (3)(3)穩(wěn)定：通過穩(wěn)定：通過400400加熱氧化的方法；加熱氧化的方法； (4)(4)碳化：在碳化：在100010002000

13、2000范圍內(nèi)進行；范圍內(nèi)進行； (5)(5)石墨化：在石墨化：在2000200030003000范圍內(nèi)進行。范圍內(nèi)進行。 生生 產(chǎn)產(chǎn) 工工 序序 Synthesis of carbon fiber from polyacrylonitrile (PAN): 1) Polymerization of acrylonitrile to PAN, 2) Cyclization during low temperature process, 3) High temperature oxidative treatment of carbonization (hydrogen is removed).

14、After this, process of graphitization starts where nitrogen is removed and chains are joined into graphite planes. 2.2.2 2.2.2 硼纖維硼纖維 硼纖維是一種將硼元素通過硼纖維是一種將硼元素通過高溫化學(xué)氣相沉積高溫化學(xué)氣相沉積在鎢絲表在鎢絲表 面制成的高性能增強纖維，具有很高的比強度和比模量，也面制成的高性能增強纖維，具有很高的比強度和比模量，也 是制造金屬基復(fù)合材料最早采用的高性能纖維。是制造金屬基復(fù)合材料最早采用的高性能纖維。 美國是世界上研究開發(fā)硼纖維最主要的國家，該

15、纖維在上美國是世界上研究開發(fā)硼纖維最主要的國家，該纖維在上 世紀世紀6060年代初是由美國空軍材料研究室年代初是由美國空軍材料研究室(AFML)(AFML)首先研究開發(fā)首先研究開發(fā) 的，用于高性能的，用于高性能尖端飛機尖端飛機的制造，并受到美國國防部的高度的制造，并受到美國國防部的高度 重視，現(xiàn)已投入正式生產(chǎn)。重視，現(xiàn)已投入正式生產(chǎn)。 美國美國TEXTRON SYSTEMS(TEXTRON SYSTEMS(泰克斯特郎系統(tǒng)公司泰克斯特郎系統(tǒng)公司) )是世界上研制是世界上研制 生產(chǎn)硼纖維及其復(fù)合材料最著名公司之一，硼纖維是該公司的生產(chǎn)硼纖維及其復(fù)合材料最著名公司之一，硼纖維是該公司的 一種重要產(chǎn)品

16、。一種重要產(chǎn)品。該公司用鎢絲作為芯材，三氯化硼氣體作為硼該公司用鎢絲作為芯材，三氯化硼氣體作為硼 源，用源，用CVD(CVD(化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積) )工藝來制備連續(xù)單絲硼纖維。工藝來制備連續(xù)單絲硼纖維。 此外，瑞士、英國、日本等國也開發(fā)出硼纖維。此外，瑞士、英國、日本等國也開發(fā)出硼纖維。 2.2.2.1 2.2.2.1 硼纖維的制造硼纖維的制造 硼纖維直徑大小可以通過調(diào)節(jié)載體硼纖維直徑大小可以通過調(diào)節(jié)載體 纖維經(jīng)過沉積室的速度來調(diào)節(jié)，主要纖維經(jīng)過沉積室的速度來調(diào)節(jié)，主要 有有7575mm，100m100m和和140m140m三種規(guī)格。三種規(guī)格。 制造方法制造方法 最經(jīng)濟實用最經(jīng)濟實用化學(xué)

17、氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法(CVD(CVD法法) )； 乙硼烷熱分解法；乙硼烷熱分解法； 硼熔融法。硼熔融法。 通常以直徑為通常以直徑為12.512.5m的細鎢絲的細鎢絲 為芯材，通過反應(yīng)管電阻加熱，為芯材，通過反應(yīng)管電阻加熱， 化學(xué)混合的三氯化硼化學(xué)混合的三氯化硼(BCl(BCl3 3) )和和 氫氣氫氣(H(H2 2) )在反應(yīng)管的上部通入，在反應(yīng)管的上部通入， 加熱加熱13001300進行反應(yīng)，所生成進行反應(yīng)，所生成 的無定形硼沉積在芯材鎢絲表的無定形硼沉積在芯材鎢絲表 面上，形成硼纖維。面上，形成硼纖維。 2BCl3+3H2 2B+6HCl 1300 該工藝可靠，保證可以制得該工藝可靠，

18、保證可以制得 穩(wěn)定、均質(zhì)、高質(zhì)量的硼纖維。穩(wěn)定、均質(zhì)、高質(zhì)量的硼纖維。 TEXTRON SYSTEMSTEXTRON SYSTEMS公司的硼纖維生產(chǎn)公司的硼纖維生產(chǎn) 線每年具有生產(chǎn)線每年具有生產(chǎn)1575015750公斤硼纖維和公斤硼纖維和 2250022500公斤硼環(huán)氧預(yù)浸帶的能力。公斤硼環(huán)氧預(yù)浸帶的能力。 獨特的性能：抗壓強度是其拉伸強度的獨特的性能：抗壓強度是其拉伸強度的2 2倍（倍（6900MPa)6900MPa)。 ( (鎢絲直徑鎢絲直徑12.712.7m m，纖維直徑，纖維直徑101101m)m)碳纖維的性能表碳纖維的性能表 2.2.2.2 2.2.2.2 硼纖維的性能硼纖維的性能

19、2.2.2.3 2.2.2.3 與其它纖維性能比較與其它纖維性能比較 纖維和纖維和 生產(chǎn)單位生產(chǎn)單位 規(guī)格規(guī)格 m m 拉伸強度拉伸強度 MPa MPa 彈性模量彈性模量 GPa GPa 密度密度 g/cmg/cm3 3 TEXTRONTEXTRON鎢芯硼纖維鎢芯硼纖維 100,140100,14036003600400 400 2.572.57 TEXTRON SCS-6TEXTRON SCS-6碳化硅纖維碳化硅纖維 140140345034503803803.03.0 TEXTRON SCS-9TEXTRON SCS-9碳化硅纖維碳化硅纖維 140140345034503073072.82

20、.8 日本碳素日本碳素HI-NICALONHI-NICALON碳化硅纖維碳化硅纖維 1515280028002592592.74 2.74 日本日本UBE TYRANNOUBE TYRANNO碳化硅纖維碳化硅纖維 1010280028003000 3000 2002002.52.5 日本東麗日本東麗T300T300碳纖維碳纖維 7 73530 3530 2302301.761.76 美國杜美國杜FPFP氧化鋁纖維氧化鋁纖維 2020138013803803803.93.9 日本住友氧化鋁纖維日本住友氧化鋁纖維 1717150015002002003.23.2 2.2.3 2.2.3 碳化硅纖維

21、碳化硅纖維 以碳化硅為主要組分的一種陶瓷纖維；以碳化硅為主要組分的一種陶瓷纖維； 具有良好的高溫性能、高強度、高模量和化學(xué)穩(wěn)定性。具有良好的高溫性能、高強度、高模量和化學(xué)穩(wěn)定性。 碳化硅纖維碳化硅纖維 碳化硅碳化硅 2.2.3.1 2.2.3.1 碳化硅纖維的制備方法碳化硅纖維的制備方法 化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法 （CVDCVD法）法） 活性炭纖維轉(zhuǎn)化法活性炭纖維轉(zhuǎn)化法 擠壓法擠壓法 有機硅聚合物的有機硅聚合物的 熔融紡絲裂解轉(zhuǎn)化法熔融紡絲裂解轉(zhuǎn)化法 （即先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法）（即先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法） CVD CVD 法是最先制造法是最先制造SiCSiC纖維復(fù)合長單絲的方法纖維復(fù)合長單絲的方法; ; 1

22、9721972年美國年美國AVCOAVCO公司利用硼纖維的制造技術(shù)，制得公司利用硼纖維的制造技術(shù)，制得 直徑在直徑在100m100m以上的以上的 SiC/W SiC/W 或或 SiC/CSiC/C復(fù)合纖維。復(fù)合纖維。 SiClSiCl4 4/ /烷烴烷烴/ /氫氣等混合氣體氫氣等混合氣體 反應(yīng)室內(nèi)反應(yīng)室內(nèi) 沉積沉積 加熱加熱12001200 直徑直徑12.6m12.6m的鎢絲上的鎢絲上 直徑直徑33m33m的碳絲上的碳絲上 抗拉強度抗拉強度2.072.073.35GPa3.35GPa 模量模量410GPa410GPa 由于鎢絲和由于鎢絲和SiCSiC發(fā)發(fā) 生反應(yīng)生成生反應(yīng)生成W2CW2C和和

23、W5Si3W5Si3，在，在10001000 以上時，纖維的以上時，纖維的 強度急劇降低；強度急劇降低； C C絲可以避免上述情況的發(fā)生。絲可以避免上述情況的發(fā)生。 將有機物加熱變成無機物的過程，在遠古的時代便已經(jīng)利用了。將有機物加熱變成無機物的過程，在遠古的時代便已經(jīng)利用了。 近年來發(fā)明的將聚丙烯腈等有機纖維高溫碳化后制備碳纖維的近年來發(fā)明的將聚丙烯腈等有機纖維高溫碳化后制備碳纖維的 方法，在這個領(lǐng)域中已經(jīng)形成了工業(yè)化生產(chǎn)，除此以外，利用方法，在這個領(lǐng)域中已經(jīng)形成了工業(yè)化生產(chǎn)，除此以外，利用 有機硅聚合物作先驅(qū)體可以制得的陶瓷纖維研究如下表：有機硅聚合物作先驅(qū)體可以制得的陶瓷纖維研究如下表：

24、 先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法工藝流程圖先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法工藝流程圖 活性碳纖維轉(zhuǎn)化法的原理是：利用氣態(tài)的活性碳纖維轉(zhuǎn)化法的原理是：利用氣態(tài)的SiOSiO與多與多 孔炭反應(yīng)轉(zhuǎn)化生成孔炭反應(yīng)轉(zhuǎn)化生成SiCSiC纖維。纖維。 該方法包括活性炭纖維制備，在一定真空度下，于該方法包括活性炭纖維制備，在一定真空度下，于 1200120013001300下與下與SiOSiO氣體反應(yīng)并在氣體反應(yīng)并在N N2 2下高溫處理下高溫處理 （16001600）。）。 獲得的獲得的SiCSiC纖維是由纖維是由-SiC -SiC 微晶構(gòu)成，且含氧量低，微晶構(gòu)成，且含氧量低， 僅有僅有5.9%5.9%。 纖維的抗拉強度達到纖維的抗拉強度達到1

25、000MPa1000MPa以上。以上。 由于纖維仍存在有微孔和因為由于纖維仍存在有微孔和因為SiOSiO與碳轉(zhuǎn)化為與碳轉(zhuǎn)化為SiCSiC時，時， 會發(fā)生體積膨脹而造成微裂紋的產(chǎn)生導(dǎo)致強度低，會發(fā)生體積膨脹而造成微裂紋的產(chǎn)生導(dǎo)致強度低， 但可以作高溫功能纖維使用。但可以作高溫功能纖維使用。 SiC SiC粉在聚合物粘接劑存在下的擠出細絲，形成的細絲再燒結(jié)粉在聚合物粘接劑存在下的擠出細絲，形成的細絲再燒結(jié) 固化。通常是將粒徑在固化。通常是將粒徑在1.7m1.7m（亞微米）和燒結(jié)助劑和過量（亞微米）和燒結(jié)助劑和過量 的碳與適當?shù)木酆衔锝M成的混合物。其工藝流程如下：的碳與適當?shù)木酆衔锝M成的混合物。其工

26、藝流程如下： 2.2.3.2 SiC2.2.3.2 SiC纖維的性能及其應(yīng)用領(lǐng)域纖維的性能及其應(yīng)用領(lǐng)域 SiCSiC纖維具有抗拉強度和拉伸模量高，密度低；纖維具有抗拉強度和拉伸模量高，密度低； 耐熱性好，在空氣中可長期應(yīng)用于耐熱性好，在空氣中可長期應(yīng)用于1000100011001100使用；使用； 與金屬反應(yīng)性小，浸潤性好，在與金屬反應(yīng)性小，浸潤性好，在10001000以下幾乎不與金屬發(fā)以下幾乎不與金屬發(fā) 生反應(yīng)；生反應(yīng)； 纖維具有半導(dǎo)體性且隨組成不同，其電阻率在纖維具有半導(dǎo)體性且隨組成不同，其電阻率在1010-1 -1 10106 6 cm cm 之間可調(diào)；之間可調(diào)； 以先驅(qū)體法制得以先驅(qū)體

27、法制得SiCSiC纖維直徑細，易編織成各種織物；纖維直徑細，易編織成各種織物； 耐腐蝕性能優(yōu)異。耐腐蝕性能優(yōu)異。 2.2.4 2.2.4 氧化鋁纖維氧化鋁纖維 氧化鋁于本世紀四十年代由美國氧化鋁于本世紀四十年代由美國BWBW公司中央研究所首先研公司中央研究所首先研 制成功，七十年代末開始用于民用工業(yè)。制成功，七十年代末開始用于民用工業(yè)。 它以它以AlAl2 2O O3 3為主要成分為主要成分, , 有的還含有其它金屬氧化物如有的還含有其它金屬氧化物如SiOSiO2 2 和和B B2 2O O3 3等成分等成分, , 具有具有長纖、短纖、晶須長纖、短纖、晶須等形式。等形式。 優(yōu)點優(yōu)點：高強度、高

28、模量、超常的耐熱性和耐高溫氧化性；：高強度、高模量、超常的耐熱性和耐高溫氧化性； 與碳纖維和金屬纖維相比與碳纖維和金屬纖維相比, , 可以在更高溫度下保持可以在更高溫度下保持 很好的抗拉強度很好的抗拉強度; ;其表面活性好其表面活性好; ; 同時還具有熱導(dǎo)率小同時還具有熱導(dǎo)率小, , 熱膨脹系數(shù)低熱膨脹系數(shù)低, , 抗熱震性好等優(yōu)點；生產(chǎn)工藝簡單，成本抗熱震性好等優(yōu)點；生產(chǎn)工藝簡單，成本 低。低。 應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域：航空航天，軍工，高性能運動器材，高溫：航空航天，軍工，高性能運動器材，高溫 絕緣材料。絕緣材料。 1. 1. 淤漿法淤漿法 3. 3. 卜內(nèi)門法卜內(nèi)門法 5. 5. 基體纖維基體纖

29、維 浸漬溶液法浸漬溶液法 該法是以氧化鋁粉末為主要原料該法是以氧化鋁粉末為主要原料, , 同時加入分散劑、流變助劑、燒結(jié)助同時加入分散劑、流變助劑、燒結(jié)助 劑劑, , 分散于水中分散于水中, , 制成可紡漿料，經(jīng)制成可紡漿料，經(jīng) 擠出成纖，干燥、燒結(jié)得到直徑在擠出成纖，干燥、燒結(jié)得到直徑在 200um 200um 左右的氧化鋁纖維。左右的氧化鋁纖維。 2.2.4.12.2.4.1氧化鋁纖維制備氧化鋁纖維制備 該法與溶膠該法與溶膠- -凝膠法不同之處是凝膠法不同之處是 先驅(qū)體不形成均勻溶膠，而是通過加先驅(qū)體不形成均勻溶膠，而是通過加 入水溶性有機高分子來控制紡絲粘度入水溶性有機高分子來控制紡絲粘

30、度 以得到氧化鋁纖維。由于前驅(qū)體分子以得到氧化鋁纖維。由于前驅(qū)體分子 本身并不形成類線性聚合物，難以得本身并不形成類線性聚合物，難以得 到連續(xù)的氧化鋁長纖維，故其產(chǎn)品一到連續(xù)的氧化鋁長纖維，故其產(chǎn)品一 般是短纖維的形式。般是短纖維的形式。 這是一種新型的成型方法這是一種新型的成型方法, , 一般以鋁的一般以鋁的 醇鹽或無機鹽為原料醇鹽或無機鹽為原料, , 同時加入其它有同時加入其它有 機酸催化劑機酸催化劑, , 溶于醇溶于醇/ /水中水中, , 得到混合得到混合 均勻的溶液均勻的溶液, , 經(jīng)醇解經(jīng)醇解/ /水解和聚合反應(yīng)水解和聚合反應(yīng) 得到溶膠得到溶膠, , 濃縮的溶膠達到一定粘度后濃縮的溶

31、膠達到一定粘度后 進行紡絲進行紡絲, , 得到凝膠纖維得到凝膠纖維, , 隨后進行熱隨后進行熱 處理得到氧化鋁纖維。處理得到氧化鋁纖維。 2. 2. 溶膠溶膠 - - 凝凝 膠法膠法 日本住友化學(xué)公司的產(chǎn)品是以日本住友化學(xué)公司的產(chǎn)品是以AlAl2 2O O3 3為主為主 要成分要成分, ,并含有并含有B B2 2O O3 3、SiOSiO2 2的多晶纖維。采的多晶纖維。采 用預(yù)聚合法用預(yù)聚合法, , 先是用烷基鋁加水聚合成一先是用烷基鋁加水聚合成一 種聚鋁氧烷聚合物，將其溶解在有機溶劑種聚鋁氧烷聚合物，將其溶解在有機溶劑 中中, , 加入硅酸酯或有機硅化合物加入硅酸酯或有機硅化合物, , 使混

32、合使混合 物濃縮成粘稠液物濃縮成粘稠液, ,干法紡絲成先驅(qū)纖維。干法紡絲成先驅(qū)纖維。 再在再在600600空氣中裂解成含有氧化鋁和氧空氣中裂解成含有氧化鋁和氧 化硅等組成的無機纖維，最后在化硅等組成的無機纖維，最后在10001000以以 上燒結(jié)，得到微晶聚集態(tài)的連續(xù)氧化鋁纖上燒結(jié)，得到微晶聚集態(tài)的連續(xù)氧化鋁纖 維，其直徑維，其直徑10m10m左右。左右。 4.4.預(yù)聚合法預(yù)聚合法 此法采用無機鹽溶液浸漬基體纖此法采用無機鹽溶液浸漬基體纖 維維, , 經(jīng)過燒結(jié)除去基體纖維而得到經(jīng)過燒結(jié)除去基體纖維而得到 陶瓷纖維。缺點是成本高。陶瓷纖維。缺點是成本高。 美國杜邦公司利用淤漿法生產(chǎn)的FP氧化鋁纖維

33、 -Al-Al2 2O O3 3( (直徑小于直徑小于0.5m)0.5m) 漿料漿料 粘結(jié)劑粘結(jié)劑 羥基氯化鋁和鋁化鎂羥基氯化鋁和鋁化鎂 成纖成纖 干法干法 干燥干燥 燒結(jié)至燒結(jié)至18001800得到得到-Al-Al2 2O O3 3多晶纖維多晶纖維 質(zhì)量分數(shù)為質(zhì)量分數(shù)為99.9%99.9% 干法紡絲示意圖干法紡絲示意圖 溶膠溶膠- -凝膠法具有以下優(yōu)點凝膠法具有以下優(yōu)點: : 制品的均勻度高制品的均勻度高, , 尤其是多組分的制品尤其是多組分的制品, , 其均勻程度其均勻程度 可達分子或原子水平可達分子或原子水平; ; 制品純度高制品純度高, , 因為所用原料的純度高因為所用原料的純度高,

34、, 而且溶劑在處而且溶劑在處 理過程中容易被除去理過程中容易被除去; ; 燒結(jié)溫度比傳統(tǒng)方法約低燒結(jié)溫度比傳統(tǒng)方法約低400400500 ;500 ; 制備的氧化鋁纖維直徑小制備的氧化鋁纖維直徑小, , 因而拉伸強度有較大提高。因而拉伸強度有較大提高。 工藝簡單工藝簡單, , 可設(shè)計性強可設(shè)計性強, , 產(chǎn)品多樣化產(chǎn)品多樣化, , 是一種很有發(fā)是一種很有發(fā) 展前途的制備無機材料的方法。展前途的制備無機材料的方法。 美國美國3M3M公司生產(chǎn)公司生產(chǎn)NextelNextel系列氧化鋁纖維，系列氧化鋁纖維， 具代表性的品種是具代表性的品種是Nextel-312Nextel-312。 主要成分：主要成

35、分：6060AlAl2 2O O3 3，2424SiOSiO2 2，1414B B2 2O O3 3。 制備方法：制備方法：在含有甲酸根離子和乙酸根離子的氧化鋁溶在含有甲酸根離子和乙酸根離子的氧化鋁溶 液液中，加入作為硅組分的硅溶膠和作為中，加入作為硅組分的硅溶膠和作為氧化硼氧化硼組分的硼組分的硼 酸，制得混合溶膠，然后濃縮酸，制得混合溶膠，然后濃縮成紡絲成紡絲液，擠出紡絲，最液，擠出紡絲，最 后在溫度后在溫度10001000，一定一定張力條件下燒結(jié)，得到連續(xù)氧化張力條件下燒結(jié)，得到連續(xù)氧化 鋁纖維。鋁纖維。 性能：性能：使用溫度高達使用溫度高達14001400，抗拉強度達，抗拉強度達3100

36、MPa3100MPa，彈彈 性模量性模量高達高達380GPa380GPa。 用途：用途：隔熱材料隔熱材料 國外公司生產(chǎn)的高性能氧化鋁纖維。國外公司生產(chǎn)的高性能氧化鋁纖維。 （1 1）美國杜邦公司采用淤漿法生產(chǎn)）美國杜邦公司采用淤漿法生產(chǎn)FPFP氧化鋁纖維，氧化鋁含量為氧化鋁纖維，氧化鋁含量為99.999.9。 （2 2）日本日本Mitsui Mitsui MiningMining公司也通過淤漿法制得氧化鋁含量在公司也通過淤漿法制得氧化鋁含量在9595以上以上 的連續(xù)的連續(xù)氧化鋁纖維。氧化鋁纖維。 （3 3）美國）美國3m3m公司通過溶膠凝膠法生產(chǎn)公司通過溶膠凝膠法生產(chǎn)NextelNextel系

37、列氧化鋁纖維，其中較具系列氧化鋁纖維，其中較具 代表性代表性的品種是的品種是Nextel312Nextel312。 （4 4）日本住友化學(xué)公司采用預(yù)聚合法生產(chǎn)）日本住友化學(xué)公司采用預(yù)聚合法生產(chǎn)AltexAltex氧化鋁纖維，其組分氧化鋁纖維，其組分為為 AlAl2 2O O3 3、SiOSiO2 2和和B B2 2O O3 3。 （5 5）英國）英國ICIICI公司公司采用卜內(nèi)門法生產(chǎn)商品名為采用卜內(nèi)門法生產(chǎn)商品名為saffilsaffil的氧化鋁短纖維，的氧化鋁短纖維，其其 使用使用溫度可達溫度可達1200120016001600，已開始應(yīng)用在工業(yè)燒結(jié)爐的襯里上。，已開始應(yīng)用在工業(yè)燒結(jié)爐的襯

38、里上。 以上幾種氧化鋁纖維制備方法中。溶膠凝膠法工藝簡單，燒結(jié)溫度較以上幾種氧化鋁纖維制備方法中。溶膠凝膠法工藝簡單，燒結(jié)溫度較 低且制得的纖維均勻性好，純度高，可設(shè)計性強，產(chǎn)品多樣，已成為生產(chǎn)氧低且制得的纖維均勻性好，純度高，可設(shè)計性強，產(chǎn)品多樣，已成為生產(chǎn)氧 化鋁纖維的主要方法?；X纖維的主要方法。 氧化鋁纖維主要用于高溫絕熱材料（短纖維）和增強復(fù)合材料（長纖氧化鋁纖維主要用于高溫絕熱材料（短纖維）和增強復(fù)合材料（長纖 維），可以編織成無紡布、編織帶、繩索等各種形狀的纖維制品。維），可以編織成無紡布、編織帶、繩索等各種形狀的纖維制品。 2.3 2.3 晶須及顆粒增強體晶須及顆粒增強體 晶須

39、是在人工控制條件下以單晶形式生長成的一種纖維，是晶須是在人工控制條件下以單晶形式生長成的一種纖維，是 高技術(shù)新型復(fù)合材料中的一種特殊成員；高技術(shù)新型復(fù)合材料中的一種特殊成員； （1）直徑非常小，以致難容納在大晶體中常出現(xiàn)的缺陷；直徑非常小，以致難容納在大晶體中常出現(xiàn)的缺陷； （2）原子高度有序，因而強度接近于完整晶體的理論值；原子高度有序，因而強度接近于完整晶體的理論值； （3）具有優(yōu)良的耐高溫、高熱、耐腐蝕性能，良好的機械強度、具有優(yōu)良的耐高溫、高熱、耐腐蝕性能，良好的機械強度、 電絕緣性、輕量、高強度、高彈性模量、高硬度等特性；電絕緣性、輕量、高強度、高彈性模量、高硬度等特性； （4）在電

40、學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、鐵磁性、介電性、傳導(dǎo)性甚至超導(dǎo)在電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、鐵磁性、介電性、傳導(dǎo)性甚至超導(dǎo) 性等方面皆發(fā)生顯著變化。性等方面皆發(fā)生顯著變化。 2.3.1.12.3.1.1晶須增強體的分類晶須增強體的分類 非金屬晶須增強體非金屬晶須增強體 非金屬晶須增強體亦稱陶瓷非金屬晶須增強體亦稱陶瓷 晶須增強體，它具有高強度晶須增強體，它具有高強度 、高模量、耐高溫等突出優(yōu)、高模量、耐高溫等突出優(yōu) 點，被廣泛用于復(fù)合材料的點，被廣泛用于復(fù)合材料的 增強。其大致又可分為兩類增強。其大致又可分為兩類 ：非氧化物類和氧化物類。：非氧化物類和氧化物類。 金屬晶須增強體金屬晶須增強體 金屬晶須增強體一般是由金金

41、屬晶須增強體一般是由金 屬的固體、熔體或氣體為原屬的固體、熔體或氣體為原 料，采用熔融鹽電解法或氣料，采用熔融鹽電解法或氣 相沉積法制得。相沉積法制得。 晶須增強體的分類晶須增強體的分類 2.3.1 2.3.1晶須增強體的分類和物理性質(zhì)晶須增強體的分類和物理性質(zhì) 在火箭、導(dǎo)彈、噴氣發(fā)動機等方面有廣泛的應(yīng)用，特別是在火箭、導(dǎo)彈、噴氣發(fā)動機等方面有廣泛的應(yīng)用，特別是 用作導(dǎo)電復(fù)合材料和電磁波屏蔽材料。用作導(dǎo)電復(fù)合材料和電磁波屏蔽材料。 金屬晶須金屬晶須 由非金屬材料及金屬氧化物，如二氧化硅、氧化鎂、氮由非金屬材料及金屬氧化物，如二氧化硅、氧化鎂、氮 化硅、碳化硅、碳化硼、氧化鈹及氧化鋁、石墨等制成

42、化硅、碳化硅、碳化硼、氧化鈹及氧化鋁、石墨等制成 的晶須。的晶須。 非金屬晶須非金屬晶須 晶須是在受控條件下培殖生長的高純度纖細單晶體，其晶晶須是在受控條件下培殖生長的高純度纖細單晶體，其晶 體結(jié)構(gòu)近乎完整，不含有晶粒界、位錯、空洞等晶體結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)近乎完整，不含有晶粒界、位錯、空洞等晶體結(jié)構(gòu) 缺陷，具有異乎尋常的力學(xué)等物理性能。缺陷，具有異乎尋常的力學(xué)等物理性能。 2.3.1.22.3.1.2晶須增強體的物理性質(zhì)晶須增強體的物理性質(zhì) 各種非金屬晶須的直徑比最細各種非金屬晶須的直徑比最細纖維纖維還微細還微細( (小于小于10m)10m)，長，長 度由零點幾毫米到數(shù)十毫米，最高度由零點幾毫米到數(shù)十

43、毫米，最高模量模量可達可達100GPa100GPa數(shù)量級，數(shù)量級， 最高熔點可達最高熔點可達35003500左右。左右。 如用如用20203030氧化鋁晶須增強金屬，得到的復(fù)合材料強度氧化鋁晶須增強金屬，得到的復(fù)合材料強度 在室溫下比金屬增加近在室溫下比金屬增加近3030倍。作為增強體時，晶須用量多在倍。作為增強體時，晶須用量多在 3535( (體積體積) )以下。以下。 晶須的伸長率與玻璃纖維相當，彈性模量與硼纖維相當，兼晶須的伸長率與玻璃纖維相當，彈性模量與硼纖維相當，兼 具這兩種纖維的最佳性能；其性能還與直徑相關(guān)，如圖所示。具這兩種纖維的最佳性能；其性能還與直徑相關(guān)，如圖所示。 2.3.

44、1.32.3.1.3晶須分散技術(shù)晶須分散技術(shù) 常用的晶須分散技術(shù)主要有球磨分散、超聲分散、溶膠凝膠常用的晶須分散技術(shù)主要有球磨分散、超聲分散、溶膠凝膠 (sol (sol gel)gel)法分散以及分散介質(zhì)選擇、法分散以及分散介質(zhì)選擇、pHpH值的調(diào)整等。值的調(diào)整等。 由于晶須增強體具有較大的長徑比，在由于晶須增強體具有較大的長徑比，在730之間，導(dǎo)致之間，導(dǎo)致晶晶 須之間的相互糾結(jié)而形成集聚；同時，晶須之間的化學(xué)吸附須之間的相互糾結(jié)而形成集聚；同時，晶須之間的化學(xué)吸附 也會導(dǎo)致晶須之間的集聚。也會導(dǎo)致晶須之間的集聚。 對于某些長徑比較大、分枝較多的晶須，首先還需通過球磨對于某些長徑比較大、分枝較多的晶須，首先還需通過球磨 或高速搗碎的方式減少分