《复合材料制备技术》材料

1、第五章第五章 复合材料基体（复合材料基体（Matrix）材料材料 一、聚合物及其分类一、聚合物及其分类 聚合物包括：热固性聚合物和热塑性聚合物。 1、热固性聚合物: 通常为分子量较小的液态或固态预聚体，经加通常为分子量较小的液态或固态预聚体，经加热或加固化剂发生交联化学反应并经过凝胶化热或加固化剂发生交联化学反应并经过凝胶化和固化阶段后，形成不溶、不熔的三维网状高分子。 主要包括：环氧、酚醛、双马、聚酰亚胺树脂等。主要包括：环氧、酚醛、双马、聚酰亚胺树脂等。 各种热固性树脂的固化反应机理不同，根据使各种热固性树脂的固化反应机理不同，根据使 用要求的差异，采用的固化条件也有很大的差异。用要求的差

2、异，采用的固化条件也有很大的差异。 一般的固化条件有室温固化、中温固化（一般的固化条件有室温固化、中温固化（120120 C C左右）左右） 和高温固化（和高温固化（170170 C C以上）。这类高分子通常为无定以上）。这类高分子通常为无定 型结构。具有耐热性好、刚度大、电性能、加工性型结构。具有耐热性好、刚度大、电性能、加工性 能和尺寸稳定性好等优点。能和尺寸稳定性好等优点。 2 2、热塑性聚合物、热塑性聚合物: : 它们是一类线形或有支链的固态高分子它们是一类线形或有支链的固态高分子， 可溶可熔，可溶可熔，可反复加工而无化学变化。可反复加工而无化学变化。 包括各种通用塑料（聚丙烯、聚氯乙

3、烯等）包括各种通用塑料（聚丙烯、聚氯乙烯等） 、工程塑料（尼龙、聚碳酸酯等）和特种耐高温、工程塑料（尼龙、聚碳酸酯等）和特种耐高温 聚合物（聚酰胺、聚醚砜、聚醚醚酮等）。聚合物（聚酰胺、聚醚砜、聚醚醚酮等）。 这类高分子分非晶（或无定形）和结晶两类。这类高分子分非晶（或无定形）和结晶两类。 通常结晶度在通常结晶度在20-85% 20-85% 之间。具有质轻、比强度高、之间。具有质轻、比强度高、 电绝缘、化学稳定性、耐磨润滑性好，生产效率高电绝缘、化学稳定性、耐磨润滑性好，生产效率高 等优点。与热固性聚合物相比，具有明显的力学松等优点。与热固性聚合物相比，具有明显的力学松 弛现象；在外力作用下形

4、变大；具有相当大的断裂弛现象；在外力作用下形变大；具有相当大的断裂 延伸率；抗冲击性能较好。延伸率；抗冲击性能较好。 热塑性聚合物状态与温度的关系热塑性聚合物状态与温度的关系 1 1 非晶态聚合物的温度非晶态聚合物的温度- - 形变曲线形变曲线 2 2 结晶态聚合物的温度结晶态聚合物的温度- - 形变曲线形变曲线3、常用、常用热固性树脂：热固性树脂： （1)1)环氧树脂环氧树脂 ( (EP):EP): 一种分子中含有两个或两个以上活性环氧一种分子中含有两个或两个以上活性环氧基团基团 ( (C CC C) ) 的低聚物的低聚物 。 O O 按化学结构分类如下：按化学结构分类如下： 缩水甘油醚缩水

5、甘油醚 EPEP 缩水甘油类缩水甘油类 缩水甘油胺缩水甘油胺 EPEP 缩水甘油酯缩水甘油酯 EPEP 脂环族脂环族EP EP 脂肪族脂肪族EPEP 环氧树脂是线型结构，必须加入固化剂使它变为环氧树脂是线型结构，必须加入固化剂使它变为不溶不熔的网状结构才有用途。不溶不熔的网状结构才有用途。常用的固化剂包括脂常用的固化剂包括脂肪族或芳香族胺类，有机多元酸或酸酐等。肪族或芳香族胺类，有机多元酸或酸酐等。 按固化工艺可分为三大类：按固化工艺可分为三大类： 1 1）含有活泼氢的化合物，它仍在固化时发生加成）含有活泼氢的化合物，它仍在固化时发生加成聚合反应；聚合反应； 2 2）离子型引发剂，它可分阴离子

6、和阳离子；）离子型引发剂，它可分阴离子和阳离子； 3 3）交联剂，它能与双酚）交联剂，它能与双酚A A型环氧树脂的氢氧基进行型环氧树脂的氢氧基进行交联。交联。 （2) 2) 双马来酰亚胺树脂（双马来酰亚胺树脂（BMIBMI） 双马树脂是马来酸酐与芬香族二胺反应生成双马树脂是马来酸酐与芬香族二胺反应生成 预聚体，再高温交联而成的一类热固性树脂。预聚体，再高温交联而成的一类热固性树脂。 交联后的双马树脂具有不熔、不溶的特点，交联后的双马树脂具有不熔、不溶的特点， 有高的交联度，固化后的密度在有高的交联度，固化后的密度在1.351.35 1.4 1.4 g/cmg/cm3 3 之间，玻璃化温度（之间

7、，玻璃化温度（TgTg）在在 250 250 300 300 C C 之之 间，使用温度为间，使用温度为150 150 200 200 C C。 热固性树脂的力学性能表热固性树脂的力学性能表 2 2、 热塑性树脂：热塑性树脂： 1 1）聚醚醚酮（）聚醚醚酮（PEEKPEEK） PEEK PEEK是一种半结晶型热塑性树脂，其玻璃化转变是一种半结晶型热塑性树脂，其玻璃化转变 温度为温度为143143 C C ，熔点为熔点为334334 C C，结晶度一般在结晶度一般在20-40%20-40%， 最大结晶度为最大结晶度为48 % 48 % 。 PEEKPEEK在空气中的热分解温度为在空气中的热分解温

8、度为650650 C C，加工温度在加工温度在 370 370 420420 C C，室温弹性模量与环氧树脂相当，强度优于室温弹性模量与环氧树脂相当，强度优于 环氧，断裂韧性极高，具有优秀的阻燃性。环氧，断裂韧性极高，具有优秀的阻燃性。 PEEKPEEK基复合材料可在基复合材料可在250 250 C C的温度下长期使用。的温度下长期使用。 2 2）聚苯硫醚（）聚苯硫醚（PPSPPS） 结晶型聚合物，耐化学腐蚀性极好，在室温不溶结晶型聚合物，耐化学腐蚀性极好，在室温不溶 任何溶剂，可长期耐热至任何溶剂，可长期耐热至 240 240 C C。 3 3）聚醚砜（聚醚砜（PESPES） 非晶聚合物，玻

9、璃化转变温度为非晶聚合物，玻璃化转变温度为225225 C C，可在可在180180 C C 下长期使用；有突出的耐蠕变性、尺寸稳定性；热膨胀下长期使用；有突出的耐蠕变性、尺寸稳定性；热膨胀 系数与温度无关，无毒，不燃。系数与温度无关，无毒，不燃。 4 4）热塑性聚酰亚胺）热塑性聚酰亚胺 聚醚酰胺（聚醚酰胺（PEIPEI）：）：长期使用温度为长期使用温度为 180 180 C C 。 聚酰胺酰亚胺（聚酰胺酰亚胺（PAIPAI）：）：TgTg 达达280 280 C C，长期使用长期使用 温度为温度为 240 240 C C 。 高聚物特征温度：玻璃化转变温度高聚物特征温度：玻璃化转变温度 Tg

10、Tg， 熔点熔点TmTm和粘流温度和粘流温度T Tf f 在在TgTg以下：为硬而脆或硬而韧的固体（玻璃态）；以下：为硬而脆或硬而韧的固体（玻璃态）； 在在TgTg附近：非晶高聚物转变成软而有弹性的橡胶态；附近：非晶高聚物转变成软而有弹性的橡胶态； 半晶高聚物转变成软而韧的皮革态；半晶高聚物转变成软而韧的皮革态； 热塑高聚物热塑高聚物TgTg 基本固定；热固高聚物基本固定；热固高聚物TgTg 随其随其 交联度的增加而增加交联度的增加而增加, , 当交联度很高时，达到当交联度很高时，达到TgTg后后 无明显的软化现象。无明显的软化现象。 TmTm（结晶）、结晶）、T Tf f（非晶）：成为高粘度

11、的流体。非晶）：成为高粘度的流体。温度及加载速度对高聚物力学性能的影响温度及加载速度对高聚物力学性能的影响 二、金属二、金属 1 1、用于、用于450 450 C C以下的轻金属基体（铝、镁及其合金）以下的轻金属基体（铝、镁及其合金） 1-1 铝及其合金铝及其合金: : 面心立方结构，无同素异构转变。熔点为面心立方结构，无同素异构转变。熔点为660660 C C， 密度密度2.2.7 7g/cmg/cm3 3。塑性优异，导热、导电性能好；化学塑性优异，导热、导电性能好；化学 活性高，强度不高。铝合金中常用的合金元素有铜、活性高，强度不高。铝合金中常用的合金元素有铜、 镁、锌、锰和硅等。镁、锌、

12、锰和硅等。 可分变形铝合金和铸造铝合金可分变形铝合金和铸造铝合金 (Z L)。变形铝合金可分为变形铝合金可分为: 防锈铝防锈铝(LF)、硬铝（硬铝（LY） 、超硬铝超硬铝(LC)、锻铝（锻铝（LD）。）。 固溶处理：是指通过加热使合金中第二相完全固溶处理：是指通过加热使合金中第二相完全 溶入溶入 相中，并通过扩散均匀化，以相中，并通过扩散均匀化，以 固溶强化方式强化合金。固溶强化方式强化合金。 淬火：是指固溶处理后用水或其它介质将合金淬火：是指固溶处理后用水或其它介质将合金 急冷至室温，获得最大饱和度的均匀固急冷至室温，获得最大饱和度的均匀固 溶体。溶体。 时效处理：指通过过饱和度固溶体的分解

13、时效处理：指通过过饱和度固溶体的分解,析出析出 介稳定的第二相介稳定的第二相(过渡过渡 相相) )并弥散分并弥散分 布。通过时效铝合金的强度和硬度布。通过时效铝合金的强度和硬度 明显提高。明显提高。铝合金的相图铝合金的相图 1-2 1-2 镁及其合金镁及其合金: : 镁具有密排六方结构，密度为镁具有密排六方结构，密度为 1. 74 1. 74g / cmg / cm3 3。 镁的强度和模量都很低，但比强度、比模量较高。镁的强度和模量都很低，但比强度、比模量较高。 其室温和低温塑性较低，但高温塑性好，可进其室温和低温塑性较低，但高温塑性好，可进行各行各 种形式的热变形加工。种形式的热变形加工。

14、镁的合金化也是利用固溶强化和时效强化来提镁的合金化也是利用固溶强化和时效强化来提 高合金的常温和高温性能。其合金化元素有铝、锌高合金的常温和高温性能。其合金化元素有铝、锌 、锆、锰和稀土等。镁合金主要有、锆、锰和稀土等。镁合金主要有Mg-AL-ZnMg-AL-Zn系和系和 Mg-Zn-Mg-Zn-ZrZr系，分变形镁合金和铸造镁合金。系，分变形镁合金和铸造镁合金。 镁镁- -铝合金相图铝合金相图 镁镁- -锌合金相图锌合金相图 2 2、用于、用于450450 700 700 C C复合材料的金属基体复合材料的金属基体 （钛及其合金）（钛及其合金） 钛的密度为钛的密度为4.514.51g/cmg

15、/cm3 3 ，熔点熔点16781678 C C，热膨胀热膨胀 系数系数7.357.35 1010-6-6/ /K K，导电和导热性差，耐腐蚀性良导电和导热性差，耐腐蚀性良 好。好。 钛有两种同素异构结构。钛有两种同素异构结构。882.5882.5 C C 以下为密以下为密 排六方结构（排六方结构（ - -TiTi）；）；882.5 882.5 C C 以上至熔点为体以上至熔点为体 心立方结构（心立方结构（ - -TiTi）。）。钛合金复合材料中常用钛及钛合金成分及性能钛合金复合材料中常用钛及钛合金成分及性能 3 3、用于、用于1000 1000 C C高温复合材料的金属基体高温复合材料的金属

16、基体3-1 3-1 高温合金高温合金 高温合金是铁基、镍基和钴基高温合金的总高温合金是铁基、镍基和钴基高温合金的总 称，在高温下具有很的持称，在高温下具有很的持久、蠕变和疲劳强度。久、蠕变和疲劳强度。 为了获得高强度与高蠕变抗力，合金元素必为了获得高强度与高蠕变抗力，合金元素必 须保证产须保证产生在高温下强而稳定的显微组织。生在高温下强而稳定的显微组织。 强化方式：强化方式：固溶强化、弥散强化和析出硬化。固溶强化、弥散强化和析出硬化。 例如：奥氏体基体和弥散分布于其中的强化相例如：奥氏体基体和弥散分布于其中的强化相 形成高温合金。形成高温合金。 其中：强化相可以是碳化物相、金属间化合物其中：强

17、化相可以是碳化物相、金属间化合物 相或稳定化合物质点。相或稳定化合物质点。 铁基高温合金：可做中温使用的另部件，铁基高温合金：可做中温使用的另部件， 如如700700 C C以下使用的发动机涡轮盘，作为以下使用的发动机涡轮盘，作为 高温板材的固溶强化型铁基高温合金的高温板材的固溶强化型铁基高温合金的 使用温度在使用温度在 900 900 C C 以下。以下。高温合金基体的力学性能高温合金基体的力学性能 镍基合金：用来制造使用温度更高的、受力镍基合金：用来制造使用温度更高的、受力 苛刻的热端部件，如涡轮叶片、导向叶片、苛刻的热端部件，如涡轮叶片、导向叶片、 燃烧室等。燃烧室等。 钴基高温合金广泛

18、用作导向叶片，具有良好的钴基高温合金广泛用作导向叶片，具有良好的 抗热腐蚀性和抗冷热疲劳性能。抗热腐蚀性和抗冷热疲劳性能。 3 - 2 金属间化合物金属间化合物 ( Intermetallic Compound ) 概念：金属与金属或金属与类金属之间形成的概念：金属与金属或金属与类金属之间形成的中间相化合物。中间相化合物。 决定金属间化合决定金属间化合物相结构的主要因素有电负性、物相结构的主要因素有电负性、 尺寸因素和电子浓度等。尺寸因素和电子浓度等。 金属间化合物可分结构金属间化合物和功能金金属间化合物可分结构金属间化合物和功能金 属间化合物两大类。属间化合物两大类。 常见常见 ABAB、A

19、 A2 2B B、A A3 3B B、A A5 5B B3 3、A A7 7B B6 6型等化合物；型等化合物； 根据组成元素，可分为铝化物、硅化物和铍化物。根据组成元素，可分为铝化物、硅化物和铍化物。 金属间化合物晶体结构虽然复杂，但从原子金属间化合物晶体结构虽然复杂，但从原子 结合上仍具有金属特性。然而其电子云分布并非结合上仍具有金属特性。然而其电子云分布并非 完全均匀，存在一定方向性，具有某种程度的共完全均匀，存在一定方向性，具有某种程度的共 价键特征，导致熔点升高及原子间键出现方向性价键特征，导致熔点升高及原子间键出现方向性 。金属间化合物往往具有一定的固溶度，偏离当。金属间化合物往往

20、具有一定的固溶度，偏离当 量量成分，有序度降低，缺陷增加。成分，有序度降低，缺陷增加。 例如：例如：Ti-AlTi-Al系金属间化合物具有低密度、系金属间化合物具有低密度、 高强度、高刚度、以及良好的高温、抗蠕变和高强度、高刚度、以及良好的高温、抗蠕变和 抗氧化性能。抗氧化性能。 Ti-Al Ti-Al系金属间化合物一般分系金属间化合物一般分 2 2- -TiTi3 3AlAl和和 - - TiAlTiAl两类。两类。 三、陶瓷三、陶瓷 陶瓷是金属与与非金属的固体化合物，陶瓷是金属与与非金属的固体化合物， 以离子键（如以离子键（如MgOMgO、AlAl2 2O O3 3）、）、共价键（金刚共价

21、键（金刚 石、石、SiSi3 3N N4 4、BNBN）以及离子键和共价键的混合以及离子键和共价键的混合 键结合在一起。键结合在一起。 陶瓷材料的显微结构通常由晶相、玻璃陶瓷材料的显微结构通常由晶相、玻璃 相和气相（孔）等不同的相组成。相和气相（孔）等不同的相组成。 优点：陶瓷材料具有熔点高、硬度大、化学稳定优点：陶瓷材料具有熔点高、硬度大、化学稳定 性好、耐高温、耐磨损、耐氧化和腐蚀、比重小性好、耐高温、耐磨损、耐氧化和腐蚀、比重小 强度和模量高等优点，可在各种苛刻的环境下工强度和模量高等优点，可在各种苛刻的环境下工 作；另一方面，陶瓷材料在磁、电、光、热等方作；另一方面，陶瓷材料在磁、电、

22、光、热等方 面的性能和用途具有多样性和可变性，是非常重面的性能和用途具有多样性和可变性，是非常重 要的功能材料。要的功能材料。 陶瓷材料的致命弱点：是脆性大、韧性差，常因陶瓷材料的致命弱点：是脆性大、韧性差，常因 存在裂纹、空隙、杂质等存在裂纹、空隙、杂质等缺陷而引起不可预测的缺陷而引起不可预测的 灾难性后果。灾难性后果。 陶瓷基复合材料是改变其脆性、提高韧陶瓷基复合材料是改变其脆性、提高韧 性的有效途径。用于复合材料陶瓷基体主要性的有效途径。用于复合材料陶瓷基体主要 有氧化物（有氧化物（AlAl2 2O O3 3等）、氮化物（等）、氮化物（SiSi3 3N N4 4等）和等）和 碳化物（碳化

23、物（SiCSiC等）。等）。 1、氧化物陶瓷氧化物陶瓷 氧化物陶瓷主要有氧化物陶瓷主要有AlAl2 2O O3 3、MgOMgO、SiOSiO2 2、ZrOZrO2 2和和 莫来石（莫来石（3 3AlAl2 2O O3 32SiO2SiO2 2）陶瓷等。陶瓷等。 其熔点在其熔点在17001700 C C以上，主要为单相多晶结构，以上，主要为单相多晶结构， 还可能有少量气相（气孔）。微晶氧化物的强度还可能有少量气相（气孔）。微晶氧化物的强度 较高；粗晶结构时，晶界残余应力较大，对强度较高；粗晶结构时，晶界残余应力较大，对强度 不利。氧化物陶瓷的强度随环境温度升高而降低。不利。氧化物陶瓷的强度随环

24、境温度升高而降低。 这类材料应避免在高应力和高温环境下使用。这这类材料应避免在高应力和高温环境下使用。这 是因为是因为AlAl2 2O O3 3和和ZrOZrO2 2的抗热震性差；的抗热震性差；SiOSiO2 2在高温下在高温下 容易发生蠕变和相变等。容易发生蠕变和相变等。 2、非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷 主要有氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。主要有氮化物、碳化物、硼化物和硅化物。特点：是耐火性和耐磨性好，硬度高，但脆特点：是耐火性和耐磨性好，硬度高，但脆 性也很强。碳化物、硼化物的抗热氧性也很强。碳化物、硼化物的抗热氧 化温度约化温度约900-1000 C，氮化物略低些氮化物略低些 ，硅化物的

25、表面能形成氧化硅膜，所，硅化物的表面能形成氧化硅膜，所 以抗热氧化温度可达以抗热氧化温度可达1300-1700 C。 氮化硅（氮化硅（SiSi3 3N N4 4）属六方晶系，有属六方晶系，有 、 两种两种 晶相。其强度和硬度高、抗热震和抗高温蠕变晶相。其强度和硬度高、抗热震和抗高温蠕变 性好、摩擦系数小，具有良好的耐（酸、碱和性好、摩擦系数小，具有良好的耐（酸、碱和 有色金属）腐蚀（侵蚀）性。抗氧化温度可达有色金属）腐蚀（侵蚀）性。抗氧化温度可达 1000 1000 C C，电绝缘性好。电绝缘性好。 - -SiCSiC属六方晶系，属六方晶系， - - SiCSiC属等轴晶系。属等轴晶系。 高温

26、强度高，具有很高的热传导能力以及较高温强度高，具有很高的热传导能力以及较 好的热稳定性、耐磨性、耐腐蚀性和抗蠕变性。好的热稳定性、耐磨性、耐腐蚀性和抗蠕变性。 氮化硼具有两种结构：氮化硼具有两种结构：A、类似石墨的六方结构，可作为高温自润滑材料类似石墨的六方结构，可作为高温自润滑材料 在高温（在高温（1360 C）和高压作用下可转变成立方和高压作用下可转变成立方 结构的结构的 -氮化硼。氮化硼。B、 -氮化硼立方结构，耐热温度高达氮化硼立方结构，耐热温度高达2000 C， 硬度极高，可作为金刚石的代用品。硬度极高，可作为金刚石的代用品。 4、 玻璃陶瓷（微晶玻璃）玻璃陶瓷（微晶玻璃） 许多无机

27、玻璃可通过适当的热处理使其由非许多无机玻璃可通过适当的热处理使其由非 晶态转变为晶态，这一过程称为反玻璃化。对于晶态转变为晶态，这一过程称为反玻璃化。对于 某些玻璃反玻璃化过程可以控制，最后能够形成某些玻璃反玻璃化过程可以控制，最后能够形成 无残余应力的微晶玻璃。这种材料成为玻璃陶瓷。无残余应力的微晶玻璃。这种材料成为玻璃陶瓷。 密度为密度为2.0-2.82.0-2.8g/cmg/cm3 3, , 弯曲强度为弯曲强度为70-35070-350MPaMPa, , 弹性模量为弹性模量为80-14080-140GPaGPa。 玻璃陶瓷具有热膨胀系数小，力学性能好玻璃陶瓷具有热膨胀系数小，力学性能好

28、和导热系数较大等特点。和导热系数较大等特点。 如：锂铝硅（如：锂铝硅（LiLi2 2O-AlO-Al2 20 03 3-SiO-SiO2 2，LASLAS）玻璃玻璃 陶瓷的热膨胀系数几乎为零，耐热好。陶瓷的热膨胀系数几乎为零，耐热好。 镁铝硅（镁铝硅（MgO-AlMgO-Al2 20 03 3-SiO-SiO2 2，MASMAS）玻璃陶瓷玻璃陶瓷 的硬度高，耐磨性好。的硬度高，耐磨性好。四、碳（石墨）四、碳（石墨） 熔点：熔点：35503550 C C（超过超过35003500 C C开始升华）；开始升华）； 沸点：沸点：42004200 C C。 同素异形体：金刚石、石墨、无定形碳。同素异形

29、体：金刚石、石墨、无定形碳。 比重：无定形碳为比重：无定形碳为 1.88 1.88、石墨为、石墨为2.25 2.25 、 金刚石为金刚石为3.513.51。 第六章第六章 复合材料增强剂复合材料增强剂 (Reinforcement) 纤维及其织物、晶须、颗粒纤维及其织物、晶须、颗粒 一、复合材料增强剂的特点（图一、复合材料增强剂的特点（图71） 1、具有很低的比重；、具有很低的比重； 2、组成这些化合物的元素都处、组成这些化合物的元素都处 在元素周期表中的第二、第三周期；在元素周期表中的第二、第三周期； 3、它们大多数都是以结合力很强的共价键结合；、它们大多数都是以结合力很强的共价键结合； 4

30、、具有很高的比强度、比刚度和高温稳定性。、具有很高的比强度、比刚度和高温稳定性。不同复合材料增强剂的强度和模量不同复合材料增强剂的强度和模量 二、纤维二、纤维 1 1、无机纤维、无机纤维 1-1 1-1、玻璃纤维（、玻璃纤维（Glass FiberGlass Fiber） 玻璃纤维是由各种金属氧化物的硅酸盐经玻璃纤维是由各种金属氧化物的硅酸盐经熔融后以快的速度抽丝而成。质地柔软，可纺熔融后以快的速度抽丝而成。质地柔软，可纺织成各种玻璃布、带等。伸长率和热膨胀系数织成各种玻璃布、带等。伸长率和热膨胀系数小，耐腐蚀，耐高温性能较好，价格便宜，品小，耐腐蚀，耐高温性能较好，价格便宜，品种多。缺点是不

31、耐磨、易折断，易受机械损伤。种多。缺点是不耐磨、易折断，易受机械损伤。性能性能 纤维类纤维类别别有有碱碱A化化学学C低低介电介电D无无碱碱E高高强度强度S粗粗纤维纤维R高高模量模量M拉伸强度，拉伸强度，GPaGPa3.13.13.13.12.52.53.3.4 44.584.584.44.43.53.5弹性模量，弹性模量，GPaGPa737374745555717185858686110110延伸率，延伸率，% %3.63.63.373.374.64.65.25.2密度，密度，g/cmg/cm3 32.42.46 62.42.46 62.142.142.2.5 52.52.52.552.552

32、.892.89 玻玻 璃璃 纤纤 维维 品品 种种 性性 能能 一一 览览 表表 1-21-2、碳纤维、碳纤维 碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳。含碳量纤维状聚合物碳。含碳量95%95%左右的称为碳纤维；左右的称为碳纤维；含碳量含碳量99%99%左右的称为石墨纤维。碳纤维比重小，左右的称为石墨纤维。碳纤维比重小，比强度、比模量大见下表，耐热性和耐腐蚀性比强度、比模量大见下表，耐热性和耐腐蚀性好，成本低，批生产量大，是一类极为重要的高好，成本低，批生产量大，是一类极为重要的高性能增强剂。性能增强剂。 制备碳纤维的主要原材料有人造丝（粘胶纤

33、维）制备碳纤维的主要原材料有人造丝（粘胶纤维） 聚丙烯腈（聚丙烯腈（PANPAN）纤维和沥青（纤维和沥青（Pitch）等。等。 经过分为五个阶段：经过分为五个阶段： 1 1）拉丝：湿法、干法或熔融纺丝法。）拉丝：湿法、干法或熔融纺丝法。 2 2）牵伸：通常在）牵伸：通常在100 100 300 300 C C范围内进行，范围内进行， 控制着最终纤维的模量。控制着最终纤维的模量。 3 3）稳定：在）稳定：在400400 C C加热氧化。显著地降低热加热氧化。显著地降低热 失重，保证高度石墨和取得更好的性能。失重，保证高度石墨和取得更好的性能。 4 4）碳化：在）碳化：在10001000 2000

34、 2000 C C 范围内进行。范围内进行。 5 5）石墨化：在）石墨化：在2000 2000 3000 3000 C C范围内进行。范围内进行。碳纤维制备工艺流程碳纤维制备工艺流程 PAN PAN基碳纤维制备工艺流程基碳纤维制备工艺流程：PANPAN原丝原丝空气中预氧化，空气中预氧化，施张力使纤维施张力使纤维伸长约伸长约10% 10% 。(200(200 300300 C)C) 11501150 惰气中碳化惰气中碳化1 1h h，施张力约施张力约0.50.5N/N/束。束。 碳纤维碳纤维( (低模高强低模高强) )21002100 C C石墨化惰气石墨化惰气中中1 1分钟，施张力约分钟，施张

35、力约1 1 2 2N/ N/ 束。束。 石墨纤维石墨纤维( (高模高强高模高强) ) 碳化过程：碳化过程： 有机化合物在惰性气氛中加热到有机化合物在惰性气氛中加热到1000- 1000- 15001500 C C时，非碳原子（氮、氢、氧等）将逐时，非碳原子（氮、氢、氧等）将逐步被驱除，碳含量逐步增加，固相间发生一步被驱除，碳含量逐步增加，固相间发生一系列脱氢、环化、交链和缩聚等化学反应，系列脱氢、环化、交链和缩聚等化学反应，此阶段称为脱碳过程，形成由小的乱层石墨此阶段称为脱碳过程，形成由小的乱层石墨晶体组成的碳纤维。晶体组成的碳纤维。 石墨化过程：石墨化过程： 当温度升到当温度升到2000 2

36、000 30003000 C C时，非碳时，非碳 原子进一步排除，反应形成的芳环平面原子进一步排除，反应形成的芳环平面 逐步增加，排列也较规则，取向度显著逐步增加，排列也较规则，取向度显著 提高，由二维乱层石墨结构向三维有序提高，由二维乱层石墨结构向三维有序 结构转化，此阶段称为石墨化过程。形结构转化，此阶段称为石墨化过程。形 成的石墨纤维弹性模量大大提高。成的石墨纤维弹性模量大大提高。碳纤维热处理温度与强度及弹性模量的关系碳纤维热处理温度与强度及弹性模量的关系不同品种碳纤维的力学性能不同品种碳纤维的力学性能 2 2、陶瓷纤维、陶瓷纤维 2-12-1、硼纤维（、硼纤维（Boron FiberB

37、oron Fiber） 制备工艺：化学气相沉积（制备工艺：化学气相沉积（CVDCVD）。）。 2BCl 2BCl 3 3 + 3H+ 3H 2 2 2B 2B + 6HCl + 6HCl 中心是碳纤维或钨纤维中心是碳纤维或钨纤维典型性能：典型性能： 直径：直径：100100 140140 m m；抗张强度：抗张强度：35003500MPaMPa 弹性模量：弹性模量：390390GPaGPa；密度：密度：2.682.68g/cmg/cm3 3 状态：连续单丝。状态：连续单丝。 硼纤维抗氧化和高温性能较差，在硼纤维抗氧化和高温性能较差，在400400 C C时可保时可保持室温强度的持室温强度的80

38、% 80% ；在高于；在高于500500 C C的氧化气氛中几分的氧化气氛中几分钟其强度就迅速下降；在钟其强度就迅速下降；在650650 C C时将失去所有的性能。时将失去所有的性能。同时其成本也较高，成本下降的潜力也不大。同时其成本也较高，成本下降的潜力也不大。 室温下硼纤维的化学稳定性好，但表面具有室温下硼纤维的化学稳定性好，但表面具有活性，不需要处理就可与树脂复合，其复合材料活性，不需要处理就可与树脂复合，其复合材料具有较高的层间剪切强度。对于含氮化合物亲和具有较高的层间剪切强度。对于含氮化合物亲和力大于含氧化合物。但在高温下易与大多数金属力大于含氧化合物。但在高温下易与大多数金属反应，

39、需要在纤维表面沉积保护涂层，如反应，需要在纤维表面沉积保护涂层，如SiCSiC和和B B4 4C C等。等。 硼纤维主要用于聚合物基和铝基复合材料。硼纤维主要用于聚合物基和铝基复合材料。2-22-2、氧化铝纤维、氧化铝纤维 ( (Alumina Fiber )Alumina Fiber ) 氧化铝纤维是多晶纤维，具有很好的机械性能以氧化铝纤维是多晶纤维，具有很好的机械性能以 及耐热性和抗氧化性。制备氧化铝纤维的方法较多，及耐热性和抗氧化性。制备氧化铝纤维的方法较多， 有有 - -、 - -、 - -AlAl2 2O O3 3 连续纤维和连续纤维和 - -AlAl2 2O O3 3 短纤维。短纤

40、维。 - -AlAl2 2O O3 3 与树脂及熔融金属的相容性好，与树脂及熔融金属的相容性好， 氧化铝纤氧化铝纤 维主要用于金属基复合材料。缺点是密度较大。维主要用于金属基复合材料。缺点是密度较大。纤纤 维维比比 重重(g/cm3)直直 径径( m)拉伸强度拉伸强度(MPa)拉伸模拉伸模量量(GPa)最高使用最高使用温度（温度（ C）熔熔 点点（ C）Tyco法法3. 99250240046020002040三三M法法2.511175015013002040ICI法法3.43100010016002040Du Pont法法3.920140030011002040住友化学法住友化学法3.292

41、60025013002040各各 种种 氧氧 化化 铝铝 纤纤 维维 的的 性性 能能2-32-3、碳化硅纤维、碳化硅纤维 碳化硅纤维具有很高的比强度、比刚度，耐腐碳化硅纤维具有很高的比强度、比刚度，耐腐 蚀、抗热震、热膨胀系数小、热传导系数大等优点蚀、抗热震、热膨胀系数小、热传导系数大等优点 同时还具有良好的抗氧化和高温性能，其室温性能同时还具有良好的抗氧化和高温性能，其室温性能 可保持到可保持到12001200 C C。其成本下降的潜力很大。适合于。其成本下降的潜力很大。适合于 制备树脂、金属及陶瓷基复合材料。制备树脂、金属及陶瓷基复合材料。 碳化硅纤维的制备方法有先驱体转化法和碳化硅纤维

42、的制备方法有先驱体转化法和 CVD CVD法两种。法两种。 1 1）先驱体转化法）先驱体转化法 1975 1975 年由日本矢岛教授首先研制成功。有年由日本矢岛教授首先研制成功。有 NicalonNicalon（尼卡隆）尼卡隆） 和和TyrannoTyranno（奇拉隆）两种商品。奇拉隆）两种商品。 纤维呈束状，每束纤维呈束状，每束500500根左右，每根纤维根左右，每根纤维1010 m m左右。左右。 聚碳硅烷聚碳硅烷纺丝纺丝聚碳硅烷纤维聚碳硅烷纤维N2下下高温处理高温处理NicalonNicalon（尼卡隆）尼卡隆） 2 2）CVDCVD法制备法制备SiCSiC纤维纤维 直径：直径：100

43、 100 140 140 m m；抗张强度：抗张强度：35003500MPaMPa 弹性模量：弹性模量：400400GPaGPa；密度：密度：3.03.0 3.43.4g/cmg/cm3 3 状态：连续单丝。状态：连续单丝。 制备方法：制备方法： 将基体丝连续通过玻璃管状反应器，并在加热将基体丝连续通过玻璃管状反应器，并在加热到到1200 1300 C的同时通入适量的氯硅烷与氢气的的同时通入适量的氯硅烷与氢气的混合反应气体反应气体在热丝上发生热解反应生成混合反应气体反应气体在热丝上发生热解反应生成SiC CH CH3 3 SiCl SiCl3 3 + H+ H2 2 SiCSiC + + HC

44、lHCl + + 并沉积在热丝上形成带有芯（丝）材的连续并沉积在热丝上形成带有芯（丝）材的连续SiC纤维纤维各种各种SiCSiC纤维的性能比较纤维的性能比较纤维纤维密度密度（g/cm3）弹性模量弹性模量（GPa）拉伸强度拉伸强度 （MPa）比模量比模量( GPa/g/cm3)比强度比强度（MPa/g/cm3）NicalonCVD-W芯芯CVD-C芯芯Tyranno晶须晶须2.602.603.43.02.43.225025040040028070025002500360036002400 2000096.296.2117.6133.3116.7218.8961.5961.51058.81200.

45、01000.06250.0三、晶须（三、晶须（WhiskerWhisker） 晶须是指具有一定长径比和截面积小于晶须是指具有一定长径比和截面积小于 52 52 1010-5-5cmcm2 2的单晶纤维材料。其直径为的单晶纤维材料。其直径为0.10.1 到几个微米到几个微米, , 长度为数十到数千微米。但长度为数十到数千微米。但 具有实用价值的晶须的直径约为具有实用价值的晶须的直径约为1-101-10微米微米, , 长径比在长径比在5 5100100之间。晶须是含缺陷很少之间。晶须是含缺陷很少 的单晶纤维，其拉伸强度接近其纯晶体的的单晶纤维，其拉伸强度接近其纯晶体的 理论强度。理论强度。ZnOZnO晶须微观形貌晶须微观形貌 SiCSiC晶须微观形貌晶须微观形貌 晶须