西安工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料第三章

西安工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料第三章第一頁(yè)，共58頁(yè)。3.1增強(qiáng)體概述與纖維增強(qiáng)機(jī)制

增強(qiáng)材料分類按幾何形狀分按材質(zhì)分顆粒狀（零維）纖維狀（一維）薄片狀（二維）纖維編織體（三維）無(wú)機(jī)（Gf、Cf、Bf、SiCf、Al2O3f等）有機(jī)（芳綸纖維）短纖維晶須第二頁(yè)，共58頁(yè)。

3.1.1

纖維狀增強(qiáng)材料的特點(diǎn)①與同材質(zhì)的塊體材料相比，強(qiáng)度高得多例如：E-玻璃40～100MPa，Gf：1670MPa（d9.7μm）；2330MPa（d4.2μm）原因：影響材料強(qiáng)度的主要因素是材料中存在缺陷的形狀、位置、取向和數(shù)目。第三頁(yè)，共58頁(yè)。Gf強(qiáng)度與直徑的關(guān)系Gf強(qiáng)度與長(zhǎng)度的關(guān)系（d=13μm）第四頁(yè)，共58頁(yè)。②纖維狀材料具有較高的柔曲性纖維單元受力矩M作用產(chǎn)生彎曲，曲率半徑ρ與材質(zhì)和圓柱橫截面尺寸關(guān)系為d↓柔曲性↑③大的長(zhǎng)徑比（l/d）使纖維在復(fù)合材料中比其他形狀的增強(qiáng)體更容易發(fā)揮其固有的強(qiáng)度作用于微圓柱上的力矩M第五頁(yè)，共58頁(yè)。玻璃纖維線團(tuán)第六頁(yè)，共58頁(yè)。看山是山，看水是水；看山不是山，看水不是水；看山還是山，看水還是水。…….青源惟信禪師講到自己修佛悟道的歷程時(shí)說的…….《九鼎神皇824》處處留心皆學(xué)問7075鋁合金的固溶與熱擠壓前的塑性回復(fù)粉末冶金中的燒結(jié)與熱壓（熱擠壓）社會(huì)中人的道德觀、價(jià)值觀或社會(huì)觀思考：固溶/時(shí)效與淬火/回火第七頁(yè)，共58頁(yè)。破題、承題、起講、入題、起股、中股、后股、束股。八股文提出、分析、解決問題。議論文作

文

秀畢業(yè)設(shè)計(jì)（研究）做

寫

說動(dòng)手

總結(jié)

表達(dá)指導(dǎo)教師

評(píng)閱教師

答辯成績(jī)第八頁(yè)，共58頁(yè)。固溶：將合金加熱到高溫單相區(qū)一定溫度，保溫一定時(shí)間，使第二相充分溶解到固溶體中，隨之迅速冷卻至室溫，以獲得溶質(zhì)原子在該基體相中的過飽和固溶體的熱處理工藝。《金屬熱處理工藝學(xué)》燒結(jié)：是粉末或粉末壓坯在適當(dāng)?shù)臏囟群蜌夥諚l件下加熱所發(fā)生的一系列復(fù)雜的現(xiàn)象或過程?！斗勰┮苯鹪怼返诰彭?yè)，共58頁(yè)。第十頁(yè)，共58頁(yè)。

3.1.2增強(qiáng)體在復(fù)合材料中的作用結(jié)構(gòu)復(fù)合材料（MMC,PMC）

增強(qiáng)體主要作用是承載，其中連續(xù)纖維所承受載荷的比例遠(yuǎn)高于基體結(jié)構(gòu)CMC

增強(qiáng)體主要作用是增韌功能復(fù)合材料增強(qiáng)體主要作用是吸波、隱身、耐磨、耐腐蝕、抗熱震等其中一種或多種，同時(shí)為材料提供基本的結(jié)構(gòu)性能第十一頁(yè)，共58頁(yè)。假設(shè)：①界面結(jié)合良好；②變形協(xié)調(diào)（等應(yīng)變）；③彈性變形范圍（虎克定律）；④纖維排列規(guī)整（纖維的體積分?jǐn)?shù)＝面積分?jǐn)?shù)）復(fù)合材料的載荷由基體和增強(qiáng)體分擔(dān)：第十二頁(yè)，共58頁(yè)。纖維體積分?jǐn)?shù)根據(jù)等應(yīng)變的假設(shè)則纖維承擔(dān)的載荷與基體之比為：討論：①如果Ef=20Em，φf=0.6，則Pf/Pm=30②Pf/Pm

隨Ef/Em

↑、φf↑而增加③選擇纖維第十三頁(yè)，共58頁(yè)。纖維與基體的楊氏模量與載荷分配第十四頁(yè)，共58頁(yè)。增強(qiáng)效果用復(fù)合材料承擔(dān)的載荷與基體之比表示：增強(qiáng)效果取決于Ef/Em

和

φf

所以，作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體，纖維彈性模量必須高于基體，而且纖維體積分?jǐn)?shù)越大增強(qiáng)效果越好。第十五頁(yè)，共58頁(yè)。

高比強(qiáng)度、比模量，與基體相容性好，成本低，工藝性好（具有柔韌性，易繞曲），高溫抗氧化性好，不污染環(huán)境等

3.1.3高性能復(fù)合材料對(duì)纖維增強(qiáng)體的要求

第十六頁(yè)，共58頁(yè)。第二節(jié)

纖維增強(qiáng)體介紹3.2.1玻璃纖維3.2.2碳纖維3.2.3硼纖維3.2.4碳化硅纖維3.2.5凱夫拉纖維第十七頁(yè)，共58頁(yè)。3．2玻璃纖維3.2.1概述玻璃纖維的物理、化學(xué)性能幾乎由其化學(xué)組成所決定?，F(xiàn)在所使用的主要有無(wú)堿E玻璃、耐藥品的C玻璃、含堿的A玻璃、高拉伸強(qiáng)度的S玻璃以及特殊用途的玻璃等。玻璃纖維表面積普通玻璃的1000倍，對(duì)于普通玻璃來說不會(huì)成為問題的耐風(fēng)化性、耐藥品性，表面電阻等，對(duì)于玻璃纖維來說都必須充分注意。例如玻璃纖維表面可能與空氣中的水分反應(yīng)，產(chǎn)生風(fēng)化，使強(qiáng)度等下降。第十八頁(yè)，共58頁(yè)。連續(xù)纖維的直徑為3～30μm。短纖維多為5～20μm。超細(xì)纖維d＜4μm，用于防火衣、宇宙服、地毯、帳篷5＜d＜10μm，（編制纖維）過濾布、層壓CM10＜d＜20μm，與樹脂浸潤(rùn)性好、成本低、含量高玻璃纖維的最大特征是拉伸強(qiáng)度高，一根連續(xù)纖維的拉伸強(qiáng)度，E玻璃可達(dá)3400MPa，而S玻璃可達(dá)4800MPa。玻璃長(zhǎng)纖維的70%以上用于強(qiáng)化樹脂，其余的多用于電絕緣，工業(yè)機(jī)器等。第十九頁(yè)，共58頁(yè)。

將玻璃加熱至熔融狀態(tài)，使其從漏嘴流出，再進(jìn)行高速拔絲的方法。而且一般是使用多個(gè)漏嘴，同時(shí)紡絲。用這種方法既可制備連續(xù)纖維，也可以制備短纖維（熔融后玻璃液在高速氣流中吹拉而成，即吹制法）。

（坩堝法）

（池窯法）3.2.2制備第二十頁(yè)，共58頁(yè)。3.2.3應(yīng)用第二十一頁(yè)，共58頁(yè)。3.3碳纖維3.3.1概述碳纖維最早用棉、麻、竹等天然纖維碳化而成，用于白熾燈燈絲（1880），真正規(guī)模生產(chǎn)是從50年代末人造絲開始早期碳纖維強(qiáng)度、模量低，熱牽伸（1964）后性能突破碳纖維是有機(jī)纖維經(jīng)固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變而成的纖維狀聚合物碳，是一種非金屬材料，不屬于有機(jī)纖維制備方法有氣相法和有機(jī)纖維碳化法，前者制備短纖維，后者用于連續(xù)長(zhǎng)纖維第二十二頁(yè)，共58頁(yè)。3.3.2連續(xù)長(zhǎng)纖維制備原料包括①人造絲（粘膠纖維）、②聚丙烯腈（PAN）和③瀝青，高強(qiáng)高模量多用②，高模量多用③，最高達(dá)900GPa一般工藝流程如下，拉絲：塊狀聚合物成絲狀；牽伸：100～300℃，雜亂主鏈取向化分布，影響纖維最終模量穩(wěn)定化：200～400℃，又稱預(yù)氧化，空氣中脫氫環(huán)化碳化：1000～2000℃，高純惰性氣體中去除非碳原子石墨化：2000～3000℃，碳纖維結(jié)構(gòu)石墨化，E↑，σ↓第二十三頁(yè)，共58頁(yè)。3.3.3碳纖維性能各種碳纖維的力學(xué)性能原料抗拉強(qiáng)度（MPa）彈性模量（GPa）延伸率（%）人造絲（低彈性模量絲）686391.8人造絲（高彈性模量絲）27444900.6瀝青（低彈性模量絲）784392.0瀝青（高彈性模量絲）2450343～4900.5～0.7PAN（高強(qiáng)度絲）34302251.5PAN（高彈性模量絲）24503920.6*現(xiàn)在碳纖維最高強(qiáng)度達(dá)7000MPa，最高模量達(dá)900GPa

強(qiáng)度跟缺陷有關(guān)、模量跟取向和石墨化程度有關(guān)第二十四頁(yè)，共58頁(yè)。碳纖維熱處理溫度與強(qiáng)度及彈性模量的關(guān)系現(xiàn)在碳纖維最高強(qiáng)度達(dá)7000MPa，最高模量達(dá)900GPa

強(qiáng)度跟缺陷有關(guān)、模量跟取向和石墨化程度有關(guān)碳纖維微纖模型第二十五頁(yè)，共58頁(yè)。碳纖維的理想結(jié)構(gòu)與實(shí)際結(jié)構(gòu)表觀與內(nèi)部缺陷第二十六頁(yè)，共58頁(yè)。物理性能：密度，1.5～2.5g/cm3熱膨脹系數(shù)，軸向?yàn)樨?fù)（-0.72～-0.90×106），徑向?yàn)檎?2～22×106化學(xué)性能：耐酸堿抗氧化性，有氧400℃明顯氧化；無(wú)氧1500℃以上強(qiáng)度才明顯下降第二十七頁(yè)，共58頁(yè)。碳纖維實(shí)例第二十八頁(yè)，共58頁(yè)。鍍鎳碳纖維第二十九頁(yè)，共58頁(yè)。碳短纖維第三十頁(yè)，共58頁(yè)。碳纖維織物第三十一頁(yè)，共58頁(yè)。碳纖維織布第三十二頁(yè)，共58頁(yè)。碳纖維制備方法及相應(yīng)的纖維小結(jié)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（美元/kg）年代197519801985199019952000價(jià)格2008050212017第三十三頁(yè)，共58頁(yè)。碳纖維該領(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、原始創(chuàng)新、自力更生、精誠(chéng)協(xié)作優(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)物第三十四頁(yè)，共58頁(yè)。3.4硼纖維

硼纖維是以鎢絲為芯線，用化學(xué)氣相沉積（CVD）的方法制備的。它具有優(yōu)異的力學(xué)性能。雖然價(jià)格很高，但性能穩(wěn)定，偏差小，是信賴性很高的一種纖維。比較：玻璃纖維——熔融紡絲金屬纖維——拔絲碳纖維——制成絲后碳化第三十五頁(yè)，共58頁(yè)。硼纖維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H2等氣體一起加熱，并使其與基體接觸。由于熱分解或還原反應(yīng)，就可以使金屬或化合物在基體上析出。該過程稱為化學(xué)氣相沉積。將BCl3與作為載體的H2一起加熱，并使其在鎢絲或者碳絲上流過，發(fā)生反應(yīng)：

2BCl3+3H2→2B+6HCl

則可在細(xì)絲上析出硼，以適當(dāng)?shù)乃俣壤砑?xì)絲，則可以得到硼纖維。

H2+BCl3H2+HClH2反應(yīng)區(qū)預(yù)熱區(qū)芯線卷線軸第三十六頁(yè)，共58頁(yè)。硼纖維在硼纖維開發(fā)的初期，作為芯線大多是鎢絲芯線（纖維為100μm時(shí)，芯線為13μm，150μm時(shí)為約20μm），后來從成本上考慮，多使用碳的芯線（約30μm）。一般市場(chǎng)上所出售的硼纖維直徑為150μm，實(shí)際應(yīng)用中還可以再粗一些：例如300μm。析出速度BCl3的流量芯線的溫度芯線拉卷速度反應(yīng)槽的長(zhǎng)度隨著溫度的升高而增大過高：晶化使晶界變?nèi)?，與芯線反應(yīng)生成脆性層過低：硼之間的結(jié)合力變?nèi)踝罴褱囟确秶?/p>

第三十七頁(yè)，共58頁(yè)。中心是碳纖維或鎢絲室溫下硼纖維的化學(xué)穩(wěn)定性好，但表面具有活性，不需要處理就可與樹脂復(fù)合，其復(fù)合材料具有較高的層間剪切強(qiáng)度。硼纖維主要用于聚合物基和鋁基復(fù)合材料。第三十八頁(yè)，共58頁(yè)。特點(diǎn)：抗張強(qiáng)度：3500MPa；彈性模量：390GPa；密度：2.68g/cm3狀態(tài)：連續(xù)單絲。不能采用像碳纖維那樣的成形方法；另外，此類纖維不適宜用于曲率半徑小的部分和非常薄的板。硼纖維抗氧化和高溫性能較差，在400C時(shí)可保持室溫強(qiáng)度的80%；在高于500C的氧化氣氛中幾分鐘其強(qiáng)度就迅速下降；在650C時(shí)將失去所有的性能。同時(shí)其成本也較高，成本下降的潛力也不大。第三十九頁(yè)，共58頁(yè)。3.5SiC纖維

碳化硅纖維具有很高的比強(qiáng)度、比剛度，耐腐蝕、抗熱震、熱膨脹系數(shù)小、熱傳導(dǎo)系數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)同時(shí)還具有良好的抗氧化和高溫性能，其室溫性能可保持到1200C。其成本下降的潛力很大。適合于制備樹脂、金屬及陶瓷基復(fù)合材料。碳化硅纖維的制備方法有先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法和CVD法兩種。第四十頁(yè)，共58頁(yè)。1）先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法1975年由日本矢島教授首先研制成功。有Nicalon（尼卡?。┖蚑yranno（奇拉?。﹥煞N商品。纖維呈束狀，每束500根左右，每根纖維10m左右。

聚碳硅烷紡絲聚碳硅烷纖維N2下高溫處理Nicalon（尼卡隆）第四十一頁(yè)，共58頁(yè)。2）CVD法制備SiC纖維（美國(guó)Textron,SCS系列）直徑：100140m；抗張強(qiáng)度：3500MPa；

狀態(tài)：連續(xù)單絲。制備方法：將基體絲連續(xù)通過玻璃管狀反應(yīng)器，并在加熱到1200~1300C的同時(shí)通入適量的氯硅烷與氫氣的混合反應(yīng)氣體反應(yīng)氣體在熱絲上發(fā)生熱解反應(yīng)生成SiCCH3SiCl3+H2SiC+HCl+???

并沉積在熱鎢絲上形成帶有芯（絲）材的連續(xù)SiC纖維第四十二頁(yè)，共58頁(yè)。各種SiC纖維的性能比較纖維密度（g/cm3）彈性模量（GPa）拉伸強(qiáng)度（MPa）比模量(GPa/g/cm3)比強(qiáng)度（MPa/g/cm3）Nicalon

CVD-W芯CVD-C芯Tyranno晶須2.603.43.02.43.22504004002807002500360036002400~2000096.2117.6133.3116.7218.8961.51058.81200.01000.0~6250.0第四十三頁(yè)，共58頁(yè)。

陶瓷纖維的特性

陶瓷纖維直徑（μm）密度（g/cm3）抗拉強(qiáng)度（MPa）彈性模量（GPa）碳化硅SiC/CNicaronHI-NicaronTiranoTirano(6%O)SiC(MPS)14014148～121110～203.052.552.742.3～2.42.402.703.403.002.802.8～3.03.51.7400200270200～220200210氮化硅Si3N4Si-N-C(HPZ)Si-N-O1010～1211～132.52.42.32.52.81.8250180150碳T300T1000M40M60JCerbonicHM7075.36.55.0101.761.821.811.942.183.527.062.743.802.94235294392590686硼S/W1402.573.60400氧化鋁Nextel400AltexFiber-FPAlmax10～1210，1520103.053.23.93.62.00>1.801.401.76190210390323第四十四頁(yè)，共58頁(yè)。3.6芳倫纖維歷史：Kevlar（聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺）是由DuPont公司于20世紀(jì)70年代開發(fā)，現(xiàn)在作為商品生產(chǎn)的合成纖維。與傳統(tǒng)的合成纖維相比，強(qiáng)度與彈性模量都有顯著的提高。第四十五頁(yè)，共58頁(yè)。工藝：由P次苯基肼與對(duì)酞酸鹽的低溫溶液重合。干濕式紡絲法。該法與濕式紡絲基本相同，不同之處在于噴絲嘴面與凝固浴之間有約1cm的空隙。這樣就可以將紡絲原液的溫度設(shè)計(jì)得比凝固浴的溫度高得多，從而實(shí)現(xiàn)高濃度化，且可以增大拉取速度與吐出線速度之比。這對(duì)于干濕式紡絲法是很重要的。關(guān)鍵：紡絲時(shí)得到充分的晶體取向是十分必要的，如果沒有充分的晶體取向，即使通過熱延伸提高彈性模量，也不能使強(qiáng)度得到大幅提高。將上述紡絲所得的纖維在氮?dú)鈿夥罩校?50℃進(jìn)行定長(zhǎng)熱處理，可以促進(jìn)晶體化與取向。從而使彈性模量成倍增長(zhǎng)，但強(qiáng)度幾乎無(wú)變化。第四十六頁(yè)，共58頁(yè)。Kevlar纖維與其它纖維性能的比較

Kevlar29Kevlar49玻璃纖維碳纖維鋼HTHM強(qiáng)度（MPa）284028402058343024502740延伸率（%）4.02.04.81.50.64.0彈性模量（GPa）6113173235392196比重（g/cm3）1.451.452.541.741.817.81第四十七頁(yè)，共58頁(yè)。優(yōu)點(diǎn)（1）不熔融（溫度為650℃時(shí)強(qiáng)度為零）。（2）高溫能保持高強(qiáng)度與高彈性模量。（3）耐熱、不易燃燒。（4）尺寸穩(wěn)定、幾乎不發(fā)生蠕變。（5）耐藥性好，在有機(jī)溶劑及油中性能不下降。（6）耐疲勞性，耐磨性好。（7）對(duì)放射性線的抵抗性大。（8）非導(dǎo)電、且誘電性能優(yōu)越。（9）與無(wú)機(jī)纖維相比振動(dòng)吸收性好、減衰速度快。（10）多次加工性好，用現(xiàn)行纖維加工設(shè)備可加工。第四十八頁(yè)，共58頁(yè)。缺點(diǎn)：是壓縮性差，壓縮強(qiáng)度僅有不到拉伸強(qiáng)度的1/5。紫外線照射時(shí)強(qiáng)度大幅下降。加工困難。應(yīng)用：在很多領(lǐng)域得到了商業(yè)性的應(yīng)用還正在開發(fā)出很多新的用途。例如可用于橡膠輪胎的補(bǔ)強(qiáng)，繩索、防彈手套、保護(hù)衣、樹脂基等復(fù)合材料的強(qiáng)化等。第四十九頁(yè)，共58頁(yè)。3.3晶須、顆粒增強(qiáng)體介紹

3.3.1前言名稱：Whisker，貓のびげ（貓的胡子）歷史數(shù)百年前：銀晶須（大英博物館陳列）1948年：銅晶須（貝爾研究所發(fā)現(xiàn)，引起電路短路）最近：推測(cè)出晶須為接近單晶結(jié)構(gòu)，而具有非常高的強(qiáng)度與彈性模量，從而可用于復(fù)合材料第五十頁(yè)，共58頁(yè)。隨著復(fù)合材料的發(fā)展，特別是對(duì)短纖維強(qiáng)化樹脂以及金屬基復(fù)合材料需求的增多——晶須應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)的時(shí)代。1975年前后，美、日兩國(guó)分別獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了用稻殼制造碳化硅晶須（SiCw），能夠大大降低成本并適于批量生產(chǎn)（在此之前SiCw的價(jià)格為50美元/克）。為將該廉價(jià)的晶須用于工業(yè)生產(chǎn)，美、日兩國(guó)都做了計(jì)劃，然而受到了制造與實(shí)用操作環(huán)境等的阻擋。致使進(jìn)展不甚迅速。例如將該類晶須用于Al合金，可使其彈性模量提高數(shù)倍。但采用熔融鍛造法進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，已經(jīng)經(jīng)歷了十幾年。另一方面，SiCw對(duì)于陶瓷的高韌化來說未必能夠滿足(19)，再加上環(huán)境問題等，該類晶須與幾乎在同一時(shí)期開發(fā)的氮化硅晶須（Si3N4w），以及碳纖維（CF）等相比，其增長(zhǎng)并不算快。第五十一頁(yè)，共58頁(yè)。SiC晶須微觀形貌

第五十二頁(yè)，共58頁(yè)。SiCw的特性

晶須項(xiàng)目TWS-100TWS-200TWS-400晶體β型β型β型直徑（μm）0.3~0.60.3~0.61.0~1.4長(zhǎng)度（μm）5~105~1020~30長(zhǎng)徑比10~4010~4010~30密度（g/cm3）3.203.203.20表觀密度（g/cm3）0.04~0.10.04~0.10.04~0.1比表面積（m2/g）2~42~41~2熱膨脹系數(shù)(×10-6/℃)5.05.05.0SiC含有率(mass%)999899不純物(mass%)SiO20.5以下0.5以下0.5以下Ca0.05以下0.05以下0.05以下Co0.05以下0.05以下0.15以下Fe0.05以下0.05以下0.