復合材料的增強材料

1、1復合材料原理復合材料原理2一、纖維及其織物一、纖維及其織物v玻璃纖維玻璃纖維v碳纖維碳纖維v硼纖維硼纖維v氧化鋁纖維氧化鋁纖維v碳化硅纖維碳化硅纖維v氮化硼纖維氮化硼纖維v芳綸纖維 3l玻璃纖維簡介及分類玻璃纖維簡介及分類l玻璃纖維的結構及化學組成玻璃纖維的結構及化學組成l玻璃纖維的物理性能與化學性能玻璃纖維的物理性能與化學性能l玻璃纖維及其制品的制造工藝玻璃纖維及其制品的制造工藝l玻璃纖維制品的性能及應用玻璃纖維制品的性能及應用、玻璃纖維、玻璃纖維4中空玻璃纖維是如何生產(chǎn)的?5思考題1、玻璃纖維有哪些主要物理和化學特性，這些性能在玻、玻璃纖維有哪些主要物理和化學特性，這些性能在玻璃鋼制品中

2、發(fā)揮怎樣的作用？璃鋼制品中發(fā)揮怎樣的作用？（外觀、密度、強度、耐熱、膨脹特性、耐腐蝕）（外觀、密度、強度、耐熱、膨脹特性、耐腐蝕）2、玻璃纖維有哪些制品，它們主要應用在哪些場合？你、玻璃纖維有哪些制品，它們主要應用在哪些場合？你覺得還可以開發(fā)哪些玻璃纖維制品？覺得還可以開發(fā)哪些玻璃纖維制品？（無捻粗紗無捻粗紗、無捻粗紗方格布無捻粗紗方格布、玻璃纖維氈片玻璃纖維氈片、縫合氈縫合氈、加捻玻璃纖加捻玻璃纖維布維布、玻璃帶玻璃帶、三向織物等三向織物等；玻璃纖維繩、籠、立體編織物等玻璃纖維繩、籠、立體編織物等）62、碳纖維、碳纖維（Carbon Fibre, CF或或Cf）的開發(fā)歷史可追）的開發(fā)歷史可追

3、溯到溯到19世紀末期世紀末期，美國科學家愛迪生發(fā)明的白熾，美國科學家愛迪生發(fā)明的白熾燈燈絲，而真正作為燈燈絲，而真正作為有使用價值有使用價值并規(guī)模生產(chǎn)的碳并規(guī)模生產(chǎn)的碳纖維，則出現(xiàn)在纖維，則出現(xiàn)在二十世紀二十世紀50年代末期年代末期。71959年美國聯(lián)合碳化公司年美國聯(lián)合碳化公司(Union Carbide Corporation，UCC)以粘膠纖維以粘膠纖維(Viscose firber)為原絲制成商品名為為原絲制成商品名為“Hyfil Thornel”的的(Rayon-based carbon firber)。1962年日本年日本炭素公司炭素公司實現(xiàn)低模量實現(xiàn)低模量(Polyacry lo

4、ntrile-based carbon firber，PANCF)的工的工業(yè)化生產(chǎn)。業(yè)化生產(chǎn)。81963年英國年英國航空材料研究所航空材料研究所(Royal Aircraft Establishment，RAE)開發(fā)出高模量開發(fā)出高模量；1965年日本群馬大學試制成功年日本群馬大學試制成功以瀝青或木質素為原料以瀝青或木質素為原料的的；1970年日本昊羽化學公司實現(xiàn)年日本昊羽化學公司實現(xiàn)Pitch-based carbon fiber的工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)；的工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)；91968年美國金剛砂公司研制出商品名為年美國金剛砂公司研制出商品名為“Kynol”的的Phenolic fibers;1980年以

5、年以酚醛纖維為原絲酚醛纖維為原絲的的(Fibrous activated carbon)投放市場。投放市場。10 是由是由有機纖維有機纖維經(jīng)經(jīng)固相反應固相反應轉變而成轉變而成的的纖維狀聚合物碳纖維狀聚合物碳，是一種非金屬材料。，是一種非金屬材料。不屬于有機纖維范疇，但從制備方法不屬于有機纖維范疇，但從制備方法上看，它又不同于普通無機纖維。上看，它又不同于普通無機纖維。11具有非常優(yōu)良的具有非常優(yōu)良的X射線透過性射線透過性，阻阻止中子透過性止中子透過性，還可，還可賦予塑料賦予塑料以以和和。 以碳纖維為增強劑的復合材料以碳纖維為增強劑的復合材料具有具有的特性，是一種目前最受重視的高性能材料之的特性

6、，是一種目前最受重視的高性能材料之一。它在航空航天、軍事、工業(yè)、體育器材等許多一。它在航空航天、軍事、工業(yè)、體育器材等許多方面有著廣泛的用途。方面有著廣泛的用途。 12一）碳纖維的分類一）碳纖維的分類當前，國內(nèi)外巳商品化的當前，國內(nèi)外巳商品化的很多，很多，一般可以根據(jù)一般可以根據(jù)、和和等三種方法進行分類。等三種方法進行分類。13根據(jù)原絲類型分類根據(jù)原絲類型分類(1)纖維；纖維；(2)碳纖維；碳纖維；(3)碳纖維；碳纖維；(4)碳纖維；碳纖維；(5)其他其他(各種天然纖維、再各種天然纖維、再生纖維、縮合多環(huán)芳香族合成纖維生纖維、縮合多環(huán)芳香族合成纖維)碳纖維。碳纖維。14根據(jù)碳纖維的性能分類根據(jù)

7、碳纖維的性能分類(1) 高性能碳纖維高性能碳纖維在高性能碳纖維中，有在高性能碳纖維中，有高強度高強度碳纖維、碳纖維、高模高模量量碳纖維、碳纖維、中模量中模量碳纖維等。碳纖維等。(2)低性能碳纖維低性能碳纖維這類碳纖維中，有這類碳纖維中，有耐火耐火纖維、纖維、碳質碳質纖維、纖維、石石墨墨纖維等。纖維等。15根據(jù)碳纖維用途分類：根據(jù)碳纖維用途分類：碳纖維，碳纖維，碳纖維，碳纖維，碳纖維碳纖維(吸吸附活性附活性)，碳纖維，碳纖維，碳纖維，碳纖維，碳纖維等。碳纖維等。1617碳纖維碳纖維是一種是一種以碳為主要成分以碳為主要成分的纖維狀材料。它不的纖維狀材料。它不同于同于有機纖維有機纖維或或無機纖維無機

8、纖維，不能用，不能用熔融法或溶液法熔融法或溶液法直接紡絲，只能直接紡絲，只能以有機物為原料以有機物為原料，采用，采用間接方法間接方法制制造。造。碳纖維制造方法碳纖維制造方法可分為兩種類型，即可分為兩種類型，即氣相法氣相法和和有機有機纖維碳化法纖維碳化法。 二）碳纖維的制造二）碳纖維的制造18是是在惰性氣氛中在惰性氣氛中，(如如烴或芳烴等烴或芳烴等)在高溫下在高溫下沉積成纖維。沉積成纖維。用這種方法只能制造用這種方法只能制造或或，不能制，不能制造造連續(xù)長絲連續(xù)長絲。19可以制造可以制造，它通常分為兩，它通常分為兩步進行：步進行：將將有機纖維有機纖維經(jīng)過經(jīng)過變成變成耐焰纖維耐焰纖維；在惰性氣氛中在

9、惰性氣氛中，于高溫下進行，于高溫下進行，使有機，使有機纖維失去纖維失去部分碳部分碳和和其它非碳原子其它非碳原子，形成，形成的的纖維狀物。纖維狀物。20天然纖維天然纖維、再生纖維再生纖維和和合成纖維合成纖維都可都可用來制備用來制備。制備制備時時，選擇的條件是，選擇的條件是加熱時加熱時不熔融不熔融，可牽伸可牽伸，且，且碳纖維產(chǎn)率高碳纖維產(chǎn)率高。21制作碳纖維的制作碳纖維的有三種：有三種：人造絲人造絲(粘膠纖維粘膠纖維)；聚丙烯腈聚丙烯腈(PNN) 纖維；纖維；瀝青。瀝青。22用用人造絲人造絲、聚丙烯腈纖維聚丙烯腈纖維、瀝青瀝青為為原料生產(chǎn)的碳纖維各有其不同特點。原料生產(chǎn)的碳纖維各有其不同特點。其中

10、，制造其中，制造高強度高強度、高模量高模量碳纖維碳纖維多選多選為原料。為原料。23無論用哪一種無論用哪一種原絲纖維原絲纖維來制造碳纖維，所產(chǎn)來制造碳纖維，所產(chǎn)生的最終纖維基本成分為碳，都要經(jīng)過生的最終纖維基本成分為碳，都要經(jīng)過：24可用可用濕法濕法、干法干法或者或者熔融狀態(tài)熔融狀態(tài)三種中的任意三種中的任意一種方法進行。一種方法進行。在室溫以上，通常是在室溫以上，通常是100-300 范圍內(nèi)進行。范圍內(nèi)進行。通過通過400 加熱氧化的方法。加熱氧化的方法。在在1000-2000 范圍內(nèi)進行。范圍內(nèi)進行。在在2000-3000 范圍內(nèi)進行。范圍內(nèi)進行。25材料的性能主要決定于材料的結構。結構有兩方

11、材料的性能主要決定于材料的結構。結構有兩方面的含義，一是化學結構，二是物理結構。面的含義，一是化學結構，二是物理結構。 碳纖維的結構決定于碳纖維的結構決定于與與。對對有機纖維有機纖維進行進行、等工藝處理的目的等工藝處理的目的是，除去是，除去有機纖維中有機纖維中碳以外的元素，形成碳以外的元素，形成平面結構。平面結構。三）碳纖維的結構與性能三）碳纖維的結構與性能26用用X射線射線、電子衍射電子衍射和和電子顯微鏡電子顯微鏡研究研究發(fā)現(xiàn)，真實的發(fā)現(xiàn)，真實的并不是理想的石墨并不是理想的石墨點陣結構，而是屬于點陣結構，而是屬于。27圖圖1 石墨晶體結構與亂層結構圖石墨晶體結構與亂層結構圖 28在在中，石墨

12、層片是基本的結構單元，中，石墨層片是基本的結構單元，若干若干組成組成，微晶堆砌成直徑數(shù)十納米、長度數(shù)，微晶堆砌成直徑數(shù)十納米、長度數(shù)百納米的百納米的，原纖則構成了，原纖則構成了，其直徑約數(shù)，其直徑約數(shù)微米。微米。實測碳纖維實測碳纖維約約0.339-0.342 nm，比，比(0.335nm)略大，各略大，各平行層面間的碳平行層面間的碳原子排列原子排列也不如石墨那樣規(guī)整。也不如石墨那樣規(guī)整。29依據(jù)依據(jù)C-C鍵的鍵的鍵能及密度鍵能及密度計算得到的計算得到的單晶石墨單晶石墨強度強度和模量和模量分別為分別為180 Pa和和1000 GPa左右。而左右。而碳纖維碳纖維的的實際實際強度和模量強度和模量遠遠

13、低于此理論值。遠遠低于此理論值。這主要是由于這主要是由于纖維中的缺陷纖維中的缺陷和和原絲中的缺陷原絲中的缺陷所造所造成的。成的。30主要是指主要是指結構不勻結構不勻、直徑變直徑變異異、微孔微孔、裂縫或溝槽裂縫或溝槽、氣孔氣孔、雜質雜質等。等。來自兩個方面，一是來自兩個方面，一是原絲中原絲中特有的特有的，二是，二是在碳化過程中產(chǎn)生的在碳化過程中產(chǎn)生的。31主要是主要是在纖維成形過程中在纖維成形過程中產(chǎn)生的。產(chǎn)生的。l在碳化時在碳化時，則由于從纖維中會，則由于從纖維中會釋放出特種氣體釋放出特種氣體物質物質，進而，進而在纖維表面及內(nèi)部在纖維表面及內(nèi)部產(chǎn)生產(chǎn)生等缺陷。等缺陷。不容易發(fā)生屈服。不容易發(fā)生

14、屈服。32碳纖維碳纖維比石墨大，所以比石墨大，所以它的它的都明顯高于石墨；都明顯高于石墨；碳纖維的碳纖維的，較較差，軸向差，軸向抗壓強度抗壓強度僅為僅為抗拉強度抗拉強度的的10-30，而且不能結節(jié)。而且不能結節(jié)。33l碳纖維的密度在碳纖維的密度在1.5-2.0之間，這除了與之間，這除了與有關有關外，主要還決定于外，主要還決定于。經(jīng)過高溫。經(jīng)過高溫(3000 )可達可達2.0。 l碳纖維碳纖維的的與與其它類型纖維其它類型纖維不同，它有不同，它有的特點。的特點。是負值是負值(-0.72 -0.90 10 -6 /)，而，而是正值是正值( 32 22 10-6 /)。34l碳纖維的碳纖維的一般為一般

15、為7.12 l0-1 kJ( kg )。，平行于纖維軸方向平行于纖維軸方向導熱率為導熱率為0.04卡卡/秒秒厘米厘米度，而度，而垂直于纖維軸方向垂直于纖維軸方向為為0.002卡卡/秒秒厘厘米米度。度。 l碳纖維的碳纖維的與與纖維的類型纖維的類型有關。在有關。在25時，時，為為775 u cm，為為1500 u cm。35l碳纖維碳纖維的的化學性能化學性能與與碳碳很相似。它除能被很相似。它除能被強氧化強氧化劑氧化劑氧化外，對外，對一般酸堿一般酸堿是惰性的。是惰性的。l在在空氣空氣中，當溫度高于中，當溫度高于400 時，則會出現(xiàn)明顯時，則會出現(xiàn)明顯的氧化，生成的氧化，生成CO和和CO2。l在不接觸

16、空氣或氧化氣氛時，碳纖維具有突出的在不接觸空氣或氧化氣氛時，碳纖維具有突出的耐熱性。耐熱性。l碳纖維在高于碳纖維在高于1500 時，強度才開始下降。時，強度才開始下降。363、硼纖維、硼纖維硼纖維（硼纖維（Boron Fibre, BF或或Bf）是一種將硼）是一種將硼元素通過元素通過沉積在沉積在鎢絲表面鎢絲表面制成的制成的高性能增強纖維。它具有很高的高性能增強纖維。它具有很高的和和，也是制造也是制造金屬復合材料金屬復合材料最早采用的高性能纖維。最早采用的高性能纖維。37用用制成的航天飛機制成的航天飛機主艙框架主艙框架、，代替，代替鋁合金骨架鋁合金骨架節(jié)省重量節(jié)省重量44，取得了十分顯著的效果，

17、也有力地促進了取得了十分顯著的效果，也有力地促進了硼纖維硼纖維金屬基復合材料金屬基復合材料的發(fā)展。的發(fā)展。381959年美國年美國TELLY首先發(fā)表了用首先發(fā)表了用制造制造高性能硼纖維高性能硼纖維的論文，并受到了的論文，并受到了美國空軍材料實驗美國空軍材料實驗室室的高度重視，積極推進的高度重視，積極推進。美國美國AVCO、TEXFROU公司是硼纖維的主要生產(chǎn)廠家。公司是硼纖維的主要生產(chǎn)廠家。39現(xiàn)在硼纖維通用的制備方法是在加熱的鎢絲表面現(xiàn)在硼纖維通用的制備方法是在加熱的鎢絲表面通過化學反應沉積硼層。通過化學反應沉積硼層。硼纖維的硼纖維的有有100m、140m、200m幾種。幾種。 具有良好的具

18、有良好的，、。硼纖維具有硼纖維具有性能。性能。40硼纖維具有很高的硼纖維具有很高的和和，但其，但其性能受性能受沉積條件和纖維直徑沉積條件和纖維直徑的影響。的影響。硼纖維的硼纖維的為為2.4 2.65 g / cm3，為為3.2 5.2 GPa，為為350 400 GPa。41在常溫下在常溫下為為，但，但在高溫下在高溫下易易與金屬反應。與金屬反應。因此，需在表面因此，需在表面，稱之為，稱之為Bosic纖維。纖維。硼纖維主要用于硼纖維主要用于和和。42：工藝復雜工藝復雜，不易大量生產(chǎn)，其，不易大量生產(chǎn)，其價價格昂貴格昂貴。由于鎢絲的密度大，由于鎢絲的密度大，硼纖維的密度硼纖維的密度也大。也大。43

19、目前已研究用目前已研究用代替代替，以降，以降低成本和密度。低成本和密度。結果表明，結果表明，比比強度下降強度下降 5%，但成本降低，但成本降低 25%。444、氧化鋁纖維、氧化鋁纖維以以為為主要纖維組分主要纖維組分的陶瓷纖維統(tǒng)稱為氧化的陶瓷纖維統(tǒng)稱為氧化鋁纖維鋁纖維( Alumina Fibre, AF或或( Al2O3 )f )。45通常情況下，將通常情況下，將氧化鋁含量大于氧化鋁含量大于70的纖維相稱為的纖維相稱為；將將氧化鋁含量小于氧化鋁含量小于70，其余為，其余為二氧化硅和少量雜質二氧化硅和少量雜質的的纖維稱為纖維稱為。46 氧化鋁與水可生成氫氧化鋁，又叫做氧化鋁與水可生成氫氧化鋁，又

20、叫做偏鋁酸偏鋁酸，但，但極不穩(wěn)定，遇酸或堿都會生成水和弱酸弱堿鹽。極不穩(wěn)定，遇酸或堿都會生成水和弱酸弱堿鹽。 如遇氫氧化鈉就會有偏鋁酸鈉生成，當氫氧化鈉如遇氫氧化鈉就會有偏鋁酸鈉生成，當氫氧化鈉過量就會因為溶解度問題析出過量就會因為溶解度問題析出氫氧化鋁氫氧化鋁沉淀；如遇鹽沉淀；如遇鹽酸，則生成酸，則生成氯化鋁氯化鋁。 47v在型氧化鋁型氧化鋁的晶格中，氧離子為六方緊密堆積，Al3+對稱地分布在氧離子圍成的八面體配位中心，晶格能很大，故熔點、沸點很高。v型氧化鋁不溶于水和酸，工業(yè)上也稱鋁氧，是制金屬鋁的基本原料；也用于制造各種耐火磚、耐火坩堝、耐火管、耐高溫實驗儀器；還可作研磨劑、阻燃劑、填充

21、料等。48v型氧化鋁型氧化鋁是氫氧化鋁在140-150的低溫環(huán)境下脫水制得，工業(yè)上也叫活性氧化鋁、鋁膠。v型氧化鋁型氧化鋁結構中氧離子近似為立方面心緊密堆積，Al3+不規(guī)則地分布在由氧離子圍成的八面體和四面體空隙之中。v型氧化鋁不溶于水，能溶于強酸或強堿溶液，將它加熱至加熱至1200就全部轉化為型氧化鋁。49(1) ，在空氣中加熱到，在空氣中加熱到1250 還保持室溫強還保持室溫強度的度的90%，碳纖維碳纖維通常在通常在400 以上就氧化燃燒。以上就氧化燃燒。50(2)，可與金屬很好地復合。，可與金屬很好地復合。 (3)，不需要進行表面處理，即能，不需要進行表面處理，即能與樹脂和金屬復合。與樹

22、脂和金屬復合。(4)具有極佳的具有極佳的和和，尤其，尤其在高溫條件這些性能更為突出。在高溫條件這些性能更為突出。51(5) 。用氧化鋁增強的復合材料用氧化鋁增強的復合材料壓縮壓縮強度比強度比GFRP高，是高，是GFRP的的3倍以上，耐疲勞強度高，經(jīng)倍以上，耐疲勞強度高，經(jīng)107次次重復交變加載重復交變加載后，強度不低于靜強度的后，強度不低于靜強度的70。 (6)。與玻璃鋼相比，它的。與玻璃鋼相比，它的介電常數(shù)和損耗值小，且隨頻率的變化小，電波透過性更介電常數(shù)和損耗值小，且隨頻率的變化小，電波透過性更好。好。52氧化鋁纖維的應用氧化鋁纖維的應用氧化鋁纖維適合于制造既需要氧化鋁纖維適合于制造既需要

23、又需又需要要的結構件。的結構件。用它制作用它制作雷達天線罩雷達天線罩，其，其剛性剛性比玻璃鋼高，比玻璃鋼高，透電波透電波性能好，性能好，耐高溫耐高溫。53若用若用氧化鋁纖維的復合材料氧化鋁纖維的復合材料制制，則有可能不開，則有可能不開天線窗，將天線裝在彈內(nèi)。天線窗，將天線裝在彈內(nèi)。目前，目前，正處于正處于開發(fā)階段開發(fā)階段，不久的將，不久的將來將在來將在航空航空、航天航天、衛(wèi)星衛(wèi)星、交通交通和和能源能源等部門得到廣泛應用。等部門得到廣泛應用。 氧化鋁纖維氧化鋁纖維是是，約為，約為3.20 g/cm3，是纖維中最大的一種。是纖維中最大的一種。54淤漿法淤漿法是以氧化鋁粉末為主要原料，同時加入分散劑

24、、流變助是以氧化鋁粉末為主要原料，同時加入分散劑、流變助劑、燒結助劑，分散于水中，制成可紡漿料，經(jīng)擠出成纖，干劑、燒結助劑，分散于水中，制成可紡漿料，經(jīng)擠出成纖，干燥、燒結得到直徑在燥、燒結得到直徑在200 m左右的纖維。左右的纖維。溶膠溶膠-凝膠法凝膠法是以鋁的醇鹽或無機鹽為原料，同時加入其它有機是以鋁的醇鹽或無機鹽為原料，同時加入其它有機酸催化劑，溶于醇酸催化劑，溶于醇/水中，得到混合均勻的溶液，經(jīng)醇解水中，得到混合均勻的溶液，經(jīng)醇解/水解和水解和聚合反應得到溶膠，濃縮的溶膠達到一定粘度后進行紡絲，得聚合反應得到溶膠，濃縮的溶膠達到一定粘度后進行紡絲，得到凝膠纖維，熱處理后得到纖維。到凝膠

25、纖維，熱處理后得到纖維。另外還有另外還有預聚合法預聚合法、卜內(nèi)門法卜內(nèi)門法（高分子增稠紡絲，短纖維）、（高分子增稠紡絲，短纖維）、基體纖維浸漬溶液法基體纖維浸漬溶液法等。等。555、碳化硅纖維、碳化硅纖維 碳化硅纖維（碳化硅纖維（Silicon Carbide Fibre，SF或或SiCf）是以）是以的一種陶瓷纖維。的一種陶瓷纖維。 SiC纖維是纖維是、纖維，有纖維，有、和和。56表表1 尼卡綸尼卡綸（日本碳公司）（日本碳公司）的基本性能的基本性能57具有優(yōu)良的具有優(yōu)良的，在在1000以下以下，其，其力學性能（力學性能（拉伸強度拉伸強度和和彈性模量彈性模量）基本上不變，可長期使）基本上不變，可

26、長期使用。用。當當溫度超過溫度超過1300時，其性能才開始下降。因此，相時，其性能才開始下降。因此，相比于碳纖維和硼纖維，比于碳纖維和硼纖維，具有更好的具有更好的，是一種較好的耐高溫材料。是一種較好的耐高溫材料。58具有良好的具有良好的，在，在80下耐強酸下耐強酸(HCl、H2SO4、HNO3)；用用30NaOH浸蝕浸蝕20小時后，纖維僅失重小時后，纖維僅失重1以下，其以下，其力學性能仍不變。力學性能仍不變。與金屬在與金屬在1000以下也不發(fā)生反應，而且以下也不發(fā)生反應，而且有很好的浸潤性，有益于金屬的復合。有很好的浸潤性，有益于金屬的復合。 SiC纖維還具有纖維還具有，與，與好，好，常用于金

27、屬基和陶瓷基復合材料。常用于金屬基和陶瓷基復合材料。59碳化硅纖維的應用碳化硅纖維的應用由于碳化硅纖維具有由于碳化硅纖維具有、的的三耐性能三耐性能，是一種耐熱的理想材料。，是一種耐熱的理想材料。60用用編織成雙向和三向編織成雙向和三向，巳，巳用于高溫的傳送帶、過濾材料，如汽車的廢氣用于高溫的傳送帶、過濾材料，如汽車的廢氣過濾器等。過濾器等。已應用于已應用于噴氣發(fā)動機渦輪噴氣發(fā)動機渦輪葉片葉片、飛機螺旋槳飛機螺旋槳等受力部件。等受力部件。61在軍事上，在軍事上，用于大口徑軍用步槍用于大口徑軍用步槍金屬基復合槍筒套管金屬基復合槍筒套管，M-1作戰(zhàn)坦克履帶、火箭作戰(zhàn)坦克履帶、火箭推進劑傳送系統(tǒng)，先進

28、戰(zhàn)術戰(zhàn)斗機的推進劑傳送系統(tǒng)，先進戰(zhàn)術戰(zhàn)斗機的垂直安定面垂直安定面，導彈尾部，火箭發(fā)動機導彈尾部，火箭發(fā)動機外殼外殼，魚雷殼體魚雷殼體等。等。62碳化硅纖維的制造方法碳化硅纖維的制造方法 A、化學氣相沉積法（、化學氣相沉積法（CVD法）法） B、燒結法、燒結法(有機聚合物轉化法有機聚合物轉化法)63化學氣相沉積法化學氣相沉積法生產(chǎn)的生產(chǎn)的是直徑為是直徑為95-140 m的單絲；的單絲；燒結法燒結法生產(chǎn)的生產(chǎn)的是直徑為是直徑為10 m的的細纖維，一般由細纖維，一般由500根纖維組成的絲束為商品。根纖維組成的絲束為商品。 64的主要生產(chǎn)國是美、日兩國。的主要生產(chǎn)國是美、日兩國。美國美國Texton公

29、司是公司是的主要生產(chǎn)廠。的主要生產(chǎn)廠。碳化硅纖維的碳化硅纖維的系列產(chǎn)品系列產(chǎn)品是是SCS2，SCS6等，并研究等，并研究發(fā)展發(fā)展碳化硅纖維增強鋁、鈦基復合材料碳化硅纖維增強鋁、鈦基復合材料。65日本碳公司日本碳公司是利用是利用生產(chǎn)生產(chǎn)碳化硅纖維碳化硅纖維的主要廠家，系列商品名為的主要廠家，系列商品名為Nicalon纖維。纖維。80年代末，日本又發(fā)展了年代末，日本又發(fā)展了。雖有其性能優(yōu)勢，但雖有其性能優(yōu)勢，但，應，應用尚不廣泛。用尚不廣泛。66 6、氮化硼纖維、氮化硼纖維是是20 世紀世紀60年代發(fā)展起來的無機年代發(fā)展起來的無機纖維，該纖維具有優(yōu)良的纖維，該纖維具有優(yōu)良的、以及獨特的以及獨特的等

30、，等，可用作可用作金屬基金屬基、陶瓷基陶瓷基、聚合物基聚合物基復合材料的增復合材料的增強材料。強材料。67類似于石墨，而類似于石墨，而比石墨優(yōu)越。比石墨優(yōu)越。在空氣中在空氣中400時氧化性能開始降低，時氧化性能開始降低，而而在在850的空氣中的空氣中才開始氧化。才開始氧化。68的的和和接近于接近于玻璃纖維玻璃纖維，但是它的但是它的使它具有較好的使它具有較好的。它的密度為它的密度為1.42.0g/m3，用其制備的復合材料，用其制備的復合材料具有具有的特點。的特點。69具有具有稱為稱為，如氧化，如氧化鋯、氧化鈹、氧化鎂、氧化鈦和硼化鈦等纖維。鋯、氧化鈹、氧化鎂、氧化鈦和硼化鈦等纖維。是可是可耐耐1

31、2601790的高溫的高溫（在（在惰性和氧化性氣氛中）、惰性和氧化性氣氛中）、耐磨耐腐蝕性好耐磨耐腐蝕性好和和良好的物良好的物理機械性能理機械性能，特別適合于陶瓷基復合材料。，特別適合于陶瓷基復合材料。陶瓷纖維的缺點是陶瓷纖維的缺點是，。70：鋼等金屬的特點是：鋼等金屬的特點是和和好，好，和和好。好。常用于常用于混凝土基復合材料混凝土基復合材料。7172一、纖維及其織物一、纖維及其織物v玻璃纖維v碳纖維碳纖維v硼纖維硼纖維v氧化鋁纖維氧化鋁纖維v碳化硅纖維碳化硅纖維v氮化硼纖維氮化硼纖維v芳綸纖維 73思考題思考題v1、碳纖維有什么樣的性能優(yōu)勢，目前應用中還存在哪些問題？(強度高、彈性模量高、

32、耐腐蝕、耐高溫；高溫氧化、界面反應、成本等強度高、彈性模量高、耐腐蝕、耐高溫；高溫氧化、界面反應、成本等)v2、試對氧化鋁纖維和碳化硅纖維的主要性能進行比較。（強度、彈性模量、耐腐蝕、耐高溫；強度、彈性模量、耐腐蝕、耐高溫；）74（二）（二） 有機纖維有機纖維l芳綸纖維芳綸纖維l聚乙烯纖維聚乙烯纖維（三）各種纖維的比較（三）各種纖維的比較二、晶須二、晶須三、顆粒三、顆粒75l 芳綸纖維芳綸纖維是指目前已經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)并廣泛應是指目前已經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)并廣泛應用的用的聚芳酰胺纖維聚芳酰胺纖維。l 國外商品牌號叫國外商品牌號叫凱芙拉凱芙拉(Kevlar)纖維纖維，我國，我國暫命名為暫命名為芳綸纖維芳綸纖

33、維，有時也稱，有時也稱有機纖維有機纖維。 1、芳綸纖維、芳綸纖維76芳綸纖維的歷史很短芳綸纖維的歷史很短，發(fā)展很快。，發(fā)展很快。1968午美國午美國杜邦公司杜邦公司開始研制。開始研制。1972年以年以B纖維為名纖維為名發(fā)表了專利并提供產(chǎn)品。發(fā)表了專利并提供產(chǎn)品。1972年又研制了以年又研制了以PRD-49命名的纖維。命名的纖維。1973年正式登記的商品名稱為年正式登記的商品名稱為ARAMID纖維。纖維。77芳綸、芳綸芳綸、芳綸-29、芳綸、芳綸-49這三種牌號纖維的用途各這三種牌號纖維的用途各不相同。不相同。芳綸芳綸主要用于主要用于橡膠增強橡膠增強，制造輪胎制造輪胎、三角皮帶三角皮帶、同步帶同

34、步帶等；等；芳綸芳綸-29主要用于主要用于繩索繩索、電纜電纜、涂漆織物涂漆織物、帶帶和和帶帶狀物狀物，以及，以及防彈背心防彈背心等。等。芳綸芳綸-49用于用于航空航空、宇航宇航、造船工業(yè)造船工業(yè)的復合材料制的復合材料制件。件。 78由于該由于該，使之廣泛應，使之廣泛應用到用到和和各個部門。各個部門。自自1972年年作為商品出售以來，作為商品出售以來，產(chǎn)產(chǎn)量逐年增加量逐年增加。79芳綸纖維的性能特點芳綸纖維的性能特點 A 、芳綸纖維的、芳綸纖維的； 、芳綸纖維的、芳綸纖維的； 、芳綸纖維的、芳綸纖維的。80芳綸纖維的特點芳綸纖維的特點是是。單絲強度。單絲強度可達可達3773 MPa；254mm長

35、的纖維束的拉伸強度長的纖維束的拉伸強度為為2744 MPa，大約為鋁的，大約為鋁的5倍。倍。芳綸纖維的芳綸纖維的，大約為石墨纖，大約為石墨纖維的維的6倍，為硼纖維的倍，為硼纖維的3倍，為玻璃纖維倍，為玻璃纖維0.8倍。倍。81的的，可達，可達127 158 GPa，比，比玻璃纖維玻璃纖維高一倍，為高一倍，為碳纖維碳纖維0.8倍。倍。的的在在3左右，接近左右，接近玻璃玻璃纖維纖維，高于其他纖維。，高于其他纖維。82與與混雜將能大大混雜將能大大纖維復纖維復合材料的合材料的。 的的，密度為，密度為1.44 1.45，大，大致只有鋁的一半。因此，它有高的致只有鋁的一半。因此，它有高的與與。83表表 芳

36、綸纖維的基本性能芳綸纖維的基本性能84、 芳綸纖維的熱穩(wěn)定性芳綸纖維的熱穩(wěn)定性芳綸纖維芳綸纖維有有良好的熱穩(wěn)定性良好的熱穩(wěn)定性，耐火而不耐火而不熔熔，當溫度達，當溫度達487 時尚時尚不熔化不熔化，但開始，但開始碳化碳化。85在高溫作用下，不發(fā)生變形，直至分解。在高溫作用下，不發(fā)生變形，直至分解。如，能長期在如，能長期在180下使用；在下使用；在150下作用一周后下作用一周后、不會下降；即使在不會下降；即使在200下，一周后下，一周后15，4；另外，在低溫另外，在低溫(-60)不發(fā)生不發(fā)生亦不亦不。86和碳纖維一樣，芳綸纖維的和碳纖維一樣，芳綸纖維的具有具有的特點。的特點。如，芳綸纖維的如，芳

37、綸纖維的在在0 100時為時為-2 10 -6 / ；在；在100 200時為時為-4 10 6 /。為為59 10 -6 /87、芳綸纖維的化學性能、芳綸纖維的化學性能芳綸纖維芳綸纖維具有良好的具有良好的耐介質耐介質性能，對中性能，對中性化學藥品的性化學藥品的抵抗力抵抗力一般是很強的，但易受一般是很強的，但易受各種各種酸堿的侵蝕酸堿的侵蝕，尤其是，尤其是強酸的侵蝕強酸的侵蝕。88芳綸纖維的芳綸纖維的也不好，這是由于在分子也不好，這是由于在分子結構中存在著結構中存在著；對纖維的影響，類似于對纖維的影響，類似于尼龍或聚酯尼龍或聚酯。在。在(20相對濕度相對濕度)下芳綸纖維的吸濕率為下芳綸纖維的吸

38、濕率為1，但在，但在(85相對濕度相對濕度)下，可達到下，可達到7。89（）（） 芳綸纖維的結構芳綸纖維的結構芳綸纖維是芳綸纖維是對苯二甲酰對苯二甲酰與與對苯二胺對苯二胺的聚合體，經(jīng)溶解的聚合體，經(jīng)溶解轉為轉為液晶液晶紡絲而成。它的化學結構式如下：紡絲而成。它的化學結構式如下：90 從上述化學結構可知，從上述化學結構可知，材料的材料的基基體結構體結構是長鏈狀是長鏈狀，即結構中含有，即結構中含有，其中至少其中至少85的酰氨直接鍵合在芳香環(huán)上。的酰氨直接鍵合在芳香環(huán)上。91鍵合在芳香環(huán)上鍵合在芳香環(huán)上剛硬的直線狀分子鍵在剛硬的直線狀分子鍵在是是高度定向高度定向的，各的，各聚合物鏈聚合物鏈是由是由作

39、橫向連結。作橫向連結。這種在這種在和和，是造成芳綸纖維是造成芳綸纖維的原因，即纖維的原因，即纖維的的，而，而。 92由于由于具有具有，因此，它具有，因此，它具有、以及在以及在很高溫度下很高溫度下等特點。等特點。93(3) 用用 途途目前，芳綸纖維的總產(chǎn)量目前，芳綸纖維的總產(chǎn)量43用于用于(芳綸芳綸-29)，31用于用于，17.5用于用于和和，8.5用于用于。 94以以作為作為，作為作為所形所形成的成的，簡稱，簡稱KFRP，它在，它在航空航天方面航空航天方面的應用，僅次于的應用，僅次于，成為必不可少的材料。，成為必不可少的材料。95聚乙烯纖維作為目前聚乙烯纖維作為目前一種有機一種有機纖維，它具有

40、以下四個特點：纖維，它具有以下四個特點：、成本較低成本較低。96通常情況下，通常情況下，的的大于大于106，纖維的纖維的為為3.5 GPa，彈性模量彈性模量為為116 GPa，為為3.4%，為為0.97 g / cm 3。可用于制。可用于制做做武器裝甲武器裝甲、防彈背心防彈背心、航天航空部件航天航空部件等。等。97的不足之處：的不足之處：（約（約135）。 因此僅能在因此僅能在100以下使用。以下使用。98（三）各種纖維的比較（三）各種纖維的比較纖維的柔韌性及斷裂纖維的柔韌性及斷裂比性能比性能熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性99各種纖維各種纖維在拉伸斷裂前在拉伸斷裂前，如下圖所示的纖維的如下圖所示的纖維的曲線

41、。曲線。100拉伸應變，拉伸應變，%拉伸應力拉伸應力, GPa各種纖維的應力各種纖維的應力-應變曲線應變曲線101從從拉斷后拉斷后觀察發(fā)現(xiàn)，僅觀察發(fā)現(xiàn)，僅Kevlar-49纖纖維呈維呈，斷裂前斷裂前纖維有明顯的纖維有明顯的，并在發(fā)生，并在發(fā)生很很大的局部伸長后大的局部伸長后才最終斷裂。才最終斷裂。和和幾乎就是理想的幾乎就是理想的，斷裂，斷裂時不發(fā)生截面積的縮小。時不發(fā)生截面積的縮小。102和和是纖維性能的一個重是纖維性能的一個重要指標。下圖給出了各種纖維比強度和比要指標。下圖給出了各種纖維比強度和比模量全圖。模量全圖。103比強度，比強度，MPa / ( g / cm 3 )104纖維的纖維的

42、與與有關。有關。一般來講，材料的熔點越高，熱穩(wěn)定性就越好。一般來講，材料的熔點越高，熱穩(wěn)定性就越好。在在沒有空氣和氧氣的條件沒有空氣和氧氣的條件下，下，具有非常好的具有非常好的。105盡管塊狀玻璃的盡管塊狀玻璃的軟化溫度軟化溫度為為850 ，但當溫度高于，但當溫度高于250 時，時，E玻璃纖維的玻璃纖維的就開始迅速下降。就開始迅速下降。玻璃纖維玻璃纖維的的高于高于Kevlar49纖維纖維。在受到太陽。在受到太陽光照射時，光照射時，Kevlar纖維產(chǎn)生嚴重的光致劣化，使纖維變色，纖維產(chǎn)生嚴重的光致劣化，使纖維變色，機械性能下降。機械性能下降。106二、晶須增強體二、晶須增強體（Whiskers）

43、是在人工控制條件下，）是在人工控制條件下，以單晶形式以單晶形式生長成的一種纖維。生長成的一種纖維。的直徑一般為幾微米，長幾十微米，的直徑一般為幾微米，長幾十微米，是一種是一種無缺陷的理想完整晶體無缺陷的理想完整晶體。107由于晶須的由于晶須的，所以，所以不適合容納不適合容納在大晶體在大晶體中常出現(xiàn)的中常出現(xiàn)的，因而，因而近年來，晶須作為一種新型增強材料倍受青睞。近年來，晶須作為一種新型增強材料倍受青睞。108自自1948年美國年美國貝爾電話公司貝爾電話公司的科學家首次發(fā)現(xiàn)晶須以的科學家首次發(fā)現(xiàn)晶須以來，迄今為止，材料學家們已研究開發(fā)出了來，迄今為止，材料學家們已研究開發(fā)出了上百種晶須上百種晶須

44、，有有、以及以及等等多種晶須。多種晶須。但是，已經(jīng)得到但是，已經(jīng)得到實際應用實際應用并開始并開始工業(yè)化生產(chǎn)工業(yè)化生產(chǎn)的晶須只的晶須只有幾種。有幾種。109從大的方面來看，從大的方面來看，分為分為和和兩類，兩類，用作用作增強材料增強材料的主要是的主要是。的的直徑直徑只有幾個微米，長度一般為幾厘米，只有幾個微米，長度一般為幾厘米，斷面斷面多呈多角狀。多呈多角狀。110表表 幾種陶瓷晶須的基本性能幾種陶瓷晶須的基本性能111主要有主要有Ni、Fe、Cu、Si、Ag、Ti、Cd等；等；主要有主要有MgO、ZnO、BeO、Al2O3、TiO2、Y2O3、Cr2O3等。等。112主要是主要是SiC、TiC

45、、ZrC、WC、B4C等。等。主要有主要有TiB2、ZrB2、TaB2、CrB、NbB2等等主要有如主要有如K2Ti6O13和和Al18B4O33113具有實用價值的具有實用價值的約為約為1 10m，在在51000之間。之間。實際上，晶須是含實際上，晶須是含的的單晶短纖維單晶短纖維，其，其拉伸強拉伸強度度接近其接近其純晶體的理論強度純晶體的理論強度。114兼有兼有和和的優(yōu)良性能。它具有玻的優(yōu)良性能。它具有玻璃纖維的延伸率璃纖維的延伸率(3-4)和硼纖維的彈性模量和硼纖維的彈性模量(4.2 7.0 106 MPa)。例如，氧化鋁晶須例如，氧化鋁晶須在在2070高溫下高溫下，仍能保持，仍能保持70

46、00 MPa的拉伸強度。的拉伸強度。115晶須的制備方法晶須的制備方法116晶須一般都是晶須一般都是, 主要用作復合材料主要用作復合材料增強體，而且增強體，而且生產(chǎn)成本生產(chǎn)成本很高，不易推廣使用。很高，不易推廣使用。 晶須復合材料由于其價格昂貴，日前主要用在晶須復合材料由于其價格昂貴，日前主要用在，在民用方面主要用于，在民用方面主要用于及及和和等。等。117新型氧化鋅晶須新型氧化鋅晶須在眾多種類的晶須中，在眾多種類的晶須中，（ Zinc Oxide Whisker, 簡寫為簡寫為ZnOw）以其）以其而倍受注目。而倍受注目。全世界進入產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)程序的企業(yè)僅有兩家，一全世界進入產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)程序的企業(yè)

47、僅有兩家，一家是家是，另一家則是，另一家則是。118新型新型與普通與普通的晶須完全不同的晶須完全不同, 為為微纖維。微纖維。119120氧化鋅晶須氧化鋅晶須主要用途主要用途（1）導電、壓電、抗靜電）導電、壓電、抗靜電復合材料復合材料。（2）微波吸收、微波）微波吸收、微波-熱熱轉換材料轉換材料。（3）耐磨防滑）耐磨防滑復合材料復合材料。（4）減振、降噪、抗沖制品。）減振、降噪、抗沖制品。（5）各向同性增強）各向同性增強復合材料復合材料。（6）抗碎裂陶瓷材料及制品。）抗碎裂陶瓷材料及制品。（7）抗菌材料。）抗菌材料。121硼酸鋁晶須硼酸鋁晶須 外觀：外觀：分子量：分子量：1056.88 直徑：直徑

48、：0.51um長度：長度：530um 相對密度：相對密度：2.90-2.94 拉伸強度：拉伸強度：8GPa 莫氏硬度：莫氏硬度：7 彈性模量：彈性模量：400GPa 熱膨脹系數(shù)：熱膨脹系數(shù)：4.2106/ 122硼酸鋁晶須硼酸鋁晶須123(1)極高的極高的強度和彈性強度和彈性(2)優(yōu)良的優(yōu)良的耐酸、堿性耐酸、堿性 (3)高熔點、高熔點、耐熱性能耐熱性能較好較好(4)近似近似化學中性化學中性 (5)溫度膨脹系數(shù)溫度膨脹系數(shù)低低124碳晶須碳晶須碳晶須碳晶須是是非金屬晶須非金屬晶須，碳含量碳含量99.5，氫含量氫含量0.15，呈呈針狀單晶針狀單晶。碳晶須碳晶須的直徑從的直徑從亞微米亞微米到到幾微米

49、幾微米，長度為，長度為幾毫米幾毫米到到幾幾百毫米百毫米，并具有高度的，并具有高度的結晶完整性結晶完整性。由于。由于位錯密度位錯密度低、低、孔孔隙率隙率低、低、表面缺陷表面缺陷少以及少以及不存在晶界不存在晶界，碳晶須具有極，碳晶須具有極高的高的強度強度。125在空氣中在空氣中可可，在惰性氣體在惰性氣體中中可可，而且，而且熱膨脹系數(shù)小熱膨脹系數(shù)小、受中子受中子照射后尺寸變化小照射后尺寸變化小，耐磨性耐磨性和和自潤滑性自潤滑性優(yōu)良。優(yōu)良。 主要用作主要用作聚合物基聚合物基、碳基復合材料碳基復合材料的增的增強材料。強材料。126類似于類似于氣相生長碳纖維氣相生長碳纖維，通常采用通常采用，即在管式爐中，即在管式爐中以氫氣以氫氣為為載體通入苯、甲烷或乙烯，在有載體通入苯、甲烷或乙烯，在有鐵、鈷、鎳等鐵、鈷、鎳等催化劑催化劑存在下將基極加熱到存在下將基極加熱到1050 1100而制而制得碳絲。得碳絲。127三、顆粒增強體三、顆粒增強體用以改善復合材料用以改善復合材料力學性能力學性能、提高、提高斷斷裂性裂性、耐磨性耐磨性和和硬度硬度、增進、增進耐腐蝕性