复合材料第三章复合材料的增强材料

1、第第3 3章章 复合材料的增强材料复合材料的增强材料 在复合材料中，凡是能提高基体力学性能提高基体力学性能的物质，称为增强材料。 纤维增强材料分为无机纤维增强材料无机纤维增强材料和有机纤维有机纤维增强材料增强材料两类。无机纤维增强材料包括：玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维和晶须等；有机纤维增强材料包括：芳纶纤维、尼龙纤维、聚烯烃纤维等。增强体纤维颗粒晶须玻璃纤维碳纤维碳化硅纤维氧化铝纤维芳纶纤维 3.1 玻璃纤维增强材料玻璃纤维增强材料 玻璃纤维是纤维增强复合材料中应用最广泛的增强体。玻璃纤维具有不燃烧、耐热、耐化学腐蚀、抗拉强度高、冲击韧性高、断裂延伸率小、绝缘性好、成本低等特点。 3.

2、1.1 玻璃纤维的分类玻璃纤维的分类 玻璃纤维的分类方法很多，可以根据其原料成分、单丝直径、纤维外观以及纤维特性等进行分类。 按原料：无碱玻璃纤维、有碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维等 按单丝直径：粗纤维(直径为30m)，初级纤维(直径为20m) 、中级纤维(直径为10-20m) 、高级纤维(直径为3-10m) 、超细纤维(直径小于4m) 。 按性能：高强度、高模量、耐高温、耐碱、耐酸 按外观：长纤维、短纤维、空心纤维、卷曲纤维 3.1.2 玻璃纤维的结构及化学组成玻璃纤维的结构及化学组成 (1)玻璃纤维的结构 (2)玻璃纤维的化学组成 3.1.3 玻璃纤维的物理性能和化学性能玻璃纤维的物理性能和化学

3、性能 玻璃纤维除了对氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对所有化学药品和有机溶剂都有良好的化学稳定性。玻璃纤维的化学稳定性主要取决于其中SiO2和碱金属氧化物的含量。在玻璃纤维中增加含量SiO2 、Al2O3 、TiO2 、ZrO2 ，可以提高其耐酸性，增加SiO2 、ZnO2 、ZrO2含量，可以提高其耐碱性。碱金属氧化物含量越高，化学稳定性越低。 3.1.4 玻璃纤维及其制品的制造工艺玻璃纤维及其制品的制造工艺 主要有两种：坩埚法和池窖拉丝法 (1) 坩埚法制造玻璃纤维的工艺图3.1 坩埚法拉制玻璃纤维的工艺简图1加球斗；2接液面控制仪；3测液孔；4加球管；5坩埚；6接电极变压器；7电极；8接漏板变压

4、器；9舟形漏板；10浸润剂管；11集束槽;12排线轮;13机头;14机体 3.1.5 玻璃纤维制品的性能与应用玻璃纤维制品的性能与应用 玻璃纤维纱一般分为加捻纱和无捻纱。 玻璃纤维由于直径、股数不同而有很多规格，国际上通常用tex来表示玻璃纤维的规格。1200tex就是指1000m长的原丝质量为1200g。 采用玻璃纤维作为增强体的不饱和聚酯、环氧树脂和酚醛树脂基复合材料成为玻璃纤维增强塑料，在我国被通称为玻璃钢玻璃钢。玻璃纤维产量的70%用来制造玻璃钢。 玻璃钢玻璃钢强度高，耐腐蚀性好，在建筑、船舶、石化等领域可代替钢材使用。 “玻璃钢玻璃钢”和“钢化玻璃钢化玻璃” 玻璃钢是用玻璃纤维作为增

5、强体的聚合物基复合聚合物基复合材料材料。 钢化玻璃是是表面经过预处理形成压应力的玻璃玻璃。其抗冲击性能和抗弯曲性能大大优于传统玻璃。 (1)玻璃纤维无捻粗纱 喷射成型用无捻粗纱 SMC用无捻粗纱 缠绕用无捻粗纱 织造用无捻粗纱 (2)无捻粗纱方格布 (3)玻璃纤维毡片 短切原丝毡 连续原丝毡 表面毡 针刺毡 (4)缝合毡 (5)加捻玻璃纤维布 平纹布 斜纹布 缎纹布 纱罗和席纹布 (6)玻璃带(条布为带) (7)单向织物(即无纬带) (8)三向织物 (9)组合增强材料 (10)特种玻璃纤维 1)高强度及高模量玻璃纤维 高强度玻璃纤维 高模量玻璃纤维 2)耐高温玻璃纤维 石英纤维 高硅氧玻璃纤维

6、 3)空心玻璃纤维 石英纤维，耐高温、膨胀系数小、绝缘。广泛应用于电机制造、光通信、火箭、原子反应堆。 3.2 碳纤维增强材料碳纤维增强材料 3.2.1 碳纤维的分类碳纤维的分类 (1)根据碳纤维的力学性能分类 高性能碳纤维 低性能碳纤维 (2)根据原丝类型分类 (3)根据碳纤维功能分类 3.2.2 碳纤维的制造碳纤维的制造 (1)气相法制备碳纤维 基板法 气相流动法 (2)有机纤维碳化法 以聚丙烯腈基碳纤维为例，说明有机碳纤维的制造方法，其工艺过程如下: 喷丝 预氧化处理 碳化处理 石墨化处理 3.2.3 碳纤维在工艺过程中的结构变化及对碳纤维在工艺过程中的结构变化及对 力学性能的影响力学性

7、能的影响 3.2.4 碳纤维的性能碳纤维的性能 3.2.5 碳纤维的应用碳纤维的应用 (1) 航空航天方面的应用 (2) 交通运输方面的应用 (3) 运动器材 (4) 其他方面 3.3 氧化铝系列纤维氧化铝系列纤维 氧化铝纤维是一种多晶陶瓷纤维，主要成分为Al2O3，含有少量的SiO2 、B2O3 、Zr2O3等组分。其具有绝缘、耐高温、抗氧化等性能。 氧化铝纤维典型的制备方法： (1) 熔融纺丝法 (2) 淤浆纺丝法 氧化铝纤维在增强金属和陶瓷领域又广阔的应用前景。目前氧化铝纤维增强金属基复合材料已较为成熟，用于制造飞机零部件、汽车零部件、电池、化学反应容器等。 3.4 碳化硅纤维碳化硅纤维

8、 SiC纤维是一种典型的陶瓷纤维，在形态上有连续纤维和晶须两种。 3.4.1 碳化硅连续纤维的制备方法碳化硅连续纤维的制备方法 (1) 化学气相沉积法碳化硅纤维 (2) 先驱体转化法碳化硅纤维 3.4.2 碳化硅纤维的性能碳化硅纤维的性能 拉伸强度大、模量大、耐热、抗氧化、耐腐蚀、与液态金属的浸润性好、耐辐照和吸波性好。 3.4.3 碳化硅纤维的应用碳化硅纤维的应用 SiC纤维主要用于制造耐高温的金属基或陶瓷基复合材料，已在航空航天和军工领域得到应用。 3.5 芳纶纤维芳纶纤维 芳香族聚酰胺树脂纺成的纤维 3.5.1 芳纶纤维的制备芳纶纤维的制备 3.5.2 芳纶纤维的结构芳纶纤维的结构 3.

9、5.3 芳纶纤维的性能芳纶纤维的性能 图3.2 PPTA的辐射状打褶结构 3.5.4 芳纶纤维的应用芳纶纤维的应用 (1)航空航天方面的应用 (2)船艇方面的应用 (3)汽车上的应用 (4)防弹制品的应用 (5)建筑材料方面的应用 (6)绳索 3.6 晶须晶须 晶须是指单晶结构单晶结构生长的直径小于3微米的短纤维。缺陷少，强度高。常见的晶须有铁晶须、铜晶须、镍晶须等，SiC晶须、Al2O3晶须等。 3.6.1 晶须的制备晶须的制备 (1)金属晶须的制备 通常采用的方法有两种：金属盐的氢还原法，多数金属晶须采用这种方法制备；金属蒸气和凝聚制备。 (2)陶瓷晶须的制备 制备陶瓷晶须的方法有多种，以下简要介绍几种： 1)碳化硅晶须的制备 2)硼酸铝晶须的制备 3)-Al2O3晶须的制备 SiC晶须 3.6.2 晶须的性能晶须的性能 突出的特点是高温性能和抗蠕变性能。 3.6.3 晶须的应用晶须的应用 晶须增强复合材料应用于航空航天、建筑、机械、汽车、生物医学等领域。直升机旋翼工业用切削刀具 3.7 颗粒增强材料颗粒增强材料 用于改善复合材料力学性