第三章 增強材料

1、1v增強材料概述增強材料概述 定義、分類、結(jié)構(gòu)類型、選擇增強材料的原則定義、分類、結(jié)構(gòu)類型、選擇增強材料的原則v幾類常用的增強材料幾類常用的增強材料 纖維、晶須、顆粒纖維、晶須、顆粒 制備方法、特性、應用制備方法、特性、應用主要內(nèi)容主要內(nèi)容2v 結(jié)合在基體內(nèi)、用以提高基體力學等性能的結(jié)合在基體內(nèi)、用以提高基體力學等性能的高強度材料高強度材料，稱為稱為增強材料增強材料()，也稱為，也稱為增強體增強體、增強相增強相、增強劑增強劑等。等。v 增強材料就象樹木中的纖維、混凝土中的鋼筋一樣，是增強材料就象樹木中的纖維、混凝土中的鋼筋一樣，是復合材料的重要組成部分，并起到非常重要的作用。復合材料的重要組成

2、部分，并起到非常重要的作用。1、定義：、定義：32、分類：、分類：4增增強強材材料料纖維增強材料纖維增強材料（連續(xù)纖維、短（連續(xù)纖維、短纖維、編織纖維）纖維、編織纖維）金屬纖維（金屬纖維（W、Mo等）等）無機纖維（無機纖維（C、B、SiC、Al2O3等）等）有機纖維（芳綸、聚乙烯、尼龍等）有機纖維（芳綸、聚乙烯、尼龍等）晶須增強材料晶須增強材料金屬晶須（金屬晶須（Fe、Cu等）等）陶瓷晶須（陶瓷晶須（TiC、SiC、Al2O3等）等）顆粒增強材料顆粒增強材料氧化物顆粒（氧化物顆粒（SiO2、Al2O3等）等）非氧化物顆粒（非氧化物顆粒（TiC、B4C、SiC等）等）硅酸鹽顆粒（高嶺土、滑石等）

3、硅酸鹽顆粒（高嶺土、滑石等）3、增強材料的結(jié)構(gòu)類型：、增強材料的結(jié)構(gòu)類型：增強材料在復合材料中的分布形增強材料在復合材料中的分布形式：式：v分散狀增強結(jié)構(gòu)分散狀增強結(jié)構(gòu)v單向增強結(jié)構(gòu)單向增強結(jié)構(gòu)v層狀增強結(jié)構(gòu)層狀增強結(jié)構(gòu)v網(wǎng)絡狀增強結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡狀增強結(jié)構(gòu)5顆粒增強型顆粒增強型非連續(xù)纖維增強型非連續(xù)纖維增強型連續(xù)纖維增強型連續(xù)纖維增強型板狀增強型板狀增強型v 分散狀增強結(jié)構(gòu)分散狀增強結(jié)構(gòu)B4C原位增強原位增強ZrCN陶瓷基復合材料陶瓷基復合材料含有原位生成含有原位生成的短纖維、晶的短纖維、晶須、顆粒須、顆粒XDMMC的的顯微組織結(jié)構(gòu)顯微組織結(jié)構(gòu) 也稱為也稱為不連續(xù)增強復合材料不連續(xù)增強復合材料的結(jié)構(gòu)

4、，即增強材料在基體的結(jié)構(gòu)，即增強材料在基體中呈中呈分散分散狀，主要是短纖維、顆粒、晶須。狀，主要是短纖維、顆粒、晶須。6v 單向增強結(jié)構(gòu)單向增強結(jié)構(gòu)SiCf /Ti單向增強復合材料單向增強復合材料SiCfTi基體基體界面及界界面及界面反應層面反應層 指增強材料指增強材料一維平行排列一維平行排列分布在基體中。分布在基體中。SiCfSiCf/Cu鎢纖維（絲）單向增強高溫合金顯微組織鎢纖維（絲）單向增強高溫合金顯微組織7v 層狀增強結(jié)構(gòu)層狀增強結(jié)構(gòu) 增強材料以增強材料以織物方式織物方式增強，增強，或雙向正交、或鋪層方式分布或雙向正交、或鋪層方式分布在復合材料基體中。在復合材料基體中。SiCf/Al2

5、O3原位生成陶瓷基復合材料原位生成陶瓷基復合材料噴涂法制備的噴涂法制備的Al2O3與高溫合金與高溫合金復合的層狀復合材料復合的層狀復合材料8 網(wǎng)絡狀增強結(jié)構(gòu)一般通過編織方式將纖維編織成網(wǎng)絡狀增強結(jié)構(gòu)一般通過編織方式將纖維編織成三維三維預制體，但各預制體，但各個方向的纖維含量可以相同或不同。個方向的纖維含量可以相同或不同。v 網(wǎng)絡狀增強結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡狀增強結(jié)構(gòu)三維正交增強結(jié)構(gòu)三維正交增強結(jié)構(gòu)9v 基本特性基本特性高強度、高模量、低密度、耐熱性、耐磨性等；高強度、高模量、低密度、耐熱性、耐磨性等；v 增強材料與基體材料的相容性增強材料與基體材料的相容性浸潤性、彈性匹配（彈性模量）、浸潤性、彈性匹配（彈性

6、模量）、熱匹配（熱膨脹系數(shù)）、互溶性等；熱匹配（熱膨脹系數(shù)）、互溶性等；v 高化學穩(wěn)定性高化學穩(wěn)定性v 優(yōu)良的性能再現(xiàn)性和一致性優(yōu)良的性能再現(xiàn)性和一致性v 增強材料的形狀、尺寸增強材料的形狀、尺寸v 容易制造，性能容易制造，性能/ /價格比。價格比。4、增強材料的選擇原則：、增強材料的選擇原則： 對對結(jié)構(gòu)復合材料結(jié)構(gòu)復合材料，首先考慮的是增強材料的，首先考慮的是增強材料的強度強度、模量模量和和密度密度。 增強體與基體增強體與基體相容性相容性主要反映主要反映界面作用界面作用和和影響影響。 10重點介紹：重點介紹：有機纖維：有機纖維：Kevlar纖維纖維，聚乙烯纖維，尼龍，聚乙烯纖維，尼龍無機纖維

7、：玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、無機纖維：玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、SiC纖維、纖維、Al2O3纖維纖維11v 碳纖維屬于高新技術(shù)產(chǎn)品，它不僅具有碳素材料的特性，如質(zhì)碳纖維屬于高新技術(shù)產(chǎn)品，它不僅具有碳素材料的特性，如質(zhì)量輕，強度高（量輕，強度高（7GPa），耐熱，耐腐蝕，而且具有金屬的），耐熱，耐腐蝕，而且具有金屬的特性，如導電性。特性，如導電性。v 具有低熱膨脹、高導熱、耐磨、耐高溫等優(yōu)異性能，是一種很具有低熱膨脹、高導熱、耐磨、耐高溫等優(yōu)異性能，是一種很有發(fā)展前景的高性能纖維。有發(fā)展前景的高性能纖維。v 碳纖維的大量和廣泛應用與其價格的不斷降低有關。隨著生產(chǎn)碳纖維的大量和廣泛應用與其價格的不

8、斷降低有關。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大、其價格由原來的數(shù)千元規(guī)模的擴大、其價格由原來的數(shù)千元/kg，降至數(shù)百元，降至數(shù)百元/kg。v 碳纖維可以進行編織成各種碳纖維布，或制成碳纖維氈使用。碳纖維可以進行編織成各種碳纖維布，或制成碳纖維氈使用。 1、碳纖維（、碳纖維（Carbon fiber, CF）(1)、引言、引言12(2)、碳纖維分類、碳纖維分類13人造絲基人造絲基聚丙烯腈（聚丙烯腈（PAN)基基瀝青基瀝青基原原絲絲力力學學性性能能碳碳纖纖維維低性能級碳纖維低性能級碳纖維高性能級碳纖維高性能級碳纖維強強度度模模量量中強型中強型(MT)高強型高強型(HT) 超高強型超高強型(UHT) 中模型中模型(

9、IM) 高模型高模型(HM) 超高模型超高模型(UHM)v最早使用的是人造絲炭化而成的碳纖維，性能較差，強度、模最早使用的是人造絲炭化而成的碳纖維，性能較差，強度、模量均低，但耐燒蝕性能好，制造運載火箭頭部的耐燒蝕部件。量均低，但耐燒蝕性能好，制造運載火箭頭部的耐燒蝕部件。v19591959年日本首先發(fā)明了用聚丙烯腈纖維年日本首先發(fā)明了用聚丙烯腈纖維(PAN)(PAN)制取碳纖維的方制取碳纖維的方法；在法；在6060年代，對年代，對PANPAN原絲組成及紡絲條件作了系統(tǒng)研究，制原絲組成及紡絲條件作了系統(tǒng)研究，制得質(zhì)量穩(wěn)定的得質(zhì)量穩(wěn)定的高性能碳纖維高性能碳纖維；在；在7070年代得到年代得到高速

10、發(fā)展高速發(fā)展；8080年代年代技術(shù)更加完善，技術(shù)更加完善，強度與模量均有明顯提高強度與模量均有明顯提高，并發(fā)展出不同性能，并發(fā)展出不同性能的系列產(chǎn)品。的系列產(chǎn)品。v我國于我國于6060年代初開始研究年代初開始研究PANPAN基碳纖維，基碳纖維，7070年代由國家統(tǒng)一組年代由國家統(tǒng)一組織，協(xié)同攻關取得較大進展。目前碳纖維的生產(chǎn)織，協(xié)同攻關取得較大進展。目前碳纖維的生產(chǎn)規(guī)模小規(guī)模小，產(chǎn)量產(chǎn)量低低，產(chǎn)品，產(chǎn)品品種單一品種單一，性能（強度、模量、密度）均低于國外同，性能（強度、模量、密度）均低于國外同類產(chǎn)品，關鍵性產(chǎn)品所需碳纖維仍嚴重依賴進口。類產(chǎn)品，關鍵性產(chǎn)品所需碳纖維仍嚴重依賴進口。PAN基碳纖維

11、（基碳纖維（PANCF）14v 與與PANCF相比，瀝青基碳纖維（相比，瀝青基碳纖維（PitchCF)發(fā)展較為緩慢。發(fā)展較為緩慢。v 1963年日本以瀝青為原料成功地研制了碳纖維，年日本以瀝青為原料成功地研制了碳纖維，v 1970年日本吳羽化學公司建成每月年日本吳羽化學公司建成每月10t規(guī)模規(guī)模通用級通用級碳纖維，碳纖維，v 1976年美國聯(lián)合炭化物公司從瀝青得到年美國聯(lián)合炭化物公司從瀝青得到高性能高性能碳纖維，建成碳纖維，建成230t規(guī)模規(guī)模裝置，但由于技術(shù)難度大，其開發(fā)受阻。裝置，但由于技術(shù)難度大，其開發(fā)受阻。v 1985年日本在這方面有了新的突破性進展，三菱化成公司建成年產(chǎn)年日本在這方面

12、有了新的突破性進展，三菱化成公司建成年產(chǎn)500t高性能高性能瀝青基碳纖維裝置，這標志著瀝青基碳纖維已處于向工業(yè)瀝青基碳纖維裝置，這標志著瀝青基碳纖維已處于向工業(yè)化過渡的新階段?；^渡的新階段。瀝青基碳纖維瀝青基碳纖維發(fā)展歷史：發(fā)展歷史：15v 瀝青基碳纖維根據(jù)前驅(qū)體分為瀝青基碳纖維根據(jù)前驅(qū)體分為石油瀝青碳纖維石油瀝青碳纖維與與煤瀝青碳纖維煤瀝青碳纖維。煤瀝青碳纖維雖價格低、但強度更低。目前應用主要是石油瀝煤瀝青碳纖維雖價格低、但強度更低。目前應用主要是石油瀝青碳纖維。青碳纖維。v 瀝青碳纖維主要應用在瀝青碳纖維主要應用在宇航領域宇航領域制作高模量、不變形的構(gòu)件，制作高模量、不變形的構(gòu)件，模量達

13、模量達620850GPa，強度約，強度約36003800MPa。另外，也用于。另外，也用于各種軸輥、船桅、艙體以及橋梁、建筑物修補等，模量約各種軸輥、船桅、艙體以及橋梁、建筑物修補等，模量約350550GPa，強度，強度20003000MPa。種類和用途：種類和用途：瀝青基碳纖維瀝青基碳纖維16(3)、碳纖維的制備、碳纖維的制備PAN碳纖維碳纖維 17200-300C空空氣氣1000-1500C氮氮氣氣碳化碳化2000-3000C氬氬氣氣碳纖維碳纖維表面處理表面處理交聯(lián)、環(huán)化、氧化、脫交聯(lián)、環(huán)化、氧化、脫氫氫交聯(lián)、環(huán)化、縮聚交聯(lián)、環(huán)化、縮聚vP PANAN是制造碳纖維是制造碳纖維最主要最主要和

14、和最有前途最有前途的原絲，成品率高、的原絲，成品率高、工藝簡單、成本低工藝簡單、成本低空氣氧化法制備空氣氧化法制備PAN基碳纖維流程示意圖基碳纖維流程示意圖提高模量提高模量600GPa瀝青基碳纖維流程示意圖瀝青基碳纖維流程示意圖碳纖維的制備碳纖維的制備瀝青碳纖維瀝青碳纖維 18v成本最低成本最低v石墨化處理后具有石墨化處理后具有很高的模量很高的模量(4)、碳纖維的結(jié)構(gòu)、碳纖維的結(jié)構(gòu)19碳纖維微觀結(jié)構(gòu)主要為碳纖維微觀結(jié)構(gòu)主要為亂層亂層結(jié)構(gòu)，石墨片層結(jié)構(gòu)，石墨片層排列排列方向與方向與原絲軸向原絲軸向平行。平行。人造絲人造絲基碳纖維，除纖維表面碳層排列稍整齊外，基本為基碳纖維，除纖維表面碳層排列稍整

15、齊外，基本為亂層結(jié)構(gòu)；亂層結(jié)構(gòu)； PAN基基碳原子層排列相對整齊，但石墨微晶尺寸相對碳原子層排列相對整齊，但石墨微晶尺寸相對較大；而經(jīng)較大；而經(jīng)石墨化石墨化處理后的處理后的瀝青基瀝青基碳纖維，碳原子層碳纖維，碳原子層排列整齊排列整齊，接近理想石墨的結(jié)構(gòu)。接近理想石墨的結(jié)構(gòu)。l PAN基碳纖維基碳纖維日本東麗（日本東麗（TORAY)公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的PAN基碳纖維的型號與性能基碳纖維的型號與性能由由70年代初的年代初的T200、T300和和M40發(fā)展到當前的發(fā)展到當前的4大系列十幾個品種，大系列十幾個品種，特別是特別是T800、T1000高強度產(chǎn)品高強度產(chǎn)品代表當今世界的代表當今世界的發(fā)展水平

16、發(fā)展水平。 (5)、碳纖維的性能、碳纖維的性能 20(5.1)(5.1)、碳纖維的力學性能、碳纖維的力學性能 PAN基碳纖維性能基碳纖維性能美國阿莫科（美國阿莫科（AMOCO）公司）公司PAN基基碳纖維產(chǎn)品牌號及性能碳纖維產(chǎn)品牌號及性能 21 瀝青基碳纖維的性能瀝青基碳纖維的性能 日本三菱化成公司PitchCF產(chǎn)品牌號及性能 美國Amoco公司PitchCF產(chǎn)品牌號及性能 22(5.2)(5.2)、碳纖維的物理性能、碳纖維的物理性能23n密度?。好芏刃。?.52.0 g/cm3之間，石墨化程度越高，密度越大；之間，石墨化程度越高，密度越大；n熱膨脹系數(shù)?。狠S向熱膨脹系數(shù)?。狠S向(-1.5-0.

17、5) 10-6/K 橫向（橫向（5.58.4） 10-6/Kn導熱率：軸向?qū)崧剩狠S向16.74W /(mK) 橫向橫向0.837 W /(mK)n導電性好：高模量導電性好：高模量CF比電阻比電阻755cm 高強度高強度CF比電阻比電阻1500cmn拉伸強度高，拉伸強度高，7GPa；n彈性模量彈性模量900GPa；(5.3)(5.3)、碳纖維的化學性能、碳纖維的化學性能24n抗氧化性好：除能被強氧化劑氧化外，對抗氧化性好：除能被強氧化劑氧化外，對一般酸堿一般酸堿是是惰性惰性的的。在空氣中，溫度高于。在空氣中，溫度高于400時出現(xiàn)明顯的時出現(xiàn)明顯的氧化氧化，生成，生成CO和和CO2；n耐熱性：在

18、耐熱性：在不接觸空氣不接觸空氣和和氧化氧化氣氛時，氣氛時，惰性氣氛中熱穩(wěn)定性高(2000還能承載)，在空氣中400開始開始下降下降；n耐油、抗放射、吸收有毒氣體等耐油、抗放射、吸收有毒氣體等(6)、碳纖維的應用、碳纖維的應用做為高性能增強纖維，應用在各類復合材料中（做為高性能增強纖維，應用在各類復合材料中（PMC、MMC、CMC和和C/C），廣泛應用于），廣泛應用于v 航空航天、軍事：航空器的主承力結(jié)構(gòu)材料，如主翼、尾航空航天、軍事：航空器的主承力結(jié)構(gòu)材料，如主翼、尾翼、機體；翼、機體；C/C剎車片；防熱及結(jié)構(gòu)材料：火箭噴嘴、防熱層；剎車片；防熱及結(jié)構(gòu)材料：火箭噴嘴、防熱層；衛(wèi)星天線、太陽能翼

19、片底板，等等；衛(wèi)星天線、太陽能翼片底板，等等；v 交通運輸；汽車車體、傳動軸、底盤等；快艇、巡邏艇等；交通運輸；汽車車體、傳動軸、底盤等；快艇、巡邏艇等；v 體育用品：網(wǎng)球、羽毛球球拍；棒球桿、高爾夫球桿；自體育用品：網(wǎng)球、羽毛球球拍；棒球桿、高爾夫球桿；自行車；滑雪板等；行車；滑雪板等；v 生物材料、醫(yī)療器具等各行各業(yè)。生物材料、醫(yī)療器具等各行各業(yè)。252、硼纖維（、硼纖維（Boron fiber, BF）(1)、引言、引言v硼纖維是由美國最早開發(fā)、且最早應用于硼纖維是由美國最早開發(fā)、且最早應用于MMC的高強、高模的陶瓷纖維。的高強、高模的陶瓷纖維。v早在上世紀早在上世紀60年代，年代， B

20、纖維增強鋁用于航天飛機纖維增強鋁用于航天飛機的主艙中，使航天飛機減重達的主艙中，使航天飛機減重達44% 。v我國在我國在70年代初開始研制，但仍處于實驗室階段。年代初開始研制，但仍處于實驗室階段。26(2)、硼纖維的結(jié)構(gòu)、硼纖維的結(jié)構(gòu) B纖維表面呈魚鱗或玉米粒狀，沉積纖維表面呈魚鱗或玉米粒狀，沉積B為無為無定形的非晶結(jié)構(gòu)，但也有人認為是微晶結(jié)構(gòu)，晶定形的非晶結(jié)構(gòu)，但也有人認為是微晶結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸為粒尺寸為500nm左右。左右。27硼纖維的表面形貌硼纖維的表面形貌硼纖維的斷面形貌硼纖維的斷面形貌(3)、硼纖維的制備、硼纖維的制備 B纖維是采用纖維是采用化學氣相沉積化學氣相沉積法，法，B沉積在沉積

21、在鎢鎢(W)芯或芯或碳碳(C)芯上。因此分為芯上。因此分為W芯與芯與C芯芯B纖維。纖維。28n將所需金屬或非金屬的化合物鹽（主要為揮發(fā)性鹵化物）氣將所需金屬或非金屬的化合物鹽（主要為揮發(fā)性鹵化物）氣化，與化，與H H2 2等氣體一起加熱，并與原絲接觸。由于熱分解或還等氣體一起加熱，并與原絲接觸。由于熱分解或還原反應，使金屬或化合物在原絲上析出。該過程成為原反應，使金屬或化合物在原絲上析出。該過程成為化學氣化學氣相沉積相沉積，或，或CVD（Chemical Vapor Deposition）。B是經(jīng)是經(jīng)BCl3氣體與氣體與H2氣體經(jīng)高溫（氣體經(jīng)高溫（1350）氣相反應生成：氣相反應生成： 2BC

22、l3（g）3H2（g） 2B（s）6HCl（g）制備工藝參數(shù)：制備工藝參數(shù)：v W芯的表面質(zhì)量芯的表面質(zhì)量W絲表面缺陷會引起纖維表面缺陷絲表面缺陷會引起纖維表面缺陷v H2和和BCl3氣體的混合比氣體的混合比影響沉積速度影響沉積速度v 反應氣體的流量反應氣體的流量影響沉積速度影響沉積速度v W絲通過沉積室速度絲通過沉積室速度控制控制B纖維直徑纖維直徑29制備工藝參數(shù)：制備工藝參數(shù)：v 反應溫度：反應溫度：W芯芯B纖維，反應溫度在纖維，反應溫度在11001350之間，并之間，并隨隨W絲長度變化而變化。溫度過低，沉積速度慢，不均勻；絲長度變化而變化。溫度過低，沉積速度慢，不均勻；溫度過高，沉積溫度

23、過高，沉積B形成粗大節(jié)瘤狀表面，嚴重降低纖維強度。形成粗大節(jié)瘤狀表面，嚴重降低纖維強度。v 反應氣體的利用率僅反應氣體的利用率僅2，因此未反應氣體的回收很重要，因此未反應氣體的回收很重要，需要經(jīng)需要經(jīng)-80 冷凝回收。因此，冷凝回收。因此，B纖維的生產(chǎn)成本極高，價格纖維的生產(chǎn)成本極高，價格昂貴，約數(shù)百美元昂貴，約數(shù)百美元/kg，不利于，不利于B纖維的推廣應用。纖維的推廣應用。30(4)、硼纖維的后處理、硼纖維的后處理1 1）化學處理）化學處理除去纖維表面缺陷，可采用化學溶劑浸蝕或拋光。除去纖維表面缺陷，可采用化學溶劑浸蝕或拋光。2 2）表面處理）表面處理 在與某些金屬（如鈦及鈦合金）復合時會產(chǎn)

24、生界面反應，在與某些金屬（如鈦及鈦合金）復合時會產(chǎn)生界面反應，改改善善B纖維的抗氧化性纖維的抗氧化性，同時也，同時也還起還起優(yōu)化界面優(yōu)化界面的作用的作用。v SiC涂層；涂層；vB4C涂層；涂層；采用采用CVD法沉積涂層，主要用于法沉積涂層，主要用于B纖維增強纖維增強Ti復合材料。復合材料。31(5)、硼纖維的性能：、硼纖維的性能：32v密度為密度為2.42.6 g/cm3，與玻璃纖維相當，比，與玻璃纖維相當，比CVD-SiC纖維低纖維低30。v拉伸強度為拉伸強度為3.45.2GPa, ,模量則達模量則達400GPa, ,為玻璃為玻璃纖維的纖維的46倍倍，具有很高的比模量和比強度。，具有很高的

25、比模量和比強度。v膨脹系數(shù)小：膨脹系數(shù)?。?.5 10-6/K。(6)、硼纖維的應用：、硼纖維的應用：33硼纖維增強鋁基復合材料用于航天飛機主艙體龍骨桁架和支柱硼纖維增強鋁基復合材料用于航天飛機主艙體龍骨桁架和支柱vCVD(化學氣相沉積化學氣相沉積)法法使用使用鎢芯鎢芯或或碳芯碳芯采用采用CVD法制備出法制備出SiC纖維，美國纖維，美國Texton公司商品名公司商品名SCS-2、SCS-6、 SCS-8等，以及英國的等，以及英國的Sigma11140+。該方法生產(chǎn)的碳化硅纖。該方法生產(chǎn)的碳化硅纖維的密度為維的密度為3.5 g/cm3，性能高強、高模，抗拉強度為，性能高強、高模，抗拉強度為2.2

26、3.9GPa，模，模量為量為415 GPa，直徑為，直徑為100、140 m，柔軟性也差。，柔軟性也差。v先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法日本矢島教授首先研制成功。將日本矢島教授首先研制成功。將有機硅聚合物有機硅聚合物轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)化成聚碳硅烷聚碳硅烷紡絲，然后紡絲，然后燒結(jié)制備燒結(jié)制備SiC纖維。后由日本炭素公司生產(chǎn)的這種纖維。后由日本炭素公司生產(chǎn)的這種SiC纖維稱為纖維稱為Nicolon（尼可綸），也稱為紡絲（尼可綸），也稱為紡絲SiC纖維。因不含芯材，其密度僅為纖維。因不含芯材，其密度僅為2.55 g/cm3，抗拉強度為抗拉強度為2.53.0GPa，模量為，模量為250GPa，其單絲直徑為，其單絲直徑

27、為1015 m，柔，柔軟性好，可以編織軟性好，可以編織。3、碳化硅、碳化硅(SiC)纖維（纖維（Silicon carbide fiber, SiCf）(1)、SiC纖維的制備纖維的制備341)、CVD(化學氣相沉積化學氣相沉積)法法 W芯芯35沉積室沉積室(SiC)通通H2+Ar+ CH3SiCl3 的混合的混合氣氣;涂層室涂層室通入通入Ar+C2H2的混合氣的混合氣 沉積室沉積室 涂層室涂層室H2+Ar+CH3SiCl3Ar+C2H2CH3SiCl3 (g)+H2(g)SiC(s)+HCl(g)先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法（先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法（Nicalon纖維）：纖維）：Nicalon纖維制備中的關鍵環(huán)節(jié)：纖

28、維制備中的關鍵環(huán)節(jié)：v 聚碳硅烷的合成聚碳硅烷的合成v 熔融紡絲熔融紡絲v 不熔化處理不熔化處理v 高溫燒成高溫燒成36(2)、SiC纖維的性能纖維的性能v 高強度、高模量、低密度高強度、高模量、低密度v 高抗熱性，在氧化氣氛中也可使用，高抗熱性，在氧化氣氛中也可使用，1000 以下使用力學性能基本不變以下使用力學性能基本不變v 優(yōu)越的耐腐蝕性能，優(yōu)越的耐腐蝕性能，1000 以下幾乎與金屬不發(fā)生反應以下幾乎與金屬不發(fā)生反應v 與金屬的相容性好，浸潤性良好與金屬的相容性好，浸潤性良好v 具有半導體特性，高溫下電導率可以被控制。具有半導體特性，高溫下電導率可以被控制。37(3)、SiC纖維的應用纖

29、維的應用38uSiC纖維具有良好的纖維具有良好的耐高溫耐高溫、耐腐蝕、耐輻射性能，、耐腐蝕、耐輻射性能，編織成織物已用于高溫度傳送帶、過濾材料，如汽編織成織物已用于高溫度傳送帶、過濾材料，如汽車的廢氣過濾器等。車的廢氣過濾器等。uSiC長纖維長纖維PMC、MMC和和CMC常用的陶瓷增強纖維。常用的陶瓷增強纖維。lSiC纖維增強聚合物基復合材料可以吸收或透過雷達波，可以纖維增強聚合物基復合材料可以吸收或透過雷達波，可以用作用作雷達天線罩雷達天線罩，導彈等隱身結(jié)構(gòu)材料。，導彈等隱身結(jié)構(gòu)材料。lSiC纖維增強復合材料已應用于噴氣發(fā)動機渦輪葉片、飛機螺纖維增強復合材料已應用于噴氣發(fā)動機渦輪葉片、飛機螺

30、旋槳等受力部件的主動軸等。旋槳等受力部件的主動軸等。Al2O3纖維類型與其制備工藝有關。按結(jié)構(gòu)分，主要有三類：纖維類型與其制備工藝有關。按結(jié)構(gòu)分，主要有三類：v單晶型（單晶型（Tyco法），如早期使用的法），如早期使用的 -Al2O3單晶藍寶石纖單晶藍寶石纖維，價格非常昂貴。維，價格非常昂貴。 v多晶型，多晶型，Dupont生產(chǎn)的生產(chǎn)的FP纖維，屬纖維，屬 -Al2O3多晶纖維。多晶纖維。v混合型，有美國混合型，有美國ICI公司公司Saffil短纖維，含短纖維，含 -Al2O3 /SiO2；美國美國3M公司的公司的Nextel系列纖維，含系列纖維，含Al2O3/SiO2/B2O3；日；日本住友

31、公司的本住友公司的Sumica纖維，含纖維，含Al2O3/ SiO2 。4、Al2O3纖維（纖維（Alumina fiber）(1)、Al2O3纖維的類型及特點纖維的類型及特點39(2)、FP-Al2O3纖維纖維v FP-Al2O3纖維由纖維由Dupont公司在上世紀公司在上世紀80年代初研制開發(fā)年代初研制開發(fā)的連續(xù)長含的連續(xù)長含99 以上以上 -Al2O3多晶纖維束，單絲直徑為多晶纖維束，單絲直徑為20 m ，一束，一束FP纖維約含有纖維約含有210根單絲。根單絲。v FP纖維的制備方法獨特，是采用漿體紡絲燒結(jié)成纖維的制備方法獨特，是采用漿體紡絲燒結(jié)成FP纖維。纖維。至今，其他國家還沒有開發(fā)

32、出能含至今，其他國家還沒有開發(fā)出能含99以上以上 -Al2O3纖維。纖維。v FP-Al2O3纖維主要用于金屬基復合材料，如纖維主要用于金屬基復合材料，如Al、Mg基復基復合材料。也可用于聚合物基復合材料，如環(huán)氧（合材料。也可用于聚合物基復合材料，如環(huán)氧（EP）樹）樹脂或聚酰亞胺（脂或聚酰亞胺（PI）樹脂基復合材料。還可用于玻璃和）樹脂基復合材料。還可用于玻璃和陶瓷基復合材料。陶瓷基復合材料。40FP-Al2O3纖維的制備工藝：纖維的制備工藝：主要分為三個步驟：主要分為三個步驟：1.1.紡絲漿料的準備：紡絲漿料的準備： 通過三種原料配比的控制，得到通過三種原料配比的控制，得到泥漿混合液，然后除

33、水來控制漿料的泥漿混合液，然后除水來控制漿料的粘度，以保證漿料的可紡性。粘度，以保證漿料的可紡性。2.2.紡絲：采用干法紡絲紡絲：采用干法紡絲3.3.纖維的燒成：纖維的燒成： 燒結(jié)過程分為兩部分，首先為燒結(jié)過程分為兩部分，首先為低低溫溫焙燒，以控制纖維的焙燒，以控制纖維的收縮量收縮量。然后。然后經(jīng)經(jīng)高溫高溫火焰焙燒，以獲得火焰焙燒，以獲得高致密性高致密性的的FPFP纖維。紡絲添加物在燒結(jié)過程中完纖維。紡絲添加物在燒結(jié)過程中完全去除，以保證獲得基本純凈的全去除，以保證獲得基本純凈的 - -Al2O3多晶纖維。多晶纖維。41FP-Al2O3纖維的表面處理：纖維的表面處理： 為了提高為了提高FP-A

34、l2O3纖維的強度，以及與金屬基體的潤纖維的強度，以及與金屬基體的潤濕性，往往在纖維的表面上涂覆一層厚度僅濕性，往往在纖維的表面上涂覆一層厚度僅0.5m 的的SiO2涂層。這樣就獲得了涂層。這樣就獲得了SiO2涂覆的涂覆的FP -Al2O3纖維。經(jīng)纖維。經(jīng)SiO2涂涂覆的覆的FP -Al2O3纖維要比未涂覆的強度提高了約纖維要比未涂覆的強度提高了約50。42混合型混合型Al2O3纖維及其性能：纖維及其性能：v Saffil短纖維短纖維：美國：美國ICI公司采用公司采用紡絲法紡絲法經(jīng)高溫燒結(jié)的經(jīng)高溫燒結(jié)的短纖維短纖維。主要組成含主要組成含9697-Al2O334SiO2，密度，密度3.33.5

35、g/cm3 ，直徑，直徑3 m ，長，長1300mm。是。是短纖維增強金屬基復短纖維增強金屬基復合材料合材料的主要增強材料。的主要增強材料。 v Nextel系列纖維系列纖維：由美國：由美國3M公司制備的含公司制備的含62 - Al2O324SiO214B2O3, ,密度密度3.1 3.25 g/cm3，直徑，直徑1017 m m 。 v Sumica纖纖維維，由日本住友公司采用有機鋁化物或有機鋁化物，由日本住友公司采用有機鋁化物或有機鋁化物與一種或多種含硅化合物的混合物，經(jīng)紡絲燒結(jié)成的混合纖與一種或多種含硅化合物的混合物，經(jīng)紡絲燒結(jié)成的混合纖維，含有維，含有85 - Al2O315SiO2

36、, ,密度密度2.73. g/cm3 ，直徑約直徑約1012 m 。43(3) Al2O3主要性能主要性能44 優(yōu)異的機械強度和耐熱性能，直到優(yōu)異的機械強度和耐熱性能，直到1370其強度仍下其強度仍下降不大。降不大。強度：強度：13002500MPa；模量：模量：150460GPa；密度：密度：2.74.2g/cm3。應用：多用于高溫結(jié)構(gòu)材料，特別是航空、宇航空間應用：多用于高溫結(jié)構(gòu)材料，特別是航空、宇航空間技術(shù)方面，也可用作高溫絕緣濾波器材料。技術(shù)方面，也可用作高溫絕緣濾波器材料。FP-Al2O3纖維與其它纖維（纖維與其它纖維（B、SiC）高溫性能的比較：）高溫性能的比較：45FP纖維纖維S

37、iC纖維纖維被被SiC纖維覆蓋的硼纖維覆蓋的硼硼纖維硼纖維5、玻璃纖維（、玻璃纖維（glass fiber, GF）v 19世紀末由美國康寧（世紀末由美國康寧（Corning Corp.)公司研發(fā)成功的；公司研發(fā)成功的；v 直至直至20世紀世紀40年代開發(fā)出年代開發(fā)出“玻璃鋼玻璃鋼”（玻璃纖維增強塑料，（玻璃纖維增強塑料，GFRP）后才得到大量使用。后才得到大量使用。（1）玻璃纖維和玻璃鋼的出現(xiàn)）玻璃纖維和玻璃鋼的出現(xiàn)無捻玻璃纖維無捻玻璃纖維46是復合材料中應用是復合材料中應用最早最早和和最為廣泛最為廣泛的的無機無機纖維；纖維；（2）玻璃纖維的成分和分類）玻璃纖維的成分和分類什么是玻璃纖維？什

38、么是玻璃纖維？ 玻璃纖維是以石英砂、石灰石、白云石、石蠟等并配以純堿、硼酸等為玻璃纖維是以石英砂、石灰石、白云石、石蠟等并配以純堿、硼酸等為原料，經(jīng)熔融后通過細的噴絲孔拉制成的無機連續(xù)纖維。原料，經(jīng)熔融后通過細的噴絲孔拉制成的無機連續(xù)纖維。主要成分是主要成分是SiO2、B2O3及及金屬氧化物金屬氧化物（CaO, Al2O3），但原料的組成對玻璃纖維的性能有較大但原料的組成對玻璃纖維的性能有較大的影響。的影響。分類：分類：v 按按單絲直徑單絲直徑可分為粗纖維可分為粗纖維(d30 m)、初級纖維、初級纖維(d20 m)、中級纖維、中級纖維(d10-20 m)、高級纖維、高級纖維(d3-10 m)、

39、超細纖維、超細纖維(d14%14%，強度低、耐濕熱，強度低、耐濕熱性差；性差；l特種特種GFGF：高強高強GFGF（S S玻纖）玻纖）由純鎂鋁硅三元組成，抗拉強度由純鎂鋁硅三元組成，抗拉強度2800MPa2800MPa；高模量高模量GFGF（MM玻纖）玻纖）在低鋁的鈣鎂硅酸鹽系統(tǒng)中加在低鋁的鈣鎂硅酸鹽系統(tǒng)中加入鉻、鉭、鈮等氧化物，其入鉻、鉭、鈮等氧化物，其E=120GPaE=120GPa。（3）玻璃纖維的制造工藝）玻璃纖維的制造工藝v 玻璃球法（坩堝拉絲法）玻璃球法（坩堝拉絲法） ： 先將玻璃原料（砂、石灰石、硼酸先將玻璃原料（砂、石灰石、硼酸等）混勻后，裝入熔煉爐，在等）混勻后，裝入熔煉爐，

40、在1260左右熔融，流入造球機制成左右熔融，流入造球機制成玻璃球玻璃球；然后將合格的玻璃球再放入然后將合格的玻璃球再放入坩堝坩堝中熔中熔化拉絲制成玻璃纖維?；z制成玻璃纖維。v 直接熔融法（池窯拉絲法）：直接熔融法（池窯拉絲法）： 直接將熔煉爐中熔化的玻璃直接流直接將熔煉爐中熔化的玻璃直接流入拉絲篩網(wǎng)中拉絲。入拉絲篩網(wǎng)中拉絲。49（4）玻璃纖維的特性和應用）玻璃纖維的特性和應用v 典型力學性能：典型力學性能： 抗拉強度：抗拉強度：1.54.0 GPa（為高強度鋼的（為高強度鋼的23倍）倍） 彈性模量：彈性模量：70110 GPa（與鋁和鈦合金模量相當）（與鋁和鈦合金模量相當）比強度：比強度：

41、12.518.4106 cm（為高強度鋼的（為高強度鋼的610倍）倍） 比模量：比模量：2.84.0107 cm（略高于高強度鋼）（略高于高強度鋼）但不耐磨、脆而易折。但不耐磨、脆而易折。 v 熱性能：導熱率小，隔熱性好熱性能：導熱率小，隔熱性好優(yōu)良的優(yōu)良的絕熱材料絕熱材料；耐熱，軟化點為；耐熱，軟化點為550580；熱膨脹系數(shù)；熱膨脹系數(shù)4.810-6/K；不會引起燃燒；不會引起燃燒；v 耐腐、化學穩(wěn)定性好；耐腐、化學穩(wěn)定性好；v 電絕緣性能好；電絕緣性能好；v 透光性好，制作透明的玻璃鋼。透光性好，制作透明的玻璃鋼。 v 成本低、應用廣泛。成本低、應用廣泛。v 可加工成紗、布、帶、氈等形狀

42、；可作為聚合物基等復合材料的增強材料?？杉庸こ杉啞⒉?、帶、氈等形狀；可作為聚合物基等復合材料的增強材料。50vSi(CN)纖維纖維：含：含55Si、22N、15C和和8O，密度，密度2.4 g/cm3 ，強度強度1800MPa，模量，模量220GPa，最高使用溫度，最高使用溫度1400。vSi3N4纖維纖維：強度：強度24502480MPa，模量，模量200250GPa，最高使用溫，最高使用溫度度1200。vB4C纖維纖維：密度：密度2.7 g/cm3 ，強度，強度2400MPa，模量，模量400GPa。在文獻中出現(xiàn)很少，應用更少。在文獻中出現(xiàn)很少，應用更少。6、其它陶瓷纖維（、其它陶瓷纖維（

43、Ceramic fiber） 在新型增強材料的研究與開發(fā)過程中，實際上科研人員還研在新型增強材料的研究與開發(fā)過程中，實際上科研人員還研究和開發(fā)了許多無機陶瓷纖維，例如：究和開發(fā)了許多無機陶瓷纖維，例如：517、芳綸纖維（芳香族聚酰胺纖維，、芳綸纖維（芳香族聚酰胺纖維，Aromatic Polyamide fiber, Kevlar, KF） 芳綸纖維是芳香族聚酰胺類纖維的通稱，國外商品牌芳綸纖維是芳香族聚酰胺類纖維的通稱，國外商品牌號為號為Kevlar（凱芙拉），我國命名為芳綸纖維。（凱芙拉），我國命名為芳綸纖維。芳綸纖維是一種新型高科技合成纖維，具有超高強度、高芳綸纖維是一種新型高科技合成纖

44、維，具有超高強度、高模量、耐高溫、耐酸堿、質(zhì)量輕等優(yōu)良性能。是重要的國模量、耐高溫、耐酸堿、質(zhì)量輕等優(yōu)良性能。是重要的國防軍工材料，可用于防彈衣、頭盔使用，也可作為航空航防軍工材料，可用于防彈衣、頭盔使用，也可作為航空航天、機電、建筑、汽車、體育用品等使用。天、機電、建筑、汽車、體育用品等使用。52v是科學發(fā)現(xiàn)中偶然性的一個事例是科學發(fā)現(xiàn)中偶然性的一個事例v1968年，美國杜邦公司（年，美國杜邦公司（Dupont）一位研究人員在實驗）一位研究人員在實驗時偶然發(fā)現(xiàn)全芳香族聚酰胺樹脂溶解于硫酸類，其分子時偶然發(fā)現(xiàn)全芳香族聚酰胺樹脂溶解于硫酸類，其分子完完全不會分散全不會分散，分子間形成，分子間形成

45、一定規(guī)則排列一定規(guī)則排列，經(jīng)紡絲成為一種，經(jīng)紡絲成為一種全新全新耐熱耐熱、高強度和模量高強度和模量的的有機纖維有機纖維。v正式以正式以Kevlar（凱芙拉）（凱芙拉）作為其商品名作為其商品名, ,我國將其命名為我國將其命名為芳綸纖維芳綸纖維。v經(jīng)過熱處理和改善原料的結(jié)構(gòu)后，可得到綜合性能不同的經(jīng)過熱處理和改善原料的結(jié)構(gòu)后，可得到綜合性能不同的不同牌號的芳綸纖維。主要有：不同牌號的芳綸纖維。主要有：芳綸、芳綸芳綸、芳綸29、芳綸、芳綸49（1）芳綸纖維的發(fā)現(xiàn)）芳綸纖維的發(fā)現(xiàn)53（2）芳綸纖維的性能特點）芳綸纖維的性能特點力學性能：力學性能：v高強度高強度單絲單絲抗拉強度高達抗拉強度高達3.7GP

46、a, 254mm長的纖維束拉長的纖維束拉伸強度為伸強度為2.7GPa，大約為鋁的，大約為鋁的5倍。倍。v高模量高模量彈性模量為彈性模量為127158GPav低密度低密度僅為僅為1.44 g/cm3，幾乎只有鋁的一半；比強度高。，幾乎只有鋁的一半；比強度高。v抗沖擊性能好抗沖擊性能好大約為石墨纖維的大約為石墨纖維的6倍，硼纖維的倍，硼纖維的3倍。與倍。與碳纖維混雜，能大大提高纖維復合材料的抗沖擊性。碳纖維混雜，能大大提高纖維復合材料的抗沖擊性。KevlarKevlar纖維是屬于一種液態(tài)結(jié)晶棒狀高分子纖維是屬于一種液態(tài)結(jié)晶棒狀高分子, ,具有非常好的具有非常好的熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性、耐火性耐火性、抗化

47、學性抗化學性、絕緣性絕緣性、高強度高強度及及高模量高模量。54（2）芳綸纖維的性能特點）芳綸纖維的性能特點熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性v良好的熱穩(wěn)定性良好的熱穩(wěn)定性耐火而不熔耐火而不熔，在在487487不熔化不熔化也不分解，但開始發(fā)也不分解，但開始發(fā)生生碳化碳化。 高溫作用下高溫作用下不易變形不易變形，直至分解，具有良好的，直至分解，具有良好的尺寸穩(wěn)定性尺寸穩(wěn)定性。 能長期在能長期在150150下使用，強度幾乎不變；在下使用，強度幾乎不變；在200200下一周后強度降低下一周后強度降低15%15%，模量降低模量降低4%4%。 在在6060低溫低溫下下不變脆不變脆也也不降解不降解； 熱膨脹系數(shù)各向異性，熱膨

48、脹系數(shù)各向異性，300300以下縱向為負值；橫向正值。以下縱向為負值；橫向正值。v化學穩(wěn)定性化學穩(wěn)定性抵抗中性化學藥品的腐蝕性，但不抵抗中性化學藥品的腐蝕性，但不耐強酸、強堿。耐強酸、強堿。v缺點：耐光性差，抗壓強度低缺點：耐光性差，抗壓強度低（拉伸強度的拉伸強度的1/5），），吸濕性強。吸濕性強。 55（3）芳綸纖維的結(jié)構(gòu)）芳綸纖維的結(jié)構(gòu)56對苯二甲酰與對苯二胺的聚合體對苯二甲酰與對苯二胺的聚合體大分子鏈由大分子鏈由苯環(huán)苯環(huán)和和酰胺基酰胺基組成，沿纖維軸向方向骨架原子由組成，沿纖維軸向方向骨架原子由強的共價強的共價鍵結(jié)合鍵結(jié)合，橫向由，橫向由弱的氫鍵連結(jié)弱的氫鍵連結(jié)，是造成芳綸纖維，是造成芳

49、綸纖維力學性能各向異性力學性能各向異性的原因的原因，即纖維的，即纖維的縱向強度高縱向強度高，而，而橫向強度低橫向強度低。軸向分子鏈軸向分子鏈剛度高剛度高，呈，呈伸展的線性結(jié)構(gòu)伸展的線性結(jié)構(gòu)，使纖維具有，使纖維具有較高的填充能力較高的填充能力，單位體積內(nèi)容納很多聚合物，纖維具有，單位體積內(nèi)容納很多聚合物，纖維具有高的強度高的強度。（5）芳綸纖維的應用）芳綸纖維的應用57（5）芳綸纖維的應用）芳綸纖維的應用581) 1) 航空航天方面航空航天方面芳綸纖維增強塑料（芳綸纖維增強塑料（KFRPKFRP）在航空）在航空航天的應用僅次于航天的應用僅次于碳纖維碳纖維。用于火。用于火箭發(fā)動機殼體、壓力容器、各

50、種整箭發(fā)動機殼體、壓力容器、各種整流罩、艙門、行李架、座椅等，采流罩、艙門、行李架、座椅等，采用用KFRPKFRP比比CFRPCFRP減重減重30%30%。（5）芳綸纖維的應用）芳綸纖維的應用592) 2) 防彈制品防彈制品（5）芳綸纖維的應用）芳綸纖維的應用603) 3) 交通運輸方面交通運輸方面游艇、賽艇、汽車構(gòu)件、高速游艇、賽艇、汽車構(gòu)件、高速輪胎（輪胎（43%用用于輪胎的簾子線于輪胎的簾子線，承載高、質(zhì)量輕、滾動阻力，承載高、質(zhì)量輕、滾動阻力小）等?。┑龋?）芳綸纖維的應用）芳綸纖維的應用614) 4) 建筑材料方面的應用建筑材料方面的應用作為加強筋增強混凝土，強度高，質(zhì)量輕，壽命長作

51、為加強筋增強混凝土，強度高，質(zhì)量輕，壽命長5) 5) 繩索、線纜方面的應用繩索、線纜方面的應用（5）芳綸纖維的應用）芳綸纖維的應用626) 6) 其它的應用其它的應用芳綸纖維布芳綸纖維布阻燃賽車服阻燃賽車服芳綸纖維手套芳綸纖維手套阻燃消防服阻燃消防服 在金屬基復合材料中，也使用部分金屬纖維，如在金屬基復合材料中，也使用部分金屬纖維，如W絲、絲、Mo絲、不銹鋼絲、不銹鋼絲等。但總體而言，這些金屬纖維的絲等。但總體而言，這些金屬纖維的密度大密度大，比強度、比模量不占優(yōu)勢比強度、比模量不占優(yōu)勢，除，除高溫合金基復合材料外，應用較少。高溫合金基復合材料外，應用較少。8、金屬纖維（、金屬纖維（Metal

52、lic fiber）金屬纖維的制造工藝：金屬纖維的制造工藝：63v顆粒增強材料是用以顆粒增強材料是用以改善基體材料性能改善基體材料性能的的顆粒狀顆粒狀材料。材料。v分為分為延性顆粒延性顆粒、剛性顆粒剛性顆粒和和相變增韌顆粒相變增韌顆粒增強體三種。增強體三種。v延性顆粒延性顆粒增強體主要是一些高熔點的增強體主要是一些高熔點的金屬顆粒金屬顆粒，如，如Ni、Co、W等，通過等，通過在裂紋尖端的橋聯(lián)、塑性變形等作用達到增強增韌的目的。在裂紋尖端的橋聯(lián)、塑性變形等作用達到增強增韌的目的。v剛性顆粒剛性顆粒主要是一些高強、高硬的主要是一些高強、高硬的陶瓷顆粒陶瓷顆粒，如，如Al2O3、Si3N4、SiC、TiC、TiN等，通過顆粒釘扎、裂