第3章复合材料的增强体

1、复合材料郭连贵郭连贵湖北工程学院化学与材料科学学院湖北工程学院化学与材料科学学院石墨烯石墨烯第第3章章 复合材料的增强体复合材料的增强体多壁碳纳米管多壁碳纳米管l 掌握增强体的概念及分类成掌握增强体的概念及分类成l 掌握几种无机非金属纤维的制备及其性能特点掌握几种无机非金属纤维的制备及其性能特点l 了解金属丝纤维、有机纤维的性能特点了解金属丝纤维、有机纤维的性能特点l 了解晶须及颗粒增强物的性能特点了解晶须及颗粒增强物的性能特点3.1 增强体的概念和分类增强体的概念和分类一、增强体的概念一、增强体的概念3.1 增强体的概念和分类增强体的概念和分类二、增强体的分类二、增强体的分类3.1 增强体的

2、概念和分类增强体的概念和分类二、增强体的分类二、增强体的分类 碳纤维是由碳元素组成的一种高性能增强纤维。最高强度可达碳纤维是由碳元素组成的一种高性能增强纤维。最高强度可达7000MPa，弹性模量可达，弹性模量可达900GPa，密度约为，密度约为1.82.1g/cm3，并具有低，并具有低热膨胀、高导热、耐磨、耐高温、耐腐蚀等性能。热膨胀、高导热、耐磨、耐高温、耐腐蚀等性能。碳纤维由高度取向的石墨片层组成，具有明显的各向异性，沿纤维轴向性能高，碳纤维由高度取向的石墨片层组成，具有明显的各向异性，沿纤维轴向性能高，沿横向性能差。沿横向性能差。3.2 无机非金属纤维无机非金属纤维（1）碳纤维及其分类一

3、、碳纤维一、碳纤维3.2 无机非金属纤维无机非金属纤维p气相法气相法：在惰性气氛中小分子有机物（如烃或芳烃等）在高温沉积而成纤维：在惰性气氛中小分子有机物（如烃或芳烃等）在高温沉积而成纤维。该法适宜制取短纤维或晶须。该法适宜制取短纤维或晶须。p有机纤维碳化法有机纤维碳化法：先将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤维，然后再在惰：先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在高温下进行煅烧碳化，使有机纤维失去部分碳和其他非碳原子，性气氛中在高温下进行煅烧碳化，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纤维。此法可制备连续长纤维。形成以碳为主要成分的纤维。此法可制备连续长纤

4、维。（2）碳纤维的制造3.2 无机非金属纤维无机非金属纤维v 制造碳纤维的主要原材料： 聚丙烯腈（PAN）纤维： 黏胶碳纤维； 沥青碳纤维3.2 无机非金属纤维无机非金属纤维3.2 无机非金属纤维无机非金属纤维（3）碳纤维的结构3.2 无机非金属纤维无机非金属纤维（4）碳纤维的性能3.2 无机非金属纤维无机非金属纤维（4）碳纤维的性能3.2 无机非金属纤维无机非金属纤维（4）碳纤维的性能3.2 无机非金属纤维无机非金属纤维15二、硼纤维（B） 硼纤维具有较低的密度（2.42.6g/cm3）、较高的强度（3.45GPa）、很高的弹性模量（400）和熔点（2000以上）及较高的高温强度。3.2 无

5、机非金属纤维无机非金属纤维16v硼纤维的制造： 2BCl3+3H22B+6HCl 采用化学气相法在一根受热的钨丝或碳丝上沉积而成。3.2 无机非金属纤维无机非金属纤维17硼纤维制造技术的改进： 采用成本低廉、表面涂钨（或碳）的石英玻璃纤维芯材替代钨丝和碳丝； 改进设备：采用辅助外部加热装置和射频加热装置实现反应温度的均匀分布； 对硼纤维进行后处理：化学处理（消除表面缺陷）和表面涂层处理（增加硼纤维的辅助保护层，使其在高温下不与基材反应）3.2 无机非金属纤维无机非金属纤维硼纤维的性能： 较低的密度、较高的强度； 很高的弹性模量和熔点以及较高的高温强度。18三、碳化硅纤维（SiC） 碳化硅纤维具

6、有优异的力学性能（如直径为1015m的纤维，拉伸强度为25003000MPa，弹性模量为180200GPa，密度为2.55g/cm3）、耐热氧化性能、耐化学腐蚀性能。3.2 无机非金属纤维无机非金属纤维193.2 无机非金属纤维无机非金属纤维SiC纤维的制造： 化学气相沉积法： CH3SiCl3SiC+3HCl 前驱体法（烧结法）：SiC纤维的应用： 喷气发动机涡轮叶片、飞机螺旋桨受力部件、大口径军用步枪枪筒套管、坦克履带、火箭推进剂传送系统、先进战斗机的垂直安定面、火箭发动机外壳等。20四、氧化铝纤维 氧化铝纤维具有优异的机械强度和耐热性能，抗拉伸强度大，弹性模量高，化学性质稳定，耐高温，多

7、用于高温结构材料，也可用做高温绝缘滤波器材料。3.2 无机非金属纤维无机非金属纤维21v氧化铝短纤维制备： 离心甩丝法：将熔融的氧化铝陶瓷熔体流落到高速旋转的离心辊上，甩成细纤维。3.2 无机非金属纤维无机非金属纤维22v氧化铝长纤维制备： 烧结法：以Al2O3细粉与Al(OH)3及少量Mg(OH)2混合成一定黏度的纺丝料进行干法纺丝，纺成的丝在1000以上高温烧结成Al2O3纤维，为减少表面缺陷，常在纤维表面途覆一层0.1m的SiO2涂层。 先驱体法：将烷基铝或烷氧基铝与水进行水解缩合为聚铝氧烷，再与有机聚合物混合制成浆液，用干法纺丝后，在空气中逐步加热，形成-Al2O3纤维。 熔融法：将A

8、l2O3在坩埚中加热熔化（约2400），熔融的氧化铝通过喷丝板，以一定的速率拉出，冷却凝固形成直径为50500m的氧化铝连续纤维。3.2 无机非金属纤维无机非金属纤维23五、SiN纤维 氮化硅纤维力学性能与碳化硅纤维类似，且耐化学腐蚀，绝缘性能优越。3.2 无机非金属纤维无机非金属纤维24六、玻璃纤维 玻璃纤维是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制成，单丝直径为几微米到几十微米。3.2 无机非金属纤维无机非金属纤维25无碱玻璃纤维（无碱玻璃纤维（E玻纤玻纤）：以钙铝硼硅酸盐组成，纤维强度高，耐热性和电性能优）：以钙铝硼硅酸盐组成，纤维强度高，耐热性和电性能优良，抗大气侵

9、蚀，化学稳定性较好（不耐酸）。碱性氧化物含量小于良，抗大气侵蚀，化学稳定性较好（不耐酸）。碱性氧化物含量小于1%。中碱玻璃纤维：碱金属氧化物含量在中碱玻璃纤维：碱金属氧化物含量在11.5%12.5%之间。耐酸性好，强度不如之间。耐酸性好，强度不如E玻玻纤，价格便宜。纤，价格便宜。有碱玻璃（有碱玻璃（A玻璃）纤维：含碱量高，强度低，对潮气侵蚀敏感，很少用作增强材玻璃）纤维：含碱量高，强度低，对潮气侵蚀敏感，很少用作增强材料。碱性氧化物含量大于料。碱性氧化物含量大于12%。特种玻璃纤维特种玻璃纤维3.2 无机非金属纤维无机非金属纤维1、玻璃纤维的分类2、玻璃纤维的化学组成 3.2 无机非金属纤维无

10、机非金属纤维27u玻璃纤维的物理性能 玻璃纤维拉伸强度高，防火，防霉，防蛀，耐高温和电绝缘性能好。缺点是脆性大，易折断，模量低，不耐磨，长期放置强度会稍有下降，对人的皮肤有刺激性。3、玻璃纤维的性能3.2 无机非金属纤维无机非金属纤维28（1）外观和比重：表面光滑，密度2.164.30g/cm3。（2）表面积大（3）玻璃纤维的力学性能：拉伸强度高（15004000MPa） 原因：微裂纹理论微裂纹理论：玻璃纤维高温成型时减少了玻璃溶液的不均匀性，使微裂纹产生机会减少。玻璃纤维断面较小，随着表面积减少，微裂纹存在概率也相应减少。 影响因素：纤维直径大小纤维直径大小（直径小，拉伸强度大），纤维长度纤

11、维长度（长度增加拉伸强度下降），纤维化学组成纤维化学组成（含碱量增加，强度下降），纤维存放时间纤维存放时间（存放时间越长，拉伸强度下降），纤维负荷时间纤维负荷时间（时间越长，拉伸强度下降），纤维成型方式纤维成型方式（玻璃硬化速度越快，拉伸强度越高）等。3.2 无机非金属纤维无机非金属纤维29纤维直径/m拉伸强度/MPa纤维直径/m拉伸强度/MPa16017519.1942106.729715.2130070.63569.7167050.85606.6233033.57004.2350024.18213.33450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3.2 无机非金属纤维无机

12、非金属纤维30纤维长度/mm纤维直径/m拉伸强度/MPa513.015002012.512109012.7860156013.0720玻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3.2 无机非金属纤维无机非金属纤维31（4）玻璃纤维的耐磨性和耐折性： 这两个性能均很差。纤维表面吸附水分后能加速裂纹扩展，降低其耐磨性和耐折性。（5）玻璃纤维的热性能：导热系数小0.035W/(m.K) 应用于绝热材料； 耐热性较高（软化点550580）热处理对强度的影响：300下经24h，强度下降20%； 400下经24h，强度下降50%； 500下经24h，强度下降70%； 600下经24h，强度下

13、降80%；3.2 无机非金属纤维无机非金属纤维32（6）玻璃纤维的电性能： 玻璃纤维的导电性主要取决于化学组成、温度和湿度。 无碱纤维的电绝缘性比有碱纤维优越，碱金属离子增加，电绝缘性能变差；温度升高，电阻率下降；湿度增加电阻率下降。 在玻璃纤维中加入大量的氧化铁、氧化铅、氧化铜、氧化铋或氧化钒，会使纤维具有半导体性能。在玻璃纤维表面涂覆金属或石墨，可获得导电纤维。3.2 无机非金属纤维无机非金属纤维33（7）光学性能 玻璃纤维的透光性比玻璃差，但仍具有优良的光学性能。 玻璃纤维可用于通信领域以传送光束或光学物象。3.2 无机非金属纤维无机非金属纤维34 玻璃纤维除对氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对

14、所有化学药品和有机溶剂都有良好的化学稳定性。3.2 无机非金属纤维无机非金属纤维u玻璃纤维的化学性能35影响玻璃纤维化学稳定性的因素： 玻璃纤维的化学成分：主要取决于二氧化硅及碱金属氧化物的含量。二氧化硅含量多稳定性增强，碱金属氧化物多则使稳定性降低。 纤维表面情况：纤维比表面增大，其相应的耐腐蚀性降低。 侵蚀介质体积和温度：温度升高，化学稳定性降低；介质体积越大，对纤维侵蚀越严重。3.2 无机非金属纤维无机非金属纤维36 三个步骤：制球、拉丝、纺织三个步骤：制球、拉丝、纺织（1）制球：将砂、石灰石、硼酸等玻璃原料干混后，送入玻璃熔窑内（约1260）制成玻璃液，玻璃液从熔窑中缓慢流出，经制球机

15、制成直径约为1.8cm的玻璃球。（2）拉丝：使用拉丝机进行。拉丝过程中用浸润剂的作用：拉丝过程中用浸润剂的作用： 原丝中的纤维不散乱而能相互粘附在一起；原丝中的纤维不散乱而能相互粘附在一起； 防止纤维间磨损；防止纤维间磨损； 愿丝相互间不黏结在一起；愿丝相互间不黏结在一起； 便于纺织加工。便于纺织加工。（3）纺织：使用纺织机和织布机。4、玻璃纤维的制造3.2 无机非金属纤维无机非金属纤维常用浸润剂：常用浸润剂：石蜡乳剂和聚醋酸乙烯酯石蜡乳剂和聚醋酸乙烯酯37 玻璃纤维与无机玻璃的本质结构相同 是一种具有短距离网络结构的非晶结构，因此称为“凝固的过冷液体”5、玻璃纤维的结构3.2 无机非金属纤维

16、无机非金属纤维v 高强度玻璃纤维：镁铝硅酸盐玻璃纤维（S玻璃纤维） SiO2：65%，Al2O3：25%，MgO：10%硼硅酸盐玻璃纤维： SiO2：4050%，Al2O3：1929%，B2O3：1020%，Li2O：0.11%6、几种特种玻璃纤维简介3.2 无机非金属纤维无机非金属纤维39v高模量玻璃纤维 比一般玻璃纤维的模量提高1/3以上：9.4104 SiO2 53.7%, CaO 12.7%, MgO 9%, BeO 8%, ZrO2 2%, TiO2 7.9%, Li2O 3%, Fe2O3 0.5%3.2 无机非金属纤维无机非金属纤维40v耐高温玻璃纤维（1）石英纤维：用高纯度(9

17、9.5%二氧化硅)天然石英晶体制成的纤维。主要性能： 软化温度高，可达软化温度高，可达1250以上以上 膨胀系数小膨胀系数小 电性能好电性能好 能耐能耐100200 浓酸的侵蚀，耐碱性稍差些浓酸的侵蚀，耐碱性稍差些 在在2504700m的光谱区内，有较高的透过率。的光谱区内，有较高的透过率。石英纤维广泛用在电机制造、光通讯、火箭及原子反应堆工程等方面。石英纤维广泛用在电机制造、光通讯、火箭及原子反应堆工程等方面。3.2 无机非金属纤维无机非金属纤维41（2）高硅氧玻璃纤维 是用浸析法将高钙硼硅酸盐玻璃纤维中的可溶物析出，从而制得的二氧化硅含量在95%以上的纤维。其耐热性能与石英纤维相似，但其强

18、度较低，仅为普通无碱纤维强度的十分之一。 其价格低廉，广泛用于宇宙航空、火箭等方面。3.2 无机非金属纤维无机非金属纤维42（3）铝硅酸盐玻璃纤维 是以高龄土、铝矾土、蓝晶石为原料，在高频炉、电弧炉或其他高温炉中熔化，用吹制法制成的玻璃纤维。Al2O3含量占50%以上，熔化温度为1760，最高使用温度为1260 。主要用作绝缘材料和隔热材料，多用于火箭、喷气发动机、原子反应堆等。3.2 无机非金属纤维无机非金属纤维43v空心玻璃纤维 采用铝硼硅酸盐玻璃原料，用特制拔丝炉拔丝制成。呈中空状态，质轻，刚性好，弹性模量较高，电性能好，导热系数低，较脆，纤维直径一般为1017m。适用于航空与海底装备。

19、3.2 无机非金属纤维无机非金属纤维v高强钢丝、不锈钢丝增强铝基复合材料v难熔金属（钨、钍）丝增强镍基耐热合金v金属丝制备工艺流程：合金熔炼合金熔炼铸造铸造盘条盘条热拔热拔粗丝粗丝冷拔退火冷拔退火金属丝金属丝3.3 金属丝（纤维）金属丝（纤维）针状金属纤维针状金属纤维 国外又称凯芙拉（国外又称凯芙拉（kevlar）纤维。）纤维。q 1968年由杜邦（DuPont）公司研制成功，当时登记的商品名称为Aramid，1973年定名为Kevlar纤维（凯芙拉或芳纶纤维）q Kevlar纤维的品种很多（20多种），常用的有Kevlar、Kevlar29（芳纶14）和Kevlar49（芳纶1414）。杜邦

20、至今未公开这三种Kevlar纤维真实的化学结构 有关的分析结果认为，Kevlar49纤维所用原料为对苯二胺与对苯二甲酰缩聚而成，即聚对苯二甲酰对苯二胺。3.4 有机纤维（芳纶纤维）有机纤维（芳纶纤维）46v芳纶纤维的制造：q 将原料溶于浓硫酸中，制成各向异性液晶溶液q 纺丝液挤压喷丝干湿纺溶剂萃取与洗涤干燥Kevlar29纤维在氮气保护下经550热处理Kevlar49纤维3.4 有机纤维（芳纶纤维）有机纤维（芳纶纤维）47v性能特点 力学性能：拉伸强度大，可达力学性能：拉伸强度大，可达3773MPa，冲击性能好；弹性模量，冲击性能好；弹性模量高，高，1.271.57105MPa；密度小，；密度

21、小，1.44g/cm3。 热学性能：热稳定性好，耐火不熔；热膨胀系数具有各向异性的热学性能：热稳定性好，耐火不熔；热膨胀系数具有各向异性的特点。特点。 化学性能：耐中性介质，易受酸碱侵蚀，耐水性较差。化学性能：耐中性介质，易受酸碱侵蚀，耐水性较差。3.4 有机纤维（芳纶纤维）有机纤维（芳纶纤维）48v用途 航空方面航空方面：整流罩、窗框、天花板、隔板、地板、舱壁、舱门、行李架、座椅、：整流罩、窗框、天花板、隔板、地板、舱壁、舱门、行李架、座椅、机翼前缘、方向舵、安定面翼尖、尾锥、应急出口系统构件等。机翼前缘、方向舵、安定面翼尖、尾锥、应急出口系统构件等。 航天方面航天方面：火箭发动机壳体、压力

22、容器、宇宙飞船的驾驶舱、通风管道等。：火箭发动机壳体、压力容器、宇宙飞船的驾驶舱、通风管道等。 军事应用军事应用：飞机、坦克、装甲车、艇的防弹构件、头盔和防弹衣等。：飞机、坦克、装甲车、艇的防弹构件、头盔和防弹衣等。 民用民用：造船业、汽车业、体育器具（曲棍球棒、高尔夫球棒、网球拍、标枪、弓：造船业、汽车业、体育器具（曲棍球棒、高尔夫球棒、网球拍、标枪、弓、钓鱼杆、滑雪撬等。、钓鱼杆、滑雪撬等。 绳索绳索：如深海作业用电缆、轮胎帘子线等。：如深海作业用电缆、轮胎帘子线等。3.4 有机纤维（芳纶纤维）有机纤维（芳纶纤维）493.5 晶须及颗粒增强物晶须及颗粒增强物 作为增强物用的晶须和颗粒主要是

23、陶瓷，如SiC，Al2O3，B4C，TiC等，尤其是陶瓷颗粒，其性能稳定、成本低，可用来增强金属基、陶瓷基和聚合物基复合材料。 用于金属基和陶瓷基复合材料的晶须有SiC、Al2O3、9Al2O32B2O3 、2Al2O3B2O3等，TiC、Si3N4等晶须其成本较高而用的较少。 晶须是在人工控制条件下生长的细小单晶，直径为0.21m，其缺陷小，强度高。50v晶须增强物SiC晶须（高强度、高模量、导热性好） SiO2+3CSiC+CO碳（炭黑）等碳（炭黑）等SiO2催化剂催化剂混合混合加热反应加热反应1500反应生成反应生成SiC焙烧焙烧脱碳脱碳分选分选净化净化SiC晶须成品晶须成品3.5 晶须

24、及颗粒增强物晶须及颗粒增强物51晶须材料晶须材料密度（密度（g/cm3）熔点熔点/拉伸强度拉伸强度/MPa弹性模量弹性模量/GPaAl2O33.9208213800276004821033AlN3.321991380020700344BeO1.825491380019300689B4C2.524496900448C(石墨石墨)2.2535932000980SiC3.15231669003400480820Si3N43.21899340010000379晶须性能晶须性能3.5 晶须及颗粒增强物晶须及颗粒增强物52n颗粒增强体q颗粒增强体：用以改善基体材料性能的颗粒状材料颗粒增强体：用以改善基体材

25、料性能的颗粒状材料q颗粒增强体的特点是颗粒增强体的特点是选材方便选材方便，可根据不同的性能要求选用不，可根据不同的性能要求选用不同的颗粒增强体。同的颗粒增强体。q颗粒增强体颗粒增强体成本低成本低，易于批量生产。，易于批量生产。3.5 晶须及颗粒增强物晶须及颗粒增强物53v 具有高强度、高模量、耐热、耐磨、耐高温的陶瓷和石墨等非金属颗粒 如碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石墨、细金刚石等。刚性颗粒增强体（Ragid Particle Reinforcement）3.5 晶须及颗粒增强物晶须及颗粒增强物54n颗粒增强体以很细的粉末（一般在颗粒增强体以很细的粉末（一般在10m以下）加入到金属基以下）加入到金属基和陶瓷基中起提高和陶瓷基中起提高耐磨、耐热、强度、模量和韧性耐磨、耐热、强度、模量和韧性的作用的作用q在在Al合金中加入体积为合金中加入体积为30%，粒径为，粒径为0.3m的的Al2O3颗粒，材料在颗粒，材料在300时的拉伸强度仍可达时的拉伸强度仍可达220MPa，并且所加入的，并且所加入的颗粒越细颗粒越细，复合，复合材料的硬度和强度越高。材料的硬度和强度越高。q在在Si3N4陶瓷中加入体积为陶瓷中加入体积为20%的的TiC颗粒，可使其韧性提高颗粒，可使其韧性提高5%。3.5 晶须及颗粒增强物晶须及颗粒增强物55延性颗粒增强体（Ductile Particle