第2章增強(qiáng)體材料

1、第第2 2章章 增強(qiáng)體材料增強(qiáng)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(qiáng)體的分類增強(qiáng)體的分類纖維類增強(qiáng)體纖維類增強(qiáng)體晶須類增強(qiáng)體晶須類增強(qiáng)體金屬絲金屬絲顆粒類增強(qiáng)體顆粒類增強(qiáng)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(qiáng)體的種類、制備方法及應(yīng)用領(lǐng)域了解增強(qiáng)體的種類、制備方法及應(yīng)用領(lǐng)域掌握設(shè)計(jì)選擇適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)體掌握設(shè)計(jì)選擇適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)體增強(qiáng)體增強(qiáng)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(qiáng)體的力學(xué)性能比較纖維類增強(qiáng)體的力學(xué)性能比較碳纖維：碳纖維： 7000 MPa(T1000) 1.8 g/cm3 2% Elo

2、ngation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(qiáng)度為碳纖維的理論強(qiáng)度為180GPa180GPa，目前世界上強(qiáng)度最高的碳纖維，目前世界上強(qiáng)度最高的碳纖維T1000T1000（日本東麗公司）的拉伸強(qiáng)度也僅是理論值的（日本東麗公司）的拉伸強(qiáng)度也僅是理論值的3.93.9，而國產(chǎn)碳纖維的拉伸強(qiáng)度則更低，所以提高碳纖維的拉伸強(qiáng)而國產(chǎn)碳纖維的拉伸強(qiáng)度則更低，所以提高碳纖維的拉伸強(qiáng)度有很大的潛力和空間。度有很大的潛力和空間。 高的比強(qiáng)度、比模量、高導(dǎo)熱性、高的比強(qiáng)度、比模量、高導(dǎo)熱性、耐熱性、耐磨性、低熱膨脹性等，耐熱性、耐磨性、低熱膨

3、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(yán)重良好的化學(xué)相容性，不發(fā)生嚴(yán)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(qiáng)物的成本也是應(yīng)考慮的一個增強(qiáng)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

4、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(qiáng)物金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)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(qiáng)體纖維類增強(qiáng)體 纖維類增強(qiáng)物有連續(xù)長纖纖維類增強(qiáng)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(qiáng)體顆粒類增強(qiáng)體 顆粒增強(qiáng)體分外加和內(nèi)生顆粒增強(qiáng)體分外加和內(nèi)生兩種，一般是具有高強(qiáng)度、兩種，一般是具有高強(qiáng)度、高模量、耐熱、耐磨性好、高模量、耐熱、耐磨性好、耐高溫的陶瓷、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

5、2.1.3 晶須類增強(qiáng)體晶須類增強(qiáng)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(xì)小單晶。由于長出來的細(xì)小單晶。由于細(xì)小組織結(jié)構(gòu)缺陷少，具細(xì)小組織結(jié)構(gòu)缺陷少，具有很高的強(qiáng)度和模量。有很高的強(qiáng)度和模量。 2.1.4 2.1.4 其它增強(qiáng)體其它增強(qiáng)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(qiáng)度、高模量金屬絲增高強(qiáng)度、高模量金屬絲增強(qiáng)物主要有鐵絲、高強(qiáng)度強(qiáng)物主要有鐵絲、高強(qiáng)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(qiáng)體的分類增強(qiáng)體的分類2.2 纖維類纖維類增強(qiáng)體增強(qiáng)體2.2.1 2.2.1 碳纖維碳纖維一種高強(qiáng)度、高模量材料，理論上大多數(shù)有機(jī)纖維都可被制成碳纖維。一種高

6、強(qiáng)度、高模量材料，理論上大多數(shù)有機(jī)纖維都可被制成碳纖維。實(shí)際用作碳纖維原料的有機(jī)纖維主要有三種：實(shí)際用作碳纖維原料的有機(jī)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(jì)世紀(jì)60年代；年代；20世紀(jì)世紀(jì)80年代：年代：20世紀(jì)世紀(jì)90年代：年代：2020世紀(jì)世紀(jì)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(jìn)行廣泛合作與競爭，促進(jìn)了應(yīng)及碳纖維的生產(chǎn)、供銷方面進(jìn)行廣泛合作與競爭，促進(jìn)了PANPAN基基 碳纖維工業(yè)的長足發(fā)展。碳纖維工業(yè)

7、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(qiáng)的碳化技術(shù)，生產(chǎn)出高強(qiáng) 度、高模量碳纖維。度、高模量碳纖維。19591959年，日本的進(jìn)藤昭男發(fā)明了用聚丙烯腈年，日本的進(jìn)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; ;19621962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

8、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(xiàng)技術(shù)開始生產(chǎn)高強(qiáng)度、高利用這項(xiàng)技術(shù)開始生產(chǎn)高強(qiáng)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(jìn)行技術(shù)改進(jìn)；纖維生產(chǎn)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)；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、德國、印度、南斯拉夫、以色列、韓國也都引進(jìn)或開發(fā)了都引進(jìn)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

9、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(jì)世紀(jì)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(kuò)展。目前世基碳纖維性能優(yōu)越，應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)展。目前世 界界PANPAN基碳纖維已進(jìn)入發(fā)展旺盛的成熟期，基碳纖維已進(jìn)入發(fā)展旺盛的成熟期，IM7IM7和和IM8IM8的強(qiáng)度達(dá)到的強(qiáng)度達(dá)到 5300MPa5300MPa。2.2.1.1 2.2.1.1 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(qiáng)度（超高強(qiáng)度（UHSUHS

10、）碳纖維）碳纖維高強(qiáng)度（高強(qiáng)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

11、，導(dǎo)熱系數(shù)大；強(qiáng)度高，大于強(qiáng)度高，大于1600MPa1600MPa；高模量，大于高模量，大于230MPa230MPa；密度小，比強(qiáng)度高；密度小，比強(qiáng)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 517m17m）；）；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) )

12、；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(jìn)行；范圍內(nèi)進(jìn)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1000100020002000范圍內(nèi)進(jìn)行；范圍內(nèi)進(jìn)行；(5)(5)石墨化：在石墨化：在2000200030003000范圍內(nèi)進(jìn)行。范圍內(nèi)進(jìn)行。生生產(chǎn)產(chǎn)工工序序Synthesis of carbon fiber from

13、polyacrylonitrile (PAN): 1) Polymerization of acrylonitrile to PAN, 2) Cyclization during low temperature process, 3) High temperature oxidative treatment of carbonization (hydrogen is removed). After this, process of graphitization starts where nitrogen is removed and chains are joined into graphit

14、e 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(qiáng)纖維，具有很高的比強(qiáng)度和比模量，也面制成的高性能增強(qiáng)纖維，具有很高的比強(qiáng)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(jì)世紀(jì)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(jī)尖

15、端飛機(jī)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。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

16、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(jì)實(shí)用最經(jīng)濟(jì)實(shí)用化學(xué)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(xì)鎢絲的細(xì)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

17、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(jìn)行反應(yīng)，所生成進(jìn)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+6HCl1300 該工藝可靠，保證可以制得該工藝可靠，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

18、預(yù)浸帶的能力。公斤硼環(huán)氧預(yù)浸帶的能力。獨(dú)特的性能：抗壓強(qiáng)度是其拉伸強(qiáng)度的獨(dú)特的性能：抗壓強(qiáng)度是其拉伸強(qiáng)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(qiáng)度拉伸強(qiáng)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 100,14010

19、0,14036003600400 400 2.572.57TEXTRON SCS-6TEXTRON SCS-6碳化硅纖維碳化硅纖維 140140345034503803803.03.0TEXTRON SCS-9TEXTRON SCS-9碳化硅纖維碳化硅纖維 140140345034503073072.82.8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

20、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 1717150015002002003.23.22.2.3 2.2.3 碳化硅纖維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(qiáng)度、高模量和化學(xué)穩(wěn)定性。具有良好的高溫性能、高強(qiáng)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

21、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(jī)硅聚合物的有機(jī)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; ;19721972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12001

22、200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(qiáng)度抗拉強(qiáng)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W5Si3W5Si3，在，在10001000以上時，纖維的以上時，纖維的強(qiáng)度急劇降低；強(qiáng)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(jī)物加熱變成無機(jī)物的過程，在遠(yuǎn)古的時代便已經(jīng)利用了。將有機(jī)物加熱變成無機(jī)物的過程，在遠(yuǎn)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(jī)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

23、等有機(jī)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(jī)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(jī)硅聚合物作先驅(qū)體可以制得的陶瓷纖維研究如下表： 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

24、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(qiáng)度達(dá)到纖維的抗拉強(qiáng)度達(dá)到1000MPa1000MPa以上。以上。 由于纖維仍存在有微孔和因?yàn)橛捎诶w維仍存在有微孔和因?yàn)镾iOSiO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(qiáng)度低，會發(fā)生體積膨脹而造成微裂紋的產(chǎn)生導(dǎo)致強(qiáng)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(xì)絲，形成的細(xì)絲再燒結(jié)粉在聚合物粘接劑存

25、在下的擠出細(xì)絲，形成的細(xì)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(dāng)?shù)木酆衔锝M成的混合物。其工藝流程如下：的碳與適當(dāng)?shù)木酆衔锝M成的混合物。其工藝流程如下：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(qiáng)度和拉伸模量高，密度低；纖維具有抗拉強(qiáng)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

26、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1010-1-110106 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)體法制得SiCSiC纖維直徑細(xì)，易編織成各種織物；纖維直徑細(xì)，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(jì)四十年代由美國氧化鋁于本世紀(jì)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, ,

27、 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(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：高強(qiáng)度、高模量、超常的耐熱性和耐高溫氧化性；：高強(qiáng)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(qiáng)度很好的抗拉強(qiáng)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(diǎn)；生產(chǎn)工藝簡單，成本抗熱震性好等優(yōu)點(diǎn)；生產(chǎn)工藝簡單，成本低。低。應(yīng)用領(lǐng)域

28、應(yīng)用領(lǐng)域：航空航天，軍工，高性能運(yùn)動器材，高溫：航空航天，軍工，高性能運(yùn)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

29、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(jī)高分子來控制紡絲粘度入水溶性有機(jī)高分子來控制紡絲粘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(jī)鹽為原料醇鹽或無機(jī)鹽為原料, , 同時加入其它有同時加入其它有機(jī)酸催化劑機(jī)酸催化劑, , 溶于醇溶于醇/ /水中水中,

30、 , 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(dá)到一定粘度后濃縮的溶膠達(dá)到一定粘度后進(jìn)行紡絲進(jìn)行紡絲, , 得到凝膠纖維得到凝膠纖維, , 隨后進(jìn)行熱隨后進(jìn)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

31、氧烷聚合物，將其溶解在有機(jī)溶劑種聚鋁氧烷聚合物，將其溶解在有機(jī)溶劑中中, , 加入硅酸酯或有機(jī)硅化合物加入硅酸酯或有機(jī)硅化合物, , 使混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(jī)纖維，最后在化硅等組成的無機(jī)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(jī)鹽溶液浸漬基體纖此法采用無機(jī)鹽溶液浸漬基體纖維維, , 經(jīng)過燒結(jié)除去基體纖維而

32、得到經(jīng)過燒結(jié)除去基體纖維而得到陶瓷纖維。缺點(diǎn)是成本高。陶瓷纖維。缺點(diǎn)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-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?jǐn)?shù)為質(zhì)量分?jǐn)?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(diǎn)凝膠法具有以下優(yōu)點(diǎn): :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(dá)分子或原子水平可達(dá)

33、分子或原子水平; ; 制品純度高制品純度高, , 因?yàn)樗迷系募兌雀咭驗(yàn)樗迷系募兌雀? , 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(qiáng)度有較大提高。因而拉伸強(qiáng)度有較大提高。工藝簡單工藝簡單, , 可設(shè)計(jì)性強(qiáng)可設(shè)計(jì)性強(qiáng), , 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(jī)材料的方法。展前途的制備無機(jī)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

34、品種是具代表性的品種是Nextel-312Nextel-312。 主要成分：主要成分：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

35、：使用溫度高達(dá)使用溫度高達(dá)14001400，抗拉強(qiáng)度達(dá)，抗拉強(qiáng)度達(dá)3100MPa3100MPa，彈彈性模量性模量高達(dá)高達(dá)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

36、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(dá)溫度可達(dá)12001200160016

37、00，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(jì)性強(qiáng)，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(jì)性強(qiáng)，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(qiáng)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(qiáng)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

38、品。2.3 2.3 晶須及顆粒增強(qiáng)體晶須及顆粒增強(qiáng)體 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(qiáng)度接近于完整晶體的理論值；原子高度有序，因而強(qiáng)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(jī)械強(qiáng)度、具有優(yōu)良的耐高溫、高熱、耐腐蝕性能，良好的機(jī)械強(qiáng)度、 電絕緣性、輕量、高強(qiáng)度、高彈性模量、高硬度等特性；電絕緣性、輕

39、量、高強(qiáng)度、高彈性模量、高硬度等特性；（4）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)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(qiáng)體的分類晶須增強(qiáng)體的分類非金屬晶須增強(qiáng)體非金屬晶須增強(qiáng)體 非金屬晶須增強(qiáng)體亦稱陶瓷非金屬晶須增強(qiáng)體亦稱陶瓷晶須增強(qiáng)體，它具有高強(qiáng)度晶須增強(qiáng)體，它具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫等突出優(yōu)、高模量、耐高溫等突出優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于復(fù)合材料的點(diǎn)，被廣泛用于復(fù)合材料的增強(qiáng)。其大致又可分為兩類增強(qiáng)。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(qiáng)體金屬晶須

40、增強(qiáng)體金屬晶須增強(qiáng)體一般是由金金屬晶須增強(qiáng)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(qiáng)體的分類晶須增強(qiáng)體的分類 2.3.1 2.3.1晶須增強(qiáng)體的分類和物理性質(zhì)晶須增強(qiáng)體的分類和物理性質(zhì)在火箭、導(dǎo)彈、噴氣發(fā)動機(jī)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(jī)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

41、鋁、石墨等制成化硅、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(xì)單晶體，其晶晶須是在受控條件下培殖生長的高純度纖細(xì)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(qiáng)體的物理性質(zhì)晶須增強(qiáng)體的物理性質(zhì)各種非金屬晶須的直徑比最細(xì)各種非金屬晶須的直徑比最細(xì)纖維纖維還微細(xì)還微細(xì)( (小于小于10m)10m)，長，長度由零點(diǎn)幾毫米到數(shù)十毫米，最高度由零點(diǎn)幾毫米到數(shù)十毫

42、米，最高模量模量可達(dá)可達(dá)100GPa100GPa數(shù)量級，數(shù)量級，最高熔點(diǎn)可達(dá)最高熔點(diǎn)可達(dá)35003500左右。左右。如用如用20203030氧化鋁晶須增強(qiáng)金屬，得到的復(fù)合材料強(qiáng)度氧化鋁晶須增強(qiáng)金屬，得到的復(fù)合材料強(qiáng)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(qiáng)體時，晶須用量多在倍。作為增強(qiáng)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(dāng)，彈性模量與硼纖維相當(dāng)，兼晶須的伸長率與玻璃纖維相當(dāng)，彈性模量與硼纖維相當(dāng)，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。2.3.1.32.3.1

43、.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(qiáng)體具有較大的長徑比，在由于晶須增強(qiáng)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枝和降低長徑比