Com.其它纖維(10)

1、17 其它無機纖維材料其它無機纖維材料一、一、 硼纖維（硼纖維（Boron Fibre，BF或或Bf）概述概述 BF是一種新型無機纖維，最早由美國研制，是一種新型無機纖維，最早由美國研制，并于并于1966年在航天工業(yè)上得到應(yīng)用，與前面介紹年在航天工業(yè)上得到應(yīng)用，與前面介紹的的GF或或CF不同，不同，BF本身就是一種復(fù)合材料，常本身就是一種復(fù)合材料，常見的復(fù)合形式有：見的復(fù)合形式有： B/W，在細鎢絲上沉積硼，在細鎢絲上沉積硼 B/SiO2，在石英纖維上沉積硼，石英纖維事，在石英纖維上沉積硼，石英纖維事先要進行涂碳或涂鎢處理先要進行涂碳或涂鎢處理21.1 硼纖維的特點硼纖維的特點 彈性模量高彈性

2、模量高 拉伸強度、壓縮強度高拉伸強度、壓縮強度高 不僅可以以纖維形式使用，還可以作環(huán)不僅可以以纖維形式使用，還可以作環(huán)氧樹脂、鋁和鈦的增強體氧樹脂、鋁和鈦的增強體主要問題：主要問題： 價格昂貴價格昂貴31.2 BF的制造的制造 1958年，年，C.P.Talley首先發(fā)表用化學氣首先發(fā)表用化學氣相沉積相沉積(Chemical Vapour Deposition，CVD)方法研制成功高模量的硼纖維。方法研制成功高模量的硼纖維。 鎢絲：鎢絲：D：10um，L：3000m 硼層：硼層：50-100um 目前，目前，BF的直徑有的直徑有100、140、200um等幾種。等幾種。4BF的制造的制造（平行

3、反應(yīng)器）（平行反應(yīng)器）1 1）. . 氫化硼熱分解氫化硼熱分解, ,在鎢絲上沉積在鎢絲上沉積 B2H6 B + H2 (t =600)5BF的制造的制造 通過鹵化物反應(yīng)在鎢絲載通過鹵化物反應(yīng)在鎢絲載體上沉積硼制造硼纖維體上沉積硼制造硼纖維 2）. . 鹵化硼反應(yīng)沉積在鎢鹵化硼反應(yīng)沉積在鎢 絲上絲上 BCl3 +3/2H2 B +3HCl (t=1300)（豎直反應(yīng)器）（豎直反應(yīng)器）61.4 BF的性能的性能 優(yōu)點：優(yōu)點：很高的彈性模量和強度，很高的彈性模量和強度，但其性能受沉積條件和纖維直徑的影但其性能受沉積條件和纖維直徑的影響，具有耐高溫和耐中子輻射性能。響，具有耐高溫和耐中子輻射性能。 缺

4、點：缺點：是工藝復(fù)雜，不易大量生是工藝復(fù)雜，不易大量生產(chǎn)，價格昂貴，限制了廣泛的應(yīng)用。產(chǎn)，價格昂貴，限制了廣泛的應(yīng)用。 密度：密度：(2.4-2.65)g/cm37拉伸強度：拉伸強度： (3.2-5.2)GPa彈性模量：彈性模量： (350-400)GPa BF美國年產(chǎn)量約美國年產(chǎn)量約50噸。目前研究已噸。目前研究已用碳纖維代替鎢絲，以降低成本和密度。用碳纖維代替鎢絲，以降低成本和密度。碳芯硼纖維比鎢絲硼纖維強度下降碳芯硼纖維比鎢絲硼纖維強度下降5，但成本降低了但成本降低了25。81.5 硼纖維的應(yīng)用硼纖維的應(yīng)用 BF增強樹脂，增強樹脂，BF增強鋁等先進復(fù)合材增強鋁等先進復(fù)合材料。用于航天飛機

5、、料。用于航天飛機、B-1轟炸機、運載火箭、轟炸機、運載火箭、核潛艇等軍事裝備，取得了巨大效益。核潛艇等軍事裝備，取得了巨大效益。 我國我國70年代初開始研制年代初開始研制BF和復(fù)合材料，和復(fù)合材料，但仍處于實驗室階段，離大批量生產(chǎn)應(yīng)用還但仍處于實驗室階段，離大批量生產(chǎn)應(yīng)用還有相當?shù)牟罹?。有相當?shù)牟罹唷?二、碳化硅纖維二、碳化硅纖維( (SiC) ) (Silicon Carbide Fibre, SF或或SiCf)2.1 概述概述： 高性能的碳化硅（高性能的碳化硅（SiC）纖維是由）纖維是由聚二聚二甲基硅烷甲基硅烷經(jīng)熱分解重排轉(zhuǎn)化為聚碳硅烷經(jīng)熱分解重排轉(zhuǎn)化為聚碳硅烷（PCS），再以），再以P

6、CS為先驅(qū)體經(jīng)熔融紡絲、為先驅(qū)體經(jīng)熔融紡絲、不熔化處理及高溫煅燒成而制得。不熔化處理及高溫煅燒成而制得。10概述概述 SiC纖維具有高強度、高模量、耐高溫氧纖維具有高強度、高模量、耐高溫氧化性、耐化學腐蝕性等獨特性能?；浴⒛突瘜W腐蝕性等獨特性能。 SiC纖維自身是一種半導(dǎo)體材料（電阻纖維自身是一種半導(dǎo)體材料（電阻率在率在106.cm左右），通過改變原料組成或左右），通過改變原料組成或制備工藝條件可調(diào)節(jié)碳化硅纖維的電阻率，使制備工藝條件可調(diào)節(jié)碳化硅纖維的電阻率，使其成為吸波材料（電阻率在其成為吸波材料（電阻率在101-103.cm時時纖維具有最佳吸波性能）。纖維具有最佳吸波性能）。112.2

7、制備方法制備方法：化學氣相沉積法（化學氣相沉積法（CVD），聚合物轉(zhuǎn)化法），聚合物轉(zhuǎn)化法2.2.1 化學氣相沉積法：化學氣相沉積法： 類似于類似于BF的的CVD法，芯絲可用鎢或碳法，芯絲可用鎢或碳 1961年，年，Gareis首先申請?zhí)蓟鑼＠紫壬暾執(zhí)蓟鑼＠?60年代，美國通用利用年代，美國通用利用CVD制造鎢芯碳化硅纖維制造鎢芯碳化硅纖維 鎢芯后來被碳芯取代鎢芯后來被碳芯取代 1975年，制造了碳芯碳化硅纖維年，制造了碳芯碳化硅纖維 1984年，美國制成連續(xù)碳化硅纖維年，美國制成連續(xù)碳化硅纖維12 CVD法鎢芯碳化硅纖維的制造方法法鎢芯碳化硅纖維的制造方法CVD法制造鎢芯碳化硅法制造鎢芯

8、碳化硅纖維的工藝裝置簡圖纖維的工藝裝置簡圖甲基三氯硅烷熱分解甲基三氯硅烷熱分解CH3SiCl3 SiC+3HCl此外還有：此外還有：二氯硅烷二氯硅烷乙基三氯硅烷乙基三氯硅烷四氯硅烷等四氯硅烷等132.3 SiC 纖維的結(jié)構(gòu)纖維的結(jié)構(gòu) （9001500）的熱解的熱解SiC 纖維的纖維的XRD表明：表明： 1000， SiC 纖維具有非晶結(jié)構(gòu)纖維具有非晶結(jié)構(gòu) 1300， SiC 纖維結(jié)晶度增加，纖維纖維結(jié)晶度增加，纖維強度同時下降。強度同時下降。142.4 CVD碳化硅纖維的性能、特點碳化硅纖維的性能、特點性能性能 很高的室溫拉伸強度、拉伸模量；突出的高溫很高的室溫拉伸強度、拉伸模量；突出的高溫性

9、能和抗蠕變性能性能和抗蠕變性能特點特點鎢芯碳化硅纖維的特點：鎢芯碳化硅纖維的特點：密度大，界面復(fù)雜，密度大，界面復(fù)雜， 適宜于高溫使用。適宜于高溫使用。 碳芯碳化硅纖維的特點：碳芯碳化硅纖維的特點：密度小，制造成本低，密度小，制造成本低， 高溫更穩(wěn)定。高溫更穩(wěn)定。 152.5 CVD碳化硅纖維的不足：碳化硅纖維的不足： 單絲直徑粗，柔曲性較差，成本單絲直徑粗，柔曲性較差，成本較高較高 較高的表面損傷敏感性較高的表面損傷敏感性162.2.2 聚合物轉(zhuǎn)化法聚合物轉(zhuǎn)化法： 1975年日本失島圣使教授首次提出年日本失島圣使教授首次提出171 1）聚合物轉(zhuǎn)化法）聚合物轉(zhuǎn)化法的制備工藝的制備工藝包括四個階

10、段：包括四個階段：(1) (1) 制備聚碳硅烷制備聚碳硅烷( (PCS) )(2) (2) 熔融紡絲熔融紡絲(3) (3) 不熔化處理不熔化處理(4) (4) 高溫燒成高溫燒成( (Nicalon 纖維纖維) )，Nicalon纖維纖維即即-SiC纖維纖維182）. . Nicalon碳化硅纖維的結(jié)構(gòu)、性能碳化硅纖維的結(jié)構(gòu)、性能Nicalon纖維含有纖維含有：SiC 63%、SiO2 21.5%、 游離碳游離碳15.5%性能：性能：直徑較小、柔曲性好直徑較小、柔曲性好拉伸強度、拉伸模量高拉伸強度、拉伸模量高相對密度低，耐熱性好相對密度低，耐熱性好與金屬反應(yīng)性小、相容性好與金屬反應(yīng)性小、相容性好

11、192.4 SiC 纖維的應(yīng)用纖維的應(yīng)用1) 1) CVD法碳化硅纖維：法碳化硅纖維： 可適用于增強鋁、鎂及其合金，鈦及鈦合金可適用于增強鋁、鎂及其合金，鈦及鈦合金2) 2) 聚合物轉(zhuǎn)化法制備碳化硅纖維聚合物轉(zhuǎn)化法制備碳化硅纖維( (Nicalon) )： 作為聚合物、金屬、碳及各種陶瓷材料的增強作為聚合物、金屬、碳及各種陶瓷材料的增強體。體。203） 碳化硅纖維復(fù)合材料碳化硅纖維復(fù)合材料 吸波材料：吸波材料：吸波特性好，減弱發(fā)動機紅外信吸波特性好，減弱發(fā)動機紅外信號，具有耐高溫、相對密度小、韌性好、強度號，具有耐高溫、相對密度小、韌性好、強度大、電阻率高等優(yōu)點。大、電阻率高等優(yōu)點。 將碳、碳

12、化硅以不同比設(shè)計的方，控制電將碳、碳化硅以不同比設(shè)計的方，控制電阻率，便可制成耐高溫、抗氧化、具有優(yōu)異力阻率，便可制成耐高溫、抗氧化、具有優(yōu)異力學性能和良好吸波性能的學性能和良好吸波性能的SiC-C復(fù)合纖維。復(fù)合纖維。 SiC-C復(fù)合纖維與接枝酰亞胺基團與環(huán)氧樹復(fù)合纖維與接枝酰亞胺基團與環(huán)氧樹脂共聚改性復(fù)合材料，吸波性能都很優(yōu)異。脂共聚改性復(fù)合材料，吸波性能都很優(yōu)異。214） 金屬基復(fù)合材料中的應(yīng)用金屬基復(fù)合材料中的應(yīng)用 碳化硅纖維增強鋁比鋁輕碳化硅纖維增強鋁比鋁輕10，強度高，強度高1010，剛性高一倍，具有更好的化學穩(wěn)定，剛性高一倍，具有更好的化學穩(wěn)定性、耐熱性和高溫抗氧化性。它們主要用性

13、、耐熱性和高溫抗氧化性。它們主要用于汽車工業(yè)和飛機制造業(yè)。用碳化硅纖維于汽車工業(yè)和飛機制造業(yè)。用碳化硅纖維增強鈦做成的板材和管材已用來制造飛機增強鈦做成的板材和管材已用來制造飛機垂尾、導(dǎo)彈殼體和空間部件。垂尾、導(dǎo)彈殼體和空間部件。22三、三、 氧化鋁纖維氧化鋁纖維（Alumina Fibre， AF或或(Al2O3)f） 氧化鋁纖維是多晶連續(xù)纖維，除了氧化鋁纖維是多晶連續(xù)纖維，除了Al2O3以外，常含有約以外，常含有約15%的的SiO2。 SiO2作用是作用是高溫下高溫下抑制其相變。抑制其相變。233.1 氧化鋁纖維的種類：氧化鋁纖維的種類：-Al2O3-Al2O3-Al2O3連續(xù)纖維連續(xù)纖維

14、-Al2O3短纖維短纖維。243.2 氧化鋁纖維的制造方法氧化鋁纖維的制造方法杜邦法杜邦法拉晶法拉晶法( (TYCO法法) )住友法住友法( (日本住友公司研制）日本住友公司研制）溶膠溶膠- -凝膠法（凝膠法（3M法）法）ICI（英國（英國ICI公司研制）公司研制）253.3 氧化鋁纖維的應(yīng)用氧化鋁纖維的應(yīng)用 莫來石莫來石纖維是氧化鋁基纖維的主要品纖維是氧化鋁基纖維的主要品種，在結(jié)構(gòu)上主要是以莫來石微晶相的形式種，在結(jié)構(gòu)上主要是以莫來石微晶相的形式存在。與一般氧化鋁基纖維相比，莫來石纖存在。與一般氧化鋁基纖維相比，莫來石纖維具有更好的耐高溫性，使用溫度在（維具有更好的耐高溫性，使用溫度在（15

15、00-1600），特別是高溫抗蠕變性和抗熱震性均，特別是高溫抗蠕變性和抗熱震性均有很大提高，是當今國內(nèi)外最新型的超輕質(zhì)有很大提高，是當今國內(nèi)外最新型的超輕質(zhì)高溫耐熱纖維。高溫耐熱纖維。 26四、四、 有機纖維有機纖維6.1 芳香族聚酰胺纖維芳香族聚酰胺纖維（Aromatic Polyamide Fibre, Kevlar, KF) 芳綸纖維是芳香族聚酰胺纖維的商品名稱，芳綸纖維是芳香族聚酰胺纖維的商品名稱，國外名國外名Kevlar。274.2 概況概況 2020世紀世紀6060年代美國杜邦年代美國杜邦（DuPont）公司開發(fā)出芳綸纖維并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化?，F(xiàn)在公司開發(fā)出芳綸纖維并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。現(xiàn)在國外芳

16、綸無論是研發(fā)水平還是規(guī)?；a(chǎn)國外芳綸無論是研發(fā)水平還是規(guī)?；a(chǎn)都日趨成熟。都日趨成熟。 在芳綸纖維生產(chǎn)領(lǐng)域，對位芳酰胺纖維在芳綸纖維生產(chǎn)領(lǐng)域，對位芳酰胺纖維發(fā)展最快，產(chǎn)能主要集中在日本和美國、發(fā)展最快，產(chǎn)能主要集中在日本和美國、歐洲。歐洲。284.3 芳綸纖維的主要品種芳綸纖維的主要品種主要品種有：主要品種有： 美國杜邦美國杜邦聚對苯二甲酰對苯二胺聚對苯二甲酰對苯二胺(PPTA)聚對苯甲酰胺聚對苯甲酰胺(PBA) 日本帝人日本帝人對位芳酰胺共聚纖維對位芳酰胺共聚纖維( (Technora) ) 俄羅斯公司俄羅斯公司 聚對芳酰胺苯并咪唑纖維聚對芳酰胺苯并咪唑纖維(CBM) ARMOC纖維纖維

17、294.3.1 聚對苯二甲酰對苯二胺聚對苯二甲酰對苯二胺 (PPTA)纖維纖維 常用品種有常用品種有Kelvar-29和和Kelvar-49等。等。Kelvar-49性能比性能比Kelvar-29好，好，強度高，密度小，剛性非常好，彈性強度高，密度小，剛性非常好，彈性模量很高。耐寒、耐熱、耐輻射、耐模量很高。耐寒、耐熱、耐輻射、耐疲勞、耐腐蝕。主要用作高強度復(fù)合疲勞、耐腐蝕。主要用作高強度復(fù)合材料的增強材料，廣泛用作飛機、船材料的增強材料，廣泛用作飛機、船體的結(jié)構(gòu)材料。體的結(jié)構(gòu)材料。 304.3.2定義定義 Kevlar纖維是分子鏈上至少含有纖維是分子鏈上至少含有85%的直接的直接與兩個芳環(huán)相

18、連的酰胺基團的聚酰胺經(jīng)溶液紡與兩個芳環(huán)相連的酰胺基團的聚酰胺經(jīng)溶液紡絲所得到的合成纖維。絲所得到的合成纖維。聚對苯二甲酰對苯二胺聚對苯二甲酰對苯二胺 PPTA314.3.3 聚對苯二甲酰對苯二胺聚對苯二甲酰對苯二胺 ( (PPTA) ) 纖維的制造纖維的制造第一階段：第一階段：原料對苯二胺與對苯二甲酰氯縮聚成原料對苯二胺與對苯二甲酰氯縮聚成PPTA第二階段：第二階段：聚合體溶解在溶劑中再進行紡絲，制成所需的纖維材料聚合體溶解在溶劑中再進行紡絲，制成所需的纖維材料NH2NH2+ COClClCOPPTA + 2nHCl溶于濃硫酸，制成各向異性液晶紡絲液溶于濃硫酸，制成各向異性液晶紡絲液擠壓噴絲擠壓噴絲干噴濕紡干噴濕紡干燥干燥溶液萃取與洗滌溶液萃取與洗滌K-29氮氣保護下氮氣保護下550550熱處理熱處理K-49324.3.5 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)纖維方向纖維方向1 1條鏈條鏈1 1條鏈條鏈334.3.6 芳綸纖維的性能芳綸纖維的性能1. .各向異性各向異性 力學性能：力學性能：拉伸斷裂時，縱向開裂而劈成拉伸斷裂時，縱向開裂而劈成許多更細的單絲（竹子），橫向受壓時，許多更細的單絲（竹子），橫向受壓時，會出現(xiàn)一定數(shù)量的縱向分層（氫鍵破壞）。會出現(xiàn)一定數(shù)量的縱向分層（氫鍵破壞）。 熱性能：熱性能：縱向熱膨脹系