復(fù)合材料及成型加工全冊(cè)配套完整課件2

復(fù)合材料及成型加工全冊(cè)配套完整課件2增強(qiáng)材料的定義：在復(fù)合材料中，凡是能提高基體材料力學(xué)性能的物質(zhì)，均稱為增強(qiáng)材料。

按物理形態(tài)分增強(qiáng)材料纖維狀增強(qiáng)材料（應(yīng)用最廣泛。)片狀增強(qiáng)材料顆粒狀增強(qiáng)材料晶須增強(qiáng)材料金屬絲增強(qiáng)材料按成分分類增強(qiáng)材料無機(jī)纖維碳纖維芳綸纖維玻璃纖維有機(jī)纖維碳化硅纖維……尼龍纖維聚烯烴纖維……

3.1玻璃纖維

3.1.1概述玻纖的發(fā)展歷史：玻纖工業(yè)奠基于20世紀(jì)30年代。1938年出現(xiàn)了世界上第一家玻纖企業(yè)—?dú)W文斯·康寧玻璃纖維公司（OCF公司）。1939年，日本東洋紡織株式會(huì)社開始生產(chǎn)玻纖。玻纖品種，起初以玻璃紗、玻璃布、玻璃帶和編制套管等電絕緣用途產(chǎn)品為主，又陸續(xù)研制出連續(xù)原絲氈等。1951年美國杜邦公司開發(fā)出硅烷偶聯(lián)劑。1958～1959年，OCF公司和匹斯堡平板玻璃公司相繼建成了池窯拉絲工廠，池窯拉絲的出現(xiàn)，是玻纖工業(yè)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。國外玻纖工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀：普遍采用池窯拉絲新技術(shù)；大力發(fā)展多排多孔拉絲工藝；用于玻璃鋼的纖維直徑逐漸向粗的方向發(fā)展，纖維直徑為14～24μm，甚至達(dá)27μm；大量生產(chǎn)無堿纖維；大力發(fā)展無紡織玻璃纖維織物，無捻粗紗和短切纖維氈片所占比例增加；重視纖維-樹脂界面的研究，偶聯(lián)劑的品種不斷增加，玻璃纖維的前處理受到普遍重視。

國內(nèi)玻纖工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀：

我國玻纖工業(yè)誕生于1950年，當(dāng)時(shí)只能生產(chǎn)絕緣材料用的初級(jí)纖維。

1958年以后，我國玻纖工業(yè)得到迅速發(fā)展。玻纖產(chǎn)業(yè)不僅規(guī)模躍居世界第一位，而且產(chǎn)品質(zhì)量也比肩世界一流水平。與此同時(shí)，由于制造技術(shù)工藝比較先進(jìn)，所以在產(chǎn)品價(jià)格上也占有一定優(yōu)勢(shì)。但在新產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用方面，國內(nèi)與世界玻纖強(qiáng)國如美國、日本等還有一些差距。

作為國際玻纖先進(jìn)技術(shù)的標(biāo)志之一，是圍繞有前景的新應(yīng)用、綜合已有新技術(shù)，迅速進(jìn)行平臺(tái)式開發(fā)。例如美國歐文斯科寧（OCF）公司為解決環(huán)境友好開發(fā)了無堿無硼無氟玻纖。為滿足風(fēng)電等新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展又開發(fā)了Hiper-Tex玻璃纖維新系列。

玻璃纖維是非常好的金屬材料替代材料，玻纖產(chǎn)品符合目前低碳經(jīng)濟(jì)的要求。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，玻璃纖維成為建筑、交通、電子、電氣、化工、冶金、環(huán)境保護(hù)、國防等行業(yè)必不可少的原材料。目前我國整個(gè)玻纖行業(yè)形成了很好的市場(chǎng)集中度，巨石集團(tuán)、重慶國際、泰山玻纖3大巨頭成為第一梯隊(duì)，其中中國玻纖下屬的巨石集團(tuán)現(xiàn)已成為全球規(guī)模最大的玻纖企業(yè)。

我國玻纖纖維“十二五”發(fā)展規(guī)劃

指導(dǎo)思想

：

根據(jù)國內(nèi)外市場(chǎng)變化，全行業(yè)進(jìn)行發(fā)展戰(zhàn)略結(jié)構(gòu)大調(diào)整，從以發(fā)展池窯為中心，轉(zhuǎn)移到完善池窯技術(shù)、重點(diǎn)發(fā)展玻纖制品加工業(yè)為主的方向上來，發(fā)揮現(xiàn)有池窯產(chǎn)能，限制“玻璃球生產(chǎn)線，鉑金坩堝球法拉絲玻璃纖維生產(chǎn)線”，淘汰“陶土坩堝玻璃纖維拉絲生產(chǎn)、工藝與裝備”。努力技術(shù)創(chuàng)新，繼續(xù)提高工藝、裝備、技術(shù)水平，節(jié)能降耗。深化制品加工，抓住國民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，充分發(fā)揮玻纖材料特性，大力開發(fā)產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域，滿足國內(nèi)、國際對(duì)玻纖制品的新需求。實(shí)施走出去戰(zhàn)略，建立跨國公司式企業(yè)。提升企業(yè)管理水平、職工素質(zhì)和綜合競(jìng)爭(zhēng)力，力求全行業(yè)實(shí)現(xiàn)科學(xué)可持續(xù)發(fā)展。

3.1.2玻璃纖維的分類分類方法很多。一般從玻璃原料成分、單絲直徑、纖維外觀及纖維特性等方面進(jìn)行分類。（一）以玻璃原料成分分類主要用于連續(xù)玻璃纖維的分類。一般以不同的含堿量來區(qū)分。（1）無堿玻璃纖維（通稱E玻纖）以鈣鋁硼硅酸鹽組成的玻璃纖維，堿金屬氧化物含量不大于0.5%，國外一般為1％左右。這種纖維強(qiáng)度較高，耐熱性和電性能優(yōu)良，能抗大氣侵蝕，化學(xué)穩(wěn)定性也好（但不耐酸），最大的特點(diǎn)是電性能好，因此也把它稱做電氣玻璃。國內(nèi)外大多數(shù)都使用這種E玻璃纖維作為復(fù)合材料的原材料。

（2）中堿玻璃纖維（C玻纖）：堿金屬氧化物含量在11.5%～12.5%之間。它的主要特點(diǎn)是耐酸性好，但強(qiáng)度不如E玻璃纖維高。它主要用于耐腐蝕領(lǐng)域中，價(jià)格較便宜。（3）特種玻璃纖維：如由純鎂鋁硅三元組成的高強(qiáng)玻璃纖維，鎂鋁硅系高強(qiáng)高彈玻璃纖維，硅鋁鈣鎂系耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕玻璃纖維，高硅氧纖維，石英纖維，含鉛纖維等。（4）AR玻璃纖維：亦稱耐堿玻璃纖維，主要是為了增強(qiáng)水泥而研制的。

（5）E-CR玻璃:是一種改進(jìn)的無硼無堿玻璃，用于生產(chǎn)耐酸耐水性好的玻璃纖維，其耐水性比無堿玻纖改善7～8倍，耐酸性比中堿玻纖也優(yōu)越不少，是專為地下管道、貯罐等開發(fā)的新品種。(6)D玻璃:亦稱低介電玻璃，用于生產(chǎn)介電強(qiáng)度好的低介電玻璃纖維。近年來還出現(xiàn)一種新的無堿玻璃纖維，它完全不含硼，從而減輕環(huán)境污染，但其電絕緣性能及機(jī)械性能都與傳統(tǒng)的E玻璃相似。如美國OCF公司的無硼AdvantexE-CR玻璃纖維優(yōu)于無堿玻璃纖維,此外還有無氟玻璃纖維，是為環(huán)保要求而開發(fā)出來的改進(jìn)型無堿玻璃纖維。

(二）以單絲直徑分類玻璃纖維單絲呈圓柱形，以其直徑的不同可以分成幾種：粗纖維：30μm；初級(jí)纖維：20μm；中級(jí)纖維：10～20μm；高級(jí)纖維：3～10μm（亦稱紡織纖維）；超細(xì)纖維:?4μm單絲直徑不同，不僅使纖維的性能有差異，而且影響到纖維的生產(chǎn)工藝、產(chǎn)量和成本。一般5～10μm的纖維作為紡織制品使用，10～14μm的纖維一般做無捻粗紗、無紡布、短切纖維氈等較為適宜。

纏繞用合股無捻玻纖粗紗（巨石集團(tuán)）玻璃纖維單絲涂塑紗（三）以纖維外觀分類

有連續(xù)纖維，其中有無捻粗紗及有捻粗紗（用于紡織）、短切纖維、空心玻璃纖維、玻璃粉及磨細(xì)纖維等。

短切纖維有捻粗紗繩磨細(xì)纖維無捻紗

（四）以纖維特性分類

根據(jù)纖維本身具有的性能可分為：高強(qiáng)玻璃纖維、高模量玻璃纖維、耐高溫玻璃纖維、耐堿玻璃纖維、耐酸玻璃纖維、普通玻璃纖維（指無堿及中堿玻璃纖維）。

3.1.3玻璃纖維的結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成

(一）玻璃纖維的結(jié)構(gòu)

玻璃纖維的結(jié)構(gòu)與玻璃相同。

（二）玻璃纖維的化學(xué)組成

玻璃纖維的組成玻璃纖維是由SiO2及各種金屬氧化物組成的硅酸鹽類混合物。SiO2：主要組分，形成基本骨架，有高的熔點(diǎn)；金屬氧化物：（Al2O3

，CaO，MgO，BeO，Na2O,K2O，B2O3）改善制備玻璃纖維的工藝條件(Na2O,K2O為助熔劑，降低熔點(diǎn))和性能(BeO，模量；B2O3，耐酸)優(yōu)點(diǎn)

拉伸強(qiáng)度高

防火

防霉

防蛀

耐高溫和電絕緣性能好

3.1.4玻璃纖維的物理性能

缺點(diǎn)具有脆性，不耐腐，對(duì)人的皮膚有刺激性等。

外觀

玻璃纖維表面呈光滑的圓柱。

表面光滑，纖維之間的抱合力非常小，不利于和樹脂粘結(jié)。

空隙填充的較為密實(shí)，對(duì)于提高復(fù)合材料制品的玻纖含量是有利的。

（一）外觀、比重和表面積

玻纖密度為2.16～4.30g/cm3。

金屬纖維≥玻纖比重＞有機(jī)纖維

密度表面積

玻纖的表面積大纖維表面處理效果對(duì)性能影響大（二）玻璃纖維的力學(xué)性能玻璃纖維的性能

拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度較高。玻璃纖維高強(qiáng)的原因

玻璃在制造過程中引入許多微裂紋，受力后裂紋尖端應(yīng)力集中。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，裂紋擴(kuò)展，玻璃被破壞。微裂紋尺寸越大，越多，應(yīng)力集中越嚴(yán)重，導(dǎo)致強(qiáng)度越低。塊狀玻璃比玻璃纖維尺寸大，其內(nèi)部和表面存在微裂紋的概率更大，所以塊狀玻璃比玻璃纖維的強(qiáng)度低得多。s玻纖＞＞s玻璃

玻纖直徑越小，長度越短，強(qiáng)度越大；存放時(shí)間越長，負(fù)荷時(shí)間越長，玻纖強(qiáng)度下降。微裂紋理論：

玻纖在制備過程中，受到定向牽引力作用，分子排列更規(guī)整，所以玻纖強(qiáng)度更大。s玻纖＞＞s玻璃分子取向理論：

影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素

玻纖的拉伸強(qiáng)度隨直徑變細(xì)增加。玻璃纖維拉伸強(qiáng)度隨長度增加顯著下降。

玻纖的強(qiáng)度與化學(xué)成分關(guān)系密切

含堿量越高，強(qiáng)度越低。高強(qiáng)玻璃纖維強(qiáng)度明顯地高于無堿玻璃纖維。

存放時(shí)間對(duì)纖維強(qiáng)度的影響

當(dāng)纖維存放一段時(shí)間后，會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度下降的現(xiàn)象，稱為纖維的老化。

例如，直徑6μm的無堿玻璃纖維和含Na2O17%的有堿纖維，在空氣濕度為60%～65%的條件下存放。無堿玻璃纖維存放二年后強(qiáng)度基本不變，而有堿纖維強(qiáng)度不斷下降，開始比較迅速，以后緩慢下來，存放二年后強(qiáng)度下降33%。其原因在于二種纖維對(duì)大氣水分的化學(xué)穩(wěn)定性不同所致。玻璃纖維的彈性

玻璃纖維的延伸率

（又稱斷裂伸長率）是指纖維在外力作用下直至拉斷時(shí)的伸長百分率。玻璃纖維的延伸率比有機(jī)纖維的延伸率低，一般為3%左右。

玻璃纖維的彈性模量

玻纖的彈性模量較低，約為7×104MPa，與鋁相當(dāng)，只有普通鋼的三分之一，致使復(fù)合材料的剛度較低。

加入BeO,MgO能夠提高玻璃纖維的彈性模量。玻璃纖維的耐磨性和耐折性

耐磨性:抵抗磨擦的能力。

耐折性:抵抗折斷的能力。

當(dāng)纖維表面吸附水分后能加速微裂紋擴(kuò)展，使纖維耐磨性和耐折性降低。采用適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?，可提高耐磨性和耐折性。玻纖這兩個(gè)性能都很差。

（三）玻璃纖維的熱性能

①玻璃纖維的導(dǎo)熱性

玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)：0.6～1.1千卡/米·度·時(shí)，

玻纖導(dǎo)熱系數(shù)：0.03千卡/米·度·時(shí)。

玻璃纖維是一種優(yōu)良的絕熱材料。

玻璃纖維受潮時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)增大，隔熱性能降低。

較小②玻璃纖維的耐熱性

耐熱性較高，軟化點(diǎn)為550～580℃，熱膨脹系數(shù)為4.8×10-6/℃。

玻璃纖維是一種無機(jī)纖維，不會(huì)引起燃燒。

玻璃纖維的耐熱性由化學(xué)成分決定。一般鈉鈣玻璃纖維加熱到470℃之前（不降溫），強(qiáng)度變化不大，石英和高硅氧玻璃纖維的耐熱性可達(dá)到2000℃以上。

熱處理，則強(qiáng)度下降（熱處理使微裂紋增加）。

（四）玻璃纖維的電性能

玻璃纖維的電絕緣性能良好。但它的導(dǎo)電性受到化學(xué)組成、溫度和濕度的影響。

無堿玻纖比有堿玻纖電絕緣性好的多。加入氧化鐵、氧化鉛、氧化銅、氧化鉍或氧化釩，會(huì)使玻纖維具有半導(dǎo)體性能。表面涂覆金屬或石墨，變?yōu)閷?dǎo)電纖維。

玻纖的電阻率隨著溫度的升高而下降。

空氣濕度增加電阻率下降（表3-7）。

（五）玻璃纖維及制品的光學(xué)性能

玻璃纖維的透光性優(yōu)良，但不如玻璃。可制成透明玻璃鋼作采光材料，還可制成光學(xué)和通信材料。

3.1.5玻璃纖維的化學(xué)性能

除對(duì)氫氟酸、濃堿、濃磷酸外，玻璃纖維對(duì)所有化學(xué)藥品和有機(jī)溶劑都有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。

（自學(xué)）（一）侵蝕介質(zhì)對(duì)玻璃纖維制品的腐蝕情況

二氧化硅四面體相互連結(jié)，構(gòu)成玻璃纖維的骨架，它很難與水、酸（H3PO3、HF除外）起反應(yīng)，在玻璃纖維結(jié)構(gòu)中還有Na、Ca、K等金屬離子及SiO2與金屬離子結(jié)合的硅酸鹽部分。當(dāng)侵蝕介質(zhì)與玻璃纖維制品作用時(shí)，多數(shù)是溶解玻璃纖維結(jié)構(gòu)中的金屬離子或破壞硅酸鹽部分；對(duì)于濃堿溶液、氫氟酸、磷酸等，將使玻璃纖維結(jié)構(gòu)全部溶解。

（二）影響玻璃纖維化學(xué)穩(wěn)定性的因素

①玻璃纖維的化學(xué)成分中堿玻纖耐酸性較好，耐水性較差；無堿玻纖耐酸性較差，耐水性較好；中堿玻纖和無堿玻纖的耐堿性相接近?？傊＠w的化學(xué)穩(wěn)定性主要取決于其成分中的二氧化硅及堿金屬氧化物的含量。二氧化硅含量多能提高玻纖的化學(xué)穩(wěn)定性，而堿金屬氧化物則會(huì)使化學(xué)穩(wěn)定性降低。在玻纖成分中增加SiO2或Al2O3含量，或加入ZrO2及TiO2都可以提高玻璃纖維的耐酸性；增加SiO2含量，或加入CaO,ZrO2及ZnO能提高玻璃纖維的耐堿性；在玻璃纖維中加入Al2O3,ZrO2及TiO2等氧化物，可大大提高耐水性。

②纖維表面情況對(duì)化學(xué)穩(wěn)定性的影響

玻纖耐腐蝕性遠(yuǎn)不如玻璃（比表面積大所致）。纖維直徑減小，其化學(xué)穩(wěn)定性降低。③侵蝕介質(zhì)體積和溫度對(duì)玻璃纖維化學(xué)穩(wěn)定性的影響溫度升高，破壞速度增加。

侵蝕介質(zhì)的體積越大，對(duì)纖維的侵蝕越嚴(yán)重。

3.1.6玻璃纖維紗的規(guī)格及性能

玻璃纖維紗可分無捻紗及有捻紗兩種。

絡(luò)紗女工無捻紗有捻紗

由于生產(chǎn)玻璃纖維紗的直徑、支數(shù)及股數(shù)不同，使無捻紗和有捻紗的規(guī)格有許多種。

纖維支數(shù)是表示纖維或紗線粗細(xì)程度的單位。有兩種表示方法：

重量法:是用一克原紗的長度來表示。

纖維支數(shù)=纖維長度/纖維重量

例如：40支紗，指一克重的原紗長40m。

定長法：目前國際統(tǒng)一使用的方法，通稱“TEX”（公制稱號(hào)），是指1000m長的原紗的克重量。

例如：4“TEX”指1000m原紗重4g。

捻度：指單位長度內(nèi)纖維與纖維之間所加的轉(zhuǎn)數(shù)，以捻/米為單位。

Z捻一般稱為左捻，順時(shí)針方向加捻；

S捻稱為右捻，是逆時(shí)針方向加捻。

通過加捻可提高纖維的抱合力，改善了單纖維的受力狀況，有利于紡織工序的進(jìn)行。

捻度過大不易被樹脂浸透。無捻粗紗中的纖維是平行排列的，拉伸強(qiáng)度很高，易被樹脂浸透，故無捻粗紗多用于纏繞高壓容器及管道等，同時(shí)也用于擠拉成型、噴射成型等工藝中。

3.1.7玻璃纖維制品的品種及性能

品種很多，主要有玻璃纖維布、玻璃纖維氈、玻璃纖維帶等。

玻璃纖維紡織車間

玻璃纖維布:是指經(jīng)向和緯向均采用連續(xù)玻璃纖維織造而成的織物。坯布：由紡織機(jī)落下未經(jīng)處理織物?；迹焊鶕?jù)用途，坯布經(jīng)脫蠟、浸漬等工藝處理，制成不同用途的基布。如：橡膠基布、釣魚桿基布等。

玻璃纖維布玻璃纖維布又可分平紋布、斜紋布、緞紋布、無捻粗紗布（即方格布）、單向布、無紡布等。

無捻粗紗布它具有浸膠容易、鋪覆性好、較厚實(shí)、強(qiáng)度高、氣泡易排除、施工方便、價(jià)格較便宜等特點(diǎn)。它是手糊工藝中常使用的一種布。

平紋布

平紋布是最普通的織法，通常叫平織，是由經(jīng)紗和緯紗各一根上下相互交叉而織成。平紋布編織緊密、交織點(diǎn)多、強(qiáng)度較低、表面平整、氣泡不易排除。它主要用在各個(gè)方向強(qiáng)度均要求一致的產(chǎn)品上，適用于制作形面簡(jiǎn)單或平坦的制品。

斜紋布

這種布經(jīng)向與緯向的交織點(diǎn)連續(xù)而成斜向的紋路。斜紋布與平紋布相比織點(diǎn)較少。斜紋布較致密、柔性好、鋪覆性較好、強(qiáng)度較大，適于制作有曲面的和各方向都需要強(qiáng)度高的制品。

自學(xué)無紡布它是由連續(xù)纖維平行或交叉排列后，用粘結(jié)劑粘結(jié)而成的片狀材料，這種布是在拉絲過程中直接成型的，易于保持纖維的新生態(tài)。具有強(qiáng)度高、剛性好、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。無紡布的出現(xiàn)，給使用粗纖維制造玻璃鋼創(chuàng)造了條件。近年來國外開始用直徑為50～100μm的纖維制造無紡布，其性能見表3-13。

玻璃纖維氈:玻璃纖維氈由連續(xù)原絲或短切原絲不定向地通過化學(xué)粘結(jié)劑或機(jī)械作用結(jié)合在一起制成的薄片狀制品。根據(jù)纖維的形態(tài)和結(jié)合方式的不同，主要有短切原絲氈、連續(xù)原絲氈、縫編氈、復(fù)合氈、表面氈和針刺氈等類別。玻璃纖維氈

短切纖維氈：鋪復(fù)性好、各向同性、價(jià)格便宜、強(qiáng)度較低、樹脂用量大、適用于手糊及噴射成型玻璃鋼。

連續(xù)纖維氈：鋪復(fù)性好、強(qiáng)度大、質(zhì)量均勻、樹脂用量大、價(jià)格比短切纖維氈貴10%左右。適用于手糊及噴射成型玻璃鋼和大型貯罐玻璃鋼的富樹脂層。

表面氈：將定長玻璃纖維（細(xì)纖維）隨機(jī)地均勻鋪放而成，厚度約為0.3～0.4mm。表面氈鋪復(fù)性好、強(qiáng)度低、價(jià)格較便宜，主要用于玻璃制品的表面，使制品表面光滑，樹脂含量高，耐老化性能好。自學(xué)

玻璃纖維帶

3.1.8玻璃纖維的制造

玻璃纖維的制造方法主要有坩堝法和直接熔融法（池窯法)。

（一）坩堝法

包括制球、拉絲工藝。

（1）制球

主要設(shè)備是玻璃熔窯、喂料機(jī)和制球機(jī)。

如E玻纖按照成分要求，將石英砂、石灰石等粉磨好的原料，以及硼酸、亞砷酸等化工原料按比例計(jì)量、調(diào)配、混合后送入熔窯內(nèi)制成玻璃液。玻璃液自熔窯中緩慢流出，并經(jīng)制球機(jī)制成玻璃球。玻璃球經(jīng)質(zhì)量檢查后，可作為拉絲的原料。

各種玻璃球

（2）拉絲

主要設(shè)備是鉑金坩堝（或代鉑坩堝、陶土坩堝）和拉絲機(jī)以及溫度控制系統(tǒng)。

鉑金坩堝是一個(gè)小型的電加熱玻璃熔窯，用來將玻璃球熔化成玻璃液，然后從鉑金坩堝底部漏板的小孔中流出，拉制成玻璃纖維。拉絲機(jī)的機(jī)頭上套有卷筒，由馬達(dá)帶動(dòng)作高速轉(zhuǎn)動(dòng)。將玻璃纖維端頭纏在卷筒上后，由于卷筒的高速轉(zhuǎn)動(dòng)使玻璃液高速度地從鉑金坩堝底部的小漏孔中拉出，并經(jīng)速冷而成玻璃纖維。鉑金坩堝底部有多少小漏孔，就會(huì)拉制出多少根玻璃纖維，這些玻璃纖維集束成一股并浸上浸潤劑，然后經(jīng)排線器卷繞到拉絲機(jī)的卷筒上去。

拉絲車間一角

從卷筒上取得的玻璃纖維叫做原絲。原絲由若干根單絲（即單纖維）組成，單絲的多少由鉑金坩堝底部的小漏孔數(shù)決定。一般由102，204或408根單線組成原絲。原絲經(jīng)質(zhì)量檢查合格后可送到紡織工段作進(jìn)一步加工。

浸潤劑的作用

（1）原絲中的纖維不散亂而能相互粘附在一起；

（2）防止纖維間的磨損；

（3）原絲相互間不粘結(jié)在一起；

（4）便于紡織加工等。

浸潤劑的種類

常用：石蠟乳劑（紡織型）、聚醋酸乙烯酯（增強(qiáng)型）。

偶聯(lián)劑硅烷等也可作增強(qiáng)型浸潤劑。

石蠟乳劑主要含有石蠟、凡士林、硬脂酸等，這些組分有利于紡織加工，但嚴(yán)重地阻礙樹脂對(duì)玻璃布的浸潤，影響樹脂與纖維的結(jié)合。因此，用含石蠟乳劑的玻璃纖維及其制品，必須在浸膠前除去。

去除紡織型浸潤劑的方法：

熱處理、溶液洗滌法

聚醋酸乙烯酯對(duì)玻璃鋼性能影響不大，浸膠前可不必去除。但這種浸潤劑在紡織時(shí)易使玻璃纖維起毛，一般用于生產(chǎn)無捻粗紗，無捻粗紗織物，以及短切纖維和短切纖維氈。

池窯法是將玻璃配合料直接投入窯內(nèi)熔融、澄清、均化后，經(jīng)鉑銠漏板之漏孔流出，根據(jù)制品性能要求，單絲被涂敷不同類型的浸潤劑，單絲集束或分槽集束后，被拉絲機(jī)卷繞成絲餅。

（二）池窯法

與坩堝法相比，池窯法省去了制球及二次熔化的過程。因此，用池窯法生產(chǎn)玻璃纖維時(shí)所消耗的能量，比坩堝法要節(jié)約50％左右，其玻璃纖維化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好，作業(yè)穩(wěn)定，產(chǎn)量高，成本低。已成為全世界最主要的玻纖生產(chǎn)技術(shù)。

3.1.8特種玻璃纖維（自學(xué)）

(一）高強(qiáng)度及高模量玻璃纖維

高強(qiáng)度玻璃纖維鎂鋁硅酸鹽玻纖（S玻纖）硼硅酸鹽玻纖高強(qiáng)度玻纖S玻璃纖維

化學(xué)成分主要是SiO2～65%，AI2O3～25%，MgO～10%。

它與E玻璃纖維相比，拉伸強(qiáng)度高33%，彈性模量提高20%。并具有高的比強(qiáng)度，在高溫下有良好的強(qiáng)度保留率及高的疲勞極限。它的拉絲溫度很高，一般要在1400℃以上，需要特殊的拉絲工藝。

硼硅酸鹽玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度為4400Mpa，彈性模量為7.4×104Mpa。

硼硅酸鹽玻璃纖維

化學(xué)成分為SiO2：40%～50%，AI2O3：19%～29%，B2O3：10%～20%，Ii2O：0.1%～1%。配方中加BeO以提高其彈性模量。

硼硅酸鹽玻璃纖維的液相溫度較低，不需特殊拉絲工藝條件，一般用含量15%～25%的鉑拉絲爐即可拉絲。

高模量玻璃纖維

也稱M玻璃或YM-35-A玻璃。國內(nèi)這種玻璃的成分如下：

SiO253.7％，CaO12.7%，MgO9%，BeO8%，

ZrO22%，TiO27.9%，Li2O3.0%，F(xiàn)e2O30.5%。

M玻璃纖維的模量為9.4×104Mpa，比一般玻璃纖維的模量提高1/3以上，拉伸強(qiáng)度和E玻璃纖維相似，玻璃液相溫度為1110℃。由它制成的玻璃制品剛性好，在外力作用下不易變形，更適合于要求高強(qiáng)度和高模量制品，以及航空、宇航所用的制品。

（二）耐高溫玻璃纖維

石英纖維

軟化溫度高，1250℃以上膨脹系數(shù)小電絕緣性能好耐100－200℃濃酸侵蝕，耐堿及堿鹽能力差透光性好廣泛用于電機(jī)制造，光通訊、火箭及原子反應(yīng)堆工程。

高硅氧玻璃纖維

耐熱性與石英纖維相似。但強(qiáng)度較低。廣泛用于宇航、火箭等方面。

鋁硅酸鹽玻璃纖維

AI2O3＞50％，熔化溫度1760℃，最高使用溫度1260℃，但強(qiáng)度較低。主要用途為絕熱和隔熱材料，多用于火箭、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和原子反應(yīng)堆等。

（三）空心玻璃纖維（自學(xué)）

空心玻璃纖維是采用鋁硼硅酸鹽玻璃原料，用特制拔絲爐拔絲制成。

這種纖維呈現(xiàn)中空狀態(tài)，質(zhì)輕、剛性好，制成玻璃制品比一般的輕10%以上，而且彈性模量較高，適用于航空與海底裝備。另外，其電性能好，導(dǎo)熱系數(shù)低，但性質(zhì)較脆。作業(yè)1.以某種特種玻璃纖維為例，介紹它的成分、結(jié)構(gòu)、性能、制備工藝及應(yīng)用等。（500字以上）下次課交。

碳纖維（Carbonfiber,CF）是先進(jìn)復(fù)合材料最常用和最重要的增強(qiáng)體。碳纖維是由不完全的石墨結(jié)晶沿纖維軸向排列的一種多晶的新型無機(jī)非金屬材料。化學(xué)組成中碳元素含量達(dá)90％以上。性能特點(diǎn)：高強(qiáng)度、高模量、耐熱性好、密度低。1959年美國研制人造絲碳纖維；1963年日本以瀝青為原料研制出碳纖維；1964年英國，聚丙烯腈基碳纖維20世紀(jì)70年代，中國生產(chǎn)碳纖維（品種少，性能一般，產(chǎn)量低）1969年100t1985年4700t2005年21000t3.2碳纖維3.2.1概述發(fā)展歷史預(yù)計(jì)需求量2015年70000噸2020年140000噸碳纖維連續(xù)長絲鍍鎳碳纖維碳短纖維碳纖維織物碳纖維不織布石墨的結(jié)構(gòu)碳纖維亂層結(jié)構(gòu)3.2.2碳纖維的結(jié)構(gòu)缺陷：內(nèi)部雜質(zhì)、外來雜質(zhì)、裂縫、空穴、氣泡、表面污染（影響CF強(qiáng)度的重要因素）來源：原絲存在的缺陷（雜質(zhì)、裂縫）碳化過程產(chǎn)生缺陷（空穴、氣泡）3.2.3碳纖維的分類按原絲種類分：聚丙烯腈基CF，瀝青基CF、粘膠基CF按力學(xué)性能分類：通用級(jí)CF、高性能CF

（高強(qiáng)、超高強(qiáng)、高模、超高模）按應(yīng)用領(lǐng)域分類：商品級(jí)CF，宇航級(jí)CF按功能分類：導(dǎo)電CF，耐磨CF，耐火CF，活性CF纖維素纖維：復(fù)雜應(yīng)力，石墨化，收得率低；瀝青纖維：原料便宜，收得率高；雜質(zhì)影響性能；PAN纖維：基礎(chǔ)研究全面，工藝成熟。碳纖維的價(jià)格（美圓/kg）年代19751980198519901995200020072013價(jià)格2008050212017約3633~503.2.2碳纖維的制造方法氣相法：惰性氣氛，小分子有機(jī)物（烴或芳烴）在高溫下沉積而成，形成晶須或短纖維。有機(jī)纖維碳化法：經(jīng)穩(wěn)定劑處理的有機(jī)纖維在惰性氣體中焙燒碳化，形成碳纖維。（一）聚丙烯腈基碳纖維（PAN-CF）的制造PAN纖維

預(yù)氧化200~300℃空氣氣氛數(shù)十至數(shù)百分鐘

碳化1000~1600℃惰性氣氛N2十至數(shù)十分鐘

石墨化2000~3000℃惰性氣氛Ar十至數(shù)十分鐘碳纖維石墨纖維丙烯腈聚丙烯腈聚合紡絲表面處理深加工系列產(chǎn)品聚丙烯腈基碳纖維（PAN-CF）制造階段

①拉絲：可用濕法、干法或者熔融狀態(tài)三種方法進(jìn)行。

②牽伸：在室溫以上，通常是100～300℃范圍內(nèi)進(jìn)行，W.Watt首先發(fā)現(xiàn)結(jié)晶定向纖維的拉伸效應(yīng)，而且這效應(yīng)控制著最終纖維的模量。③預(yù)氧化：PANTg≈120℃，分解前會(huì)軟化熔融；現(xiàn)象：白黃棕褐色黑結(jié)果：PAN分子結(jié)構(gòu)調(diào)整為穩(wěn)定梯形六元環(huán)結(jié)構(gòu)，并生成碳氧鍵，吸氧量為8-10%，PAN絲抵抗外加張力，分子鏈?zhǔn)湛s并擇優(yōu)取向。④碳化（亂層石墨結(jié)構(gòu)）分解N，H，O等非碳元素，碳化產(chǎn)率約為50~55%，碳纖維含碳率在90%以上。⑤石墨化（石墨片層結(jié)構(gòu)）纖維中結(jié)晶碳向石墨晶體取向，并使之與纖維軸向夾角進(jìn)一步減小，以提高碳纖維的彈性模量。3.2.3碳纖維的性能1.力學(xué)性能強(qiáng)度高（s=1.4~2.5GPa），模量大（E=（2.5~4.6）×102GPa2.物理性能①密度小(r≈1.5~2.0g/cm3)；②耐溫性好(250~2000℃)；③熱膨脹系數(shù)?。ㄆ叫欣w維軸為負(fù)，垂直纖維軸為正）；④導(dǎo)電性好；⑤自潤滑性3.化學(xué)性能①氧化性（200℃以上在空氣中氧化）②耐腐蝕性好（耐酸堿、耐水）碳纖維領(lǐng)域的主要課題與研究熱點(diǎn)需要解決的課題：原絲質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)原絲是生產(chǎn)高性能碳纖維的前提。高純、高強(qiáng)、高取向度預(yù)氧化是控制碳纖維質(zhì)量的重要因素。

防熔、防燃，耐熱梯形結(jié)構(gòu)碳化和石墨化工藝是制備高性能碳纖維的關(guān)鍵。

高純氮?dú)饣驓鍤獗Ｗo(hù)，脫氮交聯(lián)，排除非碳元素，瞬時(shí)排出熱解產(chǎn)物。耐高溫材料及大型高溫爐先進(jìn)制造技術(shù)

幾種碳纖維化學(xué)成分

類型牌號(hào)高強(qiáng)中模高強(qiáng)高模T300，T400M30，T800M40，M50成分（%）CNH93～964～7095～982～5099.700堿金屬（ppm）20～4020～3010～20

凡聚合物大分子的主鏈由芳香環(huán)和酰胺鍵構(gòu)成,且其中至少85%的酰胺基直接鍵合在芳香環(huán)上,每個(gè)重復(fù)單元的酰胺基中的氮原子和羰基均直接與芳香環(huán)中的碳原子相連接并置換其中的一個(gè)氫原子的聚合物稱為芳香族聚酰胺纖維(簡(jiǎn)稱芳酰胺纖維）,我國定名為芳綸纖維。

3.3芳綸纖維（KF）

3.3.1概述

Kevlar主要用于橡膠增強(qiáng)，制造輪胎、三角皮帶、同步帶等。K-29主要用于繩索、電纜、涂漆織物、帶和帶狀物，以及防彈背心等。K-49用于航空、宇航、造船工業(yè)的復(fù)合材料制件。

1968年美國杜邦公司開始研制芳綸纖維。1973年研究成功一類全對(duì)位芳香族聚酰胺纖維，命名為ARAMID纖維，后改名為凱芙拉（Kevlar）纖維，它共有三個(gè)品種：Kevlar、Kevlar

—29（簡(jiǎn)稱K-29)、Kevlar

—49（簡(jiǎn)稱K－49）。

芳綸纖維布芳綸纖維帶芳碳混編

芳綸纖維間位芳香族聚酰胺纖維主要用作蜂窩結(jié)構(gòu)用紙、絕緣紙，很少用于復(fù)材的增強(qiáng)材料。對(duì)位芳香族聚酰胺纖維聚間苯二甲酰間苯二胺（MPIA）聚對(duì)苯甲酰胺(PBA)聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺(PPTA)芳綸纖維主要品種主要品種

3.3.2芳綸纖維的結(jié)構(gòu)

芳綸纖維是對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺的聚合體，經(jīng)溶解轉(zhuǎn)為液晶紡絲而成。

化學(xué)結(jié)構(gòu)式

纖維的基體結(jié)構(gòu)是長鏈狀聚酰胺，至少85%的酰氨直接鍵合在芳香環(huán)上，這種剛硬的直線狀分子鍵在纖維軸向是高度定向的，各聚合物鏈?zhǔn)怯蓺滏I作橫向連結(jié)。這種在沿纖維方向的強(qiáng)共價(jià)鍵和橫向弱的氫鍵，造成芳綸纖維力學(xué)性能各向異性，即纖維的縱向強(qiáng)度高，而橫向強(qiáng)度低。

芳綸纖維的化學(xué)鏈主要由芳環(huán)組成。這種芳環(huán)結(jié)構(gòu)具有高的剛性，并使聚合物鏈呈伸展?fàn)顟B(tài)而不是折疊狀態(tài)，形成棒狀結(jié)構(gòu)，因而纖維具有高的模量。芳綸纖維分子鏈?zhǔn)蔷€性結(jié)構(gòu)，這又使纖維能有效地利用空間而具有高的填充效率的能力，在單位體積內(nèi)可容納很多聚合物。這種高密度的聚合物具有較高的強(qiáng)度。從其規(guī)整的晶體結(jié)構(gòu)可以說明芳綸纖維的化學(xué)穩(wěn)定性、高溫尺寸穩(wěn)定性、不發(fā)生高溫分解以及在很高溫度下不致熱塑化等特點(diǎn)。

3.3.3芳綸纖維的性能特點(diǎn)

(一）力學(xué)性能

沖擊性能好。大約為石墨纖維的6倍，為玻璃纖維0.8倍。用它與碳纖維混雜將能大大提高纖維復(fù)合材料的沖擊性能。

彈性模量高?？蛇_(dá)1.27～1.577×105MPa，比玻璃纖維高一倍，為碳纖維0.8倍。

斷裂伸長在3%左右，接近玻璃纖維，高于其他纖維。抗壓性能低。密度小，比重1.44～1.45，只有鋁的一半，因此它有高的比強(qiáng)度與比模量。拉伸強(qiáng)度高。單絲強(qiáng)度可達(dá)3773MPa；254mm長的纖維束的拉伸強(qiáng)度為2744MPa，大約為鋁的5倍。

芳綸纖維和其它纖維的性能

性能芳綸纖維尼龍纖維聚酯纖維石墨纖維玻璃纖維不銹鋼絲拉伸強(qiáng)度MPa281510101142281524531754彈性模量Gpa126.55.614.122570.4204斷裂延伸率%2.518.314.51.253.52.0密度g/cm31.441.141.381.752.557.83材料

（二）芳綸纖維的熱穩(wěn)定性

熱膨脹系數(shù)具有各向異性?？v向熱膨脹系數(shù)在0～100℃時(shí)為-2×10-6/℃；在100～200℃時(shí)為-4×10-6/℃。橫向熱膨脹系數(shù)為59×10-6/℃。良好的熱穩(wěn)定性。耐火而不熔，當(dāng)溫度達(dá)487℃時(shí)尚不熔化，但開始碳化。能長期在180℃下使用，在150℃下作用一周后強(qiáng)度、模量不會(huì)下降，另外在低溫（-60℃）不發(fā)生脆化亦不降解,有“防火纖維”之美稱.

良好的耐介質(zhì)性能。對(duì)中性化學(xué)藥品的抵抗力很強(qiáng)，但易受各種酸堿的侵蝕，尤其是強(qiáng)酸的侵蝕；耐水性不好，這是由于在分子結(jié)構(gòu)中存在著極性酰氨基，在低濕度（20%相對(duì)濕度）下芳綸纖維的吸濕率為1%，但在高濕度（85%相對(duì)濕度）下，可達(dá)到7%。

（三）芳綸纖維的化學(xué)性能

對(duì)紫外線較敏感。若長期裸露在陽光下，其強(qiáng)度損失很大，因此應(yīng)加保護(hù)層。

3.3.4芳綸纖維(PPTA)的制造

制造過程分兩個(gè)階段：第一階段：對(duì)苯二胺與對(duì)苯二甲酸酰氯縮聚成聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺(PPTA)；

第二階段：將聚合體溶解在溶劑中再進(jìn)行紡絲，制成所需要的纖維材料。

(一）PPTA的聚合

PPTA由對(duì)苯二胺、對(duì)苯二甲酸酰氯縮聚而成，反應(yīng)式如下：

（二）紡絲工藝采用液晶紡絲工藝。

液晶態(tài)是晶態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)化的中間態(tài)，既具有晶態(tài)的有序性（導(dǎo)致各向異性），又具有液態(tài)的連續(xù)性和流動(dòng)性。根據(jù)形成條件不同分為：

熱致性液晶：受熱熔融形成各向異性熔體；

溶致性液晶：溶于某種溶劑而形成各向異性的溶液。

高分子液晶的結(jié)構(gòu)類型：近晶型、向列型、膽甾型

（1）近晶型：棒狀分子通過垂直于分子長軸方向的強(qiáng)相互作用，互相平行排列成層狀結(jié)構(gòu)，分子軸垂直于層面。棒狀分子只能在層內(nèi)活動(dòng)。近晶型

（2）向列型：棒狀分子雖然也平行排列，但長短不一，不分層次，只有一維有序性，在外力作用下發(fā)生流動(dòng)時(shí)，棒狀分子易沿流動(dòng)方向取向，并可流動(dòng)取向中互相穿越。向列型

（3）膽甾型：棒狀分子分層平行排列，在每個(gè)單層內(nèi)分子排列與向列型相似，相鄰兩層中分子長軸依次有規(guī)則地扭轉(zhuǎn)一定角度，分子長軸在旋轉(zhuǎn)3600后復(fù)原。兩個(gè)取向相同的分子層之間的距離稱為膽甾型液晶的螺距。膽甾型

紡絲用向列型液晶。聚合物PPTA在溶液中呈一定取向狀態(tài)，為一維有序緊密排列。在外界剪切力的作用下，分子很容易沿作用力方向取向，這就是具有液晶性質(zhì)的大分子有利成纖的原因。

PPTA能溶于濃硫酸、氯磺酸、氟磺酸及無水氟化氫中。將PPTA溶于100％的硫酸中，顯示液晶的特性。

凱芙拉纖維起初的紡絲工藝是濕法紡絲，但此法生產(chǎn)效率低，纖維性能差。隨后又出現(xiàn)干噴濕紡工藝。

干噴濕紡工藝：高濃度、高溫度的PPTA液晶溶液在較高的噴絲速度下噴絲，先經(jīng)過一段空間，然后進(jìn)入溫度低的凝固液浴，在凝固液浴中，經(jīng)過一個(gè)紡絲管，在凝固液的作用下形成絲束，繞到繞絲輥上，再經(jīng)洗滌，在張力下于熱輥上干燥，得K-29。在惰性氣體中于較高的溫度下進(jìn)行熱處理，得K-49。

3.3.5用途

以芳綸纖維為增強(qiáng)材料、樹脂作為基體的增強(qiáng)塑料，簡(jiǎn)稱KFRP。芳綸產(chǎn)品用于防彈衣、頭盔等約占7～8%；航空航天材料、體育用材料約占40%，它在航空航天方面的應(yīng)用，僅次于碳纖維；輪胎骨架材料、傳送帶材料等方面大約占20%左右；輪胎業(yè)也開始大量使用芳綸簾線來減輕重量，減少滾動(dòng)阻力。高強(qiáng)繩索等方面大約占13%。

（一）航空方面各種整流罩、窗框、天花板、隔板、地板、艙壁、艙門等。采用KFRP比GFRP可減重30%。例如，1-1011三星式客機(jī)已采用KFRP1135公斤減重365公斤。

（二）航天方面火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、壓力容器、宇宙飛船的駕駛艙以及通風(fēng)管道等。如“三叉戟”、“MX”的三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體全部采用KFRP（環(huán)氧樹脂基），比同一尺寸“海神”的GFRP殼體減重50%。

（三）其他軍事應(yīng)用

KFRP作為防護(hù)材料，制成飛機(jī)、坦克、裝甲車、艇的防彈構(gòu)件、頭盔和防彈衣等。

芳綸纖維防彈衣芳綸纖維防彈布芳綸纖維防割手套

（四）民用

造船業(yè)、汽車方面，采用KFRP，船體質(zhì)量可減輕28%～40%（與Al相比），可節(jié)省燃料35%，延長航程35%。如用KFRP制成的釣船，與同樣大小的GFRP相比可節(jié)約燃料53.7%，行駛速度快10%。同樣用芳綸作為輪胎簾子線，具有承載高、質(zhì)量輕、采用舒適、噪音低、高速性能好、滾動(dòng)阻力小、磨耗低、產(chǎn)生熱量少等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于高速輪胎。

在體育器具方面，如曲棍球棒、高爾夫球棒、網(wǎng)球拍、標(biāo)槍、弓、釣魚桿、滑雪撬等。

繩索方面，它比滌綸繩索強(qiáng)度高一倍，比鋼繩索高50%，用手指粗的芳綸繩就可以吊起兩輛大卡車。

在混雜纖維復(fù)合材料的制品中應(yīng)用也日益廣泛.

芳綸繩3.4其他纖維3.4.1碳化硅纖維

碳化硅纖維是以碳和硅為主要組分的一種陶瓷纖維。碳化硅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。主要用于增強(qiáng)金屬和陶瓷，制成耐高溫的金屬或陶瓷基復(fù)合材料。

主要制造方法有：化學(xué)氣相沉積法（CVD法）燒結(jié)法（有機(jī)聚合物轉(zhuǎn)化法）

化學(xué)氣相法生產(chǎn)直徑為95～140μm的單絲。

燒結(jié)法生產(chǎn)直徑為10μm的細(xì)纖維。

碳化硅纖維制備CVD法:鎢絲/碳絲

沉積室有機(jī)硅聚合物(氯硅烷和氫氣混合氣）分解碳化硅CVD法:鎢絲/碳絲

沉積室有機(jī)硅聚合物(氯硅烷和氫氣混合氣）分解CVD法:鎢絲/碳絲CVD法:鎢絲/碳絲

沉積室有機(jī)硅聚合物(氯硅烷和氫氣混合氣）分解CVD法:鎢絲/碳絲碳化硅

沉積室有機(jī)硅聚合物(氯硅烷和氫氣混合氣）分解CVD法:鎢絲/碳絲碳化硅

沉積室有機(jī)硅聚合物(氯硅烷和氫氣混合氣）分解CVD法:鎢絲/碳絲碳化硅碳化硅

沉積室有機(jī)硅聚合物(氯硅烷和氫氣混合氣）分解碳化硅鎢絲/碳絲

沉積室有機(jī)硅聚合物(氯硅烷和氫氣混合氣）分解碳化硅CVD法:鎢絲/碳絲碳化硅

沉積室有機(jī)硅聚合物(氯硅烷和氫氣混合氣）分解CVD法:鎢絲/碳絲碳化硅

沉積室有機(jī)硅聚合物(氯硅烷和氫氣混合氣）分解CVD法:鎢絲/碳絲碳化硅燒結(jié)法:烷基硅烷聚合、紡絲有機(jī)纖維高溫處理

碳化硅（d≈10~15mm）

碳化硅纖維的主要生產(chǎn)國是美、日兩國。美國Textron特種纖維公司是碳化硅單絲的主要生產(chǎn)廠，并研究發(fā)展碳化硅纖維增強(qiáng)鋁、鈦基復(fù)合材料。日本碳公司是燒結(jié)法碳化硅纖維的主要生產(chǎn)廠。

(一）碳化硅纖維的性能（1）力學(xué)性能尼卡綸（Nicalon）的主要性能見表3-21。其強(qiáng)度與韌性接近于硼纖維。

纖維結(jié)構(gòu)SiC，非晶體密度2.55g/cm3化學(xué)組成Si，C，O比電阻約103Ω—cm纖維直徑15μm膨脹系數(shù)1—2×10-6/℃（0-200℃）束絲中的單絲數(shù)目500根/束比熱1.14J/g·℃（300℃）特?cái)?shù)200g/1000m熱導(dǎo)率11.63W/（m·k）軸向抗拉強(qiáng)度2800MPa比表面積0.13m2/g楊氏模量200GPa抗射線性能中子照射無劣化現(xiàn)象斷裂延伸率1.5%（2）熱性能

優(yōu)良的耐熱性能，在1000℃以下，其力學(xué)性能基本上不變，可長期使用，當(dāng)溫度超過1300℃時(shí)，其性能才開始下降，是耐高溫的好材料。（3）耐化學(xué)性能

良好的耐化學(xué)性能，在80℃下耐強(qiáng)酸，用30%NaOH浸蝕20小時(shí)后，纖維僅失重1%以下，其力學(xué)性能仍不變，它與金屬在1000℃以下也不發(fā)生反應(yīng)，且有很好的浸潤性，有益于金屬復(fù)合。

（4）耐輻照和吸波性能碳化硅纖維具有良好的吸波性能。在通量為3.2×1010中子/秒的快中子輻照1.5小時(shí)或以能量為105中子伏特、200納秒的強(qiáng)脈沖γ射線照射下，碳化硅纖維強(qiáng)度均無明顯降低。

（二）碳化硅纖維的應(yīng)用碳化硅纖維具有耐高溫、耐腐蝕、耐輻射的性能，是一種耐熱的理想材料。已用于高溫的傳送帶、過濾材料（如汽車的廢氣過濾器等）。碳化硅復(fù)合材料已應(yīng)用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、飛機(jī)螺旋槳等受力部件等。在軍事上，應(yīng)用于步槍金屬基復(fù)合槍筒套管，坦克履帶、火箭推進(jìn)劑傳送系統(tǒng)，戰(zhàn)斗機(jī)的垂直安定面，導(dǎo)彈尾部，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼，魚雷殼體等。

硼纖維（BF）

硼纖維是一種將硼元素通過高溫化學(xué)氣相法沉積在鎢絲或碳纖維芯材上制成的高性能增強(qiáng)纖維。它具有很高的比強(qiáng)度和比模量，是制造金屬復(fù)合材料最早采用的高性能纖維。3.4.2硼纖維鎢絲清洗室

第一沉積室

1120～1200℃

涂覆室B4C或SiC等(保護(hù)層）BF第二沉積室

1200～1300℃B+WWB4等硼化物(一）制造方法芯材：主要是鎢絲（10～13μm）。其它碳纖維（30μm

左右）、涂碳（或鎢）石英纖維。直經(jīng)一般3.5～50μm。①強(qiáng)度高、模量高。其平均拉伸強(qiáng)度約3.5GPa，拉伸模量為400GPa。彎曲強(qiáng)度是拉伸強(qiáng)度的2倍左右。②在空氣中500℃熱處理1h，其拉伸強(qiáng)度變化不大，但超過500℃的高溫，其拉伸強(qiáng)度則會(huì)大幅下降。③在室溫下，化學(xué)穩(wěn)定性好，但表面具有活性，不需要處理就能與樹脂進(jìn)行復(fù)合，而且所制得的復(fù)合材料具有較高的層間剪切強(qiáng)度。在高溫下，易與大多數(shù)金屬發(fā)生反應(yīng)。故無涂層的硼纖維不適合制備金屬基復(fù)合材料。④硼纖維密度小，密度在2.5～2.65g/cm2范圍內(nèi)變化。⑤直徑大（100μm，140μm，200μm），大直徑纖維綜合性能好，并有利于降低價(jià)格，但直徑大，缺陷多，目前直徑140μm的纖維應(yīng)用較多。

（二）硼纖維的性能美、俄是硼纖維的主要生產(chǎn)國，并研制發(fā)展了硼纖維增強(qiáng)樹脂，硼纖維增強(qiáng)鋁等先進(jìn)復(fù)合材料，用于航天飛機(jī)、B-1轟炸機(jī)、運(yùn)載火箭、核潛艇等軍事裝備，取得了巨大效益。我國上世紀(jì)70年代初開始研制硼纖維及其復(fù)合材料，目前已建成了5條試驗(yàn)生產(chǎn)線。研究水平和纖維質(zhì)量接近國際水平。硼纖維的高價(jià)格（700美元/磅）限制了硼纖維在高端航天用途中的應(yīng)用。

（二）硼纖維的應(yīng)用3.4.3晶須晶須是在人工控制條件下生長的缺陷很少的細(xì)長單晶纖維，通常直徑0.1μm-幾μm,長度一般為數(shù)十至數(shù)千微米的高強(qiáng)度須狀材料。晶須是目前已知纖維中強(qiáng)度最高的一種。生長良好的晶須機(jī)械強(qiáng)度幾乎接近晶體的理論值。

(一）晶須的種類分為陶瓷晶須、金屬晶須和有機(jī)化合物晶須。用作增強(qiáng)材料的主要是陶瓷晶須，主要用于陶瓷和金屬基體中。

晶須名稱密度（克/厘米3）熔點(diǎn)（℃）拉伸強(qiáng)度（MPa）拉伸模量（GPa）比強(qiáng)度比剛度氧化鋁3.920801.4～2.8×104

7～24×1023500～72001.8～6.2×105氧化鈹1.825601.4～2.0×104

7×1027800～110003.9×105碳化硼2.524500.71×1044.5×10228001.8×105石墨2.2535802.1×10410×10293004.5×105碳化硅α型3.1523200.7～3.5×104

4.9×1022250～111001.55×105碳化硅β型3.1523200.71～3.55×104

7～10.5×1022250～111002.2～3.3×105氨化硅3.219000.35～1.06×104

3.86×1021000～33201.2×105陶瓷晶須的基本性能晶須：

（二）晶須的性能

晶須兼有玻璃纖維和硼纖維的優(yōu)良性能。它具有玻璃纖維延伸率（3%～4%）和硼纖維的彈性模量（4.2～7.0×105MPa），氧化鋁晶須在2070℃高溫下，仍能保持7000MPa的拉伸強(qiáng)度。晶須沒有顯著的疲勞效應(yīng)，切斷、磨粉或其他的施工操作，都不會(huì)降低其強(qiáng)度。

（三）晶須的應(yīng)用

晶須價(jià)格昂貴。如，六鈦酸鉀晶須：10萬元/噸

石膏晶須：800—3000元/噸晶須目前主要用在空間和尖端技術(shù)上，在民用方面主要用于合成牙齒、骨骼及直升飛機(jī)的旋翼和高強(qiáng)離心機(jī)等。

3．5增強(qiáng)材料的表面處理通常增強(qiáng)纖維的表面比較光滑，比表面積小，表面能較低，具有活性的表面一般不超過表面的10%，呈現(xiàn)憎液性，所以這類纖維較難通過化學(xué)的或物理的作用與基體形成牢固的結(jié)合。為了改進(jìn)纖維與基體之間的界面結(jié)構(gòu)，改善二者的復(fù)合性能，需要對(duì)增強(qiáng)纖維進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚怼?/p>

表面處理方法:

偶聯(lián)劑處理、酸堿刻蝕、等離子體表面處理。(1)偶聯(lián)劑處理

應(yīng)用廣泛。常用有機(jī)鉻合物類表面處理劑和硅烷偶聯(lián)劑處理。

偶聯(lián)劑為雙性分子,它的一部分官能團(tuán)與碳纖維表面反應(yīng)形成化學(xué)鍵,另一部分官能團(tuán)與樹脂反應(yīng)形成化學(xué)鍵。這樣偶聯(lián)劑就在樹脂與碳纖維表面起到一個(gè)化學(xué)媒介的作用,將二者牢固地連在一起,從而達(dá)到提高界面強(qiáng)度的目的。

3.5.1玻璃纖維有機(jī)鉻合物類表面處理劑：是有機(jī)酸與氯化鉻的絡(luò)合物，該類處理劑在無水條件下的結(jié)構(gòu)式為A。有機(jī)鉻絡(luò)合物的品種較多，其中以甲基丙烯酸氯化鉻配合物（Volan，沃蘭）應(yīng)用最為廣泛，其結(jié)構(gòu)式如B。

沃蘭對(duì)玻璃纖維表面的處理機(jī)理如下：①沃蘭水解

沃蘭的R基團(tuán)（CH3-C=CH2）、反應(yīng)剩余的Cr-OH（Cr-CI）將與基體樹脂活性基團(tuán)反應(yīng)。

有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑：通常含有兩類功能性基團(tuán)，其通式為RNSiX4-n，n為1、2或3，多為1。其中X指易水解基團(tuán)，水解后可與玻璃纖維表面發(fā)生反應(yīng)的官能團(tuán)；如甲氧基－OCH3、乙氧基－OC2H5等。R代表能與有機(jī)樹脂反應(yīng)或可與樹脂相互溶解的有機(jī)基團(tuán)，如不飽和雙鍵－CH=CH2、氨基-NH2等，不同的R基團(tuán)適用于不同類型的樹脂。

有機(jī)硅烷處理劑的處理機(jī)理如下：

硅烷對(duì)玻璃纖維表面的處理機(jī)理如下：

偶聯(lián)劑表面處理的方法：①前處理法

將既能滿足抽絲和紡織工序要求，又能促使纖維和樹脂浸潤與粘接的增強(qiáng)型浸潤劑代替紡織型浸潤劑，在玻璃纖維抽絲過程中，涂覆到玻璃纖維上。經(jīng)增強(qiáng)型浸潤劑處理過的玻璃纖維和布在制成復(fù)合材料時(shí)，可直接使用不需再經(jīng)處理。

該法工藝及設(shè)備簡(jiǎn)單，纖維的強(qiáng)度保持較好，是比較理想的處理方法。缺點(diǎn)是尚沒有理想的增強(qiáng)型浸潤劑。

②后處理法普遍采用的方法。分兩步進(jìn)行：第一步，先除去拉絲過程涂覆在玻璃纖維表面的紡織浸潤劑。除去方法：

熱處理法：用加熱方法，使涂覆在玻璃纖維表面上的浸潤劑，經(jīng)揮發(fā)、烘燒、碳化而除去。洗滌法是根據(jù)浸潤劑的組成，采用堿液、肥皂水、有機(jī)溶劑等，分解和洗去浸潤劑。常用的是熱處理法。第二步，纖維經(jīng)表面處理劑浸漬、水洗、烘干，使玻璃纖維表面上覆上一層處理劑。

③遷移法

將表面處理劑加入到樹脂中，在纖維浸膠過程中，處理劑與纖維接觸，當(dāng)樹脂固化時(shí)產(chǎn)生偶聯(lián)作用。這種方法處理的效果比以上兩種方法差，但工藝簡(jiǎn)便。

(2)酸堿刻蝕處理

刻蝕處理是通過酸堿在纖維表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)形成一些凹陷或微孔,使玻璃纖維表面產(chǎn)生大量的Si﹣OH鍵,待纖維與基體復(fù)合時(shí),一些高聚物的鏈段進(jìn)入到空穴中,起到類似錨固作用,增加了玻璃纖維與聚合物界面之間的結(jié)合力,同時(shí)增加了玻璃纖維表面具有反應(yīng)性硅醇的數(shù)量。其處理效果主要與酸堿種類、濃度、處理時(shí)間和處理溫度有關(guān)。

從力學(xué)性能的角度來說,玻璃纖維酸堿刻蝕工藝不是一種有效的表面處理方法,但在增加玻璃纖維表面積和反應(yīng)性官能團(tuán)數(shù)量方面具有顯著作用。（3）等離子體表面處理采用等離子體聚合技術(shù)改善玻璃纖維的浸潤性和表面粗糙度,但在提高復(fù)合材料強(qiáng)度的同時(shí)造成了其模量下降。3.5.2碳纖維碳纖維表面處理的目的是增強(qiáng)纖維表面的化學(xué)活性與物理活性,從而增加其與基體間的結(jié)合或粘結(jié)。

其處理的方法主要有：

氧化法、表面涂層處理、等離子體處理等。

氧化法

是較早采用的碳纖維表面處理技術(shù)，目的是增加纖維表面粗糙度和極性基含量。

氣相氧化液相氧化介質(zhì)直接氧化陽極氧化氧化法（1）液相氧化法氧化劑有濃硝酸、次氯酸鈉、磷酸等。介質(zhì)直接氧化將碳纖維直接浸入氧化劑溶液中一定時(shí)間，然后充分洗滌即可。該方法的處理效果比較緩和，對(duì)纖維力學(xué)性能影響較小，可增加碳纖維表面粗糙程度和羧基含量，提高碳纖維復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度，但工藝過程比較復(fù)雜，公害嚴(yán)重，工業(yè)上已很少采用。

陽極氧化較普遍采用的一種碳纖維表面處理方法。其基本原理是將碳纖維作為陽極，鎳板或石墨電極作為陰極，在含有NaOH，NH4HCO3，H2SO4等電解質(zhì)溶液中通電處理，用初生態(tài)氧對(duì)纖維表面進(jìn)行氧化刻蝕。

處理前處理后(2)氣相氧化法氧化劑為空氣、氧氣、臭氧、二氧化碳等。

該方法設(shè)備簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，而且容易連續(xù)化生產(chǎn)，但氧化程度的控制難度較大，常常因過度氧化而嚴(yán)重影響纖維力學(xué)性能。

表面涂層處理

主要有氣相沉積法、電聚合法、偶聯(lián)劑涂層和晶須生長法。（1）氣相沉積法

在碳纖維表面沉積一層無定性碳來提高其界黏接性能,增加復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度。涂層技術(shù)主要有兩種:一種把碳纖維加熱到1200℃，用甲烷(乙炔、乙烷)-氮混合氣體處理,甲烷在碳纖維表面分解,形成無定型碳的涂層。另一種方法是先用喹啉溶液處理碳纖維,經(jīng)干燥后在1600℃下裂解。但氣相沉積法所需溫度較高,有一定危險(xiǎn)性,且工藝條件苛刻,未能實(shí)現(xiàn)廣泛的工業(yè)化應(yīng)用。

（2）電聚合法電聚合法是在電場(chǎng)力的作用下使含有活性基團(tuán)的單體在碳纖維的表面聚合成膜,以改善其表面形態(tài)和組成。如，用碳纖維作陽極,不銹鋼板作陰極,電聚合液可用含羧基共聚物的銨鹽水溶液。在電場(chǎng)力的作用下，帶有羧基的高聚物的陰離子向陽極的表面移動(dòng),發(fā)生質(zhì)子化作用而沉積在其表面形成聚合膜。（3）偶聯(lián)劑涂層

偶聯(lián)劑提高復(fù)合材料的界面黏接性能的應(yīng)用非常廣泛,但由于碳纖維表面的官能團(tuán)數(shù)量及種類較少,只用偶聯(lián)劑處理的效果往往不太理想。（4）晶須生長法

在碳纖維表面,通過化學(xué)氣相沉積生成碳化硅、硼化金屬、TiO2、硼氫化合物等晶須,能明顯提高復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度。晶須處理能獲得很好的效果,但因費(fèi)用昂貴、難以精確處理,故工業(yè)上無法采用。等離子體法

等離子體法主要是通過等離子體撞擊碳纖維表面,從而刻蝕碳纖維表層,使其表面的粗糙度增加。使得碳纖維表面發(fā)生自由基反應(yīng),并引入含氧極性基團(tuán)。改善纖維的表面性能。目前等離子體法在工業(yè)化應(yīng)用中存在生產(chǎn)成本高,設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題,難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化、穩(wěn)定化的生產(chǎn)。思考題1.增強(qiáng)材料的定義。目前常用的增強(qiáng)材料有哪三大類？2.玻璃纖維的分類，玻璃纖維的主要性能特性。3.分析玻璃纖維比大塊玻璃高強(qiáng)的原因。影響玻璃纖強(qiáng)度的因素有哪些？。4．玻璃纖維織物的品種主要有哪些？5.連續(xù)玻璃纖維及其制品的制造方法分為哪兩類？它們拉絲的工藝過程是如何進(jìn)行的？哪種制造方法更優(yōu)越，相比其優(yōu)點(diǎn)主要是什么？6.玻纖制造過程中加浸潤劑的作用，浸潤劑分類，去除紡織型浸潤劑有哪些方法？7.碳纖維的概念。碳纖維的分類。8．碳纖維的制造方法有哪兩種？其中哪種方法最常用？9.有機(jī)纖維碳化法制造碳纖維要經(jīng)歷哪些階段？并解釋每一階段的作用。10.碳纖維的主要性能特征。11.了解芳綸纖維的制造過程和其主要特性。12.理解沃蘭或硅烷與玻璃纖維表面作用機(jī)理13.碳化硅纖維、硼纖維和晶須的概念。了解碳化硅纖維和硼纖維的制造方法和主要性能特點(diǎn)。14.了解玻璃纖維表面處理的方法和處理機(jī)理。15.了解碳纖維表面處理的方法。第四章填料

填料是用以改善復(fù)合材料性能，并能降低成本的固體添加劑。4．1填料的作用

填料的作用有許多方面，主要作用如下：①降低成型制件的收縮率，提高制品的尺寸穩(wěn)定性；提高制品的光潔度、平滑性。

合成二氧化硅、高嶺土及膨潤土這一類填料對(duì)樹脂有觸變性，在垂直面施工時(shí)，可避免發(fā)生樹脂的流掛現(xiàn)象。觸變現(xiàn)象：加有觸變劑的樹脂膠液，在靜態(tài)時(shí)不易流動(dòng)，受到外力時(shí)就易流動(dòng)，除去外力后，又變?yōu)椴灰琢鲃?dòng)的現(xiàn)象。

觸變劑：指加入樹脂中，能使樹脂膠液在靜置時(shí)有較大的粘度，在外力作用下又變成低粘度流體的物質(zhì)。

②填料是樹脂粘度有效的調(diào)節(jié)劑氣相二氧化硅網(wǎng)絡(luò)觸變性結(jié)構(gòu)示意圖

③可滿足不同性能要求如石英粉、鑄石粉等能提高制件表面硬度；高嶺土、硫化鉬等能提高耐磨性；金屬粉末可改善導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性等。改性填料還能改善材料力學(xué)性能（如表4-1所示）。表4-1填料對(duì)天然硫化膠物理機(jī)械性能的影響配合填料配合量/份邵爾A型硬度伸長率/%扯斷強(qiáng)度/MPa撕裂強(qiáng)度/KN/m無030.00----18.76碳酸鈣5044.00733.3317.5323.70改性碳酸鈣5050.00706.0024.1431.15H3/NR硫化膠切面碳酸鈣/天然硫化膠SEM照片改性碳酸鈣/天然硫化膠SEM照片④可提高顏料的著色效果

如在醇酸清漆或丙烯酸漆中加入0.5%～5%氣相二氧化硅時(shí)，能保持顏料具有懸浮性及組成的流變性。

⑤某些填料有極好的光穩(wěn)定性和耐化學(xué)腐蝕性。如加入樹脂重量2%～3%的炭黑可阻止陽光，對(duì)紫外線照射具有穩(wěn)定性能，防止聚合物的降解。沉淀二氧化硅則賦予聚合物的耐候性能。并使聚合物具有很好的韌性。長石和霞石則具有優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性。⑥有增容作用，可降低成本，提高產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力。

功能典型填料著色性二氧化鈦、碳酸鈣、滑石粉、炭黑、高嶺土、石棉、碳酸美、硫酸鈣、氧化鉛、氧化鐵、氧化鋅、群青、氧化鉻綠、鉻綠、鉻橙、鉻黃尺寸穩(wěn)定性氧化鋁、高嶺土、石墨、硅酸鋁、硫酸鈣、碳酸鈣、滑石、氫氧化鋁、玻璃微珠、聚合微珠、硅石、白云石、硅酸鋯導(dǎo)電性炭黑、石墨、鋁粉、鐵粉、銀粉、銅粉、氫氧化鎂、氫氧化鋁電絕緣性氧化鋁、鈦酸鋇、硅酸鈣、碳化硅、云母、水合氧化鋁導(dǎo)熱性金屬粉、炭黑、石墨、氫氧化鋁、氫氧化鎂耐磨性石墨、二硫化鉬、陶土、硫酸鋇、鑄石、硅石、碳化硅難燃性三氧化二銻、氫氧化鋁、、氯化石蠟、石英耐腐蝕性粘土、滑石粉、二氧化硅、氧化鋁、硫酸鋇、玻璃微珠光穩(wěn)定性炭黑填料賦予制品的性能

填料的作用機(jī)理由于填料的存在，基體材料的分子鏈就不能再占據(jù)原來的全部空間，使得相連的鏈段在某種程度上被固定化，并可能引起基體聚合物的取向。由于填料粒子的尺寸穩(wěn)定性，在填充的聚合物中，聚合物界面區(qū)域的分子鏈運(yùn)動(dòng)受到限制，而使玻璃化溫度上升，熱變形溫度提高，收縮率降低，彈性模量、硬度、剛度、沖擊強(qiáng)度提高。

4.2填料的種類

4.2.1無機(jī)填料和有機(jī)填料按成分分（1）無機(jī)類填料主要以天然礦物為原料，經(jīng)過開采、加工制成的顆粒狀填料。①氧化硅及硅酸鹽。包括有石英、石棉、高嶺土、硅酸鋁（富鋁紅柱石）、硅酸鈣、硅藻土、硅酸鎂（滑石）、硅酸鋯、玻璃微珠、氣相二氧化硅、沉淀二氧化硅、火山灰、云母等。②碳酸鹽及碳化物。包括碳酸鈣、碳酸鎂、碳化硅。③硫酸鹽及硫化物。包括硫酸鋇、硫酸鈣、二硫化鉬等。

④鈦酸鹽。如鈦酸鋇等。⑤氧化物及氫氧化物。包括氧化鈣、氧化鎂、氧化鋁、氧化鐵、氧化鉛、氧化鋅、二氧化鈦、氧化鉻綠、氧化鋯、三氧化二銻、氧化鋇、氫氧化鈣等。⑥金屬類。包括鋁粉、鐵粉、銅粉、鋅粉、鎳粉、鉛粉、鎢粉、鋼粉、銀粉、金粉等。

（2）有機(jī)類填料

有機(jī)類填料是由天然的動(dòng)植物及人工合成的有機(jī)材料制成的。①動(dòng)植物類a.植物類。包括木粉、殼纖維、棉纖維、纖維素纖維、植物纖維。b.動(dòng)物類。雞毛、豬鬢、畜蹄等。

②合成材料a．再生纖維素。包括粘膠絲織物、玻璃紙、聚丙烯腈纖維、脂肪族聚酰胺纖維（尼龍）、芳香族聚酰胺纖維（芳綸）、聚酯纖維、聚四氟乙烯纖維、聚乙烯醇細(xì)屑、硬橡膠屑、硫化橡膠屑等。b．合成樹脂。聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醛、乙烯基類樹脂、聚偏二氯乙烯和聚酯共聚物制成的聚合微珠等。

4.2.2惰性填料及活性填料（1）惰性填料

是將天然礦石粉碎加工后直接使用。（2）活性填料

經(jīng)過表面改性或煅燒處理的填料。如煅燒的高嶺土比天然的硬度高，如用硅烷處理后可促進(jìn)其在樹脂中的分散性，提高填料與其它材料的粘結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)可增加填充量。

4.2.3復(fù)合型填料

利用不同填料的特性，通過特殊處理方法將兩種或兩種以上的填料組合、改性后制成。復(fù)合阻燃劑如Sb2O3/SiO2、Sb2O3/溴二苯醚等復(fù)合，可以提高阻燃效果。

選擇填料原則綜合考慮產(chǎn)品性能及產(chǎn)品使用部位、成型工藝是否方便及節(jié)約成本三大要素。

思考題1.填料的概念。2.填料的分類。3.填料的作用主要有哪些方面？填料的作用機(jī)理。

第五章復(fù)合材料的界面新西蘭風(fēng)景（楊眉攝）5.1界面的基本概念

界面：基體與增強(qiáng)物之間化學(xué)成分有顯著變化的、構(gòu)成彼此結(jié)合的、能起傳遞載荷作用的微小區(qū)域。復(fù)合材料的界面是一個(gè)多層結(jié)構(gòu)的過渡區(qū)域，厚度約幾個(gè)納米到幾個(gè)微米。1.外力場(chǎng)；2.樹脂基體3.基體表面區(qū)；4.相互滲透區(qū)5.增強(qiáng)劑表面區(qū)；6.增強(qiáng)劑5.2界面效應(yīng)

阻斷效應(yīng)阻斷裂紋擴(kuò)展，減緩應(yīng)力集中。不連續(xù)效應(yīng)在界面上產(chǎn)生物理性質(zhì)不連續(xù)現(xiàn)象。如電阻，介電等。傳遞效應(yīng)界面?zhèn)鬟f力作用，將外力傳遞給增強(qiáng)物。起到基體與增強(qiáng)物之間的橋梁作用。散射和吸收效應(yīng)光波、聲波等在界面處產(chǎn)生散射和吸收，從而產(chǎn)生透光性、隔音性等。誘導(dǎo)效應(yīng)一種物質(zhì)（增強(qiáng)體）的表面結(jié)構(gòu)使另一種與之接觸物質(zhì)（聚合物基體）的結(jié)構(gòu)由于誘導(dǎo)作用而發(fā)生改變，由此產(chǎn)生一些現(xiàn)象，如強(qiáng)的彈性、低膨脹性等。5.2聚合物基復(fù)合材料的界面

5.2.1界面的形成與作用機(jī)理（一）界面形成第一階段：基體與增強(qiáng)體的接觸與浸潤增強(qiáng)體優(yōu)先吸附那些能夠較多降低其表面能的物質(zhì)。第二階段：聚合物的固化聚合物通過物理的或化學(xué)的變化而固化，形成穩(wěn)定的界面層。

（1）界面浸潤性理論1963年由Zisman提出。該理論認(rèn)為填充劑被液態(tài)樹脂良好浸潤是非常重要的，若浸潤不好會(huì)在界面上產(chǎn)生孔隙，易使應(yīng)力集中而使復(fù)合材料開裂，如果兩組組分完全浸潤，則樹脂與填充劑之間的黏結(jié)強(qiáng)度將超過基體的內(nèi)聚強(qiáng)度。（二）界面作用機(jī)理

目前有多種界面作用理論，但還不夠完善。

首先，從熱力學(xué)角度考慮兩個(gè)表面結(jié)合與其表面能的關(guān)系。用表面張力來表征表面能，（5－1）

式中：γ－表面張力；G－體系的Gibbs自由能；A－界面面積；T，P,n－體系的溫度，壓力，摩爾數(shù)

若兩個(gè)表面結(jié)合在一起，則體系由于減少了兩個(gè)表面和增加了一個(gè)界面使自由能下降。這種自由能的下降定義為黏合功WA，即把單位黏附界面拉開所需的功，則

WA=γS+γL－γSL

（5－2）一滴液體在固體表面的潤濕狀態(tài)當(dāng)θ<90°，液體能潤濕固體當(dāng)θ=0°，這時(shí)液體完全潤濕固體當(dāng)θ>90°，液體不能潤濕固體表面當(dāng)θ=180°，液體完全不能潤濕固體表面根據(jù)力的平衡：γLcosθ=γS－γSL（5-3）

由式（5-2）、式（5-3）可知：WA=γS+γL－γSL=γL（1+cosθ）（5-4）

由式（5-4）可知，界面結(jié)合最好的情況即WA達(dá)到最大值的條件為cosθ=1，也即θ=0。這時(shí)，γS=γL。

（2）化學(xué)鍵理論

化學(xué)鍵理論認(rèn)為要使兩相之間實(shí)現(xiàn)有效的結(jié)合，兩相表面應(yīng)含有能相互發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活性官能團(tuán)，通過它們的反應(yīng)以化學(xué)鍵結(jié)合形成界面。如兩相之間不能直接進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，也可以通過偶聯(lián)劑的媒介作用以化學(xué)鍵互相結(jié)合。化學(xué)鍵理論應(yīng)用最廣，也最成功。（a）兩相界面間發(fā)b）兩相界面通過偶聯(lián)