航空航天复合材料 课件第1章 知识点3 增强体概述

增强体复合材料原理

增强体概述1.定义：复合材料中凡能提高基体材料力学性能的组分称增强体2.增强体的一般要求：1）提高基体的一种或多种性能:如：比强度、比模量、热导率、耐热性等2）良好的化学稳定性：使用中组织、结构、性能不明显变化或退化、不与基体发生严重的界面化学反应3）与基体良好的界面润湿性：保证增强体在基体中分布与基体良好复合4）环境相容性好等特点5）成本低、工艺性能好3.增强体分类：

1）按几何形状分：零维（颗粒、微珠（空心、实心））一维（纤维、晶须）二维（片状）晶板(宽厚比>5)

三维（编织）

2）习惯上分：纤维：细长状，直径4~140μm，多晶体晶须：呈棒状，直径0.2~1μm，长几十微米，单晶体、缺陷少颗粒：颗粒状，直径3.5~10μm，陶瓷、石墨等无机非金属颗粒及金属颗粒等单元内容一纤维晶须二颗粒三增强体知识点1-纤维（玻璃纤维）纤维概述主要内容一二玻璃纤维纤维有机纤维无机纤维玻璃纤维硼纤维碳纤维碳化硅纤维氧化铝纤维芳香族聚酰胺纤维芳香族聚酯纤维超高相对分子量聚乙烯纤维3.形成纤维的材料元素：一般为周期表右上角的部分元素：Be、C、B、Al、Si及其与N和O的化合物1.定义：

纤维是指一维尺寸很长，另两维尺寸很小的组分材料2.分类：

跟据纤维成分可分为无机纤维和有机纤维一、纤维概述图1纤维状和块状材料的平均强度和离散系数二、玻璃纤维1.成分：非晶型无机纤维，主要成分为二氧化硅与金属Ca、Na、Al、Fe等和非金属B等的氧化物，属于无定型离子结构物质。SiO2：形成骨架，具有高的熔点；BeO：提高模量，但毒性大；B2O3：提高耐酸性，改善电性能、降低熔点、粘度，降低模量和强度。氧化物：降低熔点；改善制备工艺。2．结构：图2玻璃的无定型结构（a）玻璃的网络结构二维图像（b）当Na2O加入（a）中网络的变化3.性能1）力学性能：（1）应力与应变曲线为直线，无屈服、无塑性、呈脆性特征。（2）拉伸强度高，1750MPa；模量较低E＝70GPa；密度2.55；热胀系数4.7×10-6K-1；强度随着纤维直径的减小而增强、随湿度的增加而减小；强度的分散性较大。2）热性能（1）导热性：成纤维前热导率：2508J/m.℃，成纤维后热导率：125.4J/m.℃。（2）耐热性：较高，软化点为550～580℃，膨胀系数为4.8×10-6℃-1。玻璃纤维热处理（升温再降温的过程）使微裂纹增加，强度降低。3）电性能（1）电绝缘性能优。体积电阻率1011～1018Ω.cm。注意：（1）在玻纤中加入大量的氧化铁、氧化铅、氧化铜、氧化铋等使其具有半导体性能；（2）在纤维表面涂覆石墨或金属，成为导电纤维。（3）高频介电性能好。介电常数较小，介电损耗低。4）耐介质性能玻璃：具有良好的耐酸（HF除外）、碱、有机溶剂的能力；玻璃纤维：由于表面增加，耐蚀能力比块体玻璃差。注意：玻璃纤维在水中浸泡时，强度会降低；干燥后，可部分恢复。玻璃纤维与水的物理作用使强度损失，干燥后强度恢复(可逆)；但玻璃纤维与水发生化学作用时强度损失(不可逆)。1）以成分（不同含碱量）可分为：无碱（E玻璃）：碱金属氧化物含量<0.5%（国外<1%）.高强、耐热、电性能优（电气玻璃），耐酸性差。中碱：碱金属氧化物含量：11.5%~12.5%（国外无），耐酸性强、强度低于E玻璃有碱（A玻璃）：碱金属氧化物含量高、强度低。对潮气侵蚀极为敏感。特种:Al-Mg-Si，高强、高弹玻璃纤维

Si-Al-Mg-Ca，耐化学介质腐蚀高硅氧玻璃纤维;石英玻璃纤维，含铅纤维。4.分类玻璃纤维E-玻璃纤维介电性能优异耐化学、耐腐蚀耐环境性能好C-玻璃纤维耐化学性优异力学性能低于E-纤维10%电气性能较差S-玻璃纤维拉伸强度较E-玻纤提高35%压缩强度提高25%模量提高20%D-玻璃纤维抗碱性优异拉伸强度较水泥砂浆高2-3倍应用广成本低主用于次承力件图3四种玻璃纤维性能比较2）以单丝直径可分为：粗纤维：30µm初级纤维：20µm中级纤维：10-20µm高级纤维：3-10µm（纺织纤维）超细纤维：<4µm3）从外观则可分为：连续纤维短切纤维空心玻璃纤维玻璃粉磨细纤维等4）以纤维特性可分为：高强、高模、耐碱，耐酸、耐高温及普通玻璃纤维等5．制备：方法有十几种，但主要是两种：坩锅法和池窑法1）坩锅法其工艺流程为：玻璃球→坩锅→单纤维→集束器→拉丝机→纤维丝。↑↑变压器

浸润剂↑控温仪注意：1）坩锅底部漏板上有数百个小孔（喷丝孔），玻璃纤维在重力作用下流出，经集束器、拉丝器收集至转筒。2）牵拉速度为600～1200m/min，最高达3500～4800m/min。3）坩锅一般为铂铑坩锅，也可采用刚玉坩锅。

图4坩锅法示意图2）池窑法工艺流程为：配合料→熔窑→通路→漏板→单纤维→单丝上浆器→集束器→拉丝机→原丝筒。↑控温仪→变压器坩锅法相比池窑法少了玻璃球的制备过程及二次融化过程，故可节能50％左右。

图5池窑法示意图纤维上浆：即涂浸润剂（石蜡、聚酯酸乙烯酯等两种含乳化聚合物）。浸润剂作用：除了防止纤维间摩擦、划伤外，还具有以下作用：（1）黏结作用，使单丝集束成原纱或丝束；（2）防止纤维表面聚集静电荷；（3）为纤维进一步加工提供所需的性能；（4）表面改性便于与基体结合。

5．玻