第三章其他纤维4

3.4其他纤维硼纤维一、发展

先进复合材料的增强材料1911年坦克塞柯（TEXACO）实验公司用气相沉积法制得高强度、高模量、低密度的硼纤维；1959年用硼的卤化物还原法得到高强度无定形的硼纤维；1960年美国空军材料实验室将硼纤维应用于飞机结构件上。硼纤维二、制造：化学气相沉积法（CVD）

将所需金属或非金属的化合物盐（主要为挥发性卤化物）气化，与H2等气体一起加热，并使其与基体接触。由于热分解或还原反应，就可以使金属或化合物在基体上析出。两种方法：硼的氢化物（B2H6，B5H12）热分解；硼的卤化物（三氯化硼）还原；硼纤维的制备——卤化物还原将BCl3与作为载体的H2一起加热，并使其在钨丝或者碳丝上流过，发生下述反应。2BCl3+3H2→2B+6HCl

则可在细丝上析出硼，以适当的速度拉卷细丝，则可以得到硼纤维。

H2+BCl3H2+HClH2反应区预热区芯线卷线轴硼纤维热分解法得硼纤维：

芯线为玻璃纤维或铝丝，硼纤维使用温度低（316-816°），硼纤维强度低，密度低硼卤化物还原法得硼纤维：芯线为钨丝或碳纤维，硼纤维使用温度高，强度高。硼纤维直径：

100、140、145、200微米，芯丝12.5微米硼纤维的性能和用途：1.高的比强度和比模量用于军用飞机、航天飞机及体育器材上，但价格昂贵。2.热性能：

熔点2000℃，可作耐高温材料。3.化学性能：

化学稳定性好，常温下，硼是比较惰性材料，在高温下，容易和大多数金属反应。在制造金属基复材时，表面需要沉积涂层中心是碳纤维或钨纤维球拍

氧化铝纤维一、发展陶瓷纤维的一种，20世纪70年代开始发展，多晶体纤维主要组分：Al2O3为主要成分，还有SiO2、B2O3Al2O3含量大于70%——氧化铝纤维Al2O3含量小于70%——硅酸铝纤维氧化铝纤维制造方法

1.淤浆法：α-氧化铝纤维杜邦公司生产，商品名Alumina，Al2O3含量99.5%。α-氧化铝粉末(0.5μm)+Al(OH)3+Mg(Cl)2混合液干法纺丝烧结处理通过含硅气体。

(1300℃)(1500℃)制造方法

2.溶胶法：γ-氧化铝纤维美国3M公司生产，商品名Nextel312组分：62%Al2O3、14%B2O3、24%SiO2Al2O3+硅溶胶+硼酸纺丝预烧结(900℃)

高温烧结（1000℃

以上）制造方法3.预聚合法：γ-氧化铝纤维日本住友化学公司制备，商品名Altex化学组分：85%Al2O3、15%SiO2纺丝溶液

干法纺丝

烧结处理(700-1200℃)制造方法4、卜内门法：δ-氧化铝纤维英国ICI公司生产，商品名赛非尔Saffil铝盐水溶液+聚环氧乙烷+聚硅氧烷纺丝液

纺丝

烧结氧化铝纤维的性能比较生产公司密度g/cm3纤维直径μm强度cN/dtex模量cN/dtex熔点℃最高使用温度杜邦法Alumina3.9515-253.5-5.2962.0204511003M法Nextel2.50116.960020401300卜内门Saffil3.4033.0294.120401600住友法Altex3.2098.125020401300氧化铝纤维的用途耐热性好，电绝缘性好，表面活性好，可与树脂和金属复合可以做耐火、隔热、防火、摩擦制动、高温过滤、劳动保护等产品

碳化硅纤维SiC一、发展：陶瓷纤维的一种1960年由美国空军材料试验室研制成功1966年生产得到连续纤维——采用化学气相沉积法1975年，日本东北大学一教授开发了直接从聚合物纺丝制成碳化硅纤维——烧结法1982年，国防科技大学制得SiC纤维SiC纤维的制备方法

1.化学气相沉积法（CVD法）美国Textron公司生产的产品：SCS-2——用于铝和镁基体增强材料CSC-6——用于钛基体增强CSC-8——用于铝基体增强

将基体丝连续通过玻璃管状反应器，并在加热到1200-1300

C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SiCCH3SiCl3+H2

SiC

+HCl

+•••

并沉积在热丝上形成带有芯（丝）材的连续SiC纤维SiC纤维的制备方法SiC纤维的制备方法直径：100

140

m；抗张强度：3500MPa

弹性模量：400GPa；

密度：3.0

3.4g/cm3状态：连续单丝。

２）先驱体转化法

1975年由日本矢岛教授首先研制成功(日本碳公司)。有Nicalon（尼卡隆）和Tyranno（奇拉隆）两种商品。纤维呈束状，每束500根左右，每根纤维10

m左右。聚碳硅烷纺丝聚碳硅烷纤维N2下高温处理Nicalon（尼卡隆）SiC纤维的制备方法Nicolon的性能和用途1.拉伸强度大，弹性模量高

2.耐热性好，氧化气氛中也能使用，可作耐热材料

3.耐药品性优异，可作耐腐蚀材料

4.与金属的反应性好，浸渍性良好，可增强铝金属基体，也可作陶瓷、树脂增强材料

5.密度小，具有半导体性陶瓷纤维和布陶瓷增强复合材料

金属纤维

一、发展：1936年美国专利——集束拉丝法，30年后商业化生产原料：铜、普通钢、不锈钢、铸铁、铝性能：导电性、导热性、耐磨性、柔韧性、耐腐蚀性、高强高模量金属纤维

二、制作方法拉拔法：单线拉拔、集束拉拔切削法：熔抽法：

金属纤维

金属纤维

金属纤维

三、用途多用于金属基复合材料1.纺织物：防静电用品、导电服、雷达敏感织物2.金属纤维的多孔材料3.增强复合材料一、晶须的分类总体上讲,晶须分为金属晶须和非金属（陶瓷）晶须两类。金属晶须一般是由金属的固体、熔体或气体为原料,采用熔融盐电解法或气相沉积法制得。金属晶须的主要用途是作为复合材料的增强体，用于火箭、导弹、喷气发动机等部件上,特别是用作导电复合材料和电磁波屏蔽材料。非金属晶须亦称陶瓷晶须,它具有高强度、高模量、耐高温等突出优点,广泛用于复合材料的增强。其大致又可分为非氧化物类和氧化物类两类,前者如SiC和Si3N4等,具有高达1900℃以上的熔点。晶须耐高温性好,多被用于增强陶瓷基和金属基复合材料,但成本较高。氧化物陶瓷晶须如K2Ti6O13、CaSO4、2MgO·B2O3、nAl2O3·mB2O3(n=9～2,m=2～1)等,具有相对较高的熔点(1000～1600℃)和耐热性,可用作树脂基和铝基复合材料增强体。

晶须作为增强体时,其用量体积分数多在35%以下。如用20%～30%Al2O3晶须增强金属,得到的复合材料强度在室温下比原金属增加近30倍。晶须

晶须是在受控条件下培殖生长的高纯度纤细单晶体,其晶体结构近乎完整,不含有晶粒界、位错、空洞等晶体结构缺陷,具有异乎寻常的力学等物理性能。一般晶须的延伸率与玻璃纤维相当,而拉伸模量与硼纤维相当,兼具这两种纤维的最佳性能。

另外,晶须的强度与直径也有密切关系,晶须直径小于10μm时,其强度急剧增加。该关系仅是晶须强度与直径的理论表达,一般认为,随着晶须直径的增大,晶须晶格缺陷相应增多,从而使其强度下降,所以,在晶须制备过程中,采用何种方式、何种工艺控制晶须以单晶形式生长,是制取高强度、高有序性、完整晶须的关键。

晶须的物理性质晶须增强复合材料的机理

晶须分散技术晶须增强复合材料之前,必先有效解决其团聚问题,由于晶须增强体有较大的长径比,通常在7～30范围内,故分散比较困难。常用的晶须分散技术主要有球磨分散、超声分散、sol—gel法分散以及分散介质选择、pH值的调整等。对于某些长径比较大、分枝较多的晶须,首先还需通过球磨或高速捣碎的方式减少分枝和降低长径比。晶须分散的主要关键在于消除晶须的团聚或者说集聚。

在晶须补强陶瓷基复合材料发生断裂时,能够阻止裂纹扩展,提高材料断裂韧性的微观方式和途径,其机理主要有以下三种:①桥接机理。当裂纹扩展到晶须时,在裂纹尖端形成一个桥接区,形成一个闭合应力,阻止裂纹的进一步扩展从而增加材料的断裂韧性。②裂纹偏转机理。当裂纹扩展到晶须时,裂纹的扩展方向发生变化,由于晶须与基体间的结合而使裂纹沿晶须方向扩展,这样既增加了形成新表面的面积又不致于使裂纹超过其临界尺寸(裂纹在没有外部应力作用下可自发扩展的最小尺寸),从而使材料的断裂韧性提高。③晶须拔出机理。当晶须从陶瓷基体中拔出时,克服摩擦力做功而吸收能量,提高材料的断裂韧性,这会使材料的韧性有一定程度的增加。晶须、基体材料的特性(强度、弹性模量、热膨胀系数等)以及它们之间的界面结合强度对这些增韧机理有重要的影响。晶须补强陶瓷基复合材料的性能比单一陶瓷材料更好,但价格相对较高,主要用于国防工业、航空航天以及精密机械零件等方面。随着材料设计和复合工艺的不断发展,晶须补强陶瓷基复合材料的性能将得到进一步的提高,应用的范围也将越来越广泛。晶须增强体复合材料的应用前景

晶须主要用作复合材料的增强剂,以增强金属、陶瓷、树脂及玻璃等。在航空航天领域,金属基和树脂基的晶须复合材料由于重量轻、比强度高,可用作直升飞机的旋翼、机翼、尾翼、空间壳体、飞机起落架及其他宇宙航空部件。在建筑工业上,用晶须增强塑料,可以获得截面极薄、抗张强度和破坏耐力很高的构件。在机械工业中,陶瓷基晶须复合材料SiCw/Al2O3已用作切削工具,在Ni基耐热合金加工中发挥作用;塑料基晶须复合材料可用作零部件的粘接接头,并局部增强零部件应力集中、承载力大的关键部位,间隙增强和硬化表面等。

在汽车工业上,玻璃基晶须复合材料SiCw/SiO2已用作汽车热交换器的支管内衬。发动机活塞的耐磨部位已采用SiCw/Al材料,大大提