第3章 复合材料增强材料

第3章 复合材料增强材料 Polymer CompositesReview第22章基体材料2.1概述2.2聚合物基体2.3金属基体2.4陶瓷基体2.5碳基体Content第33章复合材料的增强材料3.1玻璃纤维3.2碳纤维3.3有机高分子纤维3.4陶瓷纤维3.5金属纤维3.6晶须3.7粉体增强材料玻璃纤维研究成功1893年年玻璃纤维商业化生产和销售1938年品种达4000-5000种用途4万种目前复合材料工业中所用增强体90%以上:玻璃纤维3.1玻璃纤维玻璃纤维的分类按玻璃原料分类有碱玻纤:碱性氧化物含量12%(A玻纤)中碱玻纤:碱性氧化物含量6-12%低碱玻纤:碱性氧化物含量2-6%(C玻纤)无碱玻纤:碱性氧化物含量2%(E玻纤)连续玻纤的主要品种（占90以上）碱金属氧化物含量高，易熔，易抽丝，成本低按单丝直径分类粗纤维单丝直径30?m初级纤维单丝直径20?m中级纤维单丝直径10-20?m高级纤维（纺织纤维）单丝直径3-9?m超细纤维4?m以下按纤维特性分类高强度纤维(S玻纤):具有高强度，用作结构材料低介电纤维(D玻纤):电绝缘性和透波性好，用于雷达耐化学药品纤维(C玻纤):耐酸性好，用作耐腐蚀件耐电腐蚀纤维(E-CR玻纤)耐碱纤维(AR玻纤)高模量纤维(M玻纤)按纤维外观分类连续纤维:无捻粗纱，有捻粗纱（用于纺织）短切纤维空心玻璃纤维玻璃粉磨细纤维玻璃纤维的制造方法a)玻璃球法（坩埚法拉丝法）早期工业化；分为制球和拉丝两步省去制球，简化工艺，效率高池窑容量大，生产能力高可实现自动化集中控制，产品质量稳定可以通过漏板孔径调节纤维粗细废产品易于回炉b)直接熔融法（池窑拉丝法）-粉料熔融直接拉丝生产玻纤的主要方法玻璃纤维的组成和结构主要成分二氧化硅钠和钾等的一价氧化物钡等的二价氧化物铝的三价氧化物网络结构二氧化硅四面体、铝氧三面体或硼氧三面体相互连成的不规则三维网络，网络空间由Na、K、Ca、Mg等阳离子填充，它们与O2-连接，而与网络不直接相连连玻璃纤维的性能拉伸强度高（1.0-3.0GPa），延伸率小弹性模量较高（60-90GPa，相当于铝合金）不燃烧（耐高温）化学耐久性好吸水率低与基体粘接性好（复合性能好）玻纤的缺点耐磨性差；长期放置强度稍有下降；易损伤（避免损伤的方法？）?影响玻纤强度的因素玻璃纤维制品及其应用粗纱短切玻璃布玻璃毡特种玻璃纤维高强度、高弹性模量玻璃纤维高硅氧玻璃纤维低介电玻璃纤维空心和异型截面玻璃纤维抗碱玻璃纤维其他特种性能玻璃纤维3.2碳纤维发发展简史19世纪中期，棉、竹等天然纤维素经处理得到CF；1959年，美国UCC公司人造丝（Rayon）CF工业化；1962年，日本碳公司制得聚丙烯腈（PAN）CF；1963年，日本大古杉郎研究沥青（Pitch）CF；1970年，日本吴羽化学工业公司沥青CF装置；1976年，美国UCC公司高性能沥青CF。 现现状PANCF产量最大，应用最广；沥青次之，粘胶有少量需求。 碳纤维的分类及其制品按原料分类PAN，PITCH，RAYON，etc,（VGCF）按纤维力学性能分类通用级抗拉强度1.4GPa;拉伸模量823K，侧链中的氢和甲基分解1123K完成向SiC的转变22）结构制制备备方方法法？力学性能优异耐氧化性好化学稳定性好与金属有良好的浸润性耐辐射性能和吸波性能良好33）性能CVD法前驱体法密度（g/cm3）3.32.6直径(?m)14010-20模量（GPa）430180强度（GPa）3.52.0力学性能的典型数据浆体成型法美国杜邦公司（?-氧化铝纤维）溶胶-凝胶法美国3M公司化学法日本住友化学公司ICI法英国ICI公司（?-氧化铝短纤维，Saffil）预烧结体法拉晶法（Tyco法）11）制备方法氧化铝纤维Alumina WaterSpinning additivesSlurry SpinnableSlurry Spunyarn Firedyarn FiberFP Dewatering(viscosity Control)Dry SpinLow Fire(Shrinkage Control)i)Flame Firing(Conversion todense?-Al2O3)ii)Silica Coating(Healing ofsurface flaws)?50%22）性能密度3.95g/cm3直径205?m拉强1.38GPa；模量379GPa；熔点2318K耐热性和抗氧化性能好拉强高温保持率高在在1273K下，强度损失要小于SiC,W,B等缺点密度是所有常用纤维中最大的一个含硼纤维商业化硼纤维本质上为复合纤维，有两种B/W（硼沉积在细钨丝上）B/SiO2（硼沉积在涂钨的石英纤维上）硼纤维制造方法a.氢化硼（硼烷）的热分解低温下进行；基材为涂碳的玻纤；产品强度低，不致密。 W清洁段反应器B H2H2H2+BCl3H2+BCl2+HCl水银液封高温下进行（丝速越快，允许温度越高）基材为很细的钨丝（10-12?m）BCl3很贵，且只有10%转化为B水银液封液封的水银作为电阻加热钨丝b.卤化硼的还原结构钨钨反应区W2B5+WB4硼硼密度2.4-2.65g/cm3拉强3.2-5.2GPa模量350-400GPa耐高温耐中子辐射性能3.5金属纤维钢丝高强，低成本；钨丝高模，耐火，密度高（19.3g/cm3）铍丝高模（300GPa），低密（1.8g/cm3）毒性，价贵，低强（1.3GPa）制造方法拔丝、切削、熔融纺丝3.6晶须晶须（Whisker）具有一定长径比（大于10）和截面积小于于52?10-5cm2的单晶纤维材料。 近乎没有缺陷，所以性能接近于理论值稻壳壳无定型SiO2酸处理、碳化碳碳高温烧结1773-2073K/4-6hr（1273K,SiO2还原成Si）（过剩的C与Si反应生成SiC）SiC晶须碳化硅晶须固相生长法制备SiC晶须钛酸钾晶须烧结法、熔融法、水热法、熔剂法水热法在高压时使原料在热水中反应生长晶体的方法。 所得晶须可以很长（数厘米），但高压危险、纤维成本高；熔剂法利用原料在熔剂（KCl-KF，K2O-B2O3等）中反应获得晶须的方法。 熔剂有挥发性、高腐蚀性、难熔性和价格高。 3.7粉体增强材料碳酸钙氮化硅碳化硅碳化硼氧化锆氧化铝莫来石粉料炭黑白炭黑微小球体粉料热塑性树脂粉末Summary&Pro