第9章其他无机纤维增强材料

1、第九章 其他无机纤维增强材料,第一节 硼纤维,硼纤维是一种新型的无机纤维。通常所指的硼纤维是一种复合纤维，常见的复合形式有B/W和B/SiO2两种，前者是硼沉积在细钨丝上，后者是硼沉积在涂碳和涂钨的石英纤维上。,1 硼纤维的制备,硼纤维的制备方法:通行采用气相沉积法(CVD),即在一根受热的纤芯上。 例如在超细的钨丝上，用氢气还原三氯化硼，生成无定形的硼，并沉积在芯材的表面，形成立径大约100m的硼纤维。其化学反应式如下： 硼纤维的制造技术主要集中在三个方面： (1)采用了新的芯材取代了价格昂贵的钨质纤芯 最有代表性的是采用涂碳(或钨)的石英玻璃纤维芯材。用此种纤维制备硼纤维的特点:具有高温膨

2、胀性能好、降低硼纤维的表现密度、提高它的比弹性模量。,(2)改进化学气相沉积法及其有关设备 在沉积过程中，随着纤维直径的增加，以及芯材与硼在高温下的化学反应，电阻值变化很大，甚至由于局部电阻增大出现“亮点”,造成硼的不均匀沉积，影响硼纤维的质量。所以采取了辅助外部加热装置和射频加热装置,实现了反应温度的均匀分布。 (3)硼纤维的后处理 后处理技术：主要包括化学处理和表面涂层处理两个方面 化学处理法的目的是把影响纤维性能， 表面涂层处理目的是增加硼纤维的辅助保护层,使其在高温下不与基质材料(金属基)起反应。,2 硼纤维的性能及其应用,硼纤维的性能:与其他增强材料相比，硼纤维具有较低的密度、较高的

3、强度、很高的弹性模量和熔化温度,以及良好的高温强度保留率。例如弹性模量比玻璃纤维高出4倍。硼纤维的强度超过了钢的强度。其性能见表1。,表1 硼纤维的主要性能,硼纤维的应用：硼纤维在航天工业上用作结构材料，也在航空工业中得到了应用，例如，B-1洲际战略轰炸机、F-14和F-15等军用飞机中，都使用硼纤维来增强钛合金的部件。 在高温高速下运转的内燃机转子的叶片，如果使用硼纤维来增强，可以提高叶片的使用寿命和转动速度。硼纤维还可以作为中子的减速剂，在原于能工业以及防中子弹等方面。,第二节 碳化硅纤维,碳化硅纤维有三种形态上:晶须、异芯纤维和先驱体纤维。 碳化硅(SiC)纤维的先驱体是聚碳硅烷(PCS

4、)。 高性能的 纤维的制备：聚碳硅烷经熔融纺丝、不熔化处理、以及1200以上的高温热解。 1 碳化硅(SiC)纤维制备 聚碳硅烷(PCS)经熔融纺丝，可以得到10m15m的有机纤维。 碳化硅(SiC)纤维制备：在一定温度下，是纤维表面的Si-H键与氧作用，生成不熔的交联结构，再经不熔化处理SiC纤维的PCS纤维，在氮气的保护下，在一定张力下，以100/h 300/h的升温速率，从室温升到1250 ，然后停止加热，让其自然冷却，可得到黑色有金属光泽的SiC纤维。,2 碳化硅纤维的性能,(1)力学性能优异 碳化硅纤维是由均匀分散的微晶构成，凝聚力很大，应力能沿着致密的粒子界面分散，因此具有优异的力

5、学性能。例如碳化硅纤维，纤维直径为l0m15m,抗张强度为2500MPa3000MPa，弹性模量为180GPa200GPa，断裂伸长率1.5，密度为2.55g/cm3，热膨胀系数(轴向)为3.110-6-1。 (2)耐热氧化性能好 在1000以下，其力学性能基本上没有变化，因此可以在高温下长时间使用,当在1300以上；由于微晶的增大，使力学性能降低。,(3)化学稳定性好 碳化硅纤维具有良好的化学稳定性在80的6molL HCl、9molL H2SO4、7molL HNO3、30NaOH水溶液中浸蚀24h ，后纤维质量损失均在1以下，纤维力学性能基本不变。 (4)与金属有良好的浸润性 在1000

6、以下，碳化硅纤维几乎不与金属发生反应，直到1100以上才与某些金属发生反应。因此，它可与多种金属复合，并有良好的浸润性。 碳化硅纤维与各种金属在高温下的反应活性见表2。 (5)耐辐照性能和吸波性能好,表2 碳化硅纤维与金属的反应活性,注： 0表示未观察到反应， 表示有轻微反应，表示发生反应。,3 碳化硅纤维的应用,(1)耐热材料 碳化硅纤维是一种理想的耐热材料，碳化硅纤维的双向和三向编织布、毡等织物。用于高温物质的传输带、金属熔体过滤材料、高温烟尘过滤器、汽车废气过滤器等方面，在冶金、化工、原子能工业，以及环境保护部门，都有广阔的应用前景。 (2)树脂基复合树料 碳化硅纤维与环氧树脂复合，可以

7、得到性能优良的复合材料，其性能见表3。 树脂基复台材料抗弯曲冲击强度是碳纤维复合材料的2倍，它的剪切强度与碳纤维环氧树脂复合材料相近。应用于喷气发动机的涡轮叶片，也可用作飞机门窗，直升飞机螺旋浆等，高尔夫球棒。,表3 SiC纤维环氧树脂复合材料的性能( ),(3)金属基复合材料 碳化硅纤维与金属复合，得到性能良好的金属基复合材料。碳化硅纤维铝复合材料通常是用熔态金属模压方法制得的。 一般使用的纤维体积分数( )为3040，抗张强度可达600MPa800MPa左右。 碳化硅纤维铝复合材料的一般性能见表4。,SiC纤维单向增强各种玻璃的机械强度( ),图l SiC纤维铝复合材料的抗张 强度与温度的

8、关系曲线,1SiC =35，铝型号：1100; 2SiC =30，铝型号：1100; 3SiC =30，铝型号：6061; 4一纯铝材1100,(4)陶瓷基复合材料 碳化硅纤维增强陶瓷，可以大大提高陶瓷的耐冲击强度，其性能见表5所示。 碳化硅纤维增强陶瓷，提高陶瓷的耐冲击强度。碳化硅纤维增强复合材料在高温下有极高的弯曲强度，缺口冲击强度试验值比SiN4陶瓷高50倍，即使无缺口的冲击强度试验值，也比后者高出4.5倍。 碳化硅纤维增强陶瓷或者玻璃复合材科，可用于火箭喷气发动机的高温部件，也有可能用于作为高温耐腐蚀化学反应釜的材料。,表5 SiC纤维单向增强各种玻璃的机械强度,第三节 氧化铝纤维,氧

9、化铝纤维：是Al2O3多晶连续纤维，用作增强材料。 性能:优异的机械强度和耐热性能，直到1370其强度仍下降不大。室温拉伸强度约为1.72.0GPa，拉伸弹性模量约为380GPa，密度为3.95g/cm3 。 氧化铝纤维强度及其他性质在很大程度上取决于它的微观结构。 氧化铝纤维制造：主要用挤压加工法。 氧化铝纤维应用：多用于高温结构材料，特别是在航空、宇航空间技术方面有广泛的应用前景。,第四节 石 棉,1 石棉矿物种类 石棉：蕴藏在中性或酸性岩浆岩中的一种非金属矿物，它可以劈分成极细而又柔韧的纤维。 工业上按其矿物成分和化学成分的不同，将石棉分为纤蛇纹石石棉和角闪石石棉两大类。 1.1 纤蛇纹

10、石石棉(温石棉) 化学式为 ， 物理性质:颜色多样，有深绿、浅绿、黄、灰白等色；外观呈纤维束状，具丝绢光泽，莫氏硬度22.5，密度为2.492.53gcm3，熔点为1550。,12 角闪石石棉 (1)蓝石棉:包括纤铁蓝闪石石棉 和镁质钠铁闪石棉Na2Fe3+2Fe23+Si18O22(OH)2。 物理特性：具独特的浅蓝、深蓝或淡青色，丝绢光泽，密度为3.2gcm33.3gcm3 ，熔点9301150。 化学特性：有很强耐酸、碱性能。 (2)透闪石石棉：化学式为CaMg5Si4O11(OH)2。 物理特性：呈灰白色，丝绢光泽或玻璃光泽。 密度为2.85gcm33.14gcm3，熔点1250，短而

11、硬脆，不易劈分，强度很低。 (3)阳起石石棉：化学式为Ca2(Mg,Fe+2)5Si4O112(OH)2。 物理特性：呈蓝绿色或褐色，纤维短而硬脆，无弹性，强度低，密度3.1gcm33.3gcm3。,2 石棉的工艺技术特性,石棉的特性:有耐火、耐酸、耐碱、保温、绝热、防腐、绝缘等。 由于各种石棉化学成分不同，它们的特性也有显著差别。 例如：蛇纹石类石棉的耐碱和耐高温性能均好，但耐酸性能较差；而角闪石类青石棉的耐碱和耐高温性能虽均不及蛇纹石类石棉，但耐酸性能较好。 石棉的分级、性能、技术指标见表6和表7。,表6 石棉的分级及性能,表7 温石棉及青石棉的技术指标,3 石棉的应用,现根据制品的制造工

12、艺及用途不同将石棉制品划分如下八大类。 (1)石棉水泥制品 常见的如石棉水泥管、石棉水泥瓦等。 特点：密度和容积密度小，耐火度较高，导热性能低，导电率低，机械强度较高，耐腐蚀性能好，加工性能好等。 (2)石棉纺织制品 可纺织成各种规格的石棉纱，而后捻线、搓绳、织布、织带，再进一步制成各种石棉制品。主要有石棉布、石棉绳及盘根。 特点:石棉纤维质地柔软，机械强度高，耐热、防腐、耐酸碱、隔热、绝缘密封等。,(3)石棉保温隔热制品 蒸汽锅炉外壁和导管上用石棉做为保温层，同时也起隔热作用。 (4)石棉橡胶制品 石棉橡胶制品主要用于各种设备的密封、衬垫。 品种包括：油浸石棉盘根、油浸石棉石墨盘根、其他石棉

13、盘根、石棉橡胶板、耐油板等。 (5)石棉传动、制动制品 制动制品 有制动带、制动片或叫刹车带、刹车片。 传动制品 主要用于各种机动车辆和工程机械的动力传动。,(6)石棉电工材料 石锦纤维与酚醛树脂而制成各种电工绝缘材料； 电工上做高压器材的底板、高压开关把手、电话耳机柄及其军用器材以及配电盘、配电板、仪表板等； 造纸机上，用精选的石棉制成厚度为0.2mm以下的绝缘石棉纸，是用在电机线圈的绝缘材料； 角闪石石棉中的磁铁矿细粒则可经过酸处理后再使用。 (7)石棉沥青制品 石棉纤维掺合在天然沥青或人造沥青中便可制成石棉沥青制品；如薄型的石棉沥青板、石棉沥青布(石棉油毡)、石棉沥青纸、石棉沥青砖、液态

14、的石棉漆和软性嵌填水泥路面及膨胀用的油灰等。,(8)石锦的新用途 石棉在国防工业上出现了许多新用途。 石棉与陶瓷纤维制成的复合绝缘材料，用于火箭的燃烧室。 石棉与石墨的复合材料，用作导弹喷管的喉部和导弹发动机壳体的封闭绝缘材料。 石棉与金属的复合树料用于高温防护，避免火箭发动机火舌和高速飞行时由于高温引起的破坏作用。 石棉与玻璃纤维、尼龙纤维交织制成的复合材料也用于火箭和导弹上。,第五节 硅灰石,硅灰石是自然产出的一种硅酸盐矿物。 1 硅灰石的矿物特性 三种同质多象变体： 一种是高温变体环硅灰右，为三斜晶系；两种低温变体的三斜晶系硅灰石-TC型最常见；单斜晶系副硅灰石-ZM型少见。 化学式为：

15、Ca3(Si3O9) 颜色：常呈白色、浅灰或浅红白色。 状态:放射状、纤维状或块状集合体，以纤维状最常见。 长径比:一般为78比1，最长可达20:1到30:1 。 相对密度:2.873.09。 力学性能:莫氏硬度4.55,性脆，易研磨成细颗粒。 物理化学性能:熔点1540,具优良绝缘性能，高抗热性能和较好的化学稳定性。,2 硅灰石工艺技术特征,特殊工艺特征 增强效果:硅灰石的晶体结构决定了其颗粒常呈针状、纤维状，甚至破碎到0.01mm以下仍呈针状，加在各种有机、无机复合材料中，会使产品具有增强效果。 助熔性能:在较高的温度下(10601149)与氧化硅、氧化铝等相熔，从而起到降低混合物熔融温度的作用。 纯硅灰石有的白度与亮度，反射率达9296。由于它呈针状、且具有乎面二向分布均匀的特征。 物理性能：有极高的介电性、耐热性在受热情况下具有线性热膨胀特点，膨胀系数小。 稳定的化学性能，有较好的耐碱性能，应用于水泥制品中作增强材料。硅灰石还具有低的吸水率和低的吸油率。,硅灰石应用