第3章 復(fù)合材料增強(qiáng)材料

1第三章復(fù)合材料的增強(qiáng)材料

2粘結(jié)在基體內(nèi)以改進(jìn)其機(jī)械性能的高強(qiáng)度材料（或者改進(jìn)其功能屬性的材料）稱為增強(qiáng)材料，也稱作增強(qiáng)體、增強(qiáng)劑等。

增強(qiáng)材料共分為三類：①纖維及其織物②晶須

③顆粒3一、纖維

如，植物纖維－－－棉花、麻類；動(dòng)物纖維－－－絲、毛；礦物纖維－－－石棉。天然纖維強(qiáng)度較低，現(xiàn)代復(fù)合材料的增強(qiáng)材料用合成纖維。4

纖維在復(fù)合材料中起增強(qiáng)作用，是主要承力組分。

纖維不僅能使材料顯示出較高的抗張強(qiáng)度和剛度，而且能減少收縮，提高熱變形溫度和低溫沖擊強(qiáng)度等。

復(fù)合材料的性能在很大程度上取決于纖維的性能、含量及使用狀態(tài)。如聚苯乙烯塑料，加入玻璃纖維后，拉伸強(qiáng)度可從600MPa提高到1000MPa，彈性模量可從3000MPa提高到8000MPa，其熱變形溫度可從85℃提高到105℃，使-40℃以下的沖擊強(qiáng)度可提高10倍。5

纖維可分為有機(jī)纖維和無(wú)機(jī)纖維

芳綸纖維；

聚乙烯纖維；

尼龍纖維玻璃纖維；碳纖維；硼纖維；氧化鋁纖維；碳化硅纖維；氮化硼纖維；其他纖維金屬纖維。。。6１、玻璃纖維（GlassFibre,GF）

1.1玻璃纖維及其制品；1.2玻璃纖維的結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成；1.3玻璃纖維的物理性能；1.4玻璃纖維的化學(xué)性能；1.5玻璃纖維的制備71.1玻璃纖維及其制品

①概述優(yōu)點(diǎn)：絕緣性好、耐熱性強(qiáng)，機(jī)械強(qiáng)度高缺點(diǎn)：性脆，耐磨性較差。它是以玻璃球或廢舊玻璃為原料經(jīng)高溫熔制、拉絲、絡(luò)紗、織布等工藝制造成的；單絲的直徑為幾個(gè)微米到二十幾米個(gè)微米，相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的1/20-1/5，每束纖維原絲都由數(shù)百根甚至上千根單絲組成。89②玻璃纖維的分類玻璃纖維的分類方法很多。通常從玻璃原料成分、單絲直徑、纖維外觀及纖維特性等方面進(jìn)行分類。1．以玻璃原料成分分類這種分類方法主要用于連續(xù)玻璃纖維的分類。一般以不同的含堿量來(lái)區(qū)分：(1)無(wú)堿玻璃纖維；(2)中堿玻璃纖維；(3)有堿玻璃纖維；(4)特種玻璃纖維10(1)無(wú)堿玻璃纖維(通稱E玻纖)：是以鈣鋁硼硅酸鹽組成的玻璃纖維，這種纖維強(qiáng)度較高，耐熱性和電性能優(yōu)良，能抗大氣侵蝕，化學(xué)穩(wěn)定性好。

無(wú)堿玻璃纖維最大的特點(diǎn)是電性能好，因此也把它稱做電氣玻璃，應(yīng)用最廣泛的一種玻璃纖維用玻璃成分

規(guī)定其堿金屬氧化物含量不大于0.5％。(2)中堿玻璃纖維堿金屬氧化物含量在11.5％~12.5％之間的玻璃纖維。國(guó)外沒(méi)有這種玻璃纖維，主要特點(diǎn)是耐酸性好，但強(qiáng)度不如E玻璃纖維高。主要用于耐腐蝕領(lǐng)域中，價(jià)格較便宜。11(3)有堿玻璃(A玻璃)纖維

有堿玻璃稱A玻璃，類似于窗玻璃及玻璃瓶的鈉鈣硅酸鹽玻璃。由于含堿量高，強(qiáng)度低，對(duì)潮氣侵蝕極為敏感，因而很少作為增強(qiáng)材料。(4)特種玻璃纖維如由純鎂鋁硅三元組成的高強(qiáng)玻璃纖維，鎂鋁硅系高強(qiáng)高彈玻璃纖維，硅鋁鈣鎂系耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕玻璃纖維，含鉛纖維，高硅氧纖維，石英纖維等。122．以單絲直徑分類

單絲呈圓柱形，以其直徑的不同可以分為：

粗纖維：30um；初級(jí)纖維：20um;

中級(jí)：10~20um；高級(jí)：3~10um(亦稱紡織纖維)。對(duì)于單絲直徑小于4um的玻璃纖維稱為超細(xì)纖維。單絲直徑不同，不僅使纖維的性能有差異，而且影響到纖維的生產(chǎn)工藝、產(chǎn)量和成本。一般5~10um的纖維作為紡織制品使用，10~14um的纖維一般做無(wú)捻粗紗、無(wú)紡布、短切纖維氈等較為適宜。133．以纖維外觀分類有連續(xù)纖維，其中有無(wú)捻粗紗及有捻粗紗(用于紡織)、短切纖維、空心玻璃纖維、玻璃粉及磨細(xì)纖維等。4．以纖維特性分類根據(jù)纖維本身具有的性能可分為：高強(qiáng)玻璃纖維、高模量玻璃纖維、耐堿玻璃纖維、耐酸玻璃纖維、普通玻璃纖維(指無(wú)堿及中堿玻璃纖維)。141.2玻璃纖維的結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成①玻璃纖維的結(jié)構(gòu)

玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度比塊狀玻璃高許多倍，但經(jīng)研究證明，玻璃纖維的結(jié)構(gòu)與玻璃相同。關(guān)于玻璃結(jié)構(gòu)的假說(shuō)到目前為止，比較能夠反映實(shí)際情況的是“微晶結(jié)構(gòu)假說(shuō)”和“網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)假說(shuō)”。15

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)假說(shuō)的要點(diǎn)玻璃是由二氧化硅的四面體、鋁氧三面體或硼氧三面體相互連成不規(guī)則三維網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)間的空隙由Na、K、Ca、Mg等陽(yáng)離子所填充。二氧化硅四面體的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是決定玻璃性能的基礎(chǔ)，填充的Na、Ca等陽(yáng)離子稱為網(wǎng)絡(luò)改性物。

微晶結(jié)構(gòu)假說(shuō)的要點(diǎn)玻璃是由硅酸塊或二氧化硅的“微晶子”組成，在“微晶子”之間由硅酸塊過(guò)冷溶液所填充。16玻璃纖維結(jié)構(gòu)示意圖17大量資料證明，玻璃結(jié)構(gòu)是近似有序的。主要是因?yàn)樵诓ＡЫY(jié)構(gòu)中存在一定數(shù)量和大小比較有規(guī)則排列的區(qū)域，這種規(guī)則性是由一定數(shù)目的多面體遵循類似晶體結(jié)構(gòu)的規(guī)則排列造成的。但是，玻璃結(jié)構(gòu)的這種有序區(qū)域不像晶體結(jié)構(gòu)那樣有嚴(yán)格的周期性，微觀上是不均勻的，宏觀上卻又是均勻的，反映到玻璃的性能上是各向同性的。18②玻璃纖維的化學(xué)組成

化學(xué)組成主要是二氧化硅、三氧化二硼、氧化鈣、三氧化二鋁等。

化學(xué)組成對(duì)玻璃纖維的性質(zhì)和生產(chǎn)工藝起決定性作用，以二氧化硅為主的稱為硅酸鹽破璃，以三氧化二硼為主的稱為硼酸鹽玻璃。

氧化鈉、氧化鉀等堿性氧化物為助熔氧化物，它可降低玻璃的熔化溫度和粘度，使熔液中的氣泡容易排除。

助熔氧化物主要通過(guò)破壞玻璃骨架，使結(jié)構(gòu)疏松，從而達(dá)到助熔的目的。因此氧化鈉和氫化鉀的含量越高，玻璃纖維的強(qiáng)度、電絕緣性能和化學(xué)穩(wěn)定性都會(huì)相應(yīng)的降低。19加入氧化鈣、三氧化二鋁等，能在一定條件下構(gòu)成玻璃網(wǎng)絡(luò)的一部分，改善玻璃的某些性質(zhì)和工藝性能。例如，用氧化鈣取代二氧化硅．可降低拉絲溫度；加入三氧化二鋁可提高耐水性?？傊ＡЮw維化學(xué)成分的制定，一方面要滿足玻璃纖維物理和化學(xué)性能的要求，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性；另一方面要滿足制造工藝的要求，如合適的成型溫度、硬化速度及粘度范圍。201.3玻璃纖維的物理性能

優(yōu)點(diǎn)：拉伸強(qiáng)度高，防火、防霉、防蛀、耐高溫和電絕緣性能好等。

缺點(diǎn)：脆性，不耐腐，對(duì)皮膚有刺激性等。21(1)外觀和比重一般天然或人造的有機(jī)纖維，其表面都有較深的皺紋；而玻璃纖維表面呈光滑的圓柱，其斷面是完整的圓形。宏觀看來(lái)，由于表面光滑，纖維之間的抱合力非常小，不利于和樹脂粘結(jié)；又由于呈圓柱狀，空隙填充的較為密實(shí)，這對(duì)于提高復(fù)合材料的玻璃含量是有利的。

玻璃纖維直徑從1.5~25um，大多數(shù)為4~14um。

玻璃纖維的密度為2.16~4.30g／cm3，其比重較有機(jī)纖維大很多，但比一般的金屬比重要低，與鋁相比幾乎一樣。所以在航空工業(yè)上用復(fù)合材料代替鋁鈦合金就成為可能。22(2)表面積大由于玻璃纖維的表面積大，使得纖維表面處理的效果對(duì)性能的影響很大。23(3)玻璃纖維的力學(xué)性能①玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度玻纖最大特點(diǎn)是拉伸強(qiáng)度高。一般玻璃制品的拉伸強(qiáng)度40~100MPa，而直徑3~9um的玻璃纖維強(qiáng)度達(dá)1500~4000MPa，較一般合成纖維高約10倍，比合金鋼還高2倍。24②玻璃纖維高強(qiáng)的原因

玻璃纖維高強(qiáng)的原因，主要有微裂紋假說(shuō)。

微裂紋假說(shuō)認(rèn)為，玻璃的理論強(qiáng)度取決于分子或原子間的引力，其理論強(qiáng)度很高，可達(dá)到200~l200kg／mm2。但通常情況下，玻璃或玻璃纖維的實(shí)測(cè)強(qiáng)度很低。這是因?yàn)?，在它們?dāng)中，存在著數(shù)量不等，尺小不同的微裂紋，從而大大降低了其強(qiáng)度。25

微裂紋分布在破璃或玻璃纖維的整個(gè)體積內(nèi)，但以表面的微裂紋危害最大。出于微裂紋的存在，使玻璃在外力作用下受力不均，在危害最大的微裂紋處，產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而使強(qiáng)度下降。

玻璃纖維比玻璃的強(qiáng)度高很多，主要有兩方面的原因：Ａ、玻璃纖維高溫成型時(shí)減少了玻璃溶液的不均一性，使微裂紋產(chǎn)生的機(jī)會(huì)減少。Ｂ、玻璃纖維的斷面較小，隨著表面積的減小，使微裂紋存在的幾率也減少，從而使纖維強(qiáng)度增高。26③影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素A、一般情況，玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度隨直徑變細(xì)而拉伸強(qiáng)度增加，如下表所示：玻璃纖維拉伸強(qiáng)度與直徑的關(guān)系27B、拉伸強(qiáng)度也與纖維的長(zhǎng)度有關(guān)，隨著長(zhǎng)度增加拉伸強(qiáng)度顯著下降。如下表所示：

玻璃纖維拉伸強(qiáng)度與長(zhǎng)度的關(guān)系解釋：隨著纖維直徑的減小和長(zhǎng)度的縮短，纖維中微裂紋的數(shù)量和大小就會(huì)相應(yīng)地減小，這樣強(qiáng)度就會(huì)相應(yīng)地增加。28

Ｃ、化學(xué)組成對(duì)強(qiáng)度的影響含堿量越高，強(qiáng)度越低。無(wú)堿玻璃纖維比有堿玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度高20%。玻璃纖維纖維直徑(μm)拉伸強(qiáng)度(MPa)無(wú)堿5.012000有堿4.701600無(wú)堿玻璃纖維成型溫度高、硬化速度快、結(jié)構(gòu)鍵能大氧化鈉、氧化鉀等堿性氧化物為助熔氧化物，它主要通過(guò)破壞玻璃骨架，使結(jié)構(gòu)疏松，從而達(dá)到助溶的目的。氧化鈉和氧化鉀的含量越高，強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)的降低29

D、纖維老化的影響

當(dāng)纖維存放一段時(shí)間后，會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度下降的現(xiàn)象，稱為纖維的老化。

纖維的老化主要取決于纖維對(duì)大氣水分的化學(xué)穩(wěn)定性。例如，直徑6um的無(wú)堿玻璃纖維和含17％的Na2O有堿纖維，在空氣濕度為60％~65％的條件下存放，無(wú)堿玻璃纖維存放后強(qiáng)度基本不變，而有堿纖維強(qiáng)度不斷下降。強(qiáng)度變化的原因，主要是由于二種纖維對(duì)大氣水分的化學(xué)穩(wěn)定性不同所致。30E、纖維的疲勞影響

玻璃纖維的疲勞一般是指纖維強(qiáng)度隨施加負(fù)荷時(shí)間的增加而降低的情況。纖維疲勞現(xiàn)象是普遍的，當(dāng)相對(duì)濕度為60~65%時(shí)，玻璃纖維在長(zhǎng)期張力作用下，都會(huì)有很大程度的疲勞。玻璃纖維疲勞的原因，在于吸附作用的影響，即水分吸附并滲透到纖維微裂紋中，在外力的作用下，加速裂紋的擴(kuò)展。玻璃纖維疲勞的程度取決于微型紋擴(kuò)展和范圍。這與應(yīng)力、尺寸、濕度、介質(zhì)種類等方面有關(guān)。31

(4)玻璃纖維的耐磨性與耐折性玻璃纖維這兩個(gè)性能都很差，經(jīng)過(guò)揉搓摩擦容易受傷或斷裂，這是玻纖的嚴(yán)重缺點(diǎn)。當(dāng)表面吸附水分后能加速微裂紋擴(kuò)展，使纖維耐磨性和耐折性降低。改進(jìn)柔性以的措施：的表面處理；如經(jīng)0.2％陽(yáng)離子活性劑水溶液處理后，玻璃纖維的耐磨性比未處理的高200倍。如玻璃纖維直徑為9um時(shí)，其彎曲半徑為0.094mm；而超細(xì)纖維直徑為3.6um時(shí)，其彎曲半徑為0.038mm。32(5)玻璃纖維的電性能玻璃纖維的導(dǎo)電性主要取決于化學(xué)組成、溫度和濕度。

無(wú)堿纖維的電絕緣性能比有堿纖維優(yōu)越得多:因?yàn)闊o(wú)堿纖維中堿金屬離子少的緣故。玻璃纖維的電阻率隨著溫度的升高而下降。在玻璃纖維的化學(xué)組成中，加入大量的氧化鐵、氧化鉛、氧化銅、氧化銀或氧化釩，會(huì)使纖維具有半導(dǎo)體性能。在玻璃纖維上涂敷金屬或石墨，能獲得導(dǎo)電纖維。33(6)玻璃纖維及制品的光學(xué)性能

玻璃是優(yōu)良的透光材料，但制成玻璃纖維制品后，其透光性遠(yuǎn)不如玻璃。由于玻璃纖維具有優(yōu)良的光學(xué)性能，因而可以制成各種采光材料、導(dǎo)光管以傳送光束或光學(xué)物像。這在現(xiàn)代通信技術(shù)等方面也得到了廣泛應(yīng)用。341.4玻璃纖維的化學(xué)性能

玻璃纖維除對(duì)氫氟酸、濃堿、濃磷酸外，對(duì)所有化學(xué)藥品和有機(jī)溶劑都有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)假說(shuō)可知，二氧化硅四面體相互連結(jié)構(gòu)成玻璃纖維結(jié)構(gòu)的骨架，它是很難與水、酸(H3PO3，HF除外)起反應(yīng)的。當(dāng)侵蝕介質(zhì)與玻璃纖維制品作用時(shí)，多數(shù)是溶解玻璃纖維結(jié)構(gòu)中的金屬離子或破壞硅酸鹽部分；對(duì)于濃堿溶液、氫氟酸、磷酸等，將使玻璃纖維結(jié)構(gòu)全部溶解。35影響玻璃纖維化學(xué)穩(wěn)定性的因素:A．玻璃纖維的化學(xué)成分；B、纖維表面情況；C、侵蝕介質(zhì)體積和溫度；D．玻璃纖維紗的規(guī)格及性能。

二氧化硅含量多能提高玻璃纖維的化學(xué)穩(wěn)定性，而堿金屬氧化物則會(huì)使化學(xué)穩(wěn)定性降低。無(wú)堿與中堿玻璃纖維性能對(duì)比36

玻璃是非常好的耐腐蝕材料，但玻璃纖維很差。這主要是由于玻璃纖維的比表面積大所造成的。例如，１克重的2mm厚的玻璃，只有5.1cm2表面積；而１克玻璃纖維(直徑5um)的表面積則有3100cm2，表面積增大了608倍。也就是說(shuō)玻璃纖維受侵蝕介質(zhì)作用的面積比玻璃大608倍。因此，玻璃纖維的耐腐蝕性能比塊玻璃差很多。372、碳纖維2.1概述

碳纖維的歷史可追溯到19世紀(jì)末期，愛(ài)迪生發(fā)明的白熾燈燈絲，而真正作為有使用價(jià)值并規(guī)模生產(chǎn)的碳纖維，則出現(xiàn)在二十世紀(jì)50年代末期。38

碳纖維是有機(jī)纖維經(jīng)固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變而成纖維狀聚合物碳。

碳纖維不屬于有機(jī)纖維，但從制備上又不同于無(wú)機(jī)纖維。碳纖維具有重量輕、比強(qiáng)度大、模量高、耐熱性高；化學(xué)穩(wěn)定性好，除硝酸等少數(shù)強(qiáng)酸外，幾乎對(duì)所有藥品均穩(wěn)定；另外，碳纖維對(duì)堿也穩(wěn)定。

碳纖維制品具有非常優(yōu)良的X射線透過(guò)性，阻止中子透過(guò)性，還可賦予塑料以導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。

以碳纖維為增強(qiáng)劑的復(fù)合材料具有比鋼強(qiáng)、比鋁輕的特性，是一種目前最受重視的高性能材料之一。它在航空航天、軍事、工業(yè)、體育器材等許多方面有著廣泛的用途。39

2.2碳纖維的分類

商品化的碳纖維種類很多，一般可以根據(jù)：原絲的類型（聚丙烯腈基、粘膠基、瀝青基、木質(zhì)素纖維基、有機(jī)纖維基）；碳纖維的性能（高性能、低性能碳纖維）；碳纖維的用途（受力結(jié)構(gòu)、耐焰、活性、導(dǎo)電、潤(rùn)滑、耐磨）進(jìn)行分類。40

2.3碳纖維的制造

碳纖維是一種以碳為主要成分的纖維狀材料。它不同于有機(jī)纖維或無(wú)機(jī)纖維，不能用熔融法或溶液法直接紡絲，只能以有機(jī)物為原料，采用間接方法制造。

制造方法可分為：氣相法和有機(jī)纖維碳化法。

氣相法是在惰性氣氛，小分子有機(jī)物(如烴或芳烴等)在高溫下沉積，該方法只能制造晶須或短纖維，不能制造連續(xù)長(zhǎng)絲。41

有機(jī)纖維碳化法可以制造連續(xù)長(zhǎng)纖維，通常分為兩步：①將有機(jī)纖維經(jīng)過(guò)穩(wěn)定化處理變成耐焰纖維；②在惰性氣氛中，高溫焙燒碳化，使有機(jī)纖維失去部分碳和其它非碳原子，形成以碳為主要成分的纖維狀物。

天然纖維、再生纖維和合成纖維都可用來(lái)制備碳纖維。制備碳纖維時(shí)，選擇的條件是加熱時(shí)不熔融，可牽伸，且碳纖維產(chǎn)率高。42無(wú)論用哪一種原絲纖維來(lái)制造碳纖維，都要經(jīng)過(guò)五個(gè)階段：拉絲牽伸穩(wěn)定碳化石墨化干法、濕法或熔融狀態(tài)；100~300℃400℃1000~2000℃2000~3000℃預(yù)氧化以聚丙烯腈（PAN）為原料制造的碳纖維預(yù)氧化：200℃～300℃的氧化氣氛中，原絲受張力情況下進(jìn)行PAN的Tg低于100℃，分解前會(huì)軟化熔融，不能直接在惰性氣體中進(jìn)行碳化。先在空氣中進(jìn)行預(yù)氧化處理，轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的梯形六元環(huán)結(jié)構(gòu)，就不易熔融。加熱足夠長(zhǎng)時(shí)間，產(chǎn)生纖維吸氧作用，形成纖維分子間的化學(xué)鍵合。400℃～1900℃，惰性氣氛，除去氮、氫、氧等非碳元素碳化：46

2.4碳纖維的結(jié)構(gòu)與性能

(1)．碳纖維的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能

(2)．碳纖維的物理性能

(3)．碳纖維的化學(xué)性能47(1)．結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能

性能決定于結(jié)構(gòu):化學(xué)結(jié)構(gòu)、物理結(jié)構(gòu)。

碳纖維的結(jié)構(gòu)決定于原絲結(jié)構(gòu)與碳化工藝。進(jìn)行預(yù)氧化、碳化等的目的是，除去碳以外的元素，形成聚合多環(huán)芳香族平面結(jié)構(gòu)。過(guò)程中重量損失可達(dá)10％--80％，形成各種微小的缺陷。

高模量碳纖維中的碳分子平面總是沿纖維軸平行地取向。48

碳纖維結(jié)構(gòu)不是理想的石墨點(diǎn)陣，而是亂層石墨結(jié)構(gòu)。在亂層石墨結(jié)構(gòu)中，石墨層片是基本的結(jié)構(gòu)單元，若干層片組成微晶，微晶堆砌成直徑數(shù)十納米、長(zhǎng)度數(shù)百納米的原纖，原纖則構(gòu)成了碳纖維單絲，其直徑約數(shù)微米。實(shí)測(cè)碳纖維石墨層的面間距約0.339--0.342nm，比石墨晶體的層面間距(0.335nm)略大，各平行層面間的碳原子排列也不如石墨那樣規(guī)整。49

單晶石墨理論強(qiáng)度和模量分別為180ＧPa和1000GPa左右。而碳纖維的實(shí)際強(qiáng)度和模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于此理論值。這主要是由于纖維中的缺陷和原絲中的缺陷所造成的。

缺陷主要是指結(jié)構(gòu)不勻、微孔、裂縫、氣孔、雜質(zhì)等。

缺陷來(lái)自兩方面，一是原絲中的，二是在碳化中產(chǎn)生的。

原絲中的缺陷主要是在纖維成形過(guò)程中產(chǎn)生的。

在碳化時(shí)，纖維中會(huì)釋放出氣體物質(zhì)，在表面及內(nèi)部產(chǎn)生空穴等缺陷。50碳纖維的應(yīng)力--應(yīng)變曲線為一直線，由于伸長(zhǎng)小，斷裂過(guò)程在瞬間完成，所以碳纖維不容易發(fā)生屈服。碳纖維軸向分子間的結(jié)合力比石墨大，所以它的抗張強(qiáng)度和模量都明顯高于石墨；而碳纖維的徑向分子間作用力弱，抗壓性能較差，軸向抗壓強(qiáng)度僅為抗張強(qiáng)度的10％--30％，而且不能結(jié)節(jié)。51

(2)．碳纖維的物理性能比重1.5--2.0，取決于原絲結(jié)構(gòu)和碳化處理的溫度。經(jīng)過(guò)高溫(3000℃)石墨化處理，比重可達(dá)2.0。

碳纖維的熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱率有各向異性的特點(diǎn)。碳纖維的比電阻與纖維的類型有關(guān)。在25℃時(shí)，高模量碳纖維為775u·cm，高強(qiáng)度碳纖維為1500u·cm。

碳纖維的電位為正值，而鋁合金的電位為負(fù)值。因此當(dāng)碳纖維復(fù)合材料與鋁合金組合應(yīng)用時(shí)會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕。52

(3)．碳纖維的化學(xué)性能

碳纖維的化學(xué)性能與碳很相似。它除能被強(qiáng)氧化劑氧化外，對(duì)一般酸堿是惰性的。在空氣中，當(dāng)溫度高于400℃時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)明顯的氧化，生成CO和CO2。在不接觸空氣或氧化氣氛時(shí)，碳纖維具有突出的耐熱性。另外，碳纖維還有良好的耐低溫性能，如在液氮溫度下也不脆化。它還有耐油、抗放射、抗輻射、吸收有毒氣體和減速中子等特性。碳纖維的表面處理提高碳碳纖維與基體的結(jié)合強(qiáng)度。途徑：清除表面雜質(zhì)；在纖維表面形成微孔或刻蝕溝槽，從類石墨層面改性成碳狀結(jié)構(gòu)以增加表面能；引進(jìn)具有極性或反應(yīng)性官能團(tuán)；形成能與樹脂起作用的中間層。目的：3、芳綸纖維

芳綸纖維是指日前巳工業(yè)化生產(chǎn)并廣泛應(yīng)用的聚芳酰胺纖維、凱芙拉(Kevlar)纖維、芳綸纖維。55芳綸、芳綸--29、芳綸--49牌號(hào)纖維的用途各不相同：

芳綸：橡膠增強(qiáng)，制造輪胎、三角皮帶、同步帶等；

芳綸—29：繩索、電纜、涂漆織物、帶和帶狀物，以及防彈背心等。

芳綸—49：航空、宇航、造船工業(yè)的復(fù)合材料制件。

芳綸的總產(chǎn)量43％用于輪胎的簾子線(芳綸--29)，31％用于復(fù)合材料，17.5％用于繩索類和防彈衣，8.5％用于其他。以樹脂作為基體，芳綸纖維作為增強(qiáng)相所形成的增強(qiáng)塑料，簡(jiǎn)稱KFRP，它在航空航天方面的應(yīng)用，僅次于碳纖維，成為必不可少的材料。56（1）芳綸纖維的結(jié)構(gòu)芳綸纖維是對(duì)苯二甲酰與對(duì)苯二胺的聚合體，經(jīng)溶解轉(zhuǎn)為液晶紡絲而成。它的化學(xué)結(jié)構(gòu)式如圖：分子鏈由苯環(huán)和酰胺基按一定規(guī)律排列而成，具有良好的規(guī)整性。致使芳綸纖維具有高度的結(jié)晶性。鍵合在芳香環(huán)上剛硬的直線狀分子鍵在纖維軸向是高度定向的，各聚合物鏈?zhǔn)怯蓺滏I作橫向連結(jié)。

沿纖維方向的強(qiáng)共價(jià)鍵和橫向弱的氫鍵，造成芳綸纖維力學(xué)性能各向異性，即纖維的縱向強(qiáng)度高，而橫向強(qiáng)度低。57芳環(huán)結(jié)構(gòu)具有高剛性，使聚合物鏈呈伸展?fàn)顟B(tài)而非折疊狀態(tài)，形成棒狀結(jié)構(gòu)，因而纖維具有高的模量。芳綸分子鏈?zhǔn)蔷€性結(jié)構(gòu)，能有效地利用空間而具有高填充效率，單位體積內(nèi)容納更多聚合物，具有較高的強(qiáng)度。芳綸具有規(guī)整的晶體結(jié)構(gòu)，具有化學(xué)穩(wěn)定性、高溫尺寸穩(wěn)定性、不發(fā)生高溫分解等特點(diǎn)。高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、低密度高強(qiáng)高模耐高溫58（2）、芳綸纖維的力學(xué)性能特點(diǎn)是拉伸強(qiáng)度高。單絲強(qiáng)度可達(dá)3773MPa；254mm長(zhǎng)的纖維束的拉伸強(qiáng)度為2744MPa，大約為鋁的5倍。

沖擊性能好，為石墨纖維的6倍，硼纖維的3倍。

彈性模量高，達(dá)1.577MPa，為玻璃纖維2倍，碳纖維0.8倍。

斷裂伸長(zhǎng)在3％左右，接近玻璃纖維，高于其他纖維。

芳綸纖維與碳纖維混雜大大提高復(fù)合材料的沖擊性能。

芳綸纖維的密度?。?.44）。因此具有高比強(qiáng)度與比模量。59（3）、芳綸纖維的熱穩(wěn)定性

芳綸纖維有良好的熱穩(wěn)定性，耐火而不熔，當(dāng)溫度達(dá)487℃時(shí)尚不熔化，但開始碳化。

芳綸纖維在高溫作用下，不發(fā)生變形，直至分解。在低溫(-60℃)不發(fā)生脆化亦不降解。芳綸纖維的熱膨脹系數(shù)具有各向異性的特點(diǎn)。60（4）、芳綸纖維的化學(xué)性能

芳綸具有良好的耐介質(zhì)性能，但易受各種酸堿的侵蝕，尤其是強(qiáng)酸的侵蝕；芳綸的耐水性也不好，因?yàn)樵诜肿咏Y(jié)構(gòu)中存在極性酰氨基；

濕度對(duì)纖維的影響，類似于尼龍或聚酯。在低濕度(20％相對(duì)濕度)下芳綸纖維的吸濕率為1％，但在高濕度(85％相對(duì)濕度)下，可達(dá)到7％。614、碳化硅纖維SiC纖維是高強(qiáng)度、高模量纖維，有良好的耐化學(xué)腐蝕性、耐高溫和耐輻射性能。

碳化硅具有優(yōu)良的耐熱性能，在1000℃以下，其力學(xué)性能（拉伸強(qiáng)度和彈性模量）基本上不變，可長(zhǎng)期使用。相比于碳纖維和硼纖維，碳化硅纖維具有更好的高溫穩(wěn)定性，是一種較好的耐高溫材料。62碳化硅纖維具有良好的耐化學(xué)性能，在80℃下耐強(qiáng)酸(HCl、H2SO4、HNO3)；用30％NaOH浸蝕20小時(shí)后，纖維僅失重1％以下，其力學(xué)性能仍不變。碳化硅纖維與金屬在1000℃以下也不發(fā)生反應(yīng)，而且有很好的浸潤(rùn)性，有益于金屬的復(fù)合。此外，SiC纖維還具有半導(dǎo)體性能，與金屬相容性好，常用于金屬基和陶瓷基復(fù)合材料。63碳化硅纖維的應(yīng)用和制備應(yīng)用：具有耐高溫、耐腐蝕、耐輻射的三耐性能，是一種耐熱的理想材料。用碳化硅纖維編織成雙向和三向織物，巳用于高溫的傳送帶、過(guò)濾材料，如汽車的廢氣過(guò)濾器等。

碳化硅復(fù)合材料已應(yīng)用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、飛機(jī)螺旋槳等受力部件。

碳化硅纖維用于大口徑軍用步槍金屬基復(fù)合槍筒套管，M--1作戰(zhàn)坦克履帶、火箭推進(jìn)劑傳送系統(tǒng)等。制備：化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)的碳化硅纖維是直徑為95--140um的單絲；

燒結(jié)法生產(chǎn)的碳化硅纖維是直徑為10um的細(xì)纖維，一般由500根纖維組成的絲束為商品。645、硼纖維

力學(xué)性能好：強(qiáng)度高、模量高、密度小，耐高溫和耐中子輻射性能，是金屬基最早采用的高性能纖維。用硼鋁復(fù)合材料制成的航天飛機(jī)主艙框架強(qiáng)度高、剛性好，代替鋁合金骨架節(jié)省重量44％；在加熱的鎢絲表面通過(guò)化學(xué)反應(yīng)沉積硼層；缺點(diǎn)：工藝復(fù)雜，不易大量生產(chǎn)，其價(jià)格昂貴。由于鎢絲的密度大，硼纖維的密度也大。65

硼纖維的室溫化學(xué)穩(wěn)定性好，但表面具有活性，不需處理就能與樹脂復(fù)合，所得復(fù)合材料具有較高的層間剪切強(qiáng)度

目前已研究用碳纖維代替鎢絲，以降低成本和密度。

碳心硼比鎢絲硼纖維強(qiáng)度下降5%，成本降低25%。

硼纖維在常溫為惰性物質(zhì)，但在高溫下易與金屬反應(yīng)，因此，需在表面沉積SiC層。硼纖維主要用于聚合物基和金屬基復(fù)合材料。666、氧化鋁纖維以氧化鋁為主要纖維組分的陶瓷纖維統(tǒng)稱為氧化鋁纖維(1)耐熱性好，在空氣中加熱到1250℃還保持室溫強(qiáng)度的90%，碳纖維通常在400℃以上就氧化燃燒。(2)不被熔融金屬侵蝕，可與金屬很好地復(fù)合。(3)表面活性好，不需表面處理即能與樹脂和金屬?gòu)?fù)合。(4)具有極佳的耐化學(xué)腐蝕和抗氧化性，尤其在高溫下。(5)用氧化鋁增強(qiáng)的復(fù)合材料具有優(yōu)良的抗壓性能，是GFRP的三倍以上，耐疲勞強(qiáng)度高。(6)電氣絕緣、電波透過(guò)性好。67普通氧化鋅晶須四針狀氧化鋅晶須二、晶須增強(qiáng)體

晶須（Whiskers）是在人工控制條件下，以單晶形式生長(zhǎng)成的一種纖維。

晶須的直徑一般為幾微米，長(zhǎng)幾十微米，是一種無(wú)缺陷的理想完整晶體。68硼

酸

鋁

晶須鈦酸鉀晶須硼

酸

鎂

晶須碳酸鈣晶須69由于晶須的直徑非常小，所以不適合容納在大晶體中常出現(xiàn)的缺陷，因而強(qiáng)度接近于完整晶體的理論值。

近年來(lái)，晶須作為一種新型增強(qiáng)材料倍受青睞。自1948年美國(guó)貝爾電話公司的科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)晶須以來(lái)，材料學(xué)家們已研究開發(fā)出了