第9章其他無機(jī)纖維增強(qiáng)材料

1、第九章 其他無機(jī)纖維增強(qiáng)材料第一節(jié) 硼纖維硼纖維是一種新型的無機(jī)纖維。通常所指的硼纖維是一種復(fù)合纖維，常見的復(fù)合形式有B/W和B/SiO2兩種，前者是硼沉積在細(xì)鎢絲上，后者是硼沉積在涂碳和涂鎢的石英纖維上。 1 硼纖維的制備硼纖維的制備方法:通行采用氣相沉積法(CVD),即在一根受熱的纖芯上。例如在超細(xì)的鎢絲上，用氫氣還原三氯化硼，生成無定形的硼，并沉積在芯材的表面，形成立徑大約100m的硼纖維。其化學(xué)反應(yīng)式如下： 硼纖維的制造技術(shù)主要集中在三個(gè)方面：(1)采用了新的芯材取代了價(jià)格昂貴的鎢質(zhì)纖芯最有代表性的是采用涂碳(或鎢)的石英玻璃纖維芯材。用此種纖維制備硼纖維的特點(diǎn):具有高溫膨脹性能好、降

2、低硼纖維的表現(xiàn)密度、提高它的比彈性模量。22326BClHBHCl(2)改進(jìn)化學(xué)氣相沉積法及其有關(guān)設(shè)備在沉積過程中，隨著纖維直徑的增加，以及芯材與硼在高溫下的化學(xué)反應(yīng)，電阻值變化很大，甚至由于局部電阻增大出現(xiàn)“亮點(diǎn)”,造成硼的不均勻沉積，影響硼纖維的質(zhì)量。所以采取了輔助外部加熱裝置和射頻加熱裝置,實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)溫度的均勻分布。(3)硼纖維的后處理后處理技術(shù)：主要包括化學(xué)處理和表面涂層處理兩個(gè)方面化學(xué)處理法的目的是把影響纖維性能，表面涂層處理目的是增加硼纖維的輔助保護(hù)層,使其在高溫下不與基質(zhì)材料(金屬基)起反應(yīng)。 2 硼纖維的性能及其應(yīng)用硼纖維的性能:與其他增強(qiáng)材料相比，硼纖維具有較低的密度、較高的

3、強(qiáng)度、很高的彈性模量和熔化溫度,以及良好的高溫強(qiáng)度保留率。例如彈性模量比玻璃纖維高出4倍。硼纖維的強(qiáng)度超過了鋼的強(qiáng)度。其性能見表1。表1 硼纖維的主要性能性能典型值拉伸強(qiáng)度（GPa）3.45拉伸彈性模量（GPa）400線膨脹系數(shù)（10-6K-1）1.5密度（g/cm3）2.42.6硼纖維的應(yīng)用：硼纖維在航天工業(yè)上用作結(jié)構(gòu)材料，也在航空工業(yè)中得到了應(yīng)用，例如，B-1洲際戰(zhàn)略轟炸機(jī)、F-14和F-15等軍用飛機(jī)中，都使用硼纖維來增強(qiáng)鈦合金的部件。在高溫高速下運(yùn)轉(zhuǎn)的內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)子的葉片，如果使用硼纖維來增強(qiáng)，可以提高葉片的使用壽命和轉(zhuǎn)動(dòng)速度。硼纖維還可以作為中子的減速劑，在原于能工業(yè)以及防中子彈等方面。

4、第二節(jié) 碳化硅纖維碳化硅纖維有三種形態(tài)上:晶須、異芯纖維和先驅(qū)體纖維。碳化硅(SiC)纖維的先驅(qū)體是聚碳硅烷(PCS)。高性能的 纖維的制備：聚碳硅烷經(jīng)熔融紡絲、不熔化處理、以及1200以上的高溫?zé)峤狻? 碳化硅(SiC)纖維制備聚碳硅烷(PCS)經(jīng)熔融紡絲，可以得到10m15m的有機(jī)纖維。碳化硅(SiC)纖維制備：在一定溫度下，是纖維表面的Si-H鍵與氧作用，生成不熔的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，再經(jīng)不熔化處理SiC纖維的PCS纖維，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下，在一定張力下，以100/h 300/h的升溫速率，從室溫升到1250 ，然后停止加熱，讓其自然冷卻，可得到黑色有金屬光澤的SiC纖維。SiC 2 碳化硅纖維的性能

5、(1)力學(xué)性能優(yōu)異碳化硅纖維是由均勻分散的微晶構(gòu)成，凝聚力很大，應(yīng)力能沿著致密的粒子界面分散，因此具有優(yōu)異的力學(xué)性能。例如碳化硅纖維，纖維直徑為l0m15m,抗張強(qiáng)度為2500MPa3000MPa，彈性模量為180GPa200GPa，斷裂伸長(zhǎng)率1.5，密度為2.55g/cm3，熱膨脹系數(shù)(軸向)為3.110-6-1。(2)耐熱氧化性能好在1000以下，其力學(xué)性能基本上沒有變化，因此可以在高溫下長(zhǎng)時(shí)間使用,當(dāng)在1300以上；由于微晶的增大，使力學(xué)性能降低。(3)化學(xué)穩(wěn)定性好碳化硅纖維具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性在80的6molL HCl、9molL H2SO4、7molL HNO3、30NaOH水溶液中

6、浸蝕24h ，后纖維質(zhì)量損失均在1以下，纖維力學(xué)性能基本不變。(4)與金屬有良好的浸潤(rùn)性在1000以下，碳化硅纖維幾乎不與金屬發(fā)生反應(yīng)，直到1100以上才與某些金屬發(fā)生反應(yīng)。因此，它可與多種金屬?gòu)?fù)合，并有良好的浸潤(rùn)性。碳化硅纖維與各種金屬在高溫下的反應(yīng)活性見表2。(5)耐輻照性能和吸波性能好金屬金屬熔點(diǎn)（）處理溫度（）（在H2中1h）450530620650750800850900950100011001200Al660000Ag9610000Cu1083000000Ni1453000Co149500Fe15370000Ti1668Cr187500Mo261000000表2 碳化硅纖維與金屬的

7、反應(yīng)活性注： 0表示未觀察到反應(yīng)， 表示有輕微反應(yīng)，表示發(fā)生反應(yīng)。 3 碳化硅纖維的應(yīng)用(1)耐熱材料碳化硅纖維是一種理想的耐熱材料，碳化硅纖維的雙向和三向編織布、氈等織物。用于高溫物質(zhì)的傳輸帶、金屬熔體過濾材料、高溫?zé)焿m過濾器、汽車廢氣過濾器等方面，在冶金、化工、原子能工業(yè)，以及環(huán)境保護(hù)部門，都有廣闊的應(yīng)用前景。(2)樹脂基復(fù)合樹料碳化硅纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合，可以得到性能優(yōu)良的復(fù)合材料，其性能見表3。樹脂基復(fù)臺(tái)材料抗彎曲沖擊強(qiáng)度是碳纖維復(fù)合材料的2倍，它的剪切強(qiáng)度與碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料相近。應(yīng)用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片，也可用作飛機(jī)門窗，直升飛機(jī)螺旋漿等，高爾夫球棒?？箯垙?qiáng)度(0方向)1500

8、MPa彈性模量130GPa彎曲模量120GPa層間剪切強(qiáng)度120MPa壓縮強(qiáng)度1800MPa熱膨脹系數(shù)0方向2.6 10-4C-190方向2.0 10-4C-1密度2.0 103kg/m3表3 SiC纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的性能( )60%fV (3)金屬基復(fù)合材料碳化硅纖維與金屬?gòu)?fù)合，得到性能良好的金屬基復(fù)合材料。碳化硅纖維鋁復(fù)合材料通常是用熔態(tài)金屬模壓方法制得的。一般使用的纖維體積分?jǐn)?shù)( )為3040，抗張強(qiáng)度可達(dá)600MPa800MPa左右。碳化硅纖維鋁復(fù)合材料的一般性能見表4。fVSiC纖維單向增強(qiáng)各種玻璃的機(jī)械強(qiáng)度( )40%fV 抗張強(qiáng)度800MPa彈性模量E1130GPaE288G

9、Pa彎曲強(qiáng)度1200MPa彎曲模量E1113GPaE283GPa泊松比0.31熱膨脹系數(shù)0方向8.910-4C-190方向2510-4C-1密度2650103kg/m3圖l SiC纖維鋁復(fù)合材料的抗張 強(qiáng)度與溫度的關(guān)系曲線1SiC =35，鋁型號(hào)：1100;2SiC =30，鋁型號(hào)：1100;3SiC =30，鋁型號(hào)：6061;4一純鋁材1100fVfVfV(4)陶瓷基復(fù)合材料 碳化硅纖維增強(qiáng)陶瓷，可以大大提高陶瓷的耐沖擊強(qiáng)度，其性能見表5所示。碳化硅纖維增強(qiáng)陶瓷，提高陶瓷的耐沖擊強(qiáng)度。碳化硅纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在高溫下有極高的彎曲強(qiáng)度，缺口沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)值比SiN4陶瓷高50倍，即使無缺口的沖擊強(qiáng)

10、度試驗(yàn)值，也比后者高出4.5倍。碳化硅纖維增強(qiáng)陶瓷或者玻璃復(fù)合材科，可用于火箭噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫部件，也有可能用于作為高溫耐腐蝕化學(xué)反應(yīng)釜的材料。表5 SiC纖維單向增強(qiáng)各種玻璃的機(jī)械強(qiáng)度玻璃種類硼硅酸玻璃硅酸鹽玻璃硅酸鋰鋁玻璃（LAS）SiC纖維體積含量（%）35503550溫度室溫4708005066006006209408008001000700850彎曲模量（GPa，室溫）100118102149 第三節(jié) 氧化鋁纖維氧化鋁纖維：是Al2O3多晶連續(xù)纖維，用作增強(qiáng)材料。性能:優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和耐熱性能，直到1370其強(qiáng)度仍下降不大。室溫拉伸強(qiáng)度約為1.72.0GPa，拉伸彈性模量約為380G

11、Pa，密度為3.95g/cm3 。氧化鋁纖維強(qiáng)度及其他性質(zhì)在很大程度上取決于它的微觀結(jié)構(gòu)。氧化鋁纖維制造：主要用擠壓加工法。氧化鋁纖維應(yīng)用：多用于高溫結(jié)構(gòu)材料，特別是在航空、宇航空間技術(shù)方面有廣泛的應(yīng)用前景。 第四節(jié) 石 棉1 石棉礦物種類石棉：蘊(yùn)藏在中性或酸性巖漿巖中的一種非金屬礦物，它可以劈分成極細(xì)而又柔韌的纖維。工業(yè)上按其礦物成分和化學(xué)成分的不同，將石棉分為纖蛇紋石石棉和角閃石石棉兩大類。1.1 纖蛇紋石石棉(溫石棉)化學(xué)式為 ，物理性質(zhì):顏色多樣，有深綠、淺綠、黃、灰白等色；外觀呈纖維束狀，具絲絹光澤，莫氏硬度22.5，密度為2.492.53gcm3，熔點(diǎn)為1550。64108()Mg

12、 Si OOH12 角閃石石棉(1)藍(lán)石棉:包括纖鐵藍(lán)閃石石棉和鎂質(zhì)鈉鐵閃石棉Na2Fe3+2Fe23+Si18O22(OH)2。物理特性：具獨(dú)特的淺藍(lán)、深藍(lán)或淡青色，絲絹光澤，密度為3.2gcm33.3gcm3 ，熔點(diǎn)9301150?；瘜W(xué)特性：有很強(qiáng)耐酸、堿性能。(2)透閃石石棉：化學(xué)式為CaMg5Si4O11(OH)2。物理特性：呈灰白色，絲絹光澤或玻璃光澤。密度為2.85gcm33.14gcm3，熔點(diǎn)1250，短而硬脆，不易劈分，強(qiáng)度很低。(3)陽起石石棉：化學(xué)式為Ca2(Mg,Fe+2)5Si4O112(OH)2。 物理特性：呈藍(lán)綠色或褐色，纖維短而硬脆，無彈性，強(qiáng)度低，密度3.1gc

13、m33.3gcm3。32328222()Na Mg FeSi OOH 2 石棉的工藝技術(shù)特性石棉的特性:有耐火、耐酸、耐堿、保溫、絕熱、防腐、絕緣等。由于各種石棉化學(xué)成分不同，它們的特性也有顯著差別。例如：蛇紋石類石棉的耐堿和耐高溫性能均好，但耐酸性能較差；而角閃石類青石棉的耐堿和耐高溫性能雖均不及蛇紋石類石棉，但耐酸性能較好。石棉的分級(jí)、性能、技術(shù)指標(biāo)見表6和表7。表6 石棉的分級(jí)及性能表7 溫石棉及青石棉的技術(shù)指標(biāo) 3 石棉的應(yīng)用現(xiàn)根據(jù)制品的制造工藝及用途不同將石棉制品劃分如下八大類。(1)石棉水泥制品 常見的如石棉水泥管、石棉水泥瓦等。特點(diǎn)：密度和容積密度小，耐火度較高，導(dǎo)熱性能低，導(dǎo)電

14、率低，機(jī)械強(qiáng)度較高，耐腐蝕性能好，加工性能好等。(2)石棉紡織制品可紡織成各種規(guī)格的石棉紗，而后捻線、搓繩、織布、織帶，再進(jìn)一步制成各種石棉制品。主要有石棉布、石棉繩及盤根。特點(diǎn):石棉纖維質(zhì)地柔軟，機(jī)械強(qiáng)度高，耐熱、防腐、耐酸堿、隔熱、絕緣密封等。(3)石棉保溫隔熱制品蒸汽鍋爐外壁和導(dǎo)管上用石棉做為保溫層，同時(shí)也起隔熱作用。(4)石棉橡膠制品石棉橡膠制品主要用于各種設(shè)備的密封、襯墊。品種包括：油浸石棉盤根、油浸石棉石墨盤根、其他石棉盤根、石棉橡膠板、耐油板等。(5)石棉傳動(dòng)、制動(dòng)制品制動(dòng)制品 有制動(dòng)帶、制動(dòng)片或叫剎車帶、剎車片。傳動(dòng)制品 主要用于各種機(jī)動(dòng)車輛和工程機(jī)械的動(dòng)力傳動(dòng)。(6)石棉電工

15、材料石錦纖維與酚醛樹脂而制成各種電工絕緣材料；電工上做高壓器材的底板、高壓開關(guān)把手、電話耳機(jī)柄及其軍用器材以及配電盤、配電板、儀表板等；造紙機(jī)上，用精選的石棉制成厚度為0.2mm以下的絕緣石棉紙，是用在電機(jī)線圈的絕緣材料；角閃石石棉中的磁鐵礦細(xì)粒則可經(jīng)過酸處理后再使用。(7)石棉瀝青制品石棉纖維摻合在天然瀝青或人造瀝青中便可制成石棉瀝青制品；如薄型的石棉瀝青板、石棉瀝青布(石棉油氈)、石棉瀝青紙、石棉瀝青磚、液態(tài)的石棉漆和軟性嵌填水泥路面及膨脹用的油灰等。(8)石錦的新用途石棉在國(guó)防工業(yè)上出現(xiàn)了許多新用途。石棉與陶瓷纖維制成的復(fù)合絕緣材料，用于火箭的燃燒室。石棉與石墨的復(fù)合材料，用作導(dǎo)彈噴管的

16、喉部和導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的封閉絕緣材料。石棉與金屬的復(fù)合樹料用于高溫防護(hù)，避免火箭發(fā)動(dòng)機(jī)火舌和高速飛行時(shí)由于高溫引起的破壞作用。石棉與玻璃纖維、尼龍纖維交織制成的復(fù)合材料也用于火箭和導(dǎo)彈上。 第五節(jié) 硅灰石 硅灰石是自然產(chǎn)出的一種硅酸鹽礦物。1 硅灰石的礦物特性三種同質(zhì)多象變體：一種是高溫變體環(huán)硅灰右，為三斜晶系；兩種低溫變體的三斜晶系硅灰石-TC型最常見；單斜晶系副硅灰石-ZM型少見?；瘜W(xué)式為：Ca3(Si3O9)顏色：常呈白色、淺灰或淺紅白色。狀態(tài):放射狀、纖維狀或塊狀集合體，以纖維狀最常見。長(zhǎng)徑比:一般為78比1，最長(zhǎng)可達(dá)20:1到30:1 。相對(duì)密度:2.873.09。力學(xué)性能:莫氏硬度4

17、.55,性脆，易研磨成細(xì)顆粒。物理化學(xué)性能:熔點(diǎn)1540,具優(yōu)良絕緣性能，高抗熱性能和較好的化學(xué)穩(wěn)定性。2 硅灰石工藝技術(shù)特征特殊工藝特征增強(qiáng)效果:硅灰石的晶體結(jié)構(gòu)決定了其顆粒常呈針狀、纖維狀，甚至破碎到0.01mm以下仍呈針狀，加在各種有機(jī)、無機(jī)復(fù)合材料中，會(huì)使產(chǎn)品具有增強(qiáng)效果。助熔性能:在較高的溫度下(10601149)與氧化硅、氧化鋁等相熔，從而起到降低混合物熔融溫度的作用。純硅灰石有的白度與亮度，反射率達(dá)9296。由于它呈針狀、且具有乎面二向分布均勻的特征。物理性能：有極高的介電性、耐熱性在受熱情況下具有線性熱膨脹特點(diǎn)，膨脹系數(shù)小。穩(wěn)定的化學(xué)性能，有較好的耐堿性能，應(yīng)用于水泥制品中作增強(qiáng)材料。硅灰石還具有低的吸水率和低的吸油率。硅灰石應(yīng)用在陶瓷、涂料、塑料、橡膠、建筑材料等方面，可歸納如下:(1)硅灰石在涂料工業(yè)中的應(yīng)用在涂料工業(yè)中應(yīng)用的關(guān)健是加工成微細(xì)礦粉。亮白色硅灰石加工到325目以上,白度達(dá)94時(shí)則可3040代替鈦白粉，做白色顏料、純白色油漆和發(fā)亮涂料。(2)硅灰石在塑料、橡膠工業(yè)