3.复合材料的原材料课件

3 .复合材料的原材料根据材料在结构复合物中的作用分为基材和增强相材料。 其中，基材根据材质而分为聚合物(有机材料)、金属材料、陶瓷材料等的增强材料根据形态而分为纤维、晶须、粒子增强材料等。 本章主要介绍纤维和晶须的制造方法以及在复合材料中的作用。 纤维名称纤维(总称):Fiber连续纤维(长纤维) :连续纤维：连续纤维： stableordiscontinuoousfilmament一根纤维： MonoFilament多根纤维： whiskercattlemoo-cow Mog gycalfoxbeefbeffsteakcowhidemilk 纤维束： Bundle不均匀的纤维束： Tow长纤维的纤维束： Strand长纤维的纤维束单位：将End切成一定长度的长纤维束： Choppedstrand，称为丝的名称丝： Yarn单丝： Singleyarn根以上的长纤维并丝： ROV : Sliver，称为布的名称，无纺布： Mat短纤维或长纤维无定向配置，辊压无纺布(毛毡):Felt布：布料有经纬织成的平织Plain、绫Twill、缎纹等的胶带：胶带宽度窄，长度长材质为金属、氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等陶瓷，形态为长纤维(连续纤维)、短纤维、晶须。 现在的长纤维的直径从7m到140m。 随着制造技术的开发和进步，大部分无机化合物都可以制成纤维。 陶瓷材料的纤维化，特别是制成连续纤维，在充分发挥其特性方面是有利的。 随着复合材料的发展，具有新特征的纤维也正在开发中。3.1.1陶瓷纤维的发展过程、3.1.1陶瓷纤维的发展过程(续)、3.1.2将玻璃纤维、玻璃加热到熔融状态，使其从口中流出，高速拉丝的方法。 另外，一般使用多个喷嘴同时纺纱。 用这种方法，可以同时制造连续纤维和短纤维。 玻璃纤维的制造工艺实例、玻璃纤维、玻璃纤维、玻璃纤维的物理、化学性能几乎取决于其化学组成。 现在使用的主要是无碱玻璃、耐化学药品性的c玻璃、含碱的a玻璃、高拉伸强度的s玻璃、特殊用途的玻璃等。 因为玻璃纤维的直径小，单位质量的表面积是普通玻璃的1000倍。 因此，必须充分注意普通玻璃不会成为问题的耐候性、耐化学药品性、表面电阻等玻璃纤维。 例如，玻璃纤维的表面有可能与空气中的水分反应，风化，降低强度等。 连续纤维的直径为3、4、5、6、7、9、10、13、16、24 m等。 短纤维的直径多为520m。 玻璃纤维的最大特征是拉伸强度高，一根连续纤维的拉伸强度，e玻璃可达3400MPa，s玻璃可达4800MPa。 玻璃长纤维的70%以上用于强化树脂，剩下的多用于电气绝缘、工业机器等。 玻璃纤维、玻璃纤维、玻璃纤维、3.1.3高熔点金属纤维、种类： Ta、Mo、w、Nb、Ni和不锈钢纤维等的制造方法：拉丝的特征：直径可以自由选择。 通常为10600m。 优点：断裂前几%的伸长率复合，断裂能大幅度提高，具有导电性的新性能缺点和主要问题密度大的纤维在高温下的氧化再结晶等导致纤维的脆性热膨胀系数存在差异，导致热膨胀和收缩不匹配，3.1.4碳纤维、碳纤维由人造丝、石油(或其特性也因原材料而异。 1 )以人造丝为原材料的这个方法是1959年开发的。 该纤维主要在美国生产，用于碳-碳复合材料。 但是，由于碳化收率低(约25% )和性能比其他碳纤维低，因此正在被PAN原料的碳纤维取代。碳纤维(以沥青为原料)、沥青(相对分子量500 )、平面缩合芳香环分子(分子量1000以上)、加热350脱水缩合反应、高分子量分子量增加表面张力作用、从均质沥青中的液晶分离、液晶连续相、沥青液晶纤维、数40%以上、纺丝、碳化， 碳纤维碳纤维(以PAN为原料) polyacrylonitrile聚丙烯腈，原丝制造改性丙烯纤维，在稳定化硫酸脱氢、交联反应、嘧啶聚合物、碳化氮中加热一千到两千度，稳定化碳、氮等结合反应、脱氢反应、表面处理表面涂敷有机聚合物，调整稳定的纤维尺寸，镀镍碳纤维、碳短纤维、碳纤维织物、碳纤维无纺布、碳纤维、制造方法及对应的纤维的总结纤维素纤维：复杂的应力、石墨化、收率低的沥青纤维：原料便宜， 高收率杂志的影响性能PAN纤维：基础研究全面，技术成熟，碳纤维价格(美元/kg )，碳纤维，国内主要研究和生产部门上海交通大学北京化学大学湖南大学山西煤化学研究所北京航空材料研究院沈阳飞行设计研究所全国特殊合成纤维研究中心， 历史和现状20世纪60年代到70年代的中考强度是2.5GPa日本和5年之差75、85、95为了攻克T300 (日本已经被淘汰)年数十吨(美国a工厂1800吨，37440万日元)的碳纤维，这个领域的主要课题和研究焦点是需要解决的课题高纯度、高强度、高取向度预氧化是控制碳纤维质量的重要因素。 防熔、防阻燃、耐热梯形结构碳化和石墨化工艺是制造高性能碳纤维的关键。 高纯度氮气和氩气的保护、脱氮交联、非碳元素的排除、热分解生成物的瞬时排出、3.1.5硼纤维、硼纤维以钨线为芯线，用化学气相生长(CVD )的方法制造。 具有良好的力学性能。 价格虽然高，但性能稳定，偏差小，是可靠性高的纤维。 比较：玻璃纤维熔融纺丝，用金属纤维拉丝碳纤维制成丝后氮化，硼纤维、硼纤维也称为硼丝，是耐高温的无机纤维。 具有优异的力学性能，抗拉强度约3500MPa，弹性模量400GPa，密度只有钢材的1/4，耐压缩性强。 硼纤维的强度和弹性是纯铝的2030倍，是高强度合金的710倍。 在惰性气体中，在高温性能良好的空气中超过500时，强度显着降低。 是良好的加强材料。 硼纤维出生于1958年，本身是复合材料。 以钨线为芯线，用化学气相生长(CVD )法制造。 将必要的金属和非金属化合物盐(主要是挥发性卤化物)气化，与H2等气体一起加热，使其与基体接触。 通过热分解和还原反应，可以使金属和化合物在基质上析出。 这个过程称为化学气相生长。 化学气相生长一般用于表面处理，也用于增强材料纤维的制作。 硼纤维使必要的金属和非金属化合物盐(主要是挥发性卤化物)气化，与H2等气体一起加热，使其与基体接触。 通过热分解和还原反应，可以使金属和化合物在基体上析出。 这个过程称为化学气相生长。 将BCl3与载体H2一起加热，流过钨线或碳线时，会发生以下反应。 2BCl3 3H22B 6HCl在灯丝上析出硼，以适当的速度拉伸灯丝就能得到硼纤维。，H2 BCl3，H2 HCl，H2，反应区，预热，芯线，硼纤维在硼纤维开发初期，作为芯线的钨芯线(纤维为100m时，芯线为13m，150m时约20m )较多一般市场上销售的硼纤维的直径为150m，实用上也可以更粗：例如300m。析出速度、BCl3的流量、芯线的温度、芯线的缠绕速度、反应槽的长度、随着温度变高而变大，过高：结晶化减弱晶界，与芯线反应生成脆性层，过低：与硼的结合力变弱，最佳的温度范围、硼纤维、特此外，这种纤维不适合曲率半径小的部分和非常薄的板，3.1.6SiC纤维、SiC具有与金刚石相同的结构，具有良好的热稳定性和热传导率，密度低，强度和刚性高，是复合材料中有魅力的强化材料。 其合成比j金刚石容易得多，可以作为粉末状态的原料大量制造。 大量生产纤维需要更多的努力，但已经有了几种制造方法。 SiC纤维、CVD-SiC纤维在1000以上加热有机硅化合物和氢，在钨线(12m )上堆积SiC。 以沥青系碳纤维为芯线(约30m )的SiC/C纤维。 为了提高这种纤维和基质的结合性，在纤维的表面进一步堆积碳。 商品编号：SCS-2、SCS-6、SCS-8、SCS-9等。 (例如SCS-2是在纤维表面涂复1m厚的碳层而成的。 SCS-9是直径80m的细纤维。 特性： CVD-SiC/C纤维用于Si3N4基复合材料时，显示出优异的高温强度。 将SiC纤维、PC-SiC纤维(前体法)有机硅聚合物形成的硅和以碳为主要材料进行聚羧酸硅烷纺丝，进行热氧化不溶化处理后，进行烧成而制造。 成分接近Si3C4O。 以-SiC为主。 纤维直径为14m，在12001300下烧成可以得到最高的拉伸强度和弹性模量。 SiC纤维、结构：显示热分解碳为25nm的结晶状态。 Si的氧化物呈无定形状态，相互均匀分布。 物理性能：电阻率因烧成温度而异。 可以在106103cm的范围内变化。 用途：该纤维用于增强环氧树脂基复合材料，其压缩强度和冲击强度比碳纤维增强环氧树脂提高2倍。 因为具有电波穿透性，所以可以用于雷达的电波罩。 这种纤维也用于增强Al基复合材料。 不仅力学性能优异，变形加工也很容易。 SiC纤维是将非晶Si-Ti-C-O等材料纺丝，热氧化后不溶化，烧成后制成纤维。 这种纤维直径在10m以下，很柔软，所以适合三维编织物。 纤维的高温性能好，增强的复合材料不仅在与纤维平行的方向上，在与纤维垂直的方向上也得到了高强度。 这种纤维对金属、陶瓷的适应性很高，有望得到很大的发展。 PC-SiC纤维与CVD-SiC纤维相比强度和弹性模量低，但柔软性高，适用于编织物和复杂形状的复合材料。 另外，也可以组合使用两种纤维，增大纤维的体积分散，可以得到高性能的复合材料。 3.1.7Al2O3纤维，如浆液法、聚合物法、溶胶凝胶法、无机盐法、EFG法等方法已经用于制造各种Al2O3纤维。 其性能根据制造方法而不同，一般具有2040的熔点。 具有耐热、绝缘、-Al2O3结构的纤维无色透明，折射率为1.65。 因为该纤维不与熔融金属反应，所以有望作用于金属基、陶瓷基复合材料。 Al2O3纤维、高温氧化物连续陶瓷纤维在美国、日、英等地进行了多年的研究、生产和应用。 美国的3M公司从1965年开始开发，现在拥有Nextel系列氧化物连续陶瓷纤维产品，产品的主要特征是椭圆形截面，纤维的柔软性有所提高。 杜邦公司(杜邦公司)在1970年代报道了FP及其改良型PRD166高强度连续陶瓷纤维制品。在日本，国家工业研究院和三家公司正在研究连续氧化铝系陶瓷纤维，Sumitomo公司近年来发展了Altex多晶氧化铝连续纤维，DenkaKK公司在1984年和1985年开发了莫来石质连续陶瓷纤维，MitsuiMining公司在20世纪开发Al2O3纤维，将不同成分的连续陶瓷纤维具有不同用途的：连续碳化硅纤维(编织成形后经过热处理)用于高性能军用发动机燃烧室的连续硼纤维因为具有高的单丝拉伸强度，所以被作为军用飞机的高强度轻量结构材料的连续高硅酸这些材料的共同特点是生产成本高，相对来说，氧化铝类连续陶瓷纤维具有最高的性能价格比，化学溶胶-凝胶生产技术也很容易实现。 3.1.8ZrO2系纤维、氧化锆纤维继承了氧化锆陶瓷自身的优异性能，具有高熔点、高强度、韧性、耐高温、抗氧化、酸碱腐蚀、耐热冲击性、隔热性等优点，尤其是纤维拉伸强度高(2.6GPa以上)和最高使用温度高氧化锆纤维、氧化锆陶瓷纤维材料、结晶粒径一般在数十至数百纳米之间，直径范围为150m。 氧化锆纤维分为连续纤维和短纤维。 短纤维的长度通常为厘米、毫米、微米级，其制造方法简单，一般多用浸渍法制造，强度不高。 国际上一般把比lm长的氧化锆纤维称为氧化锆连续纤维，连续纤维的制造相当困难，但强度高，韧性好，能实现三维编织，在应用于复合增强材料上具有短纤维无法比拟的优异性能。 氧化锆纤维(连续纤维)的制造方法前体转化法、浸渍法：将整个粘胶或织物在锆盐溶液中浸一会儿，取出洗涤，经过干燥、热分解和烧成，得到具有一定强度的氧化锆纤维或纤维织物。 混合法：将有机聚合物和纳米级锆盐或氧化锆粒子制成均匀的混合溶液，通过纺丝烧结固化成氧化锆纤维。 溶胶-凝胶法：使醋酸锆或锆的醇盐水解和缩聚反应，生成含有Zr1()一Zr的长链溶胶，纺丝形成凝胶纤维，热处理除去挥发成分后，烧成氧化物骨架，得到的纤维具有良好的机械性能。 有机锆法：将无机锆盐和有机络合物配位，进行聚合反应，生成纺丝性优异的有机锆聚合物，干式纺丝得到前体纤维，热处理得到氧化锆连续纤维。 3.1.9以Si3N4系纤维、聚环氨基硅烷及聚羧酸硅烷为前驱体进行干式纺丝，在惰性气体或NH3中烧成时，可以得到白色且耐热性优异的Si3N4纤维。 并且，向该聚合物中加入硼，还开发了高温性能优异的含硼Si3N4纤维。 以胶体状的聚硅氮烷为前体，在三氯硅烷蒸气中进行不溶化处理，再在N2中烧结，就能制作Si-N-C纤维。 另一方面，通过在惰性气体中用放射线对PC-SiC纤维的前体聚羧酸硅烷纤维进行不溶化处理，并在NH3中进行烧成，可以将其中的c置换为n，得到无色、不透明的Si-N系纤维。 如果用热氧化进行不溶化处理，氮化后就能得到非晶的Si-N-O系纤维。 3.1.10BN系、AlN系纤维、氮化硼(BN )因为具有良好的电绝缘性、热稳定