渭师院无机非金属材料课件第7章 无机非金属基复合材料

第7章无机非金属基复合材料

教学重点：

1.增强机理和弹性模量复合法则

2.金属纤维、无机非金属纤维和颗粒增强无机非金属复合材料教学难点：增强机理和弹性模量复合法则和纤维增强及颗粒增强的选用原则。本章教学要求：通过本章的教学，要使学生了解无机非金属复合材料的概念、增强机理及各类无机非金属基复合材料，增长学生对复合材料的制备及选用原则，达到能运用所学知识制备无机非金属基复合材料。7.1概论7.2复合理论7.3纤维增强无机非金属基复合材料7.4颗粒增强无机非金属基复合材料7.1概论什么是复合材料？复合材料是由两种或者两种以上不同性质的单一材料，通过一定的工艺过程复合而成的，性能优于原材料的多相固体材料。

《材料大词典》：复合材料是根据应用进行设计，把两种以上的有机聚合物材料或无机非金属材料或金属材料组合在一起，使其性能互补，从而制成的一类新型材料。《材料科学技术百科全书》：复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得更优秀的性能，与一般材料的简单混合有本质区别。

7.1概论7.1概论多相结构中存在着复合效应复合材料混合材料区别二、复合材料的特点：

1）复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的界面；

2）复合材料中各组元不但保持各自的固有特性，而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良特殊性能；

3）复合材料具有可设计性。可以根据使用条件要求进行设计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提高工程结构的效能。7.1概论三、基体和增强材料基体——连续相增强材料——分散相也称为增强体、增强剂、增强相等显著增强材料的性能多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度较基体大。可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。在基体和增强体之间存在着界面。7.1概论四、各组元是相容和互补相容是指各组元物质能以离子键、共价键及其它形式键合。这是复合的基本前提。互补一个含义是指各组元复合后可以相互补充或弥补各自的弱点。另一个含义是功能性互补，不同于基体的功能或由单一功能转变为多功能。7.1概论

五、复合材料的分类按增强材料形态分类1、纤维增强复合材料：a.连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点都位于复合材料的边界处；b.非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基体材料中；7.1概论2、颗粒增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中；3、板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体三维物为增强材料与基体复合而成。混杂复合材料：两种或两种以上增强体与同一基体制成的复合材料，可以看成是两种或多种单一纤维或颗粒复合材料的相互复合，即复合材料的“复合材料”。7.1概论按基体材料分类1、聚合物基复合材料:以有机聚合物（热固性树脂、热塑性树脂及橡胶等）为基体；2、金属基复合材料：以金属（铝、镁、钛等）为基体；3、无机非金属基复合材料：以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）为基体。7.1概论复合材料的分类按基体材料类型分按增强纤维类型

按增强物的外形

①金属基复合材料；②聚合物基复合材料；③无机非金属基复合材料。①碳纤维复合材料；②玻璃纤维复合材料；③有机纤维复合材料；④硼纤维复合材料；⑤混杂纤维复合材料。①连续纤维增强复合材料；②纤维织物或片状材料增强的复合材料；③短纤维增强的复合材料；④粒状填料增强复合材料。最常用六、复合材料的界面复合材料的界面是特有的、极其重要的组成部分。一般把基体和增强物之间化学成分有显著变化的，构成彼此结合、能传递载荷的区域称之为界面。这种界面与金属纤维增强体内部的晶界不同，它是一个过渡区域。该区域的材料结构与性能应该不同于组分材料中的任意一个，故称为界面相或界面层，其厚度为几个nm到几百个nm。由于界面所占的面积比例很大，故界面的性质、结构、完整性对复合材料性能影响很大。7.1概论

（1）复合材料界面结合的类型：金属基及陶瓷基复合材料界面结合类型：机械结合指依靠粗糙表面机械结合和磨擦结合，如Al2O3/Ni。溶解和浸润结合如C/Ni。反应结合通过基体与增强体的反应生成物，如硼纤维增强钛合金时在界面上生成TiB2。氧化结合如硼纤维增强铝合金时，硼纤维吸附的氧与之形成BO2，这层氧化物与铝接触时又把BO2还原，生成Al2O3，再通过Al2O3与铝基体结合。混合结合即上述结合的组合，是最重要的一种方式。

7.1概论树脂基复合材料界面结合的类型：化学键合基体表面上的官能团与增强体表面上的官能团发生化学反应，形成共价键结合的界面区。下图为硅烷偶联剂强化增强体与基体界面的实例。浸润-浸吸附结合扩散结合通过扩散，形成界面模糊区。机械结合静电结合两相物质对电子的亲和力相差较大时，静电吸引力使界面产生结合。

7.1概论（2）界面对复合材料性能的影响对界面的要求：一是力学要求，即界面可在增强体与基体之间传递各类型的载荷；二是物理化学要求，即界面能在整个服役期内保持稳定性。考虑界面对复合材料性能的影响，主要应降低界面残余应力；改善纤维表面，选择合理的复合工艺等。7.1概论7.1概论人类制造复合材料的开端在黏土中加入切碎的稻草用来制坯搭建土屋

麻与大漆构成的漆器

7.1概论砂石和水泥复合得到的混凝土

玻璃纤维增强塑料现代意义上的复合材料电缆保护管7.1概论玻璃纤维增强塑料轻质不反射电磁波高强隔热7.1概论应用雷达罩机身机翼7.1概论复合材料成型工艺传统工艺：手糊工艺复合材料成型工艺真空袋和压力袋成型工艺缠绕成型工艺模压成型工艺喷射成型工艺拉挤成型工艺无机非金属基复合材料的复合形式分类

复合形式说明与举例无序复合分散型浸渗型胶接型有序胶接在基体中分散细颗粒、长纤维、短纤维（含晶须）、填料等（如金属陶瓷、碳纤维增强陶瓷、玻璃纤维增强水泥等）在多孔的刚性基质中掺入无机物、有机物、金属等（如含量子点的非线性光学玻璃、光敏玻纤、在多孔介质玻璃中压入金属的超导体等）两种或两种以上的材料由粘结、烧结、反应硬化等方式结合在一起（如烧结彩色玻璃、水泥、胶凝材料、牙冠用烤瓷等）叠层复合材料、多层膜、夹网玻璃等7.2复合理论力学性能的复合理论弥散强化型

粒子增强型纤维增强型前两类的增强原理基本是相似的，另一类则属另一种增强机制。粒子增强和弥散增强的原理要把晶界考虑。晶界：接触的固体为同一结晶相，仅仅是结晶学方向不同而已，这样的固-固界面称为晶界。7.2复合理论金属晶界和陶瓷晶界有下列几个相似之处：

(1)都存在界面能和界面张力,在热力学上可作同样的分析;(2)晶界上的杂质对物质迁移有明显的影响；(3)晶界扩散比晶格内扩散显著得多；(4)由于晶界滑移，往往引起变形；(5)晶界既为产生品格缺陷的“源”，又为晶格缺陷的“壑”；(6)位错的性质和状态(小角度晶界具有网状结构的位错)基本类似。7.2.1增强原理

1.弥散增强机制由一种或多种材料的微粒弥散、均匀地分布在基体材料内所形成的材料，称为弥散强化复合材料。其粒子直径为0.01～0.1

μm，体积分数为1%～15%。增强粒子将阻碍基体中的位错运动(金属基)或分子链运动(高聚物基)。强化效果，取决于粒子直径、体积分数。7.2.1增强原理

2.颗粒增强机制与弥散强化的最大不同点是粒子的尺寸，此处粒子直径为1～50μm，体积分数>20%。材料的性能取决于粒径体积分数配比。这类复材是用金属或高分子聚合物把有耐热性、硬度高但不耐冲击的金属氧化物、氮化物、碳化物粘结在一起而形成的材料。7.2.1增强原理这种复材中的粒子也可以承担一部分载荷,基体仍承担主要载荷,通过粒子约束变形达到强化的目的。由于强化相颗粒较大,故强化效果并不显著,但这种复材主要不是提高强度,而是为了改善耐磨性或提高综合力学性能。粒子增强或弥散强化

主要表现在分散粒子阻止基体位错的能力方面，或者是使晶体内部原子行列间相互滑移终止或减弱；或者因外来组分的引入占据了晶格中晶格结点的一些位置，破坏了基质点排列的有序性，引起周围势场的畸变，造成结构不完整而产生缺陷。这些缺陷有可能称为微裂纹的沉没处。有改善材料强度的作用。

3.纤维增强机制a.连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点都位于复合材料的边界处。b.非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基体材料中。纤维增强复合材料是由高强度、高模量、连续（长）纤维或不连续（短）纤维与基体复合而成。其增强效果，取决于纤维的特性。为了达到纤维增强的效果，须遵循以下原则：(1)此类复合材料主要靠纤维承受外加载荷；(2)纤维与基体之间要有一定的相溶性或浸润性；(3)纤维排列方向要与构件受力方向一致；(4)纤维与基体的热膨胀系数应匹配；(5)纤维的体积分数、长度、长度和直径比

(L/d)必须满足一定要求。

4.增强率用增强率（F）来表征复合材料的增强效果。F是指粒子或纤维增强材料的平均屈服强度与未增强基体的屈服强度之比。在粒子弥散增强金属中，F与粒子体积百分比、粒子分布、粒子直径、间距等有关。弹性模量E是弹性应力与弹性应变之间的比例常数。材料中原子间的键合愈强，则使其间距加大所需的应力越大，因而弹性模量的数值越高。7.2.2弹性模量复合法则复合公式：E=EaVa+EbVbEa、Eb为组分A、B的弹性模量，Va、Vb为组分A、B的体积分数，E为复合物的弹性模量。7.3无机非金属基复合材料波音787高硬度高温强度高耐化学腐蚀抗高温蠕变耐高温高耐磨性抗氧化抗机械冲击和热冲击差无机非金属材料因此，需要复合陶瓷基复合材料高温韧性差

陶瓷脆性陶瓷缺点航空航天技术领域对结构材料的要求产生高强度、高模量的纤维或晶须增强高温强度和韧性大幅度的提高结果注浆法浸渍法热压法气相沉积法成型方法陶瓷基复合材料的成型方法

水泥基复合材料以水泥净浆、砂浆或混凝土为基体，以各种类型的纤维为增强材料，经过特定的工艺制成的一类复合材料石膏基复合材料菱苦土基复合材料无机胶凝材料基复合材料纤维增强水泥基复合材料的成型工艺方法缠绕法注射法螺旋挤压法流浆法抄取法喷砂法预搅拌法离心法7.3纤维增强无机非金属基复合材料的制备与性能钢纤维

碳纤维

植物纤维

聚丙烯纤维

玻璃纤维

石棉纤维

非金属基复合材料短切纤维连续纤维纤维织物纤维增强则基体只作传递和分散纤维载荷的媒质。任何纤维都能承受一定的拉力，但都容易弯曲，缺乏挺拔直立的刚性。纤维增强无机非金属基复合材料的一般准则①为使载荷从基体向纤维传递，应选用高强度高模量纤维，即Ef>Em,最好Ef>2Em；②为给基体颈加压应力，应选用热膨胀系数相匹配的系列，通常纤维的热膨胀系数应大于基体的热膨胀系数，αf>αm；③为了阻止裂纹扩展，应选用断裂韧性大于基体断裂韧性的纤维，纤维成为裂纹扩展的障碍物；④为了使扩展着的裂纹弯曲，应考虑适当弱的纤维基体界面或控制适当的纤维直径(小于基体中典型裂纹尺寸)；⑤从相变韧化考虑，通过剪切变形后应使体积膨胀，即ΔV>0；⑥纤维与基体在制备条件下不发生有害反应，纤维性能不降低。7.3.1金属纤维增强材料增强用金属纤维应具有特殊的机械性能和物理性能，即高的抗拉强度、高的弹性模量、低密度、适当的热膨胀系数、不溶于基体或不与基体产生化学反应等。7.3.2无机非金属纤维增强材料

1.玻璃纤维及其复合材料

玻璃是一种以脆闻名的物质。有趣的是，玻璃一旦经加热，被拉制成比头发还要细得多的玻璃纤维之后，它就变得像合成纤维那样柔软，而坚韧的程度甚至超过了同样粗细的不锈钢丝！玻璃纤维有啥用处呢？用于内窥镜的照明、冷光传导

单丝直径35微米,通光口径1---30mm,保护层为不锈钢金属软管+硅胶管透光率高，柔软性好

纤维光缆的结构和单个的纤维。注意光缆的横切面至少30％被低折射指数的金属包层和非传导性填充材料所占据。工业内窥镜玻璃纤维是复合材料中使用量最大的一种增强材料。1.1玻璃纤维的发展状况国外玻璃纤维特点：1.技术上先进，普遍采用池窑拉丝技术，发展多排多孔拉丝工艺2.直径越来越粗，纤维直径为14~24μm，甚至达到27μm3.大量生产无碱玻纤，无纺织玻璃纤维织物4.无捻粗纱的短切纤维毡片所占比例增加，偶联剂的品种不断增加5.重视纤维－树脂界面的研究，玻璃纤维的前处理受到普遍重视国内玻璃纤维特点：较国外起步较晚，中碱玻璃纤维仍然占大多数，正向粗纤维方向发展，池窑拉丝工艺正在推广，新型偶联剂不断出现，改善了纤维－树脂界面，重视纤维-树脂界面的研究。1.2玻璃纤维的分类玻璃纤维的分类方法很多，一般可从玻璃原料成分、单丝直径、纤维外观及纤维特性等方面进行分类。

(1)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。一般以不同的含碱量来区分：

无碱玻璃纤维(通称E玻璃)：

国内目前规定碱金属氧化物含量不大于0.5％，国外一般为1％左右；

中碱玻璃纤维：碱金属氧化物含量为11.5％－12.5％；

特种玻璃纤维：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

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：30μm；初级纤维：20μm中级纤维：10μm～20μm；高级纤维：3μm～10μm(亦称纺织纤维)；超细纤维：单丝直径小于4μm。

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艺、产量和成本。一般5μm－10μm纤维作为纺织制品用；10μm－14μm的纤维一般做无捻粗纱、无纺布、短切纤维毡等较为适宜。(3)以纤维外观分类

有连续纤维，其中有无捻粗纱及有捻粗纱(用于纺织)；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；耐酸玻璃纤维；普通玻璃纤维(指无碱及中碱玻璃纤维)。无捻粗纱短切纤维玻璃粉2.玻璃纤维的结构与组成2.1玻璃纤维的物态玻璃纤维是纤维状的玻璃。玻璃是无色透明具有光泽的脆性固体。定义：由熔融态过冷时因粘度增加而具有固体物理机械性能的无定形物体，各向同性的均质材料。特点：没有固定的熔点2.2玻璃纤维的结构微晶结构假说玻璃是由硅酸块或二氧化硅的“微晶子”组成，在“微晶子”之间由硅酸块过冷溶液所填充。网络结构假说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，网络间的空隙由Na、K、Ca、Mg等阳离子所填充。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Na、Ca等阳离子称为网络改性物。玻璃纤维结构示意图2.3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(SiO2)、三氧化二硼(B2O3)、氧化钙(CaO)、三氧化二铝(Al2O3)等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。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，如合适的成型温度、硬化速度及粘度范围。3.玻璃纤维的性能3.1玻璃纤维的物理性能1.外观和密度

玻璃纤维呈表面光滑的圆柱体，表面光滑，纤维之间的抱合力非常小，不利于和树脂粘结。玻璃纤维彼此相靠近时，空隙填充得较为密实，有利于提高玻璃钢制品的玻璃含量。2.力学性能(1)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例：块状有碱玻璃纤维的拉伸强度：40MPa~100MPa

玻璃纤维强度：2000MPa几种纤维材料和金属材料的强度羊毛亚麻棉花生丝尼龙高强合金钢铝合金玻璃玻璃纤维纤维直径(μm)~1516~5010~2018块状块状块状块状5~8拉伸强度(MPa)100~300350300~700440300~600160040~46020~1201000~3000微裂纹假说：玻璃的理论强度很高，可达2000~12000MPa，但实测强度很低：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。分子取向假说：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。影响玻璃纤维强度的因素：①

纤维直径和长度对拉伸强度的影响直径越细，拉伸强度越高;随着纤维长度的增加，拉伸强度显著下降

直径(μm)性能457911拉伸强度(MPa)3000~38002400~29001750~21501250~17001050~1250玻璃纤维长度(mm)纤维直径(μm)平均拉伸强度(MPa)51315002012.512109012.7360156013720②

化学组成对拉伸强度的影响含碱量越高，强度越低。无碱玻璃纤维比有碱玻璃纤维的拉伸强度高20%。玻璃纤维纤维直径(μm)拉伸强度(MPa)无碱5.012000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。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③

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—纤维的老化。原因：空气中的水分和氧气对纤维侵蚀④

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，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，使微裂纹扩展速度加速。(2)玻璃纤维的弹性玻璃纤维的延伸率：纤维在外力作用下直至拉断时的伸长百分率玻璃纤维的弹性模量：在弹性范围内应力和应变关系的比例常数影响玻璃纤维的弹性模量的主要因素：化学组成加入BeO、MgO能提高玻璃纤维的弹性模量纤维种类弹性模量(MPa)延伸率(%)无碱纤维(E)720003.0有碱纤维(A)660002.7棉纤维10000~120007.8羊毛纤维600025~35亚麻纤维30000~500002~3芳纶纤维300020~25高合金钢160000铝合金42000~46000(3)玻璃纤维的耐磨性和耐折性玻璃纤维的耐磨性和耐折性能很差，尤其在潮湿环境下玻璃纤维表面吸附水分后能加速微裂纹的扩展改进玻璃纤维的柔性措施：表面处理0.2%阳离子活性剂水溶液处理3.玻璃纤维的热性能(1)玻璃纤维的导热性玻璃导热系数：0.7W/(m·K)~1.3W/(m·K)玻璃纤维导热系数：0.034W/(m·K)原因：纤维间的空隙较大，容积密度较小，空气导热系数低物质种类容积密度(kg/m3)导热系数[W/(m·K)]物质种类容积密度(kg/m3)导热系数[W/(m·K)]羊毛800.034~0.046玻璃纤维800.034蚕丝1000.046~0.052玻璃0.7~1.3亚麻1300.046~0.053空气0.0246原棉810.058~0.062水0.60(2)玻璃纤维的耐热性玻璃纤维的耐热性较高，软化点为550℃~580℃，热膨胀系数为4.8×10-6℃；200℃

~250℃以下，玻璃纤维强度不变3.2玻璃纤维的化学性能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(HF)、浓碱(NaOH)、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。无碱与中碱玻璃纤维性能对比种类耐酸性耐水性机械强度防老化性电绝缘性成本浸润剂适用条件无碱一般好高较好好较高树脂易渗透强度高的场合中碱好差较低较差低低树脂渗透性差强度低的场合中碱玻璃纤维耐酸性好酸与玻璃纤维表面的金属氧化物作用，金属氧化物(Na2O、K2O)离析、溶解；酸与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。无碱玻璃纤维耐水性好水与玻璃纤维作用，首先是侵蚀玻璃纤维表面的碱金属氧化物，水呈现碱性，随着时间增加，玻璃纤维与碱液继续作用，直至使二氧化硅骨架破坏。

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。4.玻璃纤维及其制品7.4.1.1

玻璃纤维的生产工艺坩埚法拉丝、池窑漏板法拉丝(1)坩埚法拉丝工艺生产工艺由制球和拉丝两部分组成整个拉丝过程中加球和拉丝温度控制是由自动控制装置来完成的7.4.1玻璃纤维及其制品的生产工艺1—加料孔；2—铂针；3—坩埚；4—电极板；5—玻璃液；6—漏板；7—玻璃纤维单丝；8—集束轮；9—玻璃纤维原纱；10—拉丝卷筒(2)池窑漏板法拉丝工艺池窑拉丝是连续玻璃纤维生产的一种新的工艺方法。池窑拉丝是将玻璃配合料投入熔窑熔化后直接拉制成各种支数的连续玻璃纤维。池窑拉丝与坩埚拉丝相比较，具有如下优点：1.省去制球工艺，简化工艺流程，效率高；2.池窑拉丝一窑可安装10块到上百块漏板，熔量大，生产能力高；3.易实现自动化；4.适于多孔大漏板生产玻璃钢适用的粗纤维；5.生产的废纱便于回炉。池窑拉丝是国际上普遍采用的玻璃纤维生产新工艺，该技术特点是，采用重油或燃气加热单元窑，粉料直接熔化成玻璃，经燃气加热的成型通路，由多台（数十到上百台）漏板同时拉制各种规格的玻璃纤维原丝。具有生产规模大、效率高、能耗低、产品质量好等优点，能适应800至4000孔大漏板拉丝成型的要求，是生产高质量、低成本玻璃纤维材料的最佳方法。7.4.1.2

玻璃纤维制品的生产工艺生产玻璃纤维制品的主要设备是纺纱机和织布机1—电熔池窑炉；2—漏板；3—加浸润剂；4—机械装置；5—喷射粘接剂；6—金属网带；7—固化装置；8—卷筒连续玻璃纤维毡生产示意图7.4.2玻璃纤维纱的规格及性能玻璃纤维纱可分无捻纱及有捻纱两种。无捻纱一般用增强型浸润剂，由原纱直接并股、络纱制成有捻纱则多用纺织型浸润剂，原纱经过退绕、加捻、并股、络纱而制成。由于生产玻璃纤维纱的纤维直径、支数及股数不同，使无捻纱和有捻纱的规格有许多种。玻璃纤维及玻璃纤维制品1、无捻粗纱无捻粗纱是由平行原丝或平行单丝集束而成。无捻粗纱是加工方格布、网格布的基本原料，是玻璃钢基材最基本的原材料。喷射用无捻粗纱，缠绕型无捻粗纱，拉挤用无捻粗纱及织造用无捻粗纱等，用途十分广泛。种类2、无碱布

无碱布是用无碱玻纤纱织造而成，具有优异的电气绝缘性、力学性能、耐热性及抗吸湿性。主要用于生产各种电绝缘层压板、印刷线路板、各种车辆车体、贮罐、船艇、模具等无碱布还适合用作玻璃漆布，玻璃布层压制品与覆铜箔层压的基材，以及玻璃云母制品等的补强材料。3、短切玻璃纤维短切玻璃纤维，适应于各种不同的用途。采用适当的浸润剂和集束数，切成不同长度的玻璃纤维，在热固性，热塑性树脂增强材料中获得广泛的应用。4、无捻方格布以无捻粗纱织成的方格布，广泛应用于手糊玻璃钢(FRP)产品领域。5、玻璃纤维耐碱网布玻璃纤维耐碱网布是以中碱或无碱玻璃纤维织物为基础，经耐碱涂层处理而成。该产品强度高、粘结性好、服帖性、定位性极佳，广泛应用于墙体增强，外墙保温，屋面防水等方面，还可应用于水泥、塑料、沥青、大理石、马赛克等墙体材料的增强，是建筑行业理想的工程材料。6、膨体纱与膨体布膨体纱由玻璃纤维纱经过高压空气装置，特殊膨化而成，该产品兼有连续长纤维的高强度，又有短切纤维的蓬松性，具有耐高温、耐腐蚀、高过滤效果、高强度等特点，被广泛应用于过滤布、装饰布、绝缘织物等，是石棉制品理想的替代材料，在环保工业方面应用广泛。膨体布是由膨体纱制造而成，具有透气性好，容尘量大、过滤效率高等特点。主要用于钢铁、水泥、发电等行业的高温袋过滤器；包装材料；装饰材料等。7、拉挤纱具有良好的耐磨性、柔软成性好、纤维光滑毛纱少、与苯乙烯有极好的相溶性，浸透速度非常快。通过拉挤成型与聚酯或环氧树脂结合成高强度的玻璃钢制品。8、缠绕纱具有较好的成带性、柔软、纤维光滑、与苯乙烯有很好的相溶性、浸透速度快。制成的玻璃钢耐水性好。通过管道缠绕成型与聚酯或环氧树脂结合成高强度的玻璃钢制品。品名产品代号浸润剂类型含水率％选用树脂卷装量(Kg)无碱缠绕纱ERC-1200硅烷类＜0.18聚酯或环氧20±0.5无碱缠绕纱ERC-2400硅烷类＜0.18聚酯或环氧20±0.5中碱缠绕纱CRC-2400硅烷类＜0.2聚酯或环氧20±0.59、喷射纱具有较好的短切性能、无静电、与苯乙烯有良好的相溶性、浸透速度较快。通过连续喷射法与聚酯或环氧树脂结合成高强度的玻璃钢制品。10、玻璃纤维套管玻璃纤维套管是由无碱纱编织而成，用于电视、仪表、无线电、电视机、电扇及其他家用电器上。应用玻璃纤维套管的电线和电缆能提供良好的性能和可靠的绝缘。11、短切毡把玻璃纤维短切成约50mm长，然后均匀沉降在成型带上，并敷上特种粘结剂形成短切毡，它具有各向同性与树脂结合良好的亲和性，脱泡性、易成型等特点，广泛使用于手糊玻璃钢(FRP)及玻纤层压板材上。12、连续原丝毡连续原丝毡是新型玻纤无纺增强材料，广泛用于高质量玻璃钢的模压和拉挤成型工艺。该技术以玻璃纤维原丝为原料，经机械铺叠制成高强度无纺毡，产品规格为225～900克/平方米13、玻璃纤维方格布玻璃纤维方格布具有高强、耐腐、绝缘等特点。是制造玻璃钢制品基布。广泛应用于仪表、无线电贮槽建筑构件、制造游艇、汽车车体、透明玻璃钢及手糊玻璃钢工艺上。14、无碱纤维带无碱玻璃纤维带是电机及电器的良好的包扎绝缘材料，也是玻璃钢(FRP)用基材。5.特种玻璃纤维5.1高强度玻璃纤维镁铝硅酸盐玻璃和硼硅酸盐玻璃两个系统。镁铝硅酸盐玻璃的主要成分为(质量％)：SiO2：65％，Al2O3：25％，MgO10％。拉丝成型温度需要1500度以上．拉丝工艺特殊，成本也比较高。实际生产的高强度玻璃纤维(称为S玻璃纤维)．是对上述成分略加调整(引入了6.5％一10％的Na2O和2.5％的Sb2O3)，以降低玻璃的熔制和拉丝成型温度．并加入了3％~6％的CaO，以提高其弹性横量。硼硅酸盐高强玻璃纤维的主要成分为(质量％)：SiO240%~50%，Al2O319%~29%，B2Ol0％~20％，Li2O0.1%~1％。硼硅酸盐系统玻璃纤维的强度比E玻璃纤维虽只提高36％，但拉丝温度降低，用一般铂金坩埚即可拉丝。5.2高模量玻璃纤维氧化铍具有大幅度提高玻璃纤维弹性横量的效能。高弹玻璃纤维分为含铍与不含铍的两种。含铍的高弹玻璃纤维，如美国的YM—3A玻璃(M玻璃)氧化铍有剧毒在低铝的钙镁硅酸盐系统中加入铬、钍、钽、铌等氧化物，也可以提高玻璃的弹性模量。其纤维的弹性模量高达12×104MPa，但拉丝成型较困难。SiO2CaOMgOBeOZrO2TiO2Li2OCaOFe2O358.712.79.08.02.07.93.03.00.55.3高硅氧纤维和石英纤维高硅氧纤维的生产：将高钙的硼硅酸盐玻璃纤维用酸处理，溶析出可溶性成分，从而制得含SiO2高达90％~99％的纤维。也可用含碱纤维的化学提纯法制得。这种纤维能耐1700℃以上高温，但纤维强度低，只为无碱玻璃纤维的20％~50％。石英纤维的生产：直接用高纯度的石英棒喂送到高温区熔化拉丝。一般在2000~2100℃下拉制．SiO2含量可达99％以上，可耐1700℃以上的高温，强度也比较高，弹性模量与无碱纤维相当，但纤维较脆，易磨损。石英纤维的直径视拉丝工艺不同而异，一般在10~100μm之间。5.4空心玻璃纤维采用铝硼硅酸盐玻璃成分，用特制坩埚拉制而成的。坩埚有50孔与102孔两种。纤维的空心率为10%~65％，外径为10~17μm。此种纤维质量轻，介电常数低，但较脆。一般以20股无捻粗纱形式使用，主要用于宇航及水下设备中。碳纤维碳纤维管碳纤维毡碳纤维板碳纤维碳纤维由有机纤维或低分子烃气体原料在惰性气氛中经高温(1500ºC)碳化而成的纤维状碳化合物，其碳含量在90%以上。具有高的比强度和高模量，热膨胀系数小，尺寸稳定性好。被大量用作复合材料的增强材料。用碳纤维制成的树脂基复合材料比模量比钢和铝合金高5倍，比强度高3倍以上，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。特点：概述碳纤维产品碳纤维及预浸料碳绳防弹板抗拉强度：3600MPa

拉伸模量：220GPa

层间剪切强度：85MPa

断裂伸长率：1.5%

可供品种：3K、6K、12K1.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性能分类高性能碳纤维高强度(HS)，超高强度(VHS)，高模量(HM)，中模量（MM)低性能碳纤维耐火纤维，碳质纤维，石墨纤维等碳纤维的分类与制造原丝类型聚丙烯腈基碳纤维粘胶基碳纤维沥青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，再生纤维缩合多环芳香族等）碳纤维功能受力结构用碳纤维耐焰碳纤维活性碳纤维（吸附活性）导电用碳纤维润滑用碳纤维耐磨用碳纤维碳纤维与石墨纤维的区别：碳纤维主要含无定形碳，碳含量约为95％，热处理温度1200～1500℃石墨纤维含较多的结晶碳，碳含量99％以上，热处理温度2000℃以上制造纤维时的温度不同造成以上差别布的叠层结构将碳布折叠成一定的长、宽、高的形状纤维外观短纤维短切碳纤维和碳毡长纤维碳纤维长度可达几千米二（双）向织物扭绳或编织绳将数束单丝纤维合并成小股，以数股或数十股进行扭编或编织，可制成粗细不等的圆形或方形绳。三向织物和多向织物短纤维长纤维碳纤维的三种编织结构(a)穿心编织；(b)八锭编织；(c)套层编织碳纤维的制造碳纤维：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：气相法有机纤维碳化法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纤维状物。此法用于制造连续长纤维。气相法在惰性气氛中将小分子有机物(如烃或芳烃等）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。有机纤维碳化法碳纤维的性能1.碳纤维的力学性能

碳纤维的应力－应变曲线是一条直线，纤维在断裂前是弹性体，断裂是瞬间开始和完成的。碳纤维的力学性能除取决于纤维的结构外，与纤维的直径等有关。一般作为结构材料用的碳纤维直径为6μm～11μm。2.碳纤维的化学性能与碳相似，除能被强氧化剂氧化外，对一般的酸碱是惰性的。空气中温度高于400℃时，出现明显的氧化。不接触空气或氧化气氛时，碳纤维具有突出的耐热性。碳纤维还有良好的耐低温性能，如在液氮温度下也不脆化。还有耐油、抗放射、抗辐射、吸收有毒气体和减速中子等特性。一些纤维或晶须、合金的温度与强度的关系碳纤维通常和环氧树脂、酚醛树脂、聚四氟乙烯等组成复合材料。它们不仅保持了玻璃钢的许多优点，而且许多性能优于玻璃钢。这类材料的密度比铝轻，强度与钢接近。弹性模量比铝合金还大，疲劳强度高，冲击韧性高，同时耐水和湿气，化学稳定性高，导热性好，受X射线辐射时其强度和模量变化不大等。碳纤维—树脂基复合材料碳纤维—碳复合材料它是以碳或石墨做基体，用碳纤维或石墨纤维增强的新型特种工程材料。它能承受极高的温度和加热速度，用作烧蚀防热材料。在航天、航空中用于制造导弹鼻锥、飞船的前缘、超音速飞机的制动装置等。例如，已被用在航天飞机的超高温部位和大型火箭的喷管上（喷管口部的工作温度超过3000℃）。炭－炭复合材料碳纤维—陶瓷增强复合材料用碳纤维与陶瓷组成复合材料能大幅度的提高断裂功和抗热震性能，改善陶瓷的脆性。而陶瓷又保护了碳纤维，使它在高温下不受氧化，因而具有很高的高温强度和弹性模量。而陶瓷又保护了碳纤维，使它在高温下不受氧化，因而具有很高的高温强度和弹性模量。炭纤维－树脂复合材料

炭纤维－树脂复合材料

碳纤维的表面处理表面处理目的：提高碳纤维增强复合材料中碳纤维与基体的结合强度。途径：

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。1.表面清洁法2.气相氧化法3.液相氧化法4.表面涂层法1.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，纤维与基体的结合强度可提高近一倍。空气中加入一定量的氧或臭氧进行氧化，一般在管式炉中进行，温度控制在350～600℃之间，时间根据碳纤维种类和所需氧化程度而定。此法设备简单，反应时间短，易和碳纤维生产线衔接进行连续处理，如果反应条件缓和，处理后碳纤维的抗拉强度可基本保持不变或稍有增加。2.气相氧化法一般在空气中加入一定量的氧或臭氧

少量金属杂质，特别是铜、铅、钒等过渡金属，可加速石墨的氧化，控制这类催化氧化，可使碳纤维表面变得粗糙但却又不过度刻蚀，以免降低纤维力学性能。在空气或氧中氧化时，适当加入二氧化硫、卤素或卤代烃，能防止碳纤维的过度氧化。原因：液相时只氧化纤维表面，而气相氧化剂可能渗透较深，尤其在表面有微裂和缺陷处。但液相氧化多为间歇操作，处理时间长，操作繁杂，难以和碳纤维生产线直接相连接。3.液相氧化法液相氧化的效果比气相氧化法好，条件适当时，复合材料的剪切强度可增加1倍以上，而纤维的强度仅略有下降。硝酸、硫酸、高锰酸钾、重铬酸钾、次氯酸钠硝酸法是常用的液相氧化法，经处理后的碳纤维其表面积和官能团均增加。硝酸处理石墨纱时表面官能团的变化将某种聚合物、表面处理剂、偶联剂或金属等涂覆在碳纤维的表面上，减弱碳纤维表面的缺陷，缓和界面应力，使碳纤维与基体材料之间产生偶联等，从而提高复合材料的性能。途径有聚合物涂覆、溶液还原、气相沉积等。4.表面涂层法陶瓷纤维及其复合材料制造陶瓷纤维时，将作为助熔剂的硼酸、氧化锆、氧化铬等加入预烧高岭土、氧化铝、二氧化硅等原料的混合物中，在电阻炉、电弧炉或感应电炉内加热到2200℃~2300℃，达到熔融状态，使熔体流出，用压缩空气或高压水蒸气喷射．在高速旋转的圆板上，靠离心力形成纤维，同时清除未纤维化物，成为制品.第二相纤维改善陶瓷材料韧性单向排布长纤维复合材料多向排布纤维复合材料纤维增强陶瓷基复合材料1、单向排布长纤维CMC

显著特点：各向异性，即沿纤维长度方向上的纵向性能要大大高于其横向性能。当裂纹扩展遇到纤维时会受阻，这时，如果要使裂纹进一步扩展就必须提高外加应力。裂纹垂直于纤维方向扩展示意图当外加应力进一步提高时，由于基体与纤维间的界面解离，同时又由于纤维的强度高于基体的强度，从而使纤维从基体中拔出。当拔出的长度达到某一临界值时，会使纤维发生断裂。因此，裂纹的扩展必须克服由于纤维的加入而产生的拔出功和纤维断裂功，这样，使得材料的断裂更为困难，从而起到了增韧的作用。实际材料断裂过程中，纤维的断裂并非发生在同一裂纹平面，这样主裂纹还将沿纤维断裂位置的不同而发生裂纹转向。这也同样会使裂纹的扩展阻力增加，从而使韧性进一步提高。

2．多向排布纤维增韧CMC

单向排布纤维增韧CMC：纤维排列方向上的纵向性能较为优越，而其横向性能显著低于纵向性能，所以只适用于单轴应力的场合。

多向排布纤维增韧CMC：二维及三维方向上均具有优良的性能。(1)二维多向排布纤维增韧CMC纤维的排布方式：将纤维编织成纤维布，浸渍浆料后，根据需要的厚度将单层或若干层进行热压烧结成型；纤维层基体纤维布层压复合材料示意图特点：纤维排布平面的二维方向上性能优越，而在垂直于纤维排布面方向上的性能较差。一般应用在对二维方向上有较高性能要求的构件上。纤维层基体多层纤维按不同角度方向层压示意图纤维分层单向排布，层间纤维成一定角度。可以根据构件的形状用纤维浸浆缠绕的方法做成所需要形状的壳层状构件。这种二维多向纤维增韧CMC的韧化机理与单向排布纤维复合材料是一样的，主要也是靠纤维的拔出与裂纹转向机制，使其韧性及强度比基体材料大幅度提高。(2)三维多向排布纤维增韧C