第2章-复合材料的增强体

,Chapter2,CompositeReinforcements,复合材料增强体,2.1基本概念2.2无机非金属纤维2.3有机纤维（芳纶纤维）2.4晶须及颗粒增强物,J,J,J,J,主要内容,2.1基本概念增强材料增强（韧）机制界面作用增强材料的分类,J,J,J,J,2.1基本概念,增强材料就象树木中的纤维，混凝土中的钢筋一样，是复合材料的重要组成部分，并起到非常重要的作用。在纤维增强复合材料中，纤维是承受载荷的组元，纤维的力学性能决定了复合材料性能。,针叶树的木材的组织,蒙脱土增强PMMA和PS材料,增强材料定义：增强体是复合材料中能提高基体材料力学性能的组元物质，它可以显著提高基体的强度、韧性、模量、耐热、耐磨等性能。,SiC/硼硅玻璃复合材料的强度随SiC体积含量线性增加,增韧机制,复合材料在受冲击载荷时材料发生破坏（断裂），其韧性大小取决于材料吸收冲击能量大小和抵抗裂纹扩展的能力。,纤维脱粘,纤维搭桥,纤维拔出,碳纳米管/聚苯乙烯复合材料的断裂机理,纤维搭桥,纤维拔出,复合材料是由性质和形状各不相同的两种或两种以上材料组元复合而成的，在两种材料之间必然存在把不同材料结合在一起的接触面界面复合材料的界面实质上是具有纳米级以上厚度的界面层，有的还会形成与增强材料和基体有明显差别的新相，称之为界面相。,界面作用,界面的粘结强度是衡量复合材料中增强材料与基体间界面结合状态的一个指标。对于结构复合材料而言，界面粘结强度过高或过弱都不利于材料的力学性能。,复合材料界面的粘结方式,增强材料的分类,在复合材料设计中，选择增强材料的原则,对结构复合材料而言，第一考虑的是增强材料的强度、模量和密度，其与基体物理及化学相容性主要反映界面作用和影响。,2.2无机非金属纤维,2.2.1碳纤维2.2.2硼纤维2.2.3碳化硅纤维2.2.4玻璃纤维,J,J,J,J,2.2无机非金属纤维,2.2.1碳纤维,碳纤维是一种高性能增强纤维，最高强度可达7000MPa，最高弹性模量达900GPa，密度1.82.1g/cm3，具有低热膨胀、高导热、导电性好、耐磨、耐高温等特点。可分为碳纤维和石墨纤维两种。,碳纤维由聚丙烯腈纤维（PAN）、沥青（MP）、粘胶纤维（人造丝）等经氧化、炭化等过程制得的含碳量为90%以上的纤维。按状态分为长丝、短纤维和短切。碳纤维的制备主要经过5个阶段：拉丝、牵引、稳定、碳化和石墨化典型碳纤维制造商：Amoco、BASFGrafilInc.、TohoRayon、Toray；吉林炭素厂、上海炭素厂、兰州炭素厂,PAN原丝和碳纤维制备流程,高分子化学物理加工成型无机化学材料科学聚合工程自动化工程纺丝工程高温氧化工程,碳纤维制备中PAN结构转化,按力学性能分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为1000兆帕（MPa）、模量为100GPa左右。高性能型碳纤维又分为高强型（HT）（强度2000MPa、模量250GPa）和高模型（HM）（模量300GPa以上）。强度大于4000MPa的又称为超高强型（UHT）；模量大于450GPa的称为超高模型（UHM）。随着航天和航空工业的发展，还出现了高强高伸型碳纤维，其延伸率大于2。用量最大的是聚丙烯腈基碳纤维。,普通型高强度型高弹性模量型,碳纤维的结构模型,碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭航天器外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。,我国首台采用碳纤维全复合材料车厢的自卸车在内蒙古包头下线，该车载重50吨，自重4.8吨，比金属厢体减重29%,美国使用碳纤维复合材料一次成型制造的短剑高速隐身试验快艇，在整体制造成形过程中不用焊接，更无需铆接。,碳纤维复合材料-美军的F-22隐身战机,碳纤维复合材料用于制造歼-20等国产第四代战机,美国先进飞机上采用复合材料的示意图,碳纤维在我国民用工业的应用,体育休闲用品：高尔夫球杆棒球棒赛艇弓高尔夫球头垒球棒桨叶箭杆网球拍冰球棒舵拳击手套羽毛球拍滑雪板冲浪板风筝钓渔竿滑雪杖滑雪护腿登山杖自行车滑水杖球鞋底旱冰鞋纺织机零件：传剑带踪杆踪框剑头导杆传剑轮罗拉汽车零件：发动机罩手柄板簧导流板车门连轴器排气管护套固定托架刹车片车门车牌内装饰（面板、把手等）医疗器械：X光照机床CT床板假脚照相暗盒核磁共振床韧带心藏半膜人工关节放射线照相用头托刀床假肢诊断用担架,建筑补强：各种片材增强水泥拉挤板材增强混凝土建筑材料各种增强织物能源：抽油杆电动机壳汽车用天然气瓶电加热器风力发电叶片电加热毯工业日用品：手电筒电脑壳刀具手柄手杖各种三角架伞把手机壳扬声器活动账逢手提箱乐器（弓）户外摇床眼镜架计量尺大型电钻轴各种笔杆（钢笔、园珠笔、自动铅笔等）其它：印刷罗拉新闻记者用伸缩杆电缆绕线弓、弹簧,碳纤维在我国民用工业的应用,2.2.2硼纤维（boronfiber）,硼纤维是一种新型的无机纤维，是一种在金属丝上沉积硼而形成的无机纤维。硼纤维的强度高,超过了钢的强度。室温下的断裂强度为27443430MPa，弹性模量高达392412GPa，但相对密度只有钢材的四分之一。硼纤维在惰性气体中，高温性能良好。在空气中超过500时,强度显著降低。,硼纤维是很好的增强材料，可与金属、塑料或陶瓷制成复合材料使用。主要用于航天、军工等部门作为高温结构材料。由于这种纤维的活性大，在制作复合材料时易与基体相互作用、影响使用，这时可在纤维上涂敷BC、SiC涂层，以提高惰性。,硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体支柱,2.2.3碳化硅纤维（siliconcarbidefibre）,碳化硅纤维是以有机硅化合物为原料经纺丝、碳化或气相沉积而制得具有-碳化硅结构的无机纤维,属陶瓷纤维类。从形态上分有晶须和连续纤维两种。连续纤维是碳化硅包覆在钨丝或碳纤维等芯丝上而形成的连续丝或纺丝和热解而得到纯碳化硅长丝。,碳化硅纤维的最高使用温度达1200，其耐热性和耐氧化性均优于碳纤维，强度达19604410MPa，在最高使用温度下强度保持率在80以上，模量为176.4294GPa，化学稳定性也好。,碳化硅纤维主要用作耐高温材料和增强材料，耐高温材料包括热屏蔽材料、耐高温输送带、过滤高温气体或熔融金属的滤布等。做增强材料时，常与碳纤维或玻璃纤维合用，以增强金属（如铝）和陶瓷为主，制成喷气式飞机的刹车片、发动机叶片、着陆齿轮箱和机身结构材料等，军用步枪枪筒、坦克履带、导弹、火箭、鱼雷等外壳。,2.2.4玻璃纤维,无捻玻璃纤维,玻璃纤维网格布,1、E-玻璃亦称无碱玻璃，系一种硼硅酸盐玻璃。具有良好的电气绝缘性及机械性能，广泛用于生产电绝缘用玻璃纤维，也大量用于生产玻璃钢。2、C-玻璃亦称中碱玻璃，耐化学性特别是耐酸性优于无碱玻璃，但电气性能差，机械强度低于无碱玻璃纤维10%20%。3、AR玻璃纤维亦称耐碱玻璃纤维，主要是为了增强水泥而研制的。4、A玻璃亦称高碱玻璃，是一种典型的钠硅酸盐玻璃，因耐水性很差，很少用于生产玻璃纤维。5、E-CR玻璃是一种改进的无硼无碱玻璃，用于生产耐酸耐水性好的玻璃纤维是专为地下管道、贮罐等开发的新品种。6、D玻璃亦称低介电玻璃，用于生产介电强度好的低介电玻璃纤维。,玻璃（纤维）的分类,以纤维外观分类,有连续纤维，其中有无捻粗纱及有捻粗纱(用于纺织)；短切纤维；空心玻璃纤维；玻璃粉及磨细纤维等。,无捻粗纱,短切纤维,玻璃粉,玻璃纤维的力学性能抗拉强度很高(1200-1500MPa)，比块状玻璃高几十倍。,玻璃内部及表面均存在着较多的微裂纹，在外力的作用下，微裂纹处特别是表面微裂纹处，产生应力集中，首先破坏。玻纤高温成型时，减少了玻璃内部成分的不均一性，使微裂纹产生的机会减少，因此纤维的强度提高。,玻纤为何比同成分的玻璃强度高出好多倍呢？,玻纤在成型过程中由于拉丝机的牵引力作用，使玻纤内部分子产生一定的定向排列，抗拉强度提高。,影响玻璃纤维强度的因素：,纤维直径和长度对拉伸强度的影响直径越细，拉伸强度越高；长度增加，拉伸强度显著下降,可以用微裂纹理论解释以上现象。因为纤维越细，微裂纹越少；纤维越长，产生微裂纹的概率越大。,化学组成对拉伸强度的影响含碱量越高，强度越低。无碱玻璃纤维比有碱玻璃纤维的拉伸强度高20%。,无碱玻璃纤维成型温度高、硬化速度快、结构键能大氧化钠、氧化钾等碱性氧化物为助熔氧化物，它主要通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，从而达到助溶的目的。氧化钠和氧化钾的含量越高，玻璃纤维的强度会相应的降低。,高强玻璃纤维其特点是高强度、高模量，它的单纤维抗拉强度为2800MPa，比无碱玻纤抗拉强度高25%左右，弹性模量86000MPa，比E-玻璃纤维的强度高。用它们生产的玻璃钢制品多用于军工、空间、防弹盔甲及运动器械。,玻璃纤维纱窗（隐形纱窗）,玻璃钢游乐场,2.3有机纤维,2.3.1天然纤维2.3.2合成纤维1、芳纶纤维2、其他合成纤维,J,J,J,J,纤维,天然纤维,化学纤维,合成纤维,棉花、羊毛、蚕丝、麻等,再生人造纤维,再生纤维素纤维和纤维素酯纤维等,锦纶、涤纶、腈纶、维纶、丙纶和氯纶等,用低分子化合物为原料，通过化学合成和机械加工而制得的均匀线条或丝状高聚物。,以天然高分子化合物为原料，经化学处理和机械加工制得的纤维。,2.3.1天然纤维,参考文献：鲁博等编，天然纤维复合材料，北京：化学工业出版社，2005年,天然纤维的种类很多长期大量用于纺织的有棉麻毛丝四种。棉和麻是植物纤维，毛和丝是动物纤维，石棉存在于地壳的岩层中，称矿物纤维。,植物纤维主要组成物质是纤维素，又称为天然纤维素纤维。根据在植物上成长的部位的不同，分为种子纤维、叶纤维和茎纤维。1.种子纤维：棉、木棉等；2.叶纤维：剑麻、蕉麻等；3.茎纤维：苎麻、亚麻、大麻、黄麻、竹等。,棉的结构,显微镜下未经处理的棉织品和用PEG溶液处理的织品,动物纤维主要成分是蛋白质，又称为天然蛋白质纤维，分为毛和腺分泌物两类。1.毛发类：绵羊毛、山羊毛、骆驼毛、兔毛、牦牛毛等；2.腺分泌物：桑蚕丝、柞蚕丝等。,羊毛纤维的卷曲,羊毛纤维剖面图,石棉,天然纤维塑料复合地板成品,环保型木塑复合材料,2.3.2合成纤维,1、芳纶纤维,芳纶纤维全称为聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA）,英文为Aramidfiber（杜邦公司的商品名为Kevlar凯夫拉），具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能,其强度是钢丝的56倍，模量为钢丝或玻璃纤维的23倍，韧性是钢丝的2倍，而重量仅为钢丝的1/5左右，号称合成的钢丝，在560度的温度下，不分解，不融化。,芳纶纤维及其应用,防弹衣、头盔,芳纶绳,2、其他合成纤维,合成纤维是以煤、石油、天然气、水、空气、食盐、石灰石等为原料，经化学处理制成的人工纤维。70年代合成纤维的年产量已占世界纤维总产量的一半。合成纤维的主要品种有：绵纶（聚酰胺）、腈纶（聚丙烯腈）、涤纶（聚酯）、维纶（聚乙烯醇）、丙纶（聚丙烯）和氯纶（聚氯乙烯）等六种，其中前三种产量最大，占整个合成纤维产量的90。,绵纶是最早出现的合成纤维，尼龙66和尼龙6先后于1939年和1943年开始工业化生产。特点是比重大、强度高，具有突出的耐磨性，大多用于制造丝袜、衬衣、渔网、缆绳、降落伞、宇航服、轮胎帘布等。,性能：具有与羊毛相似的特性，质轻，保温性和体积膨大性优良。强韧（与棉花相同）而富有弹性，软化温度高。吸水率低，不适宜作贴身内衣。缺点是强度不如尼龙和涤纶,结构式:,用途：大约70%作衣料用（纺织物占60%左右），用于工业生产的只占5%左右,聚丙烯腈纤维(腈纶、人造羊毛),性能：显著优点是：抗皱、保型、挺括、美观。对热、光稳定性好。润湿时强度不降低，经洗耐穿，可与其他纤维混纺。年久不会变黄。缺点是不吸汗，而且需要高温染色,结构式:,用途：是产量最大的合成纤维，大约90%作为衣料用（纺织品为75%，纺织物为15%）。也大量用于饮料瓶的制作，用于工业生产的只占总量的6%左右,聚对苯二甲酸乙二醇酯(涤纶、的确凉),涤纶俗称的确良，它兼有绵纶和腈纶的特点，强度高、耐磨，混纺后的棉涤纶和毛涤纶为最常用的衣着用料。在工业上，涤纶还可制作轮胎帘布、固定带及运输带等。涤纶纤维出世较晚，但70年代已超过绵纶而居合成纤维首位。,性能：亲水性好，吸湿率可达5%，和尼龙相等，与棉花（7%）相近。强度与聚酯或尼龙相近，拉伸弹性比羊毛差，比棉花好,结构式:,用途：70%用于工业生产，其中以布和绳索居多。可代替棉花作衣料用,聚乙烯醇纤维（维纶、维尼纶）,2.5晶须及颗粒增强物,2.5.1晶须,-碳化硅,晶须是由高纯度单晶生长而成的短纤维。其机械强度等于邻接原子间力。晶须的高度取向结构不仅使其具有高强度、高模量和高伸长率，而且还具有电、光、磁、介电、导电、超导电性质。晶须的强度远高于其他短切纤维，主要用作复合材料的增强体，用于制造高强度复合材料。,晶须是一种直径为零点几至几个微米的针状单晶体纤维材料。在单晶体中的原子排列非常整齐，几乎没有多晶材料中存在的各种缺陷，如杂质、空穴和位错等，因此从强度而言，晶须的