现代复合材料：第二章 增强相

第二章增强相增强相的种类纤维及织物：有机和无机纤维、金属纤维晶须：氧化物、氮化物和硼化物颗粒：陶瓷和金属第一节纤维单丝(Monofilament)——指拉丝漏板每个孔中拉出的丝原纱(strand)——指多根单丝(数目由漏板的孔数决定)从漏板拉出汇集而成的单丝束，也称纤维束丝〔Tow)、单股纱或原丝捻度(Twist)——亦称捻数，指有捻纱或其它纱线在每米长度沿着轴向的捻回效(螺旋匝数)。S为左捻，逆时针，Z为右捻，顺时针细度——指单丝的直径，一般用微米表示。表示方法：重量法：用一克原纱的长度来表示，称为支数。定长法：是目前国际上统一使用的方法，单位为Tex，系指1000米长原纱的克数。

粗纱(Roing)——由若干单股有捻纱、原纱或单股无捻纱以无捻或少捻平行集束而成。无捻粗纱——有多股连续单股原纱并排合股而成(不加捻)以纱束，以构成原纱的股数和支数表示，如40支40股、40支20股等。一段来讲，无捻粗纱适于制作预浸料，因为它易于浸透树脂，有捻纤维适于编织。短切纤维(Shortfiber)——将原丝、无捻粗纱或加捻纱切断成或拉断成长度为35—150m(有的书中为0.6—60mm)的纤维，也称为短纤维。长径比——短纤维长度与直径之比。

短纤维毡——由不规则的短切纤维随意交叉重叠铺成毡状簿片，随机器的移动均匀排列，用树脂粘结而成。连续纤维毡——由纤维本身的卷缠而形成并由少量粘合剂粘合。这种毡蓬松而具有弹性。纤维织物(c1oth)——用加了捻的纤维以不同方式编织的织物，依织法不同可以分为平纹布、斜纹布、缎纹布和单向布等。无纬布——用胶液将平行的纤维连在一起的布．不加任何纬向纤维。横向粘结强度由树脂决定。预浸料(Prepreg)——用于制造复合材料浸渍树脂基体的纤维或其织物经烘干或预聚的一种中间材料。一、有机纤维1、kevlar纤维：芳香族酰胺纤维特点：高强度、高模量，韧性好，密度低Kevlar49：聚对苯撑对苯二甲胺Kevlar29：聚对苯酰胺具有高的结晶度和取向度具有垂直于纤维轴的层状结构Kevlar纤维的物理性能Kevlar纤维的化学稳定性2、超高分子量聚乙烯纤维特点：高比强度、高比模量以及耐冲击、耐磨、自润滑、耐腐蚀、耐紫外线、耐低温、电绝缘等多种优异性能。但熔点较低(约135)，高温容易蠕变用途：缆绳、武器装甲、防弹背心、航天航空部件

UHMWPE纤维的冲击强度几乎与尼龙相当，在高速冲击下的能量吸收是芳纶纤维（PPTA）、尼龙纤维的两倍。这种并疲劳性能非常适合制作防弹材料。二、无机纤维玻璃纤维：有碱(>12%),中碱()6-12%,低碱(2-6%)，无碱(<2%)

特点：耐腐蚀、高温；便宜；不耐磨、易折断碳纤维：热膨胀系数小；耐高温蠕变；自润滑、导电性高；价格高硼纤维：在钨丝表面沉积B氧化铝纤维：耐热性和抗氧化性好；密度大SiC纤维玻璃纤维的结构玻璃纤维的化学成分和结构玻璃纤维的物理性能玻璃纤结的力学性能影响因素碳纤维的结构目前广泛采用的方法是在隔绝空气和水分的情况下，加热至1000℃左右分解碳化聚丙烯脂、黏胶纤维或沥青纤维。层与层之间的距离叫层间距，可用d表示，一股约为0.35nm[图a]。由数层到数十层组成石墨微晶，即碳纤维的二级结构单元[见图b]。再由石墨微晶组成原纤维[图c]，其直径为50nm左右，长度达数百纳米，这是碳纤维的三级结构单元。最后由原纤维组成碳纤维的单丝直径一般为6—8um。碳纤维的性能

碳纤维的热膨胀系数呈各向异性。平行于纤维方向是负值，为-(0.72~0.90)×10-6/℃,垂直于纤维方向是正值。碳纤维的热导率也有方向性，平行纤维方向的热导率约为1.6w/(m·K)；垂直于纤维方向的热导率约为0.08w/(m·K)。热导率随温度升高而下降，此外，碳纤维具有良好的导电性。碳纤维的性能热处理温度的影响

随着热处理温度的提高，碳纤维的电阻率随之降低。碳纤维属于半导体性质而石墨纤维的导电性比铝、铜还要高。低热膨胀系数使碳纤维制品具有高度的尺寸稳定性。氧化铝纤维的性能SiC纤维的性能金属纤维金属纤维钢纤维特点：导电性和导热性好，塑性和抗冲击性能好。纤维性能比较纤维的柔韧性及断裂都没有屈服

Kevlar49是韧性断裂，其它为脆性断裂比性能

CF的比模量最高

GF的比模量最低

PE的比强度和比模量配合最好热稳定性

CF的耐高温性能最好

Kevalr49最差第二节晶须晶须(wisker)是指具有一定长径比(—般大于10)和截面积小于52×10－5cm2的单晶纤维材料。晶须是含缺陷很少的单晶短纤维，其拉伸强度接近其纯晶体的理论强度。晶须的生长机制VLS机制(V表提供的气体原料，L为液体触媒，S为固体晶须）

系统中存在的触媒液滴而是气体原料和固体产物之间的媒介，形成晶须的气体原料通过气—液界而输入到小液滴中，使小液滴成为含有晶须气体原料的熔体，当熔体达到一定的过饱和度时析出晶体，并沉积在液滴与接体的界面上。随着气源的连续供给，晶须连续长出，而将小液滴抬起，直到停止生长第三节颗粒刚性颗粒增强体或陶瓷颗粒增强体。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、碳化硼、石墨、细金刚石等。

作用：提高耐磨、耐热、强度、模量和韧性的作用。延性颗粒增强体，主要为金属颗粒。

作用：增强材料的韧性。但高温力学性能会有所下降。颗粒增韧机制

颗粒增强体可以通过三种机制产生增韧效果当材料受到破坏应力时，裂纹尖端处的颗粒发生显著的物理变化，如晶型转变、体积改变、裂纹产生与增殖等，它们均能消耗能量，从而提高复合材料的韧性。这种增韧机制称为相变增韧和微裂纹增韧。复合材料中的第二相颗粒使裂纹扩展路径发生改变，如裂纹偏转、弯曲、分叉、裂纹桥接或裂纹钉扎等，从而产生增韧效果。以上两种机制同时发生，此时称为混合增韧。第四节增强材料的表面处理

作用：改善增强材料与基体的浸渍性相与界面的结合强度聚合物基复合材料（1）偶联剂处理：有机硅烷，钛酸脂（2）等离子处理：（3）氧化