研究生课程材料加工学-高分子部分2

1、 增强材料：在复合材料中，能提高基体材料机械强度、增强材料：在复合材料中，能提高基体材料机械强度、弹性模量等力学性能的材料。弹性模量等力学性能的材料。 增强材料不仅能提高复合材料的强度和弹性模量，而且增强材料不仅能提高复合材料的强度和弹性模量，而且能降低收缩率，提高热变形温度，并在热、电、磁等方面赋能降低收缩率，提高热变形温度，并在热、电、磁等方面赋予复合材料新的性能予复合材料新的性能增强材料种类增强材料种类 物理形态：纤维状、片状、颗粒状增强材料等物理形态：纤维状、片状、颗粒状增强材料等玻璃纤维、碳纤维玻璃纤维、碳纤维与石墨纤维、硼纤与石墨纤维、硼纤维、芳纶纤维等维、芳纶纤维等 纤维状材料的

2、拉伸强度和拉伸模量比同一块状材料纤维状材料的拉伸强度和拉伸模量比同一块状材料大几个数量级大几个数量级3.1.1 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，一般可从玻璃纤维的分类方法很多，一般可从玻璃原料成分玻璃原料成分、单丝直径单丝直径、纤维外观纤维外观及及纤维特性纤维特性等方面进行分类。等方面进行分类。 (1) 以玻璃原料成分分类以玻璃原料成分分类 这种分类方法主要用于连续玻璃纤维的分类。这种分类方法主要用于连续玻璃纤维的分类。 一般以不同的含碱量来区分：一般以不同的含碱量来区分： 无碱玻璃纤维无碱玻璃纤维(通称通称E玻璃玻璃)： 国内目前规定碱金属氧化物含量不大于国内目前规定碱

3、金属氧化物含量不大于0.5，国外，国外一般为一般为1左右；左右； 中碱玻璃纤维：中碱玻璃纤维：碱金属氧化物含量为碱金属氧化物含量为11.512.5； 特种玻璃纤维：特种玻璃纤维：如由纯镁铝硅三元组成的高强玻璃纤维；如由纯镁铝硅三元组成的高强玻璃纤维；镁铝硅系高强、高弹玻璃纤维；硅铝钙镁系耐化学介质腐镁铝硅系高强、高弹玻璃纤维；硅铝钙镁系耐化学介质腐蚀玻璃纤维；含铅纤维；高硅氧纤维；石英纤维等。蚀玻璃纤维；含铅纤维；高硅氧纤维；石英纤维等。 (2) 以单丝直径分类以单丝直径分类 玻璃纤维单丝呈圆柱形，以其直径的不同可以分成几种：玻璃纤维单丝呈圆柱形，以其直径的不同可以分成几种： 粗纤维：粗纤维：

4、 30m；初级纤维：；初级纤维：20m中级纤维：中级纤维：10m20m；高级纤维：高级纤维：3m10m(亦称纺织纤维亦称纺织纤维)；超细纤维：单丝直径小于超细纤维：单丝直径小于4m。 单丝直径的不同，不仅纤维的性单丝直径的不同，不仅纤维的性能有差异，而且影响到纤维的生产工能有差异，而且影响到纤维的生产工艺、产量和成本。一般艺、产量和成本。一般5m10m纤纤维作为纺织制品用；维作为纺织制品用；10m14m的的纤维一般做无捻粗纱、无纺布、短切纤维一般做无捻粗纱、无纺布、短切纤维毡等较为适宜。纤维毡等较为适宜。(3) 以纤维外观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有连续纤维，其中

5、有无捻粗纱及有捻粗纱( (用于纺织用于纺织) )；短切纤维；空心玻璃纤维；玻璃粉及磨细纤维等。短切纤维；空心玻璃纤维；玻璃粉及磨细纤维等。(4) 以纤维特性分类以纤维特性分类 以纤维本身具有的性能可分为：高强玻璃纤维；高模以纤维本身具有的性能可分为：高强玻璃纤维；高模量玻璃纤维；耐高温玻璃纤维；耐碱玻璃纤维；耐酸玻璃量玻璃纤维；耐高温玻璃纤维；耐碱玻璃纤维；耐酸玻璃纤维；普通玻璃纤维纤维；普通玻璃纤维( (指无碱及中碱玻璃纤维指无碱及中碱玻璃纤维) )。 无捻粗纱无捻粗纱短切纤维短切纤维玻璃粉玻璃粉3.1.2 玻璃纤维的结构玻璃纤维的结构微晶结构假说微晶结构假说 玻璃是由硅酸块或二氧化硅的玻璃

6、是由硅酸块或二氧化硅的“微晶子微晶子”组成，在组成，在“微晶子微晶子”之间由硅酸块过冷之间由硅酸块过冷溶液所填充。溶液所填充。 网络结构假说网络结构假说 玻璃是由二氧化硅的四面体、铝氧三面体或玻璃是由二氧化硅的四面体、铝氧三面体或硼氧三面体相互连成不规则三维网络，网络硼氧三面体相互连成不规则三维网络，网络间的空隙由间的空隙由Na、K、Ca、Mg等阳离子所填等阳离子所填充。二氧化硅四面体的三维网状结构是决定充。二氧化硅四面体的三维网状结构是决定玻璃性能的基础，填充的玻璃性能的基础，填充的Na、Ca等阳离子称等阳离子称为网络改性物。为网络改性物。 玻璃纤维结构示意图玻璃纤维结构示意图 3.1.3

7、玻璃纤维的化学组成玻璃纤维的化学组成 玻璃纤维的化学组成主要是二氧化硅玻璃纤维的化学组成主要是二氧化硅(SiO2)、三氧化、三氧化二硼二硼(B2O3)、氧化钙、氧化钙(CaO)、三氧化二铝、三氧化二铝(Al2O3)等等 以二氧化硅为主的称为硅酸盐玻璃；以二氧化硅为主的称为硅酸盐玻璃；以三氧化二硼为主的称为硼酸盐玻璃。以三氧化二硼为主的称为硼酸盐玻璃。氧化钠、氧化钾等碱性氧化物为助熔氧化物，它可以降低氧化钠、氧化钾等碱性氧化物为助熔氧化物，它可以降低玻璃的熔化温度和粘度，使玻璃溶液中的气泡容易排除，它主玻璃的熔化温度和粘度，使玻璃溶液中的气泡容易排除，它主要通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，从而达到

8、助溶的目的。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、电绝缘性氧化钠和氧化钾的含量越高，玻璃纤维的强度、电绝缘性和化学稳定性会相应的降低和化学稳定性会相应的降低 加入氧化钙、三氧化二铝能在一定条件下构成玻璃网加入氧化钙、三氧化二铝能在一定条件下构成玻璃网络的一部分，改善玻璃的某些性质和工艺性。络的一部分，改善玻璃的某些性质和工艺性。 玻璃纤维化学成分的制定一方面要满足玻璃纤维物理玻璃纤维化学成分的制定一方面要满足玻璃纤维物理和化学性能的要求，具有良好的化学稳定性；另一方面要和化学性能的要求，具有良好的化学稳定性；另一方面要满足制造工艺的要求，

9、如合适的成型温度、硬化速度及粘满足制造工艺的要求，如合适的成型温度、硬化速度及粘度范围。度范围。 3.1.4 玻璃纤维的性能玻璃纤维的性能1. 力学性能力学性能(1) 拉伸强度拉伸强度玻璃纤维的拉伸强度比同成分的块状玻璃高几十倍玻璃纤维的拉伸强度比同成分的块状玻璃高几十倍例：块状有碱玻璃纤维的拉伸强度：例：块状有碱玻璃纤维的拉伸强度：40MPa100MPa 玻璃纤维强度：玻璃纤维强度：2000MPa几种纤维材料和金属材料的强度几种纤维材料和金属材料的强度羊毛羊毛亚麻亚麻棉花棉花生丝生丝尼龙尼龙高强合高强合金钢金钢铝合铝合金金玻璃玻璃玻璃玻璃纤维纤维纤维纤维直径直径(m)1516 5010 20

10、18块状块状块状块状块状块状块状块状58拉伸拉伸强度强度(MPa)100300350300700440300600160040 46020 12010003000微裂纹假说：微裂纹假说： (2)在玻璃纤维成型过程中，由于拉丝机的牵引作用，使在玻璃纤维成型过程中，由于拉丝机的牵引作用，使玻璃纤维分子产生定向排列，从而提高了玻璃纤维强度。玻璃纤维分子产生定向排列，从而提高了玻璃纤维强度。 (1) 在玻璃或玻璃纤维中存在着数量不等、尺寸不同的微在玻璃或玻璃纤维中存在着数量不等、尺寸不同的微裂纹，大大降低了强度。微裂纹分布在玻璃或玻璃纤维的整裂纹，大大降低了强度。微裂纹分布在玻璃或玻璃纤维的整个体积内

11、，但以表面的微裂纹危害最大。由于微裂纹的存在，个体积内，但以表面的微裂纹危害最大。由于微裂纹的存在，使玻璃在外力作用下受力不均，微裂纹处产生应力集中，从使玻璃在外力作用下受力不均，微裂纹处产生应力集中，从而使强度下降。而使强度下降。 玻璃纤维高温成型时减少了玻璃溶液的不均一性，使微玻璃纤维高温成型时减少了玻璃溶液的不均一性，使微裂纹产生的机会减少；玻璃纤维的断面较小，使微裂纹存在裂纹产生的机会减少；玻璃纤维的断面较小，使微裂纹存在的几率也减少，从而使玻璃纤维强度增高。的几率也减少，从而使玻璃纤维强度增高。影响玻璃纤维强度的因素：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纤维直径和

12、长度对拉伸强度的影响直径越细，拉伸强度越高直径越细，拉伸强度越高随着纤维长度的增加，拉伸强度显著下降随着纤维长度的增加，拉伸强度显著下降 直径直径(m)性能性能457911拉伸强度拉伸强度(MPa)3000 38002400 29001750 21501250170010501250玻璃纤维长度玻璃纤维长度(mm)纤维直径纤维直径(m) 平均拉伸强度平均拉伸强度(MPa)51315002012.512109012.7360156013720 可以用微裂纹理论解释以上现象。因为纤维越细，微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裂纹越少；纤维越长，产

13、生微裂纹的概率越大。 化学组成对拉伸强度的影响化学组成对拉伸强度的影响含碱量越高，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高无碱玻璃纤维比有碱玻璃纤维的拉伸强度高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 无碱玻璃纤维成型温度高、硬化速度快、结构键能大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。坏玻璃骨架，使结构疏松，从而达到助溶的目的。

14、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 存放时间对强度的影响存放时间对强度的影响玻璃纤维存放一段时间后其强度会降低玻璃纤维存放一段时间后其强度会降低纤维的老化。纤维的老化。原因：空气中的水分和氧气对纤维侵蚀原因：空气中的水分和氧气对纤维侵蚀 施加负荷时间对强度的影响施加负荷时间对强度的影响玻璃纤维强度随着施加负荷时间的增长而降低玻璃纤维强度随着施加负荷时间的增长而降低环境湿度较高时，尤其明显环境湿度较高时，尤其明显原因：吸附在微裂纹中的水分，在外力作用下，使微裂纹扩原因：吸附在微裂纹中的水分，在外力作用下，使微裂纹扩展速度加速。

15、展速度加速。2. 玻璃纤维的化学性能玻璃纤维的化学性能(1) 化学成分对玻璃纤维化学稳定性的影响：化学成分对玻璃纤维化学稳定性的影响： 玻璃纤维除氢氟酸玻璃纤维除氢氟酸(HF)、浓碱、浓碱(NaOH)、浓磷酸外，对、浓磷酸外，对所有化学药品和有机溶剂有很好的化学稳定性。所有化学药品和有机溶剂有很好的化学稳定性。无碱与中碱玻璃纤维性能对比无碱与中碱玻璃纤维性能对比种类种类耐酸耐酸性性耐水耐水性性机械机械强度强度防老防老化性化性电绝电绝缘性缘性成本成本浸润剂浸润剂 适用条适用条件件无碱无碱一般一般好好高高较好较好好好较高较高树脂易树脂易渗透渗透强度高强度高的场合的场合中碱中碱好好差差较低较低较差较

16、差低低低低树脂渗树脂渗透性差透性差强度低强度低的场合的场合 酸与玻璃纤维表面的金属氧化物作用，酸与玻璃纤维表面的金属氧化物作用，金属氧化物金属氧化物(Na2O、K2O)离析、溶解；酸与离析、溶解；酸与玻璃纤维中硅酸盐作用生成硅酸，硅酸迅玻璃纤维中硅酸盐作用生成硅酸，硅酸迅速聚合并凝成胶体，在玻璃表面形成一层速聚合并凝成胶体，在玻璃表面形成一层极薄的氧化硅保护膜，实践证明极薄的氧化硅保护膜，实践证明Na2O、K2O有利于这层保护膜的形成。有利于这层保护膜的形成。 玻璃纤维的化学稳定性主要取决于其成分中的二氧化硅玻璃纤维的化学稳定性主要取决于其成分中的二氧化硅及碱金属氧化物的含量。二氧化硅含量多能

17、提高玻璃纤维的及碱金属氧化物的含量。二氧化硅含量多能提高玻璃纤维的化学稳定性；碱金属氧化物会使化学稳定性降低。化学稳定性；碱金属氧化物会使化学稳定性降低。 水与玻璃纤维作用，首先是侵水与玻璃纤维作用，首先是侵蚀玻璃纤维表面的碱金属氧化物，蚀玻璃纤维表面的碱金属氧化物，水呈现碱性，随着时间增加，玻璃水呈现碱性，随着时间增加，玻璃纤维与碱液继续作用，直至使二氧纤维与碱液继续作用，直至使二氧化硅骨架破坏。化硅骨架破坏。 (2) 纤维表面状况对化学稳定性的影响纤维表面状况对化学稳定性的影响 玻璃是很好的耐腐蚀材料，但制成玻纤后其表面玻璃是很好的耐腐蚀材料，但制成玻纤后其表面积大大增加，一般增加积大大增

18、加，一般增加5001000倍，因此被侵蚀介质倍，因此被侵蚀介质作用的面积增加了作用的面积增加了500 1000倍，因此玻纤的耐腐蚀倍，因此玻纤的耐腐蚀性不算太好。而且纤维越细，比表面积越大，耐腐蚀性不算太好。而且纤维越细，比表面积越大，耐腐蚀性越差。性越差。(3) 温度对化学稳定性的影响温度对化学稳定性的影响实验表明：温度愈高，介质对玻纤破坏的速度愈快。实验表明：温度愈高，介质对玻纤破坏的速度愈快。 在在10100之间，每提高之间，每提高10，腐蚀性提高，腐蚀性提高50%； 在在100以上时，随温度提高，腐蚀速度更快。以上时，随温度提高，腐蚀速度更快。单丝处理单丝处理(浸润剂浸润剂)及纤维织物

19、的表面处理及纤维织物的表面处理(中间粘合剂中间粘合剂)。一、浸润剂一、浸润剂 在拉丝工艺中，当玻璃液从漏板拉出单丝以后，要经过在拉丝工艺中，当玻璃液从漏板拉出单丝以后，要经过浸润槽把浸润剂涂敷在玻璃纤维表面上。浸润槽把浸润剂涂敷在玻璃纤维表面上。1. 浸润剂的作用浸润剂的作用较脆而且不耐磨，纤维之间的摩擦系数大。在拉丝和纺较脆而且不耐磨，纤维之间的摩擦系数大。在拉丝和纺织过程中，纤维就难免出现断裂现象，而且刚拉出的纤织过程中，纤维就难免出现断裂现象，而且刚拉出的纤维容易受到空气中水蒸汽的侵蚀，使其强度下降。维容易受到空气中水蒸汽的侵蚀，使其强度下降。浸润剂的作用浸润剂的作用 使多根单丝集中成股

20、，使多根单丝集中成股，增加原纱的耐磨性和提高拉增加原纱的耐磨性和提高拉伸强度；保护纤维免受大气伸强度；保护纤维免受大气和水分的侵蚀作用。和水分的侵蚀作用。 (1) 纺织型浸润剂纺织型浸润剂 主要是满足纺织工序的要求。主要是满足纺织工序的要求。 使用该类浸润剂的玻璃纤维和织物作为玻璃钢的增强材科使用该类浸润剂的玻璃纤维和织物作为玻璃钢的增强材科时，事先必须对纤维和织物进行表面处理。因为浸润剂中含石时，事先必须对纤维和织物进行表面处理。因为浸润剂中含石蜡和油剂，影响与树脂的粘结。蜡和油剂，影响与树脂的粘结。纺织型浸润剂纺织型浸润剂淀粉浸润剂淀粉浸润剂石蜡乳剂石蜡乳剂淀粉为主要的成膜剂淀粉为主要的成

21、膜剂优点：费用低、成膜优点：费用低、成膜好、易除掉好、易除掉主要成分：石蜡、凡主要成分：石蜡、凡士林、硬脂酸、变压士林、硬脂酸、变压器油等器油等优点：润滑性、集束优点：润滑性、集束 性好性好(2) 增强型浸润剂增强型浸润剂 由中间粘合剂、润滑剂、乳化剂由中间粘合剂、润滑剂、乳化剂等组分，配成拉丝用的浸润剂，在拉等组分，配成拉丝用的浸润剂，在拉丝过程中直接被覆于玻璃纤维表面。丝过程中直接被覆于玻璃纤维表面。 增强型浸润剂在一定程度上能满足拉丝工艺增强型浸润剂在一定程度上能满足拉丝工艺要求，而且对纤维与树脂粘结影响不大。因此，要求，而且对纤维与树脂粘结影响不大。因此，在玻璃钢成型时不必除去，可直接

22、使用。在玻璃钢成型时不必除去，可直接使用。二、玻璃纤维表面处理剂二、玻璃纤维表面处理剂 事实证明，玻璃纤维及织物经过适当的表面处理后，不事实证明，玻璃纤维及织物经过适当的表面处理后，不仅改进了玻璃纤维的耐磨、防水、电磁绝缘等性能，且对玻仅改进了玻璃纤维的耐磨、防水、电磁绝缘等性能，且对玻璃钢的强度，特别是湿态下的强度提高有显著的效果。璃钢的强度，特别是湿态下的强度提高有显著的效果。表面处理：表面处理：在玻璃纤维表面被覆一种叫做表面处在玻璃纤维表面被覆一种叫做表面处理剂的特殊物质，使玻璃纤维与合成树脂牢固地理剂的特殊物质，使玻璃纤维与合成树脂牢固地粘结在一起，以达到提高玻璃钢性能的目的。表粘结在

23、一起，以达到提高玻璃钢性能的目的。表面处理剂处于玻璃纤维与合成树脂之间而使这两面处理剂处于玻璃纤维与合成树脂之间而使这两种性质不同的材料牢固地连接在一起。种性质不同的材料牢固地连接在一起。处理剂对聚酯玻璃钢人工气候处理剂对聚酯玻璃钢人工气候老化强度的影响老化强度的影响1沃兰处理；沃兰处理；2A-151处理；处理；3A-172处理；处理；4未处理未处理处理剂对聚酯玻璃钢自然曝晒处理剂对聚酯玻璃钢自然曝晒后强度的影响后强度的影响1沃兰处理；沃兰处理；2-A-151处理；处理；3A-172处理；处理；4未处理未处理无论是自然老化还是人工加速老化试验，玻璃纤维未无论是自然老化还是人工加速老化试验，玻璃

24、纤维未经处理剂处理而制作的玻璃钢，因老化强度下降严重；经经处理剂处理而制作的玻璃钢，因老化强度下降严重；经处理的强度下降缓慢，且有更高的强度保留值。处理的强度下降缓慢，且有更高的强度保留值。处理剂对聚酯玻璃钢海水浸泡处理剂对聚酯玻璃钢海水浸泡后强度的影响后强度的影响1沃兰处理；沃兰处理；2-A-151处理；处理；3A-172处理；处理；4未处理未处理 有机铬、有机硅和钛酸酯有机铬、有机硅和钛酸酯 有机铬处理剂中最有名的属有机铬处理剂中最有名的属“沃兰沃兰(Vo1an)”，它的化学名，它的化学名称叫做甲基丙烯酸氯化铬络合物。称叫做甲基丙烯酸氯化铬络合物。 有机硅处理剂：结构通式为有机硅处理剂：结

25、构通式为RnSiX4-n。 R是有机基团，含有能与合成树脂作用形成化学键的活性是有机基团，含有能与合成树脂作用形成化学键的活性基团。如：不饱和双键基团。如：不饱和双键 、环氧基团、氨基、环氧基团、氨基-NH2、巯基、巯基-SH等。等。X是易于水解的基团，水解后能与玻璃作用。是易于水解的基团，水解后能与玻璃作用。n 为为1、2或或3，绝大多数为，绝大多数为1CHCH2CHCH2OCHCOOCrCl2OHCrCl2CH3CH3A151、A172CH2CHSi(OC2H5)3乙烯基三乙氧基硅烷乙烯基三乙氧基硅烷CH2CHSi(OC2H4OCH3)3乙烯基三乙烯基三(-甲氧乙氧基甲氧乙氧基)硅烷硅烷

26、表面处理剂的分子中一般都含有两种性质不同的表面处理剂的分子中一般都含有两种性质不同的基团。一部分基团基团。一部分基团(如硅烷基如硅烷基)能与无机物能与无机物(比如玻璃，比如玻璃，金属金属)表面上的表面上的MOH起化学反应形成化学键；另一起化学反应形成化学键；另一部分基团部分基团(如乙烯基如乙烯基)能与树脂起反应形成化学键。使能与树脂起反应形成化学键。使无机物和树脂这两类性质差别很大的材料以化学键的无机物和树脂这两类性质差别很大的材料以化学键的形式形式“偶联偶联”在一起，形成了一个牢固的整体。在一起，形成了一个牢固的整体。CH2CHSi(OC2H5)33. 表面处理剂的作用机理表面处理剂的作用机

27、理注：上式左侧是乙烯基硅烷偶联剂水解形成的乙烯基注：上式左侧是乙烯基硅烷偶联剂水解形成的乙烯基硅醇；红线为玻璃表面。硅醇；红线为玻璃表面。SiSiCH=CHOHSiOHOOSiOHSiOHCH2=CHHOSiOHOSiSiOOOCH=CHSiOOSiOCH=CH后处理法、前处理法和迁移法。后处理法、前处理法和迁移法。(1) 后处理法后处理法 凡是使用纺织型浸润剂，制得的玻璃纤维及织物，在用凡是使用纺织型浸润剂，制得的玻璃纤维及织物，在用于制作玻璃钢之前原则上都采用此法进行表面处理。于制作玻璃钢之前原则上都采用此法进行表面处理。 分两步进行：首先除去玻璃纤维表面的纺织型浸润剂，分两步进行：首先除

28、去玻璃纤维表面的纺织型浸润剂，然后经处理剂溶液浸渍、水洗、烘干等工艺，使玻璃纤维表然后经处理剂溶液浸渍、水洗、烘干等工艺，使玻璃纤维表面被覆上一层处理剂。面被覆上一层处理剂。 特点：处理的各道工序都需要专门的设备，初投资较大，特点：处理的各道工序都需要专门的设备，初投资较大，玻璃纤维强度损失大但处理效果好，比较稳定是目前国玻璃纤维强度损失大但处理效果好，比较稳定是目前国内外最常使用的处理方法。内外最常使用的处理方法。(2) 前处理法前处理法 适当改变浸润剂的配方，使之既能满足拉丝、退并、适当改变浸润剂的配方，使之既能满足拉丝、退并、纺织各道工序的要求，又不妨碍树脂对玻璃纤维的浸润和纺织各道工序

29、的要求，又不妨碍树脂对玻璃纤维的浸润和粘结。将化学处理剂加入到浸润剂中。粘结。将化学处理剂加入到浸润剂中。 与后处理法比较优点：省去了复杂的处理工艺及设备，与后处理法比较优点：省去了复杂的处理工艺及设备，使用简便；避免了因热处理造成的玻璃纤维强度损失。使用简便；避免了因热处理造成的玻璃纤维强度损失。 缺点：这种浸润剂一方面要满足拉丝、纺织工序的要缺点：这种浸润剂一方面要满足拉丝、纺织工序的要求，同时又要满足与树脂浸渍、粘结等要求，是一个比较求，同时又要满足与树脂浸渍、粘结等要求，是一个比较复杂的技术问题，目前尚需进一步研究。复杂的技术问题，目前尚需进一步研究。 (3) 迁移法：迁移法：迁移法是

30、将化学处理剂直接加入到树脂胶迁移法是将化学处理剂直接加入到树脂胶液中进行整体渗合，在浸胶的同时将处理剂施于玻璃液中进行整体渗合，在浸胶的同时将处理剂施于玻璃纤维上，借处理剂从树脂胶液至纤维表面的纤维上，借处理剂从树脂胶液至纤维表面的“迁移迁移”作用而与纤维表面发生作用，从而在树脂固化过程中作用而与纤维表面发生作用，从而在树脂固化过程中产生偶联作用。产生偶联作用。 迁移法需要热处理后使用。迁移法需要热处理后使用。碳纤维碳纤维有机纤维在惰性气氛中经高温碳化而成的纤维状有机纤维在惰性气氛中经高温碳化而成的纤维状碳化合物。具有高的比强度和高模量，热膨胀系数小，尺寸碳化合物。具有高的比强度和高模量，热膨

31、胀系数小，尺寸稳定性好。被大量用作复合材料的增强材料。用碳纤维制成稳定性好。被大量用作复合材料的增强材料。用碳纤维制成的树脂基复合材料比模量比钢和铝合金高的树脂基复合材料比模量比钢和铝合金高5倍，比强度高倍，比强度高3倍倍以上，同时耐腐蚀、耐热冲击、耐烧蚀性能均优越，因而在以上，同时耐腐蚀、耐热冲击、耐烧蚀性能均优越，因而在航空和航天工业中得到应用并得到迅速发展。航空和航天工业中得到应用并得到迅速发展。1. 碳纤维的分类碳纤维的分类可根据原丝的类型、碳纤维的性能和用途进行分类可根据原丝的类型、碳纤维的性能和用途进行分类性能分类性能分类原丝类型原丝类型高性能碳纤维高性能碳纤维高强度（高强度（HS

32、）,超高强度（超高强度（VHS),高模量高模量(HM),中模量（中模量（MM)低性能碳纤维低性能碳纤维耐火纤维，碳质纤维，石墨纤维等耐火纤维，碳质纤维，石墨纤维等聚丙烯腈基碳纤维聚丙烯腈基碳纤维粘胶基碳纤维粘胶基碳纤维沥青基碳纤维沥青基碳纤维木质素纤维基碳纤维木质素纤维基碳纤维其它有机纤维类（各种天然纤维，其它有机纤维类（各种天然纤维，再生纤维缩合多环芳香族等）再生纤维缩合多环芳香族等）碳纤维功能碳纤维功能受力结构用碳纤维受力结构用碳纤维耐焰碳纤维耐焰碳纤维活性碳纤维（吸附活性）活性碳纤维（吸附活性）导电用碳纤维导电用碳纤维润滑用碳纤维润滑用碳纤维耐磨用碳纤维耐磨用碳纤维纤维外观纤维外观短纤维

33、：短切碳纤维和碳毡短纤维：短切碳纤维和碳毡长纤维长纤维二二(双双)向织物向织物布的叠层结构布的叠层结构扭绳或编织绳扭绳或编织绳三向织物和多向织物三向织物和多向织物碳纤维碳纤维：以碳为主要成分的纤维状材料。以碳为主要成分的纤维状材料。不同于有机纤维或无机纤维，不能用熔融法或溶液法直接不同于有机纤维或无机纤维，不能用熔融法或溶液法直接纺丝，只能以有机物为原料，采用间接方法来制造。纺丝，只能以有机物为原料，采用间接方法来制造。制造的方法制造的方法：气相法气相法：有机纤维碳化法有机纤维碳化法：2. 碳纤维的制造碳纤维的制造 在惰性气氛中将小分子有机物在惰性气氛中将小分子有机物(如烃或芳如烃或芳烃等烃等

34、)在高温下沉积成纤维。此法用于制造晶在高温下沉积成纤维。此法用于制造晶须或短纤维，不能用于制造长纤维。须或短纤维，不能用于制造长纤维。 将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤维，然后再在惰性气氛中于高温下进纤维，然后再在惰性气氛中于高温下进行焙烧碳化，使有机纤维失去部分碳和行焙烧碳化，使有机纤维失去部分碳和其他非碳原子，形成以碳为主要成分的其他非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维状物。此法用于制造连续长纤维。纤维状物。此法用于制造连续长纤维。1. 碳纤维的力学性能碳纤维的力学性能 研究表明，影响碳纤维弹性模量的直接因素是晶粒的取研究表明，影响碳纤维弹性模量的直接因素是

35、晶粒的取向度，而热处理条件的张力是影响这种取向的主要因素。向度，而热处理条件的张力是影响这种取向的主要因素。 碳纤维的强度碳纤维的强度()、弹性模量、弹性模量(E)与材料的固有弹性模量与材料的固有弹性模量(E0)、纤维的轴向取向度、纤维的轴向取向度()、结晶厚度、结晶厚度(d)、碳化处理的反应、碳化处理的反应速度常数速度常数(K)之间的关系：之间的关系：110)1()1 (dKEE 取向度越取向度越高，纤维的弹高，纤维的弹性模量越大性模量越大 反应速率常数反应速率常数主要取决于反应温主要取决于反应温度，提高温度可以度，提高温度可以提高反应速率。在提高反应速率。在提高温度的同时提提高温度的同时提

36、高牵伸率，则可提高牵伸率，则可提高纤维的强度。高纤维的强度。 碳纤维的应力应碳纤维的应力应变曲线是一条直线，纤变曲线是一条直线，纤维在断裂前是弹性体，维在断裂前是弹性体，断裂是瞬间开始和完成断裂是瞬间开始和完成的。的。 碳纤维的力学性能碳纤维的力学性能除取决于纤维的结构外，除取决于纤维的结构外，与纤维的直径等有关。与纤维的直径等有关。一般作为结构材料用的一般作为结构材料用的碳纤维直径为碳纤维直径为6m11 m。几种纤维的应力几种纤维的应力-应变曲线比较图应变曲线比较图 与碳相似，除能被强氧化与碳相似，除能被强氧化剂氧化外，对一般的酸碱是剂氧化外，对一般的酸碱是惰性的。空气中温度高于惰性的。空气

37、中温度高于400时，出现明显的氧化。时，出现明显的氧化。不接触空气或氧化气氛时，不接触空气或氧化气氛时，碳纤维具有突出的耐热性。碳纤维具有突出的耐热性。 碳纤维还有良好的耐低碳纤维还有良好的耐低温性能，如在亚氮温度下也温性能，如在亚氮温度下也不脆化。还有耐油、抗放射、不脆化。还有耐油、抗放射、抗辐射、吸收有毒气体和减抗辐射、吸收有毒气体和减速中子等特性。速中子等特性。一些纤维或晶须、合金的温度一些纤维或晶须、合金的温度与强度的关系与强度的关系碳纤维要在高于碳纤维要在高于1500强强度才开始下降，而其他材度才开始下降，而其他材料性能已大大下降。料性能已大大下降。碳纤维表面处理的目的：提高碳纤维增

38、强复合材料中碳纤维表面处理的目的：提高碳纤维增强复合材料中碳纤维与基体的结合强度。碳纤维与基体的结合强度。达到上述目的的途径：达到上述目的的途径：清除表面杂质；在纤维表面形成微孔或刻清除表面杂质；在纤维表面形成微孔或刻蚀沟槽，从类石墨层面改性成碳状结构以蚀沟槽，从类石墨层面改性成碳状结构以增加表面能；引进具有极性或反应性官能增加表面能；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。团；形成能与树脂起作用的中间层。1. 表面清洁法表面清洁法 将碳纤维在惰性气体保护下加热到一定的高温并保温将碳纤维在惰性气体保护下加热到一定的高温并保温一定时间，从而达到清除吸附水，净化其表面的目的。一一定时间，从而达到清除吸附水，净化其表面的目的。一般净化后，纤维与基体的