第二章 復(fù)合材料的增強(qiáng)體

第二章復(fù)合材料的增強(qiáng)體

增強(qiáng)體是結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中能提高材料力學(xué)性能的組分，在復(fù)合材料中起著增加強(qiáng)度、改善性能的作用。增強(qiáng)體的基本特征：能明顯提高材料的一種或幾種性能具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性具有良好的潤(rùn)濕性2.1增強(qiáng)體的概念

顆粒狀（零維）纖維、晶須狀（一維）片狀（二維）立體編織物（三維）無(wú)機(jī)非金屬類(lèi)(共價(jià)鍵)有機(jī)聚合物類(lèi)(共價(jià)鍵、高分子鏈)金屬類(lèi)(金屬鍵)。按形態(tài)分類(lèi)：按化學(xué)特征分類(lèi)：2.2增強(qiáng)體的分類(lèi)一、玻璃纖維（GlassFibers）一種性能優(yōu)異的無(wú)機(jī)非金屬材料具有不燃、耐高溫、電絕然、拉伸強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)良性能是將熔融的玻璃液，以極快的速度拉成細(xì)絲而成無(wú)普通玻璃的脆性，質(zhì)地柔軟而有彈性，可并股、加捻、紡織成各種玻璃布、玻璃帶等織物。2.3無(wú)機(jī)非金屬纖維

玻璃纖維的制造方法主要有玻璃球法(也稱(chēng)為坩堝拉絲法)和直接熔融法(也稱(chēng)為池窯拉絲法)。分類(lèi)：組成：SiO2+MetalOxides(Al2O3、CaO、MgO、Na2O、BeO、B2O3

）。有堿玻璃纖維，堿性氧化物含量>12%，也稱(chēng)為A玻璃纖維中堿玻璃纖維，堿性氧化物含量6~12%低堿玻璃纖維，堿性氧化物含量2~6%無(wú)堿玻璃纖維，堿性氧化物含量<2%，也稱(chēng)為E玻璃纖維按含堿量可分為：粗纖維，單絲直徑30μm初級(jí)纖維，單絲直徑30μm中級(jí)纖維，單絲直徑10~20μm高級(jí)纖維，單絲直徑3~10μm按單絲直徑可分為：按纖維的外觀可分為：無(wú)捻粗紗、有捻粗紗、短切纖維、空心玻璃纖維、玻璃粉及磨細(xì)纖維按纖維的特性分類(lèi)：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、耐高溫玻璃纖維、普通玻璃纖維特性：力學(xué)性能：拉伸強(qiáng)度高，模量低熱學(xué)性能：耐熱性?xún)H比聚合物好、良好的絕熱性、熱膨脹系數(shù)低電學(xué)性能：絕緣性好、良好的高頻介電性能。耐介質(zhì)性能：水中浸泡后，強(qiáng)度降低；除HF外，對(duì)酸、堿及有機(jī)溶劑有較好的耐腐蝕能力玻璃纖維紗玻璃纖維布玻璃纖維帶玻璃纖維管玻璃纖維氈玻璃纖維制品種類(lèi)水與玻璃纖維的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程：—Si—O—Na+H2O→—Si—OH+Na++OH-—Si—O—Si—+H2O→—Si—O—+—Si—OH—Si—O-

+H2O→—Si—OH+OH-影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素直徑：拉伸強(qiáng)度隨直徑降低而增加。長(zhǎng)度：拉伸強(qiáng)度隨長(zhǎng)度降低而增加?；瘜W(xué)組成：含堿量越高，強(qiáng)度越低。存放時(shí)間：纖維的老化，與含堿量有關(guān)。施加負(fù)荷時(shí)間：纖維的疲勞。玻纖的成型工藝和條件。瞄準(zhǔn)新材料之王碳纖維碳纖維是一種纖維狀碳材料。它是一種強(qiáng)度比鋼大、密度比鋁小、比不銹鋼耐腐蝕性強(qiáng)、比耐熱鋼耐高溫、又能像銅那樣導(dǎo)電，具有許多寶貴的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能的新型材料。碳纖維主要被制成碳纖維增強(qiáng)塑料這種復(fù)合材料來(lái)應(yīng)用。

二、碳纖維CarbonFibers分類(lèi)：按先驅(qū)體原料：黏膠基碳纖維、瀝青基碳纖維、聚丙烯腈基碳纖維和氣相生長(zhǎng)碳纖維。碳纖維：由有機(jī)纖維如黏膠纖維、瀝青纖維或聚丙烯腈（Polyacrylonitrile，PAN）纖維在保護(hù)氣氛（N2或Ar）下熱處理碳化成含碳量90－99％的纖維。按功能：受力結(jié)構(gòu)用碳纖維；耐焰（火）碳纖維；活性碳纖維（吸附活性）；導(dǎo)電用碳纖維；潤(rùn)滑用碳纖維；耐磨用碳纖維；耐腐蝕用碳纖維。高性能碳纖維（HP）中強(qiáng)型（MT）高強(qiáng)型（HT）超高強(qiáng)型（UHT）中模型（IM）高模型（HM）超高模型（UHM）按力學(xué)性能：通用級(jí)碳纖維（GP）UHMHMIMUHTHT拉伸模量/Gpa拉伸強(qiáng)度/Gpa含碳量/%﹥400300~400180~200200~350200~250﹥1.7﹥1.72.7~3.0﹥2.762.0~2.7599.899.096.594.599.0200-300℃，空氣中預(yù)氧化1150℃惰性氣體保護(hù)PAN基碳纖維的制備過(guò)程碳纖維的性能最突出的特點(diǎn)是強(qiáng)度和模量高、密度?。?.5～2.0g/cm3),因而比強(qiáng)度、比模量高。耐高低溫性能好，在惰性氣體保護(hù)下，2000℃任保持良好的力學(xué)性能。液氮下不脆斷。良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，且有方向性。耐腐蝕性，除了強(qiáng)氧化劑如濃硝酸、次氯酸外，一般的酸堿對(duì)它的作用小，較GF具有更好的耐腐蝕性。熱膨脹系數(shù)小，甚至為負(fù)值；摩擦系數(shù)小，耐水性比GF好。斷裂伸長(zhǎng)率低。碳纖維的不足之處是價(jià)格昂貴，比玻璃纖維貴25倍以上，因此大大限制了它的推廣應(yīng)用。此外碳纖維的抗氧化能力較差，在高溫下有氧存在時(shí)會(huì)生成二氧化碳。1958年C.P.Talley首先用化學(xué)氣相沉積（Chemicalvapourdeposition，簡(jiǎn)稱(chēng)CVD）方法研制成功高模量的硼纖維?，F(xiàn)在硼纖維通用的制備方法是在加熱的鎢絲、碳芯或鋁絲表面通過(guò)化學(xué)反應(yīng)沉積硼層。硼纖維的直徑有100μm、140μm、200μm幾種。三、硼纖維（BoronFibre，BF或Bf）2BCl3＋3H26HCl＋2B硼沉積的化學(xué)反應(yīng)：硼纖維具有很高的彈性模量和強(qiáng)度，但其性能受沉積條件和纖維直徑的影響，硼纖維的密度為2.4~2.65g/cm3，拉伸強(qiáng)度為3.2~5.2GPa，彈性模量為350~400GPa。主要用于金屬基復(fù)合材料?？v向壓縮強(qiáng)度高于任何纖維復(fù)合材料硼纖維具有耐高溫和耐中子輻射性能。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。直徑大、質(zhì)硬、不能編織，導(dǎo)致成型性差。目前已研究用碳纖維代替鎢絲，以降低成本和密度，結(jié)果表明，碳芯硼纖維比鎢絲硼纖維強(qiáng)度下降5%，但成本降低25%。硼纖維在常溫為較惰性物質(zhì)，但在高溫下易與金屬反應(yīng)，因此需在表面沉積SiC層，稱(chēng)之為Bosic纖維。硼纖維的缺點(diǎn)目前SiC纖維的生產(chǎn)有有機(jī)合成法和CVD法兩種。SiC纖維是高強(qiáng)度高模量的陶瓷纖維，有良好的耐化學(xué)腐蝕性、耐高溫和耐輻射性能。最高使用溫度為1250℃，在1200℃其拉伸強(qiáng)度和彈性模量均無(wú)明顯下降，因此比碳纖維和硼纖維具有更好的高溫穩(wěn)定性。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。四、碳化硅纖維（SiliconCarbideFibre，SF或SiCf）氧化鋁纖維是多晶連續(xù)陶瓷纖維，除Al2O3外常含有約15%的SiO2。具有優(yōu)良的耐熱性和抗氧化性，直到1370℃強(qiáng)度仍下降不大。缺點(diǎn)是在所有纖維中密度最大,3-4g/cm3

。主要用于金屬基復(fù)合材料。五、氧化鋁纖維（AluminiaFibre，AF或（Al2O3）f）①芳香族酰胺纖維（AromaticPolymideFibre,Aramid,Kevlar（Dupont）,KF）化學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：含有大量苯環(huán)，內(nèi)旋轉(zhuǎn)困難，為處于拉伸狀態(tài)的剛性伸直鏈晶體苯環(huán)與酰胺鍵交替排列對(duì)稱(chēng)性好，結(jié)晶性好分子間有氫鍵Kevlar2.4有機(jī)纖維：Kevlar纖維、聚乙烯纖維

Kevlar纖維-49的性能力學(xué)性能彈性模量高，CF＞Ef＝125Gpa≈2GF拉伸強(qiáng)度高，3620Mpa，與S-GF、CF-Ⅱ相當(dāng)密度小，1.45g/㎝3,低于GF、CF良好的韌性各向異性抗蠕變、疲勞性能好抗壓性能、抗扭性能較低－－芳綸的致命弱點(diǎn)。Kevlar纖維的制造過(guò)程：這種纖維用干噴濕紡法職稱(chēng)，具體工藝流程如下：將原料溶于濃硫酸中，制成各向異性液晶紡絲液→擠壓噴絲→干濕紡→溶劑萃取與洗滌→干燥→Kevlar29纖維→在氮?dú)獗Ｗo(hù)下經(jīng)550℃熱處理→Kevlar49纖維2）熱性能良好的熱穩(wěn)定性和耐低溫性。Tc427℃,Tm570℃，直至分解不變形Td500℃,-196℃不變脆，仍能保持其性能。3）化學(xué)性能除強(qiáng)酸強(qiáng)堿以外，不受任何有機(jī)溶劑、油類(lèi)的影響。因大量苯環(huán)存在，耐紫外光差，吸收水分后，破壞氫鍵，纖維強(qiáng)度降低。聚乙烯纖維是目前國(guó)際上最新的超輕、高比強(qiáng)度、高比模量纖維，成本也比較低。通常聚乙烯纖維的分子量大于106，纖維的拉伸強(qiáng)度為3.5GPa，彈性模量為100GPa，延伸率為3.4%，密度為0.97g/cm3。在纖維材料中，聚乙烯纖維具有高比強(qiáng)度、高比模量以及耐沖擊、耐磨、自潤(rùn)滑、耐腐蝕、耐紫外線(xiàn)、耐低溫、電絕緣等多種優(yōu)異性能。其不足之處是熔點(diǎn)較低（約135℃）和高溫容易蠕變。因此僅能在100℃以下使用。②超高相對(duì)分子量聚乙烯纖維（Polyethylene,UHMWPE）各種纖維性能比較各種纖維的柔韌性及斷裂從圖所示的纖維的應(yīng)力一應(yīng)變曲線(xiàn)表明，各種纖維在拉伸斷裂前不發(fā)生任何屈服。從拉斷后纖維的TEM觀察發(fā)現(xiàn)，僅Kevlar49纖維呈韌性斷裂。而碳纖維和玻璃纖維幾乎就是理想的脆性斷裂，斷裂時(shí)不發(fā)生截面積的縮小。由圖還可以比較各種纖維的彈性模量大小。

比強(qiáng)度和比模量是纖維性能的一個(gè)重要指標(biāo)。聚乙烯纖維具有最佳的比強(qiáng)度和比模量搭配，碳纖維的比模量最高。氧化鋁纖維由于密度最大，因而比模量和比強(qiáng)度較低，比模量最低的是玻璃纖維。晶須（Wisker）是指具有一定長(zhǎng)徑比（一般大于10）和截面積小于52×10-5cm2的單晶纖維材料。具有實(shí)用價(jià)值的晶須直徑約為1～10μm，長(zhǎng)度與直徑比在5～1000之間。晶須是含缺陷很少的單晶短纖維，其拉伸強(qiáng)度接近其純晶體的理論強(qiáng)度。2.5晶須增強(qiáng)體

金屬晶須（如Ni、Fe、Cu、Si、Ag、Ti、Cd）氧化物晶須（如MgO、ZnO、BeO、Al2O3、TiO2）陶瓷晶須（如碳化物晶須SiC、TiC、ZrC、WC）硼化物晶須（如TiB2、ZrB2、TaB2、CrB、NbB2）無(wú)機(jī)鹽類(lèi)晶須（如K2Ti6O13和Al18B4O33）。晶須的制備方法有化學(xué)氣相沉積（CVD）法、溶膠—凝膠法、氣液固（VLS）法、液相生長(zhǎng)法、固相生長(zhǎng)法和原位生長(zhǎng)法等。晶須分類(lèi)：1）剛性顆粒增強(qiáng)體（RagidParticleReinforcement）。顆粒增強(qiáng)體主要是指具有高強(qiáng)度、高模量、耐熱、耐磨、耐高溫的陶瓷和石墨等非金屬顆粒，如碳化硅、氧化鈦、氮化硅、石墨、細(xì)金剛石等。用以改善基體材料性能的顆粒狀材料，稱(chēng)為顆粒增強(qiáng)體（ParticleReinforcement）2.6顆粒增強(qiáng)體

顆粒增強(qiáng)體以很細(xì)的粉末（一般在10μm以下）加入到基體中起提高耐磨、耐熱、強(qiáng)度、模量等作用。如在Al合金中加入體積為30%，粒徑為0.3μm的Al2O