第3章 复合材料的增强材料

1、1 2 粘结在基体内以改进其机械性能的粘结在基体内以改进其机械性能的 称为称为 ，也称作，也称作、等。等。 3 如，植物纤维棉花、麻类；如，植物纤维棉花、麻类； 动物纤维丝、毛；动物纤维丝、毛； 矿物纤维石棉。矿物纤维石棉。 天然纤维天然纤维 强度较低，强度较低， 现代复合材料的增强材料现代复合材料的增强材料 用合成纤维。用合成纤维。 4 在复合材料中起在复合材料中起，是主要，是主要。 不仅能使材料显示出不仅能使材料显示出和和，而且，而且 能能，提高，提高和和等。等。 在很大程度上取决于在很大程度上取决于、 及及。 如如，加入，加入后，后，可从可从600 600 MPaMPa提高到提高到100

2、0 1000 MPaMPa，可从可从3000 3000 MPaMPa提高到提高到8000 8000 MPaMPa， 其其可从可从8585提高到提高到105105 ，使使-40 -40 以下的以下的 可提高可提高1010倍。倍。 5 纤维；纤维； 纤维；纤维； 纤维纤维 纤维；纤维； 纤维；纤维；纤维；纤维； 氧化铝氧化铝纤维；纤维；纤维；纤维； 纤维；纤维；纤维纤维 金属纤维。金属纤维。 6 1.1 及其及其； 1.2 玻璃纤维的玻璃纤维的及及； 1.3 玻璃纤维的玻璃纤维的； 1.4 玻璃纤维的玻璃纤维的； 1.5 玻璃纤维的玻璃纤维的 7 优点：优点：绝缘性好、耐热性强，机械强度高绝缘性好

3、、耐热性强，机械强度高 缺点：缺点：性脆，耐磨性较差。性脆，耐磨性较差。 它是以它是以玻璃球玻璃球或或废旧玻璃废旧玻璃为原料经高温为原料经高温熔制熔制、拉丝拉丝、 络纱络纱、织布织布等工艺制造成的；等工艺制造成的； 单丝的直径为单丝的直径为几个微米几个微米到到二十几米个微米二十几米个微米，相当于一，相当于一 根头发丝的根头发丝的 1/20-1/5 ，每束纤维原丝都由，每束纤维原丝都由数百根甚至数百根甚至 上千根单丝上千根单丝组成。组成。 8 9 玻璃纤维的分类方法很多。通常从玻璃玻璃纤维的分类方法很多。通常从玻璃、 、及及等方面进行分类等方面进行分类。 这种分类方法主要用于这种分类方法主要用于

4、的分类。一般的分类。一般 以不同的以不同的来区分：来区分： (1)玻璃纤维；玻璃纤维； (2)玻璃纤维；玻璃纤维； (3)玻璃纤维；玻璃纤维；(4)玻璃纤维玻璃纤维 10 是以是以组成的玻璃纤维，这种纤维组成的玻璃纤维，这种纤维， 和和优良，能优良，能，好。好。 最大的特点是最大的特点是，因此也把它称做，因此也把它称做 ，应用最广泛的一种玻璃纤维用玻璃成分，应用最广泛的一种玻璃纤维用玻璃成分 规定其规定其不大于不大于0.5。 (2)中碱玻璃纤维中碱玻璃纤维 碱金属氧化物含量在碱金属氧化物含量在11.5 12.5之间的玻璃纤维。之间的玻璃纤维。 国外没有这种玻璃纤维，主要特点是国外没有这种玻璃纤

5、维，主要特点是好，但好，但 不如不如E玻璃纤维高。主要用于玻璃纤维高。主要用于中，中，。 11 称称，类似于窗玻璃及玻璃瓶的，类似于窗玻璃及玻璃瓶的钠钙硅酸盐钠钙硅酸盐 玻璃玻璃。由于。由于，对，对潮气潮气侵蚀极为侵蚀极为敏感敏感，因而很，因而很 少作为增强材料少作为增强材料。 如由纯如由纯三元组成的三元组成的， ，玻璃纤维，含玻璃纤维，含纤维，纤维， 纤维，纤维，纤维等。纤维等。 12 呈呈，以其，以其可以分为：可以分为： 纤维：纤维：30 um；纤维：纤维：20 um; ：10 20 um ；：3 10um (亦称亦称纤维纤维)。 对于对于小于小于4 um的玻璃纤维称为的玻璃纤维称为。 不

6、同，不仅使纤维的不同，不仅使纤维的有差异，而且影响到纤有差异，而且影响到纤 维的维的、和和。 一般一般5 10 um的纤维作为的纤维作为使用，使用，10 14 um的纤的纤 维一般做维一般做、等较为适宜。等较为适宜。 13 有有，其中有，其中有及及(用于用于 纺织纺织)、及及 等。等。 根据根据具有具有可分为：可分为：玻璃纤维、玻璃纤维、 玻璃纤维、玻璃纤维、玻璃纤维、玻璃纤维、玻璃纤维、玻璃纤维、 玻璃纤维玻璃纤维(指指及及玻璃纤维玻璃纤维)。 14 的的比比高许多倍，但高许多倍，但 经研究证明，经研究证明，的的与与相同。相同。 关于玻璃结构的假说到目前为止，比较能够反关于玻璃结构的假说到目

7、前为止，比较能够反 映实际情况的是映实际情况的是“”和和“ ”。 15 玻璃是由玻璃是由、或或 相互连成不规则相互连成不规则；网络间的；网络间的 由由Na、K、Ca、Mg等等。 二氧化硅四面体的二氧化硅四面体的是决定是决定 的基础，填充的的基础，填充的Na、Ca等阳离子称为等阳离子称为。 玻璃是由玻璃是由或或的的“” 组成，在组成，在“”之间由之间由所所 填充。填充。 16 玻璃纤维结构示意图玻璃纤维结构示意图 17 大量资料证明，大量资料证明，是是的。主要是因为的。主要是因为 在在玻璃结构中玻璃结构中存在存在一定数量和大小一定数量和大小比较比较， 这种规则性是由这种规则性是由一定数目的多面体

8、一定数目的多面体遵循类似遵循类似 造成的。造成的。 但是，但是，的这种的这种不像晶体结构那样有不像晶体结构那样有 严格的周期性，严格的周期性，的，的， 反映到玻璃的反映到玻璃的上是上是。 18 主要是主要是、 等。等。 对玻璃纤维的对玻璃纤维的起决定性作用，起决定性作用， 以以为主的称为为主的称为，以，以为主的为主的 称为称为。 、等碱性氧化物为等碱性氧化物为，它可降，它可降 低玻璃的低玻璃的和和，使熔液中的气泡容易排除。，使熔液中的气泡容易排除。 主要通过主要通过，使，使，从，从 而达到助熔的目的。而达到助熔的目的。 因此因此氧化钠和氢化钾的含量越高氧化钠和氢化钾的含量越高，玻璃纤维的，玻璃

9、纤维的、 和和都会相应的降低。都会相应的降低。 19 加入加入、等，能在一定条件下等，能在一定条件下 ，改善玻璃的某些性质和工艺性能。，改善玻璃的某些性质和工艺性能。 例如，用例如，用取代取代可可；加入；加入 三三可可 总之，玻璃纤维总之，玻璃纤维一方面要一方面要 ，具有良好的，具有良好的；另一方；另一方 面要面要，如合适的，如合适的、及及 。 20 ：，、 和和等。等。 ，对皮肤有刺激性等，对皮肤有刺激性等。 21 一般一般，其表面都有较深的，其表面都有较深的； 而而表面表面呈呈，其，其断面断面是是。 宏观看来，由于宏观看来，由于，纤维之间的抱合力非常小，纤维之间的抱合力非常小， ；又由于；

10、又由于， 这对于提高复合材料的这对于提高复合材料的玻璃含量玻璃含量是有利的。是有利的。 从从1.5 25 um，大多数为大多数为4 14 um。 为为2.16 4.30 gcm3，其比重较有机纤维其比重较有机纤维 大很多，但比一般的金属比重要低，与铝相比几乎一样。所大很多，但比一般的金属比重要低，与铝相比几乎一样。所 以在航空工业上用以在航空工业上用代替代替就成为可能。就成为可能。 22 由于玻璃纤维的由于玻璃纤维的表面积大表面积大，使得纤，使得纤 维维对对很大。很大。 23 玻纤最大特点是玻纤最大特点是。一般。一般的拉伸强度的拉伸强度 40 100 MPa，而直径而直径3 9 um的的强度达

11、强度达1500 4000 MPa，较一般合成纤维高约较一般合成纤维高约10倍，比合金钢还高倍，比合金钢还高2倍。倍。 24 玻璃纤维高强的原因，主要有玻璃纤维高强的原因，主要有。 认为，认为，玻璃的理论强度玻璃的理论强度取决于取决于 ，其，其，可达到，可达到200 l 200kgmm2。 但通常情况下，玻璃或玻璃纤维的但通常情况下，玻璃或玻璃纤维的很低。这很低。这 是因为，在它们当中，存在着是因为，在它们当中，存在着，的的 ，从而大大降低了其强度。，从而大大降低了其强度。 25 分布在分布在破璃或玻璃纤维破璃或玻璃纤维的的内，但以内，但以 危害最大。危害最大。 出于出于的存在，使玻璃的存在，使

12、玻璃在外力作用下在外力作用下，在，在 危害最大的微裂纹处，产生危害最大的微裂纹处，产生，从而使，从而使。 比玻璃的比玻璃的很多，主要有两方面的原因：很多，主要有两方面的原因： 、玻璃纤维、玻璃纤维高温成型时高温成型时， 使使。 、玻璃纤维的、玻璃纤维的，随着，随着，使，使 也减少，从而使纤维强度增高。也减少，从而使纤维强度增高。 26 A、一般情况，玻璃纤维的一般情况，玻璃纤维的随随变细变细 而拉伸强度增加，如下表所示：而拉伸强度增加，如下表所示： 玻璃纤维拉伸强度与直径的关系玻璃纤维拉伸强度与直径的关系 27 B、也与也与有关，随着有关，随着长度增加长度增加 。如下表所示：。如下表所示： 玻

13、璃纤维拉伸强度与长度的关系玻璃纤维拉伸强度与长度的关系 解释：解释： 随着纤维随着纤维和和，纤维中，纤维中 就会相应地就会相应地，这样，这样就会相应地就会相应地。 28 含碱量越高，强度越低。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无碱玻璃纤维比有碱玻璃纤维的拉伸强度高高20%。 玻璃纤维玻璃纤维纤维直径纤维直径(m)拉伸强度拉伸强度(MPa) 无碱无碱5.012000 有碱有碱4.701600 无碱玻璃纤维成型无碱玻璃纤维成型温度高温度高、硬化速度快硬化速度快、结构、结构键能大键能大 氧化钠、氧化钾等碱性氧化物为氧化钠、氧化钾等碱性氧化物为助熔氧化物助熔氧化物，它主要，它

14、主要 通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，从而达到助溶的目的。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，强度会相应的降低氧化钠和氧化钾的含量越高，强度会相应的降低 29 当纤维当纤维后，会出现后，会出现的现象，称为的现象，称为 。 主要取决于纤维对主要取决于纤维对大气水分大气水分的化学稳定性。的化学稳定性。 例如，直径例如，直径6 um的的和含和含17的的Na2O ，在空气湿度为，在空气湿度为60 65的条件下存放，的条件下存放，存存 放后放后，而，而不断不断。 强度变化的原因，主要是由于强度变化的原因，主要是由于对对 不同所致。不同所致。 30 一般是指一般是指

15、随随 的情况。的情况。 纤维疲劳现象是纤维疲劳现象是的，当相对湿度为的，当相对湿度为60 65 %时，玻璃时，玻璃 纤维在纤维在，都会有很大程度的疲劳。，都会有很大程度的疲劳。 玻璃纤维玻璃纤维，在于，在于，即，即并并 中，在外力的作用下，加速裂纹的扩展。中，在外力的作用下，加速裂纹的扩展。 玻璃纤维玻璃纤维取决于取决于。这与。这与、 、等方面有关。等方面有关。 31 玻璃纤维这玻璃纤维这，经过揉搓摩擦容易受伤或，经过揉搓摩擦容易受伤或 断裂，这是玻纤的严重缺点。断裂，这是玻纤的严重缺点。 当当表面表面后后能加速能加速，使纤维，使纤维 降低。降低。 改进改进以的措施：的以的措施：的；如经；如经

16、0.2阳离子活性阳离子活性 剂水溶液剂水溶液处理后，玻璃纤维的耐磨性比未处理的高处理后，玻璃纤维的耐磨性比未处理的高200倍倍。 如如直径为直径为9 um时，其弯曲半径为时，其弯曲半径为0.094 mm；而而 直径为直径为3.6 um时，其弯曲半径为时，其弯曲半径为0.038 mm。 32 玻璃纤维的玻璃纤维的主要取决于主要取决于、和和。 纤维的纤维的比比纤维优越得多纤维优越得多: 因为因为 的缘故。的缘故。 玻璃纤维的玻璃纤维的随着随着而而。 在玻璃纤维的在玻璃纤维的中，加入大量的中，加入大量的、 、氧化银氧化银或或，会使纤维具有，会使纤维具有。 在玻璃纤维上在玻璃纤维上涂敷涂敷，能获得，能

17、获得导电纤维导电纤维。 33 是优良的是优良的透光材料透光材料，但制成，但制成制品后，制品后， 其其远不如玻璃。远不如玻璃。 由于由于具有具有优良的光学性能优良的光学性能，因而可以制成各，因而可以制成各 种种、以以传送光束传送光束或或光学物像光学物像。这在现代。这在现代 等方面也得到了广泛应用。等方面也得到了广泛应用。 34 除对除对、外，对外，对 和和都有都有。 根据根据可知，可知，相互连结构相互连结构 成成玻璃纤维结构的骨架玻璃纤维结构的骨架，它是很难与，它是很难与、( H3PO3，HF 除外除外)起反应的。起反应的。 当当与与作用时，多数是作用时，多数是溶解玻璃溶解玻璃 纤维结构中的纤维

18、结构中的或或破坏破坏部分；对于部分；对于、 、等，将使等，将使玻璃纤维结构玻璃纤维结构全部全部。 35 ，而，而 则会则会使化学稳定性降低使化学稳定性降低。 36 是非常好的是非常好的，但，但很差。很差。 这主要是由于这主要是由于所造成的。所造成的。 例如，克重的例如，克重的2 2mmmm厚的玻璃，只有厚的玻璃，只有5.15.1cmcm2 2表面积；而表面积；而 克玻璃纤维克玻璃纤维( (直径直径5 5um)um)的表面积则有的表面积则有31003100cmcm2 2，表面积增大表面积增大 了了608608倍。倍。 也就是说也就是说比玻璃大比玻璃大608608 倍。因此，倍。因此，比块玻璃比块

19、玻璃很多很多。 37 2.1 概概 述述 的历史可追溯到的历史可追溯到19世纪末期世纪末期，爱迪生发明的，爱迪生发明的 白炽灯灯丝，而真正作为白炽灯灯丝，而真正作为有使用价值有使用价值并规模生产的碳纤维，并规模生产的碳纤维， 则出现在则出现在二十世纪二十世纪50年代末期年代末期。 38 是是有机纤维有机纤维经经固相反应固相反应转变而成转变而成纤维状聚合物碳纤维状聚合物碳。 不属于不属于有机纤维有机纤维，但，但从制备上从制备上又不同于又不同于无机纤维无机纤维。 碳纤维具有碳纤维具有、； 好，除硝酸等少数强酸外，几乎对所有药品好，除硝酸等少数强酸外，几乎对所有药品 均稳定；另外，碳纤维对均稳定；另

20、外，碳纤维对也稳定。也稳定。 具有非常优良的具有非常优良的X射线透过性射线透过性，阻止中子透阻止中子透 过性过性，还可，还可赋予塑料赋予塑料以以和和。 以碳纤维为增强剂的复合材料以碳纤维为增强剂的复合材料具有具有的特的特 性，是一种目前最受重视的高性能材料之一。它在航空航天、性，是一种目前最受重视的高性能材料之一。它在航空航天、 军事、工业、体育器材等许多方面有着广泛的用途。军事、工业、体育器材等许多方面有着广泛的用途。 39 商品化的商品化的很多，一般可以根据：很多，一般可以根据： 、 进行分类。进行分类。 40 是一种是一种以以碳碳为主要成分为主要成分的纤维状材料。它不同于的纤维状材料。它

21、不同于 有机纤维有机纤维或或无机纤维无机纤维，不能用，不能用熔融法或溶液法熔融法或溶液法直接纺丝，只直接纺丝，只 能能以有机物为原料以有机物为原料，采用，采用制造。制造。 可分为：可分为：和和。 是是在惰性气氛在惰性气氛，(如烃或芳烃等如烃或芳烃等)在高在高 温下温下沉积，该方法只能制造沉积，该方法只能制造或或，不能制造，不能制造连续长连续长 丝丝。 41 可以制造可以制造，通常分为两步：，通常分为两步： 将将有机纤维有机纤维经过经过变成变成耐焰纤维耐焰纤维； 在惰性气氛中在惰性气氛中，高温，高温，使有机纤维失去，使有机纤维失去部分碳部分碳和和 其它非碳原子其它非碳原子，形成，形成的纤维状物。

22、的纤维状物。 天然纤维天然纤维、再生纤维再生纤维和和合成纤维合成纤维都可用来制备都可用来制备。 制备制备时时，是是加热时不熔融加热时不熔融，可牵伸可牵伸， 且且碳纤维产率高碳纤维产率高。 42 无论用哪一种无论用哪一种原丝纤维原丝纤维来制造碳纤维，来制造碳纤维， 都要经过都要经过： 干法、湿法或熔干法、湿法或熔 融状态；融状态； 100300 400 10002000 20003000 预氧化预氧化 以聚丙烯腈（以聚丙烯腈（PAN）为原料制造的碳纤维）为原料制造的碳纤维 预氧化预氧化：200200300300的氧化气氛中，原丝受张力情况下进行的氧化气氛中，原丝受张力情况下进行 PAN PAN的

23、的T Tg g低于低于100100，分解前会软化熔融，不能直接在惰性，分解前会软化熔融，不能直接在惰性 气体中进行碳化。先在空气中进行预氧化处理，转化为稳定气体中进行碳化。先在空气中进行预氧化处理，转化为稳定 的梯形的梯形六元环结构六元环结构，就不易熔融。加热足够长时间，产生纤，就不易熔融。加热足够长时间，产生纤 维维吸氧吸氧作用，形成纤维分子间的作用，形成纤维分子间的化学键合化学键合。 40040019001900，惰性气氛，除去氮、氢、氧等非碳元素，惰性气氛，除去氮、氢、氧等非碳元素 碳化：碳化： 46 (1)碳纤维的碳纤维的与与 (2)碳纤维的碳纤维的 (3)碳纤维的碳纤维的 47 决定

24、于决定于:、。 决定于决定于与与。 进行进行、等的目的是，除去碳以外的元素，等的目的是，除去碳以外的元素， 形成形成平面结构。平面结构。 过程中重量损失可达过程中重量损失可达10-80，形成各种微小的缺陷。，形成各种微小的缺陷。 高模量碳纤维中高模量碳纤维中的的总是总是沿纤维轴沿纤维轴 。 48 不是理想的石墨点阵，而是不是理想的石墨点阵，而是。 在在中，中，是基本的结构单元，若是基本的结构单元，若 干层片组成干层片组成，微晶堆砌成直径数十纳米、长度数百纳，微晶堆砌成直径数十纳米、长度数百纳 米的米的，原纤则构成了，原纤则构成了，其直径约数微米。，其直径约数微米。 实测碳纤维实测碳纤维约约0.

25、339-0.342 nm，比比 (0.335nm)略大，各略大，各平行层面间的碳原子平行层面间的碳原子 排列排列也不如石墨那样规整。也不如石墨那样规整。 49 强度和模量强度和模量分别为分别为180 Pa和和1000 GPa左左 右。而右。而的实际的实际强度和模量强度和模量远远低于此理论值。远远低于此理论值。 这主要是由于这主要是由于和和所造成的。所造成的。 主要是指主要是指结构不匀结构不匀、微孔微孔、裂缝裂缝、气孔气孔、杂质杂质等。等。 来自两方面，一是来自两方面，一是原丝原丝中的中的，二是，二是在在碳化碳化中产生的中产生的。 原丝中的缺陷原丝中的缺陷主要是主要是在纤维成形过程中在纤维成形过

26、程中产生的。产生的。 在在碳化碳化时时，纤维中会，纤维中会释放出气体物质释放出气体物质，在表面及内部在表面及内部产产 生生等缺陷。等缺陷。 50 碳纤维的碳纤维的为一直线，由于伸长小，断裂为一直线，由于伸长小，断裂 过程在瞬间完成，所以过程在瞬间完成，所以不容易发生屈服。不容易发生屈服。 碳纤维碳纤维比石墨大，所以它的比石墨大，所以它的 都明显高于石墨；都明显高于石墨； 而碳纤维的而碳纤维的，较差，轴向较差，轴向 抗压强度抗压强度仅为仅为抗张强度抗张强度的的10-30，而且不能结节。，而且不能结节。 51 比重比重1.5-2.0，取决于，取决于和和。 经过高温经过高温(3000 )，比重可达，

27、比重可达2.0。 碳纤维碳纤维的的、有有的特点。的特点。 碳纤维的碳纤维的与与纤维的类型纤维的类型有关。在有关。在25时，时， 为为775 u cm，为为1500 u cm。 碳纤维的碳纤维的为为正值正值，而铝合金的电位为，而铝合金的电位为负值负值。因此当。因此当 碳纤维复合材料碳纤维复合材料与与铝合金铝合金组合应用时会发生组合应用时会发生电化学腐蚀电化学腐蚀。 52 的的化学性能化学性能与与很相似。它除能被很相似。它除能被强氧化剂氧化强氧化剂氧化 外，对外，对一般酸碱一般酸碱是惰性的。是惰性的。 在在中，当温度高于中，当温度高于400 时，则会出现明显的氧化，时，则会出现明显的氧化， 生成生

28、成CO和和CO2。 在在不接触不接触或或时，碳纤维具有突出的时，碳纤维具有突出的。 另外，碳纤维还有良好的另外，碳纤维还有良好的，如，如在液氮温度下在液氮温度下 也也。它还有。它还有、和和 等特性。等特性。 提高碳碳纤维与基体的提高碳碳纤维与基体的结合强度结合强度。 途径：途径： 清除表面杂质；清除表面杂质； 在纤维表面形成微孔或刻蚀沟槽，从类石墨层面改在纤维表面形成微孔或刻蚀沟槽，从类石墨层面改 性成碳状结构以增加表面能；性成碳状结构以增加表面能； 引进具有极性或反应性官能团；引进具有极性或反应性官能团； 形成能与树脂起作用的中间层。形成能与树脂起作用的中间层。 目的：目的： 是指日前巳工业

29、化生产并广泛应用的是指日前巳工业化生产并广泛应用的 、。 55 牌号纤维的用途各不相同：牌号纤维的用途各不相同： 橡胶增强橡胶增强，制造轮胎制造轮胎、三角皮带三角皮带、同步带同步带等；等； 绳索绳索、电缆电缆、涂漆织物涂漆织物、带带和和带状物带状物，以及，以及 防弹背心防弹背心等。等。 航空航空、宇航宇航、造船工业造船工业的复合材料制件。的复合材料制件。 芳纶的总产量芳纶的总产量43用于用于(芳纶芳纶-29)，31用用 于于，17.5用于用于和和，8.5用于用于。 以以作为作为，作为作为所形成的所形成的 ，简称，简称KFRP，它在它在航空航天方面航空航天方面的应用，仅次于的应用，仅次于， 成为

30、必不可少的材料。成为必不可少的材料。 56 芳纶纤维是芳纶纤维是对苯二甲酰对苯二甲酰与与对苯二胺对苯二胺的聚合体，经溶解转为的聚合体，经溶解转为 液晶液晶纺丝而成。纺丝而成。 它的化学结构式如图：它的化学结构式如图： 分子链由苯环和酰胺基按一定规律排列而成，具有良好的规分子链由苯环和酰胺基按一定规律排列而成，具有良好的规 整性。致使芳纶纤维具有高度的整性。致使芳纶纤维具有高度的结晶性结晶性。 键合在芳香环上刚硬的直线状分子键在纤维轴向是高度定向键合在芳香环上刚硬的直线状分子键在纤维轴向是高度定向 的，各聚合物链是由氢键作横向连结。的，各聚合物链是由氢键作横向连结。 和和，造成芳纶纤维，造成芳纶

31、纤维 ，即纤维的，即纤维的，而，而。 57 芳环结构芳环结构具有具有，使，使聚合物链聚合物链呈呈状态而非状态而非 状态，形成状态，形成结构，因而纤维具有结构，因而纤维具有。 芳纶芳纶分子链分子链是是，能，能而具有而具有 ，单位体积内容纳更多聚合物，具有，单位体积内容纳更多聚合物，具有。 具有具有，具有，具有、 、等特点。等特点。 高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、低密度高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、低密度 高强高强 高模高模 耐高温耐高温 58 特点是特点是。单丝强度可达。单丝强度可达3773 MPa；254mm长的长的 纤维束的拉伸强度为纤维束的拉伸强度为2744 MPa，大约为铝的大约为铝

32、的5倍。倍。 ，为石墨纤维的，为石墨纤维的6倍，硼纤维的倍，硼纤维的3倍。倍。 ，达，达1.577 MPa，为为玻璃纤维玻璃纤维2倍，倍，碳纤维碳纤维0.8倍。倍。 在在3左右，接近玻璃纤维，高于其他纤维。左右，接近玻璃纤维，高于其他纤维。 与与混杂大大提高复合材料的混杂大大提高复合材料的。 的的1.44 。因此具有高。因此具有高与与。 59 有有，当温度达，当温度达 487 时尚时尚，但开始，但开始。 在高温作用下，不发生变形，直至分解。在高温作用下，不发生变形，直至分解。 在低温在低温(-60)不发生不发生亦不亦不。 芳纶纤维的芳纶纤维的具有具有的特点。的特点。 60 具有良好的具有良好的

33、性能，但易受各种性能，但易受各种， 尤其是尤其是； 芳纶的芳纶的也不好，因为在分子结构中存在也不好，因为在分子结构中存在 ； 对纤维的影响，类似于对纤维的影响，类似于尼龙或聚酯尼龙或聚酯。在。在(20 相对湿度相对湿度)下芳纶纤维的吸湿率为下芳纶纤维的吸湿率为1，但在，但在(85 相对湿度相对湿度)下，可达到下，可达到7。 61 SiC纤维是纤维是纤维，有良好的纤维，有良好的 、和和。 具有优良的具有优良的，在在1000以下以下，其力学，其力学 性能（性能（拉伸强度拉伸强度和和弹性模量弹性模量）基本上不变，可长期使用。）基本上不变，可长期使用。 相比于碳纤维和硼纤维，相比于碳纤维和硼纤维，具有

34、更好的具有更好的 ，是一种较好的耐高温材料，是一种较好的耐高温材料。 62 具有良好的具有良好的，在，在80下耐强酸下耐强酸 (HCl、H2SO4、HNO3)；用用30NaOH浸蚀浸蚀20小时后，纤维小时后，纤维 仅失重仅失重1以下，其力学性能仍不变。以下，其力学性能仍不变。 与金属在与金属在1000以下也不发生反应，而且以下也不发生反应，而且 有很好的浸润性，有益于金属的复合。有很好的浸润性，有益于金属的复合。 此外，此外，SiC纤维还具有纤维还具有，与，与好，好， 常用于金属基和陶瓷基复合材料。常用于金属基和陶瓷基复合材料。 63 应用：应用： 具有具有、的的三耐性能三耐性能， 是一种耐热

35、的理想材料。是一种耐热的理想材料。 用用编织成双向和三向编织成双向和三向，巳用于高，巳用于高 温的传送带、过滤材料，如汽车的废气过滤器等。温的传送带、过滤材料，如汽车的废气过滤器等。 已应用于已应用于喷气发动机涡轮叶片喷气发动机涡轮叶片、 飞机螺旋桨飞机螺旋桨等受力部件。等受力部件。 用于大口径军用步枪用于大口径军用步枪金属基复合枪筒金属基复合枪筒 套管套管，M-1作战坦克履带、火箭推进剂传送系统等。作战坦克履带、火箭推进剂传送系统等。 制备制备： 化学气相沉积法化学气相沉积法生产的碳化硅纤维是直径为生产的碳化硅纤维是直径为 95-140 um的单丝；的单丝； 烧结法烧结法生产的碳化硅纤维是直

36、径为生产的碳化硅纤维是直径为10 um的细纤的细纤 维，一般由维，一般由500根纤维组成的丝束为商品。根纤维组成的丝束为商品。 64 、 性能，是金属基最早采用的高性能纤维。性能，是金属基最早采用的高性能纤维。 用用制成的航天飞机制成的航天飞机主舱框架主舱框架、 ，代替，代替铝合金骨架铝合金骨架节省重量节省重量44； 在加热的钨丝表面通过在加热的钨丝表面通过硼层；硼层； 缺点：缺点： 工艺复杂工艺复杂，不易大量生产，其，不易大量生产，其价格昂贵价格昂贵。 由于钨丝的密度大，由于钨丝的密度大，硼纤维的密度硼纤维的密度也大。也大。 65 硼纤维的室温硼纤维的室温，但，但，不需处，不需处 理就能与树

37、脂复合，所得复合材料具有理就能与树脂复合，所得复合材料具有较高的层间剪切强度较高的层间剪切强度 目前已研究用目前已研究用代替代替，以降低成本和密度。，以降低成本和密度。 比比强度下降强度下降 5%，成本降低，成本降低 25%。 在常温在常温为为，但，但在高温下在高温下易与金属反应，易与金属反应， 因此，需在表面因此，需在表面。 硼纤维主要用于硼纤维主要用于和和。 66 以以为为主要纤维组分主要纤维组分的陶瓷纤维统称为氧化铝纤的陶瓷纤维统称为氧化铝纤 维维 (1) ，在空气中加热到，在空气中加热到1250 还保持室温强度还保持室温强度 的的90%，碳纤维碳纤维通常在通常在400 以上就氧化燃烧。

38、以上就氧化燃烧。 (2) ，可与金属很好地复合。，可与金属很好地复合。 (3)，不需表面处理即能与树脂和金属复合。，不需表面处理即能与树脂和金属复合。 (4)具有极佳的具有极佳的和和，尤其在高温下，尤其在高温下。 (5)用氧化铝增强的复合材料具有优良的用氧化铝增强的复合材料具有优良的，是，是 GFRP的三倍以上，耐疲劳强度高。的三倍以上，耐疲劳强度高。 (6)、。 67 （Whiskers）是在人工控制条件下，是在人工控制条件下，以单晶以单晶 形式形式生长成的一种纤维。生长成的一种纤维。 的直径一般为几微米，长几十微米，是一种的直径一般为几微米，长几十微米，是一种 无缺陷的理想完整晶体无缺陷的理想完整晶体。 68 69 由于晶须的由于晶须的，所以不适合容纳在大晶体中，所以不适合容纳在大晶体中 常出现的常出现的，因而，因而 近年来，晶须作为一种新型增强材料倍受青睐。近年来，晶须作为一种新型增强材料倍受青睐。 自自1948年美国年美国贝尔电话公司贝尔电话公司的科学家首次发现晶须以的科学家首次发现晶须以 来，材料学家们已研究开发出了来，材料学家们已研究开发出了上百种晶须上百种晶须，有，有、 、以及以及等多种晶须。等多种晶须。 但经得到实际应用并开始工业化