（化学专业论文）二氧化硅粒子的制备及其在石英纤维表面的自组装.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t 0 3 2 学科分类号 4 3 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 11 0 2 5 3 密级无 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名高俊彦学号 2 0 0 8 0 0 0 2 5 3 获学位专业名称化学获学位专业代码 0 7 0 3 课题来源其他研究方向石英纤维表面改性 论文题目二氧化硅粒子的制备及其在石英纤维表面的自组装 关键词石英纤维；自组装；表面处理；二氧化硅 论文答辩日期 2 0 11 5 2 3 宰论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师史翎副教授北京化工大学无机材料 评阅人1张军营教授北京化工大学胶黏剂 评阅人2程珏教授北京化工大学环氧树脂 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答辩委员会主席宛新华教授北京化工大学高分子化学 答辩委员1闫寿科教授北京化工大学高分子化学 答辩委员2邓建平教授北京化工大学高分子化学 答辩委员3张树副教授北京化工大学高分子化学 答辩委员4石艳副教授北京化工大学高分子化学 答辩委员5刘莲英副教授北京化工大学高分子化学 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中 查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 采用烧蚀和溶剂浸溶的方法对石英纤维表面涂层进行了处理。通过单 丝抗拉强度、t g d s c 、x p s 和s e m 研究了石英纤维表面涂层的最佳处 理条件。结果表明石英纤维的表面涂层经过4 0 0 烧蚀甲苯溶剂处理已 经基本被处理完全。 采用正硅酸乙酯、水、氨水为原料，乙醇为溶剂，制备了粒径分布均 匀的二氧化硅粒子。通过扫描电镜( s e m ) 考察了正硅酸乙酯的浓度、氨水 的浓度、水的浓度、反应时间和搅拌速度对生成二氧化硅粒径大小以及粒 径分布的影响。 通过s e m 研究了自然沉降法、超声波震荡法以及溶剂挥发法下二氧 化硅粒子在石英纤维表面自组装的形貌。结果表明先将石英纤维表面涂覆 一层铝溶胶，再采用垂直毛细自组装法，可得到二氧化硅粒子完全包覆且 分布均匀的石英纤维。 北京化t 人学硕l ：论义 研究了高温下自组装后的石英纤维与原纤维的单丝抗拉强度的变化。 结果表明随着对石英纤维处理温度的提高，自组装后的石英纤维与原纤维 的单丝抗拉强度均下降，经过铝溶胶以及二氧化硅胶体溶液处理后的石英 纤维单丝抗拉强度下降最少。 关键词：石英纤维，自组装，表面处理，二氧化硅 a b s t r a c t p r e p a r a t i o no f s i 0 2p a r t i c l e sa n d s e l f a s s e m b l yo nt h es u r f a c eo fq u a r t zf i b e r a b s t r a c t q u a r t zf i b e rh a v eaw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si na v i a t i o n ，a e r o s p a c e ， m i l i t a r y , s e m i c o n d u c t o r , h i g ht e m p e r a t u r ei n s u l a t i o n d u et oi t se x c e l l e n t p r o p e r t i e si nd i e l e c t r i c ，h e a t r e s i s t a n t h o w e v e r ，t h ed e c r e a s i n go fm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h ef i b e ra st h er e s u l to fh e a td a m a g el i m i t e di t sa p p l i c a t i o n t h e r ei se p o x yr e s i nw h i c hh a sl o wh e a t r e s i s t a n c ea n dc a nb ec a r b o n i z e da t 4 0 0 5 0 0 。co f t e no nt h es u r f a c eo fq u a r t zf i b e r ，s ot h ei n t e r r a c i a lb e h a v i o ro f t h ec o m p o s i t e sw i l lb ei n f l u e n c e d i nt h i sa r t i c l e ，w eh a v ep r e p a r e dt h es i l i c a p a r t i c l e ss e l f - a s s e m b l yw h i c hc a ni m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e q u a r t zf i b e ra th i g ht e m p e r a t u r e o nt h es u r f a c eo f q u a r t zf i b e ra f t e re l i m i n a t i n g t h ee p o x yr e s i n c o a t i n g t h ea g e n t so nt h es u r f a c eo fq u a r t zf i b e rw e r ee l i m i n a t e db yu s i n gh e a t t r e a t m e n ta n dt o l u e n et r e a t m e n t t e n s i l es t r e n g t h ，x p s ，t g d s ca n ds e m w e r eu s e dt oa n a l y z eo p t i m u mc o n d i t i o no ft h es u r f a c et r e a t e dq u a r t zf i b e r t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eb e s tm e t h o dt oe l i m i n a t et h ea g e n t so nt h es u r f a c e o f q u a r t zf i b e rw a s h e a tt r e a t e da t4 0 00 ca n dt o l u e n et r e a t e da b o u t9h o u r s t h em o n o d i s p e r s es i l i c o nd i o x i d es p h e r i c a lp a r t i c l e sw e r es y n t h e s i z e db y t e o s ，h 2 0 ，a m m o n i aa n de t h a n o l a ss o l v e n t t h e s c a n n i n g e l e c t r o n 北京化工人学硕l j 论文 m i c r o s c o p y ( s e m ) w a se m p l o y e dt om o n i t o rp a r t i c l eg r o w t ha n dp a r t i c l es i z e d i s t r i b u t i o nw i t ht h ec h a n g i n go ft h et e o sc o n c e n t r a t i o n ，h 2 0c o n c e n t r a t i o n ， a m m o n i a c o n c e n t r a t i o n ，r e a c t i o nt i m ea n ds t i rv e l o c i t y t h em i c r o s t r u c t u r eo ft h es u r f a c eo f q u a r t z f i b e ra f t e r g r a v i t y s e d i m e n t a t i o ns e l fa s s e m b l y ，u l t r a s o u n dm i x i n gs e l fa s s e m b l ya n dv e r t i c a l c a p i l l a r ys e l fa s s e m b l yr e s p e c t i v e l yw e r es t u d i e db yt h es e m t h eq u a r t zf i b e r a f t e ra l u m i n u ms o lt r e a t e da n dd i p p e di n t os i l i c as o lw a sc o v e r e dc o m p l e t e l y b ys i l i c ap a r t i c l e sa tn e a r l yo n el a y e r t e n s i l es t r e n g t ho fd i f f e r e n th e a tt r e a t e dq u a r t zf i b e rw a st e s t e d w i t ht h e t r e a t e dt e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g ，t h et e n s i l es t r e n g t ho ft h eq u a r t zf i b e rw i t h s i l i c ap a r t i c l e sa s s e m b l e dr e d u c e dl o w e s t k e y w o r d s ：q u a r t zf i b e r , s e l fa s s e m b l y , s u r f a c et r e a t m e n t ，s i 0 2 v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 石英纤维的表面处理1 1 2 1 石英纤维的性能及应用2 1 2 2 石英纤维的国内外发展2 1 2 3 纤维增强复合材料界面研究的发展状况3 1 2 4 石英纤维表面浸润剂的处理：4 1 2 5 石英纤维的表面改性4 l3 二氧化硅粒子的制备方法5 1 3 1 化学法6 1 4 自组装的方法8 1 4 1 自然沉降自组装8 1 4 2 利用胶体粒子表面电荷的静电力自组装9 1 4 3 毛细作用下的自组装9 1 4 4 一些其他类型的方法1 0 1 5 论文选题的依据和主要研究内容1 】 1 5 1 论文选题的目的和意义】1 1 5 2 论文的主要研究内容1 1 第二章实验部分1 3 2 1 实验原料与仪器1 3 2 1 1 实验原料1 3 2 1 2 主要实验仪器1 3 2 2 合成与制备1 4 2 2 1 石英纤维的表面处理1 4 2 2 2 二氧化硅粒子的制备1 4 2 2 3 二氧化硅粒子在石英纤维表面的自组装1 4 2 2 4 石英纤维增强磷酸铬铝基复合材料的制备1 5 2 3 测试及表征1 5 v 北京化t 人学硕j ：论义 2 3 1 单丝抗拉强度测试1 5 2 3 2s e m 分析1 6 2 3 3x p s 分析1 7 2 3 4t g 测试1 7 2 3 5x r d 测试1 7 第三章石英纤维的表面处理1 9 3 1 前言1 9 3 2 烧蚀对石英纤维直径的影响1 9 3 3 烧蚀对石英纤维单丝强度的影响2 0 3 4t g d s c 分析石英纤维2 l 3 5x r d 分析烧蚀前后石英纤维的变化2 2 3 6 烧蚀溶剂处理对石英纤维单丝直径的影响2 3 3 7 经热处理后不同溶剂浸溶对石英纤维单丝抗拉强度的影响2 4 3 8 烧蚀甲苯浸溶不同时间对单丝抗拉强度的影响2 5 3 9 烧蚀甲苯处理后石英纤维表面成分的变化2 5 3 1 0 烧蚀甲苯处理后石英纤维的表面形貌，：2 6 3 1 1 小结2 7 第四章二氧化硅粒子的制备”2 9 4 1 前言2 9 4 2t e o s 浓度对粒径的影响2 9 4 3 氨水浓度对粒径的影响3 1 4 4 水浓度对粒径的影响3 3 4 5 反应时间对粒径的影响3 5 4 6 搅拌速度对粒径的影响3 6 4 7 小结3 7 第五章二氧化硅在石英纤维表面的自组装3 9 5 1 前言3 9b 1 日u 舌3 9 5 2 采用自然沉降法使二氧化硅在石英纤维表面自组装3 9 5 2 1 采用自然沉降法使石英纤维直接浸入不同浓度二氧化硅胶体溶液中自组装3 9 5 3 采用超声波振荡法使二氧化硅在石英纤维表面自组装4 0 v l 目录 5 3 1 石英纤维在二氧化硅胶体溶液中浸泡时经超声波震荡不同时问的表面形貌4 0 5 3 2 石英纤维在二氧化硅胶体溶液中浸泡时经不同功率超声波震荡后的表面形貌 4 l 5 4 采用垂直毛细作用自组装法使二氧化硅在石英纤维表面自组装4 2 5 4 1 采用垂直毛细作用自组装法直接将石英纤维浸入二氧化硅胶体溶液中自组装4 3 5 4 2 采用垂直毛细作用自组装法将涂覆铝溶胶后的石英纤维浸入二氧化硅胶体溶液 中自组装4 5 5 5 经过不同方法处理后的石英纤维单丝抗拉强度4 7 5 6 石英纤维增强磷酸铬铝基复合材料性能4 7 5 6 小结4 8 第六章结论4 9 参考文献5 1 致谢5 5 研究成果及发表的学术论文5 7 作者和导师简介5 9 北京化丁人学硕卜论文 v j c o n t e n t s co n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1i n t r o d u c t i o n 1 1 2s u r f a c ed i s p o s i n go ft h eq u a r t z , f i b e r 1 1 2 1c a p a b i l i t ya n da p p l i c a t i o no ft h eq u a r t zf i b e r 2 1 2 2i m p r o v e m e n to f t h eq u a r t zf i b e ri nt h ew o r l d 2 1 2 3c o m p o s i t e s 3 1 2 4e l i m i n a t i n gt h ea g e n t so nt h es u r f a c eo f t h eq u m t zf i b e r 4 1 2 5s u r f a c em o d i f i c a t i o no f t h eq u a r t zf i b e r 5 1 3m e t h o d so f s y n t h e s i z es i 0 2 6 1 3 1c h e m i c a lm e t h o d s 6 1 4m e t h o d so f s e l f a s s e m b l y 8 1 4 1g r a v i t ys e d i m e n t a t i o ns e l fa s s e m b l y 9 1 4 2e l e c t r o s t a t i cs e l fa s s e m b l y 10 1 4 3c a p i l l a r ys e l f a s s e m b l y 1 0 1 4 4o t h e rm e t h o d s 1l 1 5o r i g i na n dc o n t e n to ft h et h e s i s 11 1 5 1o r i g i na n dm e a n i n go f t h et h e s i s 1 1 1 5 2c o n t e n to f t h et h e s i s 1 2 c h a p t e r2e x p e r i m e n ta n dt e s t s 1 3 2 1m a t e r i a l sa n di n s t r u m e n t s 13 2 1 1m a t e r i a l s 1 3 2 1 2i n s t r u m e n t sa n da p p a r a t u s 13 2 2s y n t h e s i sa n dp r e p a r a t i o n 1 4 2 2 1s u r f a c ed i s p o s i n go f t h eq u a r t zf i b e r 1 4 2 2 2p r e p a r a t i o no fs i 0 2p a r t i c l e s 1 4 2 2 3s i 0 2p a r t i c l e ss e l fa s s e m b l eo nt h es u r f a c eo ft h eq u a r t zf i b e r 14 2 3c h a r a c t e r i z a t i o na n dt e s t m e n t 15 2 3 1t e s t m e n to f t h es i n g l ef i b e rt e n s i l es t r e n g t h 15 2 3 2t h es c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) 16 北京化t 人学硕l j 学位论义 2 3 3x p s 17 2 3 4t g d s c i7 c h a p t e r3s u r f a c et r e a t m e n to ft h eq u a r t zf i b e r 1 9 ：；1i n t r o d u c t i o n 1 9 3 2t h ei n f l u e n c eo f h e a tt r e a t e do nt h ed i a m e t e ro f q u a r t zf i b e r 1 9 3 3t h ei n f l u e n c eo f h e a tt r e a t e do nt h et e n s i l es t r e n g t ho fq u a r t zf i b e r 2 0 3 4t h ei n f l u e n c eo f h e a tt r e a t e da n ds o l v e n tt r e a t e do nt h ed i a m e t e ro f q u a r t zf i b e r 2 3 3 5t h ei n f l u e n c eo f h e a ta n ds o l v e n tt r e a t e do nt h et e n s i l es t r e n g t ho f q u a r t zf i b e r 2 4 3 6t h ei n f l u e n c eo f t o l u e n et r e a t e dt i m eo nt h et e n s i l es t r e n g t ho f q u a r t zf i b e r 2 5 3 7t h er e l a t i v ea t o m i cc o n c e n t r a t i o no ft h es i l i c af i b e r ss u r f a c e 2 5 3 8t h em i c r o s t r u c t u r eo f t h es u r f a c eo f q u a r t zf i b e r 2 6 3 9s u m m a r y 2 7 c h a p t e r4p r e p a r a t i o no fs i 0 2p a r t i c l e s 2 9 4 1i n t r o d u c t i o n ：1 9 4 2t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tt e o sc o n c e n t r a t i o no nt h ed i a m e t e ro fs i 0 2p a r t i c l e s2 9 4 3t h ei n f l u e n c eo fa m m o n i ac o n c e n t r a t i o no nt h ed i a m e t e ro fs i 0 2p a r t i c l e s 31 4 4t h ei n f l u e n c eo f d i f f e r e n th 2 0c o n c e n t r a t i o no nt h ed i a m e t e ro fs i 0 2p a r t i c l e s 3 3 4 5t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tr e a c t i o nt i m eo nt h ed i a m e t e ro fs i 0 2p a r t i c l e s 3 4 4 6t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n ts t i rv e l o c i t yo nt h ed i a m e t e ro fs i 0 2 p a r t i c l e s 3 6 4 7s u m m a r y 3 7 c h a p t e r5s i o zp a r t i c l e ss e l fa s s e m b l eo nt h es u r f a c eo fq u a r t zf i b e r 3 9 5 1i n t r o d u c t i o n ：；s i 5 2g r a v i t ys e d i m e n t a t i o ns e l fa s s e m b l y 3 9 5 2 1t h ei n f l u e n c eo f d i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o no f s i l i c as o lo ns e l f a s s e m b l y 3 9 5 3u l t r a s o u n dm i x i n gs e l f a s s e m b l y 4 0 5 3 1t h ei n f l u e n c eo f d i f f e r e n tt i m eo f u l g a s o u n dm i x i n go ns e l f a s s e m b l y 4 0 5 3 2t h ei n f l u e n c eo f d i f f e r e n tp o w e ro f u l t r a s o u n dm i x i n go ns e l f a s s e m b l y 4 1 5 4v e r t i c a lc a p i l l a r ys e l fa s s e m b l y 4 2 5 4 1d i p p e dt h eq u a r t zf i b e ri n t ot h es i l i c as o lt oa s s e m b l e d 4 3 5 4 2d i p p e dt h ea l u m i n u ms o lt r e a t e dq u a r t zf i b e ri n t ot h es i l i c as o lt oa s s e m b l e d 4 5 x c o n t e n t s 5 5t e n s i l es t r e n g t ho f d i f f e r e n tt r e a t e dq u a r t zf i b e r sa f t e rh e a tt r e a t e d 4 7 5 6t h ef l e x u r a ls t r e n g t ho f t h ec o m p o s i t e s 4 7 1 ；7s u m m a r y 4 8 c h a p t e r 6c o n c l u s i o n 4 9 r e f e r e n c e s ! ；1 a c k n o w l e d g e m e n t 5 5 t h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa n dp u b l i c a t i o n s 5 7 i n t r o d u c t i o no fa u t h o ra n dp r o f e s s o r s 5 9 x i 北京化t 人学颁一l j 学位论义 x l 符号说明 s e m x p s t g t e o s 符号说明 扫描电镜 x 光电子能谱仪 热分析仪 j 下硅酸乙酯 x i l i 北京化t 人学颁l ：学位论义 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着世界各国国防技术的逐渐演变，新型耐高温树脂复合材料起着越来越重要的 作用。石英纤维是指二氧化硅含量达9 9 9 0 以上，丝径在l 1 5 p m 的特种玻璃纤维。 它的耐热性很好，能够长期在1 0 5 0 以下使用，并且瞬间耐高温能达到1 7 0 0 ，耐 温性仅次于碳纤维，同时石英玻璃纤维拥有着卓越的电绝缘性，并且它的介电常数和 介质损耗系数是所有矿物纤维中最好的，所以广泛运用于对材料有着特殊要求的领 域，如废气处理、生物导管等。近年来由于其突出的力学性能和介电性能而越来越多 应用于航天、航空领域，尤其是耐高温天线罩体系中。 由于高温热损伤导致纤维力学性能的下降影响了其应用性r l 弓】。石英纤维的生产过 程中，为保持石英纤维的集束性便于编织，必须在纤维生产过程中加浸润剂。浸润剂 的主要成分为有机物( 本实验用原纤维表面涂层为环氧树脂) ，但是石英纤维复合材 料一般是在高温下应用，这使表面涂层有机物发生碳化，而游离碳的存在会严重影响 高温下复合材料的界面性能。而同时，高温环境会严重影响纤维的抗拉强度、断裂强 度等力学性能。如何保证纤维的耐高温性，同时增强纤维的力学性能以及与复合材料 高温下的界面性能成为人们研究的热剧4 。5 j 。 1 2 石英纤维的表面处理 石英纤维是由天然石英晶体和高纯二氧化硅制成的纤维，各方面性能优异。石英 纤维中s i 0 2 的纯度为9 9 9 5 ，密度为2 2 9 c m 3 ，拉伸强度高达7 g p a ，拉伸模量可达 到7 0 g p a ，具有很好的耐腐蚀、耐热和柔软性；在高温使用下，石英纤维强度保持率 高、尺寸保持稳定、化学稳定性好、抗热震性好、透光性及电绝缘性好；耐高温性能 比高硅氧纤维高，在1 0 5 0 下可以长期使用，软化点温度甚至达到1 7 0 0 ；石英纤维 同时较高具有高的电绝缘性能，耐烧蚀性，抗热震性，良好的介电性能和化学稳定性等 等。由于石英纤维具有如此优良的性能，所以其广泛运用于对材料性能有着特殊要求 的领域，如生物医疗、废气处理等领域。近年来由于其具有优良的力学性能和介电性 能而越来越多应用于航天与航空领域，特别是耐高温天线罩体系中。随着科技日新月 异的发展，材料的应用环境对材料的强度、耐磨、硬度、耐腐蚀性、耐高温性及高韧 性等性能的要求日益提高，为了使石英纤维满足在各种条件下使用的要求，各国学者 越来越关注对石英纤维的表面处理从而提高石英纤维的舯i l z t ：厶匕i q r _ , 1 6 - 9 1 。 北京化t 大学硕 j 论文 1 2 1 石英纤维的性能及应用 石英纤维具有优良的电绝缘性，优越的机械性能以及优良的耐高温性。石英纤维 的软化温度可达到1 7 0 0 ，并且能在6 0 0 1 0 5 0 长期使用，石英纤维在使用温度高于 1 6 0 0 时开始升华，这是一种消耗热能的吸热反应，因此利用这种性能可使石英纤维 用作宇宙飞船和洲际导弹返回大气层时的烧蚀材料。此外，石英纤维在高温下使用时 不会收缩，实验表明，石英纤维在1 0 0 0 。c 下工作1 0 0 0 h 后，其损失率可低于1 5 。 石英纤维具有优异的电绝缘性，在所有的矿物纤维中石英纤维的介电常数和介质 损耗系数是最好的，而且在高温和高频率使用下，它仍然保持着优良的电绝缘性。同 时具有的低密度( 2 2 9 c m 3 ) 、不吸湿性和优秀的机械性能，使它广泛应用于雷达罩、电 磁发射窗口和低介电产品。由于石英纤维在此方面的的优异性能，目前其主要应用于 军用飞机以及民用飞机等方面。 石英纤维具有优越的耐温性能是因为s i 0 2 所具有的耐温性决定的，一般石英纤维 能够在1 0 5 0 下长期使用，在1 2 0 0 可作为烧蚀防护材料短期使用，在高温下，石 英纤维不会收缩。另外高纯石英纤维有着很低的膨胀系数和优越的抗温度剧变的能 力。 1 2 2 石英纤维的国内外发展 在国外以法国的圣戈班( s a i n t o b a i n ) 矛i 英国的f m i 公司生产的石英纤维最为著名， 产品的二氧化硅纯度能够达到9 9 9 9 以上。其中以圣戈班的技术水平最为先进，石英 纤维的产品品种和规格齐全。法国的圣戈班公司是当今世界5 0 0 强之一，它的玻璃制 品和玻纤制品在享誉全球，除此之外，它的石英纤维产品在全球也处于领先地位， q u a r t z e l 为其产品商标名。该公司早在1 9 6 3 年法国的n e m o u 就拉制出世界上第一根 石英纤维，在1 9 8 8 年，圣戈班又在美国肯塔基州的l o u i s v i l l e 新建立了一个石英纤维 工厂，主要用来生产高性能的石英纤维复合材料，产品主要供美国本土使用。圣戈班 公司石英纤维产品的s i 0 2 的含量大于9 9 9 9 ，其表面浸润剂主要包括q s l 3 ，q s l 3 1 8 ， q s l 6 ，h t l 4 种，其中h t i 是一种的耐高温浸润剂，它能很好的增强石英纤维织物的 耐温性，使石英纤维能在1 0 5 0 - - 1 2 0 0 下依然保持良好的性能。圣戈班公司生产的石 英纤维产品主要包括捻纱、无捻粗纱、纤维棉、短切纤维、纤维毡和纤维砖等，其中： 有捻纱的石英纤维的单丝直径约为9 - 1 4 p m ，包含有2 7 种规格；无捻粗纱的石英纤维 的单丝直径约为9 1 4 p m ，包含有9 种规格；短切纤维的单丝直径约为9 。1 4 9 m ，包含 有4 种规格；纤维棉的单丝直径约为2 - 9 9 m ，包含有3 种规格。纤维毡是将有机粘合 剂浸入到的石英纤维棉中烘干而成，圣戈班公司有6 5 9 m z ，5 0 9 m ，和x o o g m 23 种 规格。纤维砖是由连续的石英纤维均匀、无定形地和无机粘结剂经过复杂的工艺加工 2 第一章绪论 而成的，具有一定规则的形状，它的二氧化硅含量大于9 8 5 ，含水率低于1 ，密 度为1 3 0 5 5 0 k g m ，能长期在1 5 5 0 下使用，并且在高温下损耗极少。圣戈班公司可 以按客户的要求做出各种形状的纤维砖。最近，圣戈班公司新建了一条生产一种可以 耐1 3 0 0 高温的石英纤维针刺毡生产线，这种石英纤维针刺毡的二氧化硅含量能达到 9 9 9 9 以上，有着优越的耐温性和隔热性，主要可以用于工业熔炉的保温材料、宇宙 飞船发动机的隔热材料、光学纤维拉丝过程中的隔热材料以及陶瓷纤维材料。 目前在我国只有荆州市菲利华石英玻璃有限公司能规模化生产石英纤维，该公司 始建于1 9 6 6 年，经过4 0 年的发展，现在已经拥有全国最大产能的石英锭和石英纤维 的生产线，我国的“神舟5 号”和“神舟6 号”载人宇宙飞船曾使用过该公司提供的 石英纤维材料，但是在技术上和产品规格种类上和圣戈班公司相比仍然存在较大的差 距。荆州菲利华石英纤维产品的s i 0 2 含量有两种，a 类为s i 0 2 含量大于9 9 9 5 ，b 类为s i 0 2 含量大于9 9 9 0 。产品主要包括有捻纱、无捻纱、纤维布、纤维套管、纤 维棉。有捻纱、无捻纱、纤维布。其中纤维套管的单丝直径约为5 l o l a m ，但是品种 较少。纤维棉的单丝直径约为1 8 “m ，包含有三种规格。 1 2 3 纤维增强复合材料界面研究的发展状况 通过研究硅烷偶联剂对纤维的影响证明了加入硅烷偶联剂会提高纤维增强热固 性塑料的力学性能，其中界面层的结构和组成也发生一定变化，而且对复合材料体系 的整体性能起着关键性的作用【i0 1 。 复合材料的界面效应与增强体及基体两相物质问的润湿性、吸附性和相容性等热 力学问题有紧密关系【1 1 1 3 】，还与两相物质自身的结构、形态以及物理、化学的性质有 关，而且还与界面形成过程中诱导发生的界面附加应力有联系，最终还与复合材料加 工成型过程中的两相材料相互作用和界面反应程度有密切联系。由于复合材料界面的 结构特别复杂，因此国内外学者深入研究了界面对复合材料性能的影响，归纳起来， 主要包括界面层结构的研究，界面应力传递及界面破坏机理，界面层的控制，界面层 结构和性质与复合材料性能的关系。 在关于复合材料界面的众多的研究之中，界面的微观力学吸引了众多研究者的目 光。上世纪5 0 年代，最初由c o x t l 4 】和h o o p e r i l 5 】分别建立了各自关于一维界面应力传 递描述的的模型。之后研究者们对界面开始了较为系统的研究，并且在这一时期产生 了一系列对界面研究具有深刻影响的文章：其中z i s m a 首次提出了粘结表面张力的概 念，p l u d d e a n ，e r i c k s o n ，g a ox 等人也发表了有关界面理论研究的著作。上世纪7 0 年代以后，研究者开始对界面的各个部分进行了深入的研究，l a u r a 、r o s e n 等人研究 并且扩展了c o x 的一维应力传递模型和剪滞分析方法，得出了界面应力传递更为接近 实际的结果；r u c k e n s t e i n 等人深入研究了纤维和基体材料的三种界面粘结状况，即部 3 北京化工大学硕i j 论文 分脱粘、充分粘结和完全磨擦粘结。t y s o n 和k e l l y 等人还寻找到了界面粘结强度的 测量方法，之后，z u r e i c k t l 6 】还深入研究了复合材料界面中有关复合材料断裂纤维临界 长度与性能的关系。z w e b e n 1 。7 】等研究了基体断裂、损伤、疲劳、界面破坏、界面强度 与复合材料力学性能问的关系。研究者们还对界面研究的各方面做了综合性的评述， 冼杏娟【l8 】等人研究并且综合评述了纤维增强复合材料界面力学性能，综合评述了国内 外关于碳纤维增强环氧树脂基复合材料界面研究的各个方面的发展状况，k i m 综合论 述了纤维增强复合材料界面断裂控制机理。一些在国际著名力学专家如a d a m s 等也研 究了界面形状对复合材料的宏观力学