復(fù)合材料的增強(qiáng)體有機(jī)纖維.ppt

1、1,增強(qiáng)材料共分為三類： 纖維及其織物 晶須 顆粒,分為有機(jī)纖維和無(wú)機(jī)纖維,要點(diǎn)回顧,2,（一） 無(wú)機(jī)纖維 1、玻璃纖維 2、 特種玻璃 纖維 3、 碳纖維 4 、 硼纖維 5 、氧化鋁纖維 6、碳化硅纖維 7 、氮化硼纖維 8、其他纖維,3,4.1 概述 4.2 硼纖維的制造 4.3 硼纖維的組織結(jié)構(gòu) 4.4 硼纖維的性能 4.5 硼纖維的應(yīng)用,4. 硼纖維,4,4.1 概述 硼： 是一種脆性材料，原子序數(shù)為5，相對(duì)原子量10.8，熔點(diǎn)2000oC以上，電的半導(dǎo)體。 硼很難直接制成纖維。,5,硼纖維： 通過(guò)化學(xué)氣相沉積（chemical vapor deposition，CVD）的方法，在超

2、細(xì)的異質(zhì)芯材上獲得表面為硼的復(fù)合纖維。 芯材： 有鎢絲、碳絲、涂鎢及涂碳的石英玻璃纖維。硼纖維是高強(qiáng)度和高模量的無(wú)機(jī)纖維，其模量比玻璃纖維約高57倍。,6,硼纖維研制歷史 1956年最早制成，1959年美國(guó)TELLY首先發(fā)表了用化學(xué)氣相沉積法制造高性能硼纖維的論文，并受到了美國(guó)空軍材料實(shí)驗(yàn)室的高度重視，積極推進(jìn)硼纖維及其復(fù)合材料的研制。1966年應(yīng)用于航天工業(yè)，是應(yīng)航天領(lǐng)域?qū)Σ牧先找鎳?yán)苛的要求而發(fā)展起來(lái)的，是制造金屬?gòu)?fù)合材料最早采用的高性能纖維。 硼纖維的制備問(wèn)題： 現(xiàn)在硼纖維通用的制備方法CVD法，這種制備法硼纖維生產(chǎn)率低，且須對(duì)表面進(jìn)行特殊處理（防止表面氧化及機(jī)械損傷）。,7,4.2 硼纖

3、維的制造 制備工藝： CVD法制備硼纖維，是以氫氣為還原劑，從三鹵化硼中還原出硼并沉積在炙熱的芯材上，所需溫度約為1160oC。 2BX3 + 3H2 2B + 6HX 上式中，X為鹵素原子（Cl、Br、I）。 硼纖維的直徑有100m、140m、200m幾種。,8,4.3 硼纖維的組織結(jié)構(gòu) 硼纖維的組織和結(jié)構(gòu)受其制備的工藝參數(shù)影響很大，由此產(chǎn)生的一些結(jié)構(gòu)缺陷和組織不規(guī)則性都可降低纖維的力學(xué)性能。因此，硼纖維制備過(guò)程中的工藝參數(shù)很關(guān)鍵,9,（1）硼纖維的形貌： 硼纖維是由一些邊界分開的、不規(guī)則的 小結(jié)節(jié) 構(gòu)成“玉米棒”結(jié)構(gòu)，因此表面粗燥。小結(jié)節(jié)是硼在沉積過(guò)程中成核并逐漸長(zhǎng)大的，直徑為37微米，高

4、13微米，節(jié)間溝深0.250.75微米。,圖3.4 硼纖維的表面形貌和斷口形貌,10,（2）硼纖維的結(jié)構(gòu) 硼纖維的無(wú)定形結(jié)構(gòu)實(shí)際上是晶粒直徑為2納米的微晶結(jié)構(gòu)（主要是菱形六面體），菱形六面體的晶胞結(jié)構(gòu)的基本單元是一組由12個(gè)原子構(gòu)成的二十面體。 在鎢絲表面形成沉積的硼時(shí)往往在界面上有硼化鎢化合物的形成，這主要是硼在鎢絲表面擴(kuò)散形成的。,11,（3）硼纖維的殘余應(yīng)力： 采用CVD法制備硼纖維事，存在著較大的殘余應(yīng)力。 使用鎢芯時(shí)，鎢芯為壓縮應(yīng)力，硼覆蓋層為周向拉伸應(yīng)力（硼化鎢的形成產(chǎn)生體積膨脹）； 碳絲芯材時(shí)，碳與硼不反應(yīng)，但熱膨脹不匹配，在碳芯中形成很大的拉伸殘余應(yīng)力，覆蓋層中外部為壓縮應(yīng)力（

5、硼纖維被拉出后冷淬形成的）。 硼覆蓋層中的這種壓縮應(yīng)力有利于阻止裂紋在外表面擴(kuò)展,12,（4）硼纖維的結(jié)構(gòu)缺陷： 包括表面缺陷和芯材與覆蓋層之間的界面缺陷。對(duì)硼纖維表面進(jìn)行化學(xué)處理，表面缺陷被腐蝕掉，硼纖維的性能將有所提高。 （5）硼纖維的表面涂層： 由于硼的表面能高，所以在制備復(fù)合材料時(shí)硼纖維容易被基體材料所浸潤(rùn)，但同時(shí)也容易與多數(shù)金屬（如鋁、鎂、鈦等）強(qiáng)烈反應(yīng)。因此硼纖維表面必須進(jìn)行涂層制備，包括：BN、SiC、B4C等。,13,4.4 硼纖維的性能 化學(xué)穩(wěn)定性： 室溫下硼纖維的化學(xué)穩(wěn)定性好，但表面具有活性，不需要處理就可與樹脂復(fù)合，其復(fù)合材料具有較高的層間剪切強(qiáng)度。但在高溫下易與大多數(shù)金

6、屬反應(yīng)，需要在纖維表面沉積保護(hù)涂層，如BN、SiC和B4C等。,14,抗氧化和高溫性能： 硼纖維的這兩種性能較差，在400C時(shí)可保持室溫強(qiáng)度的80%；在高于500C的氧化氣氛中幾分鐘其強(qiáng)度就迅速下降；在650C時(shí)將失去所有的性能。 模量：比S玻璃纖維高45倍。 制造成本：較高，下降的潛力也不大。,15,表3.6直徑為100微米鎢芯硼纖維的性能,表3.7 改進(jìn)的特大直徑鎢芯硼纖維的性能,16,4.5 硼纖維的應(yīng)用 硼纖維主要用于聚合物基和鋁基復(fù)合材料。 由于 卓越的性能 和 昂貴的價(jià)格，硼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料主要用于航空航天、軍事領(lǐng)域。 應(yīng)用實(shí)例：轟炸機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)的水平尾翼。硼纖維增強(qiáng)鋁基時(shí)一般帶有碳

7、化硅涂層，以避免硼纖維與鋁、鎂等基體之間產(chǎn)生有害的界面反應(yīng)；硼纖維增強(qiáng)鈦時(shí)一般帶有B4C涂層，基體常用Ti-6Al-4V合金。,17,5.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( Aluminia Fibre, AF或( Al2O3 )f )。,18,通常情況下，將氧化鋁含量大于70的纖維相稱為氧化鋁纖維； 將氧化鋁含量小于70，其余為二氧化硅和少量雜質(zhì)的纖維稱為硅酸鋁纖維。,19,氧化鋁纖維的特點(diǎn) (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。,20,(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

8、，不需要進(jìn)行表面處理，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，尤其在高溫條件這些性能更為突出。,21,(5)用氧化鋁增強(qiáng)的復(fù)合材料具有優(yōu)良的抗壓性能，壓縮強(qiáng)度比GFRP高，是GFRP的三倍以上，耐疲勞強(qiáng)度高，經(jīng)107次重復(fù)交變加載后，強(qiáng)度不低于靜強(qiáng)度的70。,22,(6) 電氣絕緣、電波透過(guò)性好。 與玻璃鋼相比，它的介電常數(shù)和損耗值小，且隨頻率的變化小，電波透過(guò)性更好。,23,氧化鋁纖維的分類及制造方法 氧化鋁纖維按照纖維的長(zhǎng)短可分為連續(xù)氧化鋁纖維和氧化鋁短纖維兩種。氧化鋁纖維的制備方法較多，制備的晶型有-Al2O3、-Al2O3、- Al2O3,24,連續(xù)氧化鋁纖維的制

9、備方法主要有如下幾種 拉晶法（Typo）：采用制造單晶的方法制備氧化鋁纖維，是單晶結(jié)構(gòu)； 溶液紡絲法：日本住友公司使用的、通過(guò)先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備的氧化鋁纖維，其結(jié)構(gòu)為粒徑為5納米的超微粒子聚集而成，屬于一種凝聚結(jié)構(gòu)。 溶膠-凝膠法（3M）：美國(guó)3M公司采用該方法制備了氧化鋁纖維，其結(jié)構(gòu)為多晶混合結(jié)構(gòu)。,25,混合液紡絲法：將金屬氧化物與聚合物溶液混合成一定黏度的溶液，用擠壓紡絲的方法從紡絲孔直接擠出纖維，再以高溫?zé)Y(jié)形成； 基體纖維浸漬溶液法：用無(wú)機(jī)鋁鹽溶液浸漬有機(jī)基體纖維，然后高溫?zé)Y(jié)除去基體纖維而得到陶瓷纖維。溶液多為水溶液，基體纖維多為親水性良好的黏膠纖維。采用此法可以得到強(qiáng)度較高的連續(xù)纖

10、維。與混合液法相比工藝簡(jiǎn)單，容易推廣。,26,氧化鋁短纖維的制備方法主要有兩種 熔噴法：將氧化鋁和氧化硅按照一定比例混合均勻后，在電爐中高溫熔融，以壓縮空氣或高溫水蒸氣將熔體吹成細(xì)流，冷卻后即成為氧化鋁短纖維； 離心甩絲法：將熔融的液流落在高速旋轉(zhuǎn)的離心輥的表面，由于離心力的拉伸作用，使得熔體分散，經(jīng)二次或三次離心而制得纖維。此法工藝產(chǎn)量大，但設(shè)備比較復(fù)雜。,27,氧化鋁纖維的應(yīng)用 針對(duì)氧化鋁纖維特點(diǎn)，氧化鋁纖維適合于制造既需要輕質(zhì)高強(qiáng)又需要耐熱的結(jié)構(gòu)件。 用它制作雷達(dá)天線罩，其剛性比玻璃鋼高，透電波性能好，耐高溫。,28,若用氧化鋁纖維的復(fù)合材料制導(dǎo)彈殼體，則有可能不開天線窗，將天線裝在彈內(nèi)

11、。 目前，氧化鋁纖維的的用途正處于開發(fā)階段，不久的將來(lái)將在航空、航天、衛(wèi)星、交通和能源等部門得到廣泛應(yīng)用。,29,氧化鋁纖維不足之處是密度比較大，約為3.20 g / cm 3，是纖維中最大的一種。,30,6.碳化硅纖維 碳化硅纖維（Silicon Carbide Fibre，SF或SiCf）是以碳和硅為主要組分的一種陶瓷纖維。,31,6.1 碳化硅纖維的性能 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。,32,(1)力學(xué)性能 優(yōu)異力學(xué)性能（均勻分散的微晶凝聚力大）以在日本碳公司進(jìn)行中試生產(chǎn)，產(chǎn)品名稱尼卡綸為代表，其主要性能如下表所示：,33,尼卡綸的一般性質(zhì),從

12、表中可看出，尼卡綸的強(qiáng)度與韌性接近于硼纖維。,34,表 各種SiC纖維的力學(xué)性能比較,35,(2)熱性能 碳化硅纖維具有優(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。 當(dāng)溫度超過(guò)1300時(shí)，由于SiC微晶長(zhǎng)大其性能才開始下降。因此，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。,36,(3)耐化學(xué)性能 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30NaOH浸蝕20小時(shí)后，纖維僅失重1以下，其力學(xué)性能仍不變。 碳化硅纖維與全屬在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

13、屬的復(fù)合。,37,(4)耐輻照和吸波性能 碳化硅纖維在通量為3.2 10 10中子/秒的快中子輻照1.5小時(shí)或以能量為105中子伏特，200納秒的強(qiáng)脈沖射線照射下，碳化硅纖維強(qiáng)度均無(wú)明顯降低。,38,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。,39,6.2 碳化硅纖維的制造方法 A、化學(xué)氣相沉積法（CVD法） B、燒結(jié)法(先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法),40,化學(xué)氣相沉積法：將基體絲連續(xù)通過(guò)玻璃管狀反應(yīng)器，并在加熱到1200 1300C的同時(shí)通入適量的氯硅烷與氫氣的混合反應(yīng)氣體，反應(yīng)氣體在熱絲上發(fā)生熱解反應(yīng)生成SiC并沉積在熱絲上形成帶有芯（絲）材的連續(xù)SiC纖維。生產(chǎn)的

14、碳化硅纖維是直徑為95-140 um的單絲。 CH3 SiCl3 + H2 SiC + HCl + 燒結(jié)法：1975年由日本的關(guān)島教授首先研制成功。纖維呈束狀，每束500根左右，每根纖維 10 um 左右。先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備碳化硅纖維工藝流程：聚碳硅烷合成、聚碳硅烷紡絲、不熔化處理、燒結(jié)等階段。,41,碳化硅纖維的主要生產(chǎn)國(guó)是美、日兩國(guó)。 美國(guó)Texton公司是碳化硅單絲的主要生產(chǎn)廠。碳化硅纖維的系列產(chǎn)品是SCS2，SCS6等，并研究發(fā)展碳化硅纖維增強(qiáng)鋁、鈦基復(fù)合材料。,42,日本碳公司是利用燒結(jié)法生產(chǎn)碳化硅纖維的主要廠家，系列商品名為Nicalon纖維和Tyranno纖維。 80年代末，日本又

15、發(fā)展了含Ti碳化硅纖維。碳化硅纖維雖有其性能特點(diǎn)，但價(jià)格昂貴，應(yīng)用尚未廣泛。,43,6. 3 碳化硅纖維的結(jié)構(gòu) 研究表明碳化硅纖維中含有SiC微晶及少量石墨微晶和石英微晶，這些微晶大小約為5納米左右，因此可以認(rèn)為 碳化硅纖維是由SiC微晶、少量石墨微晶和石英微晶組成的均勻分散體。,44,6. 4 碳化硅纖維的應(yīng)用 由于碳化硅纖維具有耐高溫、耐腐蝕、耐輻射的三耐性能，是一種耐熱的理想材料。適合于制備樹脂、金屬及陶瓷基復(fù)合材料。,45,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。,46,在軍

16、事上，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)，先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)的垂直安定面，導(dǎo)彈尾部，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼，魚雷殼體等。,47,7、氮化硼纖維 氮化硼纖維是20 世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的無(wú)機(jī)纖維，該纖維具有優(yōu)良的機(jī)械性能、耐熱性能、抗氧化性能、耐腐蝕性能以及獨(dú)特的電性能等，可用作金屬基、陶瓷基、聚合物基復(fù)合材料的增強(qiáng)材料.,48,氮化硼的結(jié)構(gòu)類似于石墨，而氮化硼的耐氧化性能比石墨優(yōu)越。 石墨纖維在空氣中400時(shí)氧化性能開始降低，而氮化硼纖維在850的空氣中才開始氧化。,49,石墨纖維被氧化時(shí)產(chǎn)生氣體，不形成表面的保護(hù)層；而氮化硼纖維在氧化過(guò)程中具有增重現(xiàn)象

17、。這是因?yàn)樾纬裳趸鸨Ｗo(hù)層，可以防止深度氧化。 在惰性或還原性氣氛中，氮化硼纖維直到2500纖維的性能是穩(wěn)定的。,50,氮化硼纖維的強(qiáng)度和模量接近于玻璃纖維，但是它的多晶性質(zhì)使它具有較好的耐腐蝕性能。它的密度為1.4 2.0 g / cm3，用其制備的復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)。,51,氮化硼纖維具有優(yōu)異的電性能，直到2000纖維還具有極好的電絕緣性能； 氮化硼纖維還具有很低的介電損耗和介電常數(shù)，是耐燒蝕天線窗的理想材料。,52,8、 其他纖維 陶瓷纖維 具有陶瓷化學(xué)成分的纖維稱為陶瓷纖維，如氧化鋯、氧化鈹、氧化鎂、氧化鈦和硼化鈦等纖維。,53,陶瓷纖維的特點(diǎn)是可耐12601790的高溫（在惰

18、性和氧化性氣氛中）、耐磨耐腐蝕性好和良好的物理機(jī)械性能，特別適合于陶瓷基復(fù)合材料。 陶瓷纖維的缺點(diǎn)是對(duì)裂紋等缺陷敏感，脆性大。,54, 金屬和鋼纖維 金屬和鋼的特點(diǎn)是導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好，塑性和抗沖擊性好。 鋼纖維常用于混凝土基復(fù)合材料。,55,用作復(fù)合材料增強(qiáng)體的金屬絲有高強(qiáng)鋼絲、不銹鋼絲和難熔金屬絲（如鎢、鉬等）。高強(qiáng)鋼絲和不銹鋼絲主要用來(lái)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，也可用來(lái)增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。 鎢絲增強(qiáng)鎳基耐熱合金是比較成功的金屬基復(fù)合材料。用鎢絲增強(qiáng)鎳基合金可以使高溫持久強(qiáng)度提高一倍以上，高溫蠕變性能也明顯提高。,56,表 各種金屬絲的性能,57,（一） 無(wú)機(jī)纖維 1、玻璃纖維 2、 特種玻璃 纖維

19、 3、 碳纖維 4 、 硼纖維 5 、氧化鋁纖維 6、碳化硅纖維 7 、氮化硼纖維 8、其他纖維,要點(diǎn)回顧,58,有機(jī)纖維 芳綸纖維 聚乙烯纖維,59,、芳綸纖維 芳綸纖維(aramid-fiber)是指目前已工業(yè)化生產(chǎn)并廣泛應(yīng)用的聚芳酰胺纖維。由芳香族聚酰胺樹脂紡成的纖維，國(guó)外稱為芳酰胺纖維。 國(guó)外商品牌號(hào)叫凱芙拉(Kevlar)纖維，我國(guó)暫命名為芳綸纖維。,60,芳綸纖維的歷史很短，發(fā)展很快。 1968午美國(guó)杜邦公司開始研制。 1972年以B纖維為名發(fā)表了專利并提供產(chǎn)品。1972年又研制了以PRD-49命名的纖維。 1973年正式登記的商品名稱為ARAMID纖維。 一種人工合成的長(zhǎng)鏈聚酰胺

20、纖維，其中至少85%的酰胺鍵直接與兩個(gè)苯環(huán)基團(tuán)連接。,61,ARAMID纖維包括三種牌號(hào)的產(chǎn)品，并重改名稱。 PRD-49-IV改稱為芳綸-29； PRD-49-III改稱為芳綸-49； B纖維改稱為芳綸。,62,芳綸、芳綸-29、芳綸-49這三種牌號(hào)纖維的用途各不相同。 芳綸主要用于橡膠增強(qiáng)，制造輪胎、三角皮帶、同步帶等； 芳綸-29主要用于繩索、電纜、涂漆織物、帶和帶狀物，以及防彈背心等。 芳綸-49用于航空、宇航、造船工業(yè)的復(fù)合材料制件。,63,自1972年芳綸纖維作為商品出售以來(lái)，產(chǎn)量逐年增加。 其原因是由于該纖維具有獨(dú)特的功能，使之廣泛應(yīng)用到軍工和國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門。,64,芳酰胺纖維

21、的分類 包括：全芳族聚酰胺纖維(Aramid)和雜環(huán)芳族聚酰胺纖維。 主要實(shí)用品種: 聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺(PPTA)，美國(guó)杜邦； 聚對(duì)苯甲酰胺(PBA)，美國(guó)杜邦； 對(duì)位芳酰胺共聚纖維 (Technora) ,日本帝人公司 聚對(duì)芳酰胺苯并咪唑 (CBM)和APMOC纖維 ，俄羅斯。,65,PPTA纖維的制備過(guò)程： 對(duì)苯二甲酰氯(TDC)或?qū)Ρ蕉姿?原料 對(duì)苯二胺(PPD)單體 強(qiáng)極性溶劑(如含有LiCI或CaCl2增溶劑 的N-甲基吡咯烷酮即NMP體系) 制備方法：低溫溶液縮聚法或直接縮聚反應(yīng)。,PPTA纖維制備,66,PPTA的合成 PPTA的原料為對(duì)苯二甲酰氯或?qū)Ρ蕉?、?qiáng)極性的酰胺類

22、溶劑(二甲基乙酰胺或六甲基磷酸胺)。 選用強(qiáng)極性的酰胺類溶劑，是為了將開始生成的聚合物留在溶液中。 合成后，生成聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺PPTA。 反應(yīng)式圖如下：,PTA聚合物經(jīng)過(guò)紡絲和熱處理，制得PPTA纖維。,67,68,紡絲 紡絲液由濃硫酸(濃度為100)與聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺(PPTA)組成，配成的液晶溶液稱為明膠。配比為PPTA/硫酸=20/100，PPTA在濃硫酸中形成向列型液晶態(tài)，聚合物呈一維取向有序排列。 紡絲有濕紡、干噴和干噴濕紡三種方法。 濕紡是將明膠經(jīng)針孔擠出，進(jìn)入冷凝液體中快速冷卻，最后在惰性氣體中熱處理； 干噴是將明膠由噴絲嘴噴出，經(jīng)過(guò)一段空氣快速拉伸使分子取向，最后進(jìn)行

23、熱處理； 干噴濕紡工藝是最常用的方法。,69,紡絲時(shí)，在剪切力作用下，PPTA極易沿作用力方向取向。采取干噴濕紡法液晶紡絲工藝，可抑制纖維中產(chǎn)生卷曲或折疊鏈，使分子鏈沿纖維的軸向進(jìn)一步高度取向，形成幾乎為100的次晶結(jié)構(gòu)。,干噴-濕紡工藝的過(guò)程是：,04,1cm,100,70,（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)式如下：,71,從上述化學(xué)結(jié)構(gòu)可知，芳綸纖維材料的基體結(jié)構(gòu)是長(zhǎng)鏈狀聚酰胺，即結(jié)構(gòu)中含有酰氨鍵，其中至少85的酰氨直接鍵合在芳香環(huán)上.,72,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

24、結(jié)。 這種在沿纖維方向的強(qiáng)共價(jià)鍵和橫向弱的氫鍵，是造成芳綸纖維力學(xué)性能各向異性的原因，即纖維的縱向強(qiáng)度高，而橫向強(qiáng)度低。,73,芳綸纖維的化學(xué)鏈主要由芳環(huán)組成。這種芳環(huán)結(jié)構(gòu)具有高的剛性，并使聚合物鏈呈伸展?fàn)顟B(tài)而不是折疊狀態(tài)，形成棒狀結(jié)構(gòu)，因而纖維具有高的模量。,74,芳綸纖維分子鏈?zhǔn)蔷€性結(jié)構(gòu)，這又使纖維能有效地利用空間而具有高的填充效率的能力，在單位體積內(nèi)可容納很多聚合物。這種高密度的聚合物具有較高的強(qiáng)度。,75,由于芳綸纖維具有規(guī)整的晶體結(jié)構(gòu)，因此，它具有化學(xué)穩(wěn)定性、高溫尺寸穩(wěn)定性、不發(fā)生高溫分解以及在很高溫度下不致熱塑化等特點(diǎn)。,76,通過(guò)電鏡對(duì)纖維觀察表明，芳綸是一種沿軸向排列的有規(guī)則的

25、褶疊層結(jié)構(gòu)。 這種褶疊層結(jié)構(gòu)的模型，可以很好地解釋橫向強(qiáng)度低、壓縮和剪切性能差及容易劈裂的現(xiàn)象。,77,78,(2) 芳綸纖維的性能特點(diǎn) A 、芳綸纖維的力學(xué)性能； 、 芳綸纖維的熱穩(wěn)定性； 、芳綸纖維的化學(xué)性能。,79,A 、芳綸纖維的力學(xué)性能 芳綸纖維的特點(diǎn)是拉伸強(qiáng)度高。單絲強(qiáng)度可達(dá)3773 MPa；254mm長(zhǎng)的纖維束的拉伸強(qiáng)度為2744 MPa，大約為鋁的5倍。 芳綸纖維的沖擊性能好，大約為石墨纖維的6倍，為硼纖維的3倍，為玻璃纖維0.8倍。,80,芳綸纖維的彈性模量高，可達(dá)1.27 1.577 MPa，比玻璃纖維高一倍，為碳纖維0.8倍。 芳綸纖維的斷裂伸長(zhǎng)在3左右，接近玻璃纖維，高

26、于其他纖維。,81,芳綸纖維與碳纖維混雜將能大大提高纖維復(fù)合材料的沖擊性能。 芳綸纖維的密度小，比重為1.44 1.45，只有鋁的一半。因此，它有高的比強(qiáng)度與比模量。,82,下表為芳綸纖維的基本性能,83,、 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。,84,因此，芳綸纖維在高溫作用下，不發(fā)生變形，直至分解。 如，能長(zhǎng)期在180下使用；在150下作用一周后強(qiáng)度、模量不會(huì)下降；即使在200下，一周后強(qiáng)度降低15，模量降低4； 另外，在低溫(-60)不發(fā)生脆化亦不降解。,85,和碳纖維一樣，芳綸纖維的熱膨脹系數(shù)具有各向異性的特點(diǎn)。 如，芳綸纖

27、維的縱向熱膨脹系數(shù)在0 100時(shí)為-2 10 -6 / ；在100 200時(shí)為-4 10 6 /。橫向熱膨脹系數(shù)為59 10 -6 /,86,、芳綸纖維的化學(xué)性能 芳綸纖維具有良好的耐介質(zhì)性能，對(duì)中性化學(xué)藥品的抵抗力一般是很強(qiáng)的，但易受各種酸堿的侵蝕，尤其是強(qiáng)酸的侵蝕；,87,芳綸纖維的耐水性也不好，這是由于在分子結(jié)構(gòu)中存在著極性酰氨基；耐光性差，暴露于可見光和紫外線時(shí)會(huì)產(chǎn)生光致降解，使其力學(xué)性能下降和顏色變化 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。,88,(3) 用 途 目前，芳綸纖維的總產(chǎn)量43用于輪胎的

28、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。,89,芳綸在復(fù)合材料中的應(yīng)用與展望 芳綸可應(yīng)用于先進(jìn)復(fù)合材料、防彈制品、纜繩、建材、傳送帶、特種防護(hù)服裝、體育運(yùn)動(dòng)器材和電子設(shè)備。 在先進(jìn)復(fù)合材料中，芳綸用于航空航天領(lǐng)域和戰(zhàn)略導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)材料、耐熱隔熱功能材料、制造飛機(jī)部件。也可與其他高級(jí)纖維一道制作混雜復(fù)合材料。芳綸應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域耐熱隔熱的功能材料，如芳綸短切纖維增強(qiáng)的三元乙丙 (EPDM)橡膠基復(fù)合材料的軟片或帶材，作為發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)絕熱層。,90,芳綸/環(huán)氧復(fù)合材料用于制造飛機(jī)部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)艙、發(fā)動(dòng)機(jī)整流罩、機(jī)翼與肌身整流罩、掛架整流罩、機(jī)翼前緣、襟翼、

29、方向舵和升降舵后緣、安定面翼尖、貨艙襯壁、天花板、應(yīng)急出口門和窗、發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)管道等。還用于直升機(jī)的機(jī)身外蒙皮、旋翼、尾槳葉片和雷達(dá)天線等。 芳綸廣泛用于混雜復(fù)合材料，如ARALL是以芳綸環(huán)氧無(wú)緯布與薄鋁板交疊鋪層、再熱壓制成的聚合物-金屬?gòu)?fù)合材料，稱為超混雜復(fù)合材料。,91,超混雜復(fù)合材料它是一種新型的結(jié)構(gòu)材料，具有許多優(yōu)異性能(比強(qiáng)度高、比模量高、疲勞壽命是鋁的1001000倍，阻尼和耐噪聲性能較鋁好，加工性能較芳綸/環(huán)氧好)；荷蘭和美國(guó)的多家飛機(jī)公司利用ARALL制造機(jī)翼下蒙皮以及機(jī)艙門。芳綸在造船工業(yè)中應(yīng)用于游艇、賽艇、帆船、小型漁船、救生艇、充氣船、巡邏艇的舶殼材料；戰(zhàn)艦及航空母艦

30、的防護(hù)裝甲以及聲納導(dǎo)流罩等。,92,芳綸在汽車工業(yè)中用作橡膠輪胎的簾子線。芳綸在體育運(yùn)動(dòng)器材方面用作弓箭、弓弦、羽毛球拍；與其他纖維混雜的復(fù)合材料制作高爾夫球棍、滑雪板、雪橇、自行車架和輪轂等。 芳綸在電子設(shè)備方面用作集成電路和低膨脹系數(shù)的印刷電路板，揚(yáng)聲器的喇叭盆。,改善芳綸性能的途徑是： 對(duì)PPTA引入第三組分進(jìn)行共聚、共混； 合成新型的芳綸； 研制PPTA纖維與其他纖維混雜增強(qiáng)的復(fù)合材料； 對(duì)PPTA纖維進(jìn)行表面處理。,93,94,95,芳綸纖維布,芳綸手套,芳綸繩索、環(huán)形帶（套管）,96,芳綸纖維光纜,97,2. 聚乙烯纖維（Polyethylene, PE）,聚乙烯纖維又稱超高分子量

31、聚乙烯纖維(簡(jiǎn)記為UHMWPE纖維)是指平均分子量在106以上的聚乙烯所紡出的纖維。工業(yè)上多采用3X106左右分子量。超高分子量聚乙烯纖維的制造方法是凍膠紡絲超倍熱拉伸技術(shù)。這種技術(shù)首先由荷蘭國(guó)家礦業(yè)(DSM)公司開發(fā)，1979年獲得專利。 20世紀(jì)80年代中期，美國(guó)Allied公司通過(guò)技術(shù)改進(jìn)，建立了世界上第一個(gè)生產(chǎn)超高分子量聚乙烯纖維的中試裝置投入商品化生產(chǎn)，所開發(fā)的產(chǎn)品商品名Spectra 900和Spectral000，1988年開始應(yīng)用。,98,20世紀(jì)80年代初，我國(guó)開始研制超高分子量聚乙烯纖維。94年建成工業(yè)化實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)線。超高分子量聚乙烯纖維的制備超高分子量聚乙烯纖維是以平均分子

32、量大于106的粉狀UHMW-PE為原料，采用凍膠紡絲超倍熱牽伸技術(shù)制造的。 (1)高牽伸比熔融紡絲 20世紀(jì)70年代，Baman和Keller采用高相對(duì)分子質(zhì)量(104105)的結(jié)晶PE進(jìn)行高牽伸比熔融紡絲，所獲得的纖維楊氏模量為70 GPa。,99,用高牽伸比熔融紡絲方法制備的PE纖維，其分子鏈沿纖維軸定向，但分子鏈本身并未完全伸直。超倍熱牽伸可使PE的分子鏈完全伸直并按纖維軸取向。 (2)凍膠紡絲超倍熱牽伸制備技術(shù) 將高分子聚合物在凍膠狀態(tài)使大分子充分解纏，再紡絲，脫除溶劑，在高牽伸比下將凍膠絲進(jìn)行熱牽伸，獲得高性能PE纖維。此方法稱為凍膠紡絲超倍熱牽伸技術(shù)，其工藝流程見圖。,100,10

33、1,（3）聚乙烯纖維的性能, 纖維具有獨(dú)特的綜合性能，其相對(duì)密度低，比強(qiáng)度、比模量高。 斷裂伸長(zhǎng)率雖然也較低，但因強(qiáng)度高而使其斷裂功高。 具有耐海水、耐化學(xué)試劑、耐磨損、耐紫外線輻射、耐腐蝕、吸濕性低、抗彎曲、耐沖擊、自潤(rùn)滑、耐低溫、電絕緣等特性。 UHMW-PE纖維具有良好的柔曲性,耐疲勞性,耐磨損性好。 沖擊強(qiáng)度與尼龍相當(dāng)，可以用于制作防彈衣。 耐光性比芳綸纖維優(yōu)異； 結(jié)晶度高，對(duì)水、酸、堿介質(zhì)均極穩(wěn)定熔點(diǎn)為150左右，在高溫下(80，500MPa)使用會(huì)發(fā)生蠕變。,102,聚乙烯纖維的不足之處： (1)熔點(diǎn)較低（約135） (2)高溫容易蠕變。 因此僅能在100以下使用。,103,(4)

34、UHMW-PE纖維的應(yīng)用與展望 UHMW-PE纖維在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)和宇航、航空、航天、海洋工程等方面具有廣泛用途。,104,通過(guò)物理交聯(lián)或化學(xué)交聯(lián)，提高PE聚合物的耐熱性、耐磨性、抗蠕變性。通過(guò)高能輻射，如用加速電子束和離子、X射線輻射進(jìn)行輻照，使纖維分子鏈之間產(chǎn)生橫向交聯(lián)。經(jīng)輻照的纖維與碳纖維、玻璃纖維或Kevlar纖維混雜，可以使復(fù)合材料有較好的耐熱、耐磨和耐蠕變性。 由于纖維表面光滑，纖度較高，比表面積??；又由于PE大分子無(wú)極性基團(tuán)，無(wú)化學(xué)活性，表面能低。因此，纖維與樹脂之間潤(rùn)濕性差，并難以形成化學(xué)鍵結(jié)合。對(duì)纖維進(jìn)行表面改性可以改善它與聚合物基體的粘接性。,為了改進(jìn)UHMW-PE纖維的性能，

35、已開展的研究,105,利用化學(xué)刻蝕或接枝、涂層和氧化方法，在纖維表面引入反應(yīng)性基團(tuán)，使之能與樹脂基體分子的基團(tuán)反應(yīng)，增加表面能，可以改善纖維與基體之間的潤(rùn)濕性。當(dāng)高分子材料增強(qiáng)的主要方式出現(xiàn)在分子結(jié)構(gòu)或超分子結(jié)構(gòu)的尺度，并且增強(qiáng)相與基體的化學(xué)結(jié)構(gòu)完全相同，則此種增強(qiáng)方式稱為分子自增強(qiáng)，此種材料稱為分子自增強(qiáng)材料。目前，制得的自增強(qiáng)聚乙烯纖維在強(qiáng)度和模量上都超過(guò)了某些液晶材料及聚苯硫醚(PPS)、聚酰亞胺(P1)等工程材料。因此，分子自增強(qiáng)可以視作發(fā)展這種纖維的方向。,106,9、 各種纖維的比較 纖維的柔韌性及斷裂 比性能 熱穩(wěn)定性,107,纖維的柔韌性及斷裂 各種纖維在拉伸斷裂前不發(fā)生任何屈

36、服，如下圖所示的纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。,108,各種纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,109,從拉斷后纖維的掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，僅Kevlar-49纖維呈韌性斷裂，斷裂前纖維有明顯的頸縮，并在發(fā)生很大的局部伸長(zhǎng)后才最終斷裂 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。,110, 比性能 比強(qiáng)度和比模量是纖維性能的一個(gè)重要指標(biāo)。下圖給出了各種纖維比強(qiáng)度和比模量全圖。,111,各種纖維的比強(qiáng)度和比模量比較,112,熱穩(wěn)定性 纖維的熱穩(wěn)定性與熔點(diǎn)有關(guān)。 一般來(lái)講，材料的熔點(diǎn)越高，熱穩(wěn)定性就越好。在沒有空氣和氧氣的條件下，碳纖維具有非常好的耐高溫性能。,113,盡管塊狀玻璃的軟化溫度為850

37、，但當(dāng)溫度高于250 時(shí)，E玻璃纖維的強(qiáng)度和模量就開始迅速下降。 玻璃纖維的熱穩(wěn)定性高于Kevlar49纖維。在受到太陽(yáng)光照射時(shí)，Kevlar纖維產(chǎn)生嚴(yán)重的光致劣化，使纖維變色，機(jī)械性能下降。,114,二、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。,115,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。,116,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)，迄今為止，材料學(xué)家們已研究開發(fā)出了

38、上百種晶須，有金屬、氧化物、碳化物、氮化物、硼化物以及無(wú)機(jī)鹽等多種晶須。 但是，已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用并開始工業(yè)化生產(chǎn)的晶須只有幾種。,117,從大的方面來(lái)看，晶須分為陶瓷晶須和金屬晶須兩類，用作增強(qiáng)材料的主要是陶瓷晶須。 陶瓷晶須的直徑只有幾個(gè)微米，長(zhǎng)度一般為幾厘米，斷面多呈多角狀。,118,陶瓷晶須的基本性能如下表所示：,119,金屬晶須主要有Ni、Fe、Cu、Si、Ag、Ti、Cd等； 氧化物晶須主要有MgO、ZnO、BeO、Al2O3、TiO2、Y2O3、Cr2O3等。,120,陶瓷晶須主要是碳化物晶須，如SiC、TiC、ZrC、WC、B4C等。 硼化物晶須主要有TiB2、ZrB2、TaB2

39、、CrB、NbB2等 無(wú)機(jī)鹽類晶須主要有如K2Ti6O13和Al18B4O33,121,碳化硅晶須,122,具有實(shí)用價(jià)值的晶須直徑約為1 10m，長(zhǎng)度與直徑比在51000之間。 實(shí)際上，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。,123,也可以認(rèn)為，晶須是以單晶結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的直徑極小的短纖維，由于直徑小(3um)，造成晶體中的缺陷少，原子排列高度有序，故其強(qiáng)度接近于相鄰原子間成鍵力的理論值。,124,晶須可用作高性能復(fù)合材料的增強(qiáng)材料，以增強(qiáng)金屬、陶瓷和聚合物。 晶須是目前已知纖維中強(qiáng)度最高的一種，其機(jī)械強(qiáng)度幾乎等于相鄰原子間的作用力。,125,晶須高強(qiáng)的主要原因 、它的直徑

40、非常小，不能容納使晶體削弱的空隙、位錯(cuò)和不完整等缺陷。 、晶須材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整，使它的強(qiáng)度不受表面完整性的嚴(yán)格限制。,126,晶須兼有玻璃纖維和硼纖維的優(yōu)良性能。它具有玻璃纖維的延伸率(3-4)和硼纖維的彈性模量(4.2 7.0 106 MPa)。 例如，氧化鋁晶須在2070高溫下，仍能保持7000 MPa的拉伸強(qiáng)度。,127,晶須的制備方法 CVD法 原位生長(zhǎng)法 溶膠凝膠法氣液固（VLS）法 液相生長(zhǎng)法固相生長(zhǎng)法,128,晶須沒有顯著的疲勞效應(yīng)，切斷、磨粉或其它的施工操作，都不會(huì)降低其強(qiáng)度。 晶須在復(fù)合材料中的增強(qiáng)效果與其品種、用量關(guān)系極大，根據(jù)實(shí)踐可得出下面的經(jīng)驗(yàn)：,129,(1)作為硼

41、纖維、碳纖維及玻璃纖維的補(bǔ)充增強(qiáng)材料，加入1-5晶須，強(qiáng)度有明顯的提高。 (2)加入5-50晶須對(duì)模壓復(fù)合材料和澆注復(fù)合材料的強(qiáng)度能成倍增加。,130,(3)在定向復(fù)合材料中、加入70-90的晶須，往往可以使其強(qiáng)度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，定向復(fù)合材料所用的晶須制品為浸漬紗和定向帶。,131,(4)在層壓板復(fù)合材料中，加入 50-70的晶須，能使其強(qiáng)度增長(zhǎng)許多倍. (5)對(duì)于高強(qiáng)度、低密度的晶須構(gòu)架，膠結(jié)劑只須相互接觸就可把晶須粘結(jié)起來(lái)，因此晶須含量可高達(dá)90-95。,132,晶須一般都是一維線形針狀體, 主要用作復(fù)合材料增強(qiáng)體，而且生產(chǎn)成本很高，不易推廣使用。,133,因此，晶須復(fù)合材料由于其價(jià)格昂貴

42、，日前主要用在空間和尖端技術(shù)上，在民用方面主要用于合成牙齒、骨胳及直升飛機(jī)的旋翼和高強(qiáng)離心機(jī)等。,134,新型氧化鋅晶須 在眾多種類的晶須中，新型氧化鋅晶須（ Zinc Oxide Whisker, 簡(jiǎn)寫為ZnOw）以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)而倍受注目。,135,由于氧化鋅晶須的制造工藝、周期、成本、純度等存在較大的不可控性，全世界進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)程序的企業(yè)僅有兩家，一家是日本松下電器公司，另一家則是成都交大晶宇科技有限公司。,136,目前，新型氧化鋅晶須的形狀與普通的晶須完全不同, 為立體四針狀單晶體微纖維。如下圖所示。,137,普通氧化鋅晶須,四針狀氧化鋅晶須,SEM Photo of the ZnO

43、Whiskers,138,四針狀氧化鋅晶須產(chǎn)品,外觀-白色松軟狀粉末,139,新型氧化鋅晶須不僅生產(chǎn)成本低，而且功能獨(dú)特。 由于其獨(dú)特的空間四針狀結(jié)構(gòu), 特有的半導(dǎo)體、壓電、吸波等特性，除了增強(qiáng)作用外, 其多方面的功能決定了該晶須可以作為結(jié)構(gòu)材料、功能材料，在國(guó)防、電子、化工、交通等領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。,140,氧化鋅晶須主要特點(diǎn) （1）獨(dú)特的立體四針狀結(jié)構(gòu)，每根針狀體均為單晶體微纖維。 （2）具有半導(dǎo)體、壓電、吸波特性。 （3）高強(qiáng)度，單晶體纖維的強(qiáng)度達(dá)到或接近化學(xué)鍵的理論計(jì)算值。 （4）耐高溫，在1720之前不發(fā)生變化。 （5）耐磨防滑、減振降噪等功能特性。 （6）抗菌等生物學(xué)功能特性。,

44、141,氧化鋅晶須主要用途 （1）導(dǎo)電、壓電、抗靜電復(fù)合材料。 （2）微波吸收、微波-熱轉(zhuǎn)換材料。 （3）耐磨防滑復(fù)合材料。 （4）減振、降噪、抗沖制品。 （5）各項(xiàng)同性增強(qiáng)復(fù)合材料。 （6）抗碎裂陶瓷材料及制品。 （7）抗菌材料。,142,ZnOw 的 主 要 物 理 性 能 性 能數(shù) 值 化 學(xué) 式ZnO ZnO 含 量(%)99.99 形 狀四針狀 真 實(shí) 比 重5.96 表 觀 比 重0.01-0.5 耐 熱 性 能 ()1720升華 針狀體長(zhǎng)度(m m)10-300 針狀體根直徑(m m)0.1-10 體積電阻率(W .cm)7.14 介 電 常 數(shù)8.55 拉 伸 強(qiáng) 度 (GPa

45、)10 彈 性 模 量 (GPa)345 熱 膨 脹 率(%/)4 10-6,143,硫酸鈣晶須 外觀：白色蓬松狀固體（在顯微鏡下為纖維狀或針狀單晶體）分子量：136.14,144,中徑纖維直徑：12um長(zhǎng)度：30150um 長(zhǎng)徑比：20100,細(xì)徑纖維直徑：0.11.5um 長(zhǎng)度：20120um 長(zhǎng)徑比：30200,145,硫酸鈣晶須的物理參數(shù) 拉伸強(qiáng)度：2.058Gpa 耐熱性：1000 彈性率：176.4Gpa 相對(duì)密度：2.96 莫氏硬度：3 熔點(diǎn)：1450,146,硫酸鈣晶須的主用用途 (1)晶須硫酸鈣添加在塑料、橡膠中起增韌增強(qiáng)作用，并有一定的阻燃效果進(jìn)而提高被添加材料的熔點(diǎn)。另外

46、，還能降低基體熔化后的流動(dòng)性。,147,(2)硫酸鈣晶須可用作中等強(qiáng)度的填充劑，細(xì)徑纖維的補(bǔ)強(qiáng)效果與其它高性能纖維增強(qiáng)材料的補(bǔ)強(qiáng)效果接近。,148,用硫酸鈣晶須增強(qiáng)的塑料制品，其抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性率的熱變形溫度均有提高。 硫酸鈣晶須可以代替石棉作摩擦材料，建筑材料，保溫、保冷材料等。還可部分代替玻璃纖維。,149,(3)硫酸鈣晶須可用來(lái)增強(qiáng)聚丙烯?？稍黾硬牧系睦鞆?qiáng)度、彎曲強(qiáng)度。 (4)加入硫酸鈣晶須可提高環(huán)氧樹脂的粘結(jié)強(qiáng)度。其增強(qiáng)效果超過(guò)石英粉、氧化鋁、白碳黑、超細(xì)硅酸鋁等添加劑。,150,硼酸鋁晶須 外觀：白色針狀分子量：1056.88 直徑：0.51um長(zhǎng)度：530um 相對(duì)密

47、度：2.90-2.94拉伸強(qiáng)度：8Gpa 莫氏硬度：7彈性模量：400Mpa 耐熱性：14201460 熱膨脹系數(shù)：4.2106/,151,白色針狀,硼酸鋁晶須,152,硼酸鋁晶須的基本特征 (1)極高的強(qiáng)度和彈性 (2)優(yōu)良的耐酸、堿性 (3)高熔點(diǎn)、耐熱性能較好 (4)近似化學(xué)中性 (5)溫度膨脹系數(shù)低,153,硼酸鋁晶須的主要用途 硼酸鋁須主要用于金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域，它主要包括： (1)機(jī)械材料：空調(diào)機(jī)的壓縮部分、切削工具等 (2)機(jī)械活塞：各種齒輪 (3)結(jié)構(gòu)和功能材料：鋁、鎂基復(fù)合材料,154,硅晶須 上海匯精亞納米新材料有限公司同國(guó)內(nèi)先進(jìn)的材料研究機(jī)構(gòu)合作，經(jīng)過(guò)多方努力，終于研究開

48、發(fā)出一種與玻璃纖維具有相似功能特點(diǎn)、價(jià)格較為低廉的硅晶須 (價(jià)格只有短玻纖的1/3左右)。,155,晶須硅，又稱作短玻璃纖維，是一種纖維狀材料，主要成分SiO2，俗稱為短玻纖，外觀為純白色，它是一種新型功能性增強(qiáng)、增韌材料。,156,晶須硅的性能特點(diǎn)如下: 強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、分散性好、耐高溫（可耐1700高溫），絕緣性好、燒失量低、吸油率低。,157,晶須硅的性能特點(diǎn)同玻璃纖維極其相似： 可以提高制品的抗拉強(qiáng)度、剛性、硬度、耐磨性和機(jī)械加工性能； 還可以降低收縮變形率和提高制品的熱變形溫度和阻燃絕緣性能。 缺點(diǎn)：韌性比玻璃纖維略差些。,158,雖然活性晶須硅產(chǎn)品還不成熟，但是晶須硅應(yīng)產(chǎn)業(yè)的

49、要求而生，必將隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而逐漸趨于成熟和完善并不斷發(fā)展，必將為工程塑料行業(yè)帶來(lái)一輪新的革命。,159,晶須硅化學(xué)成分 SiO2 99.6 Al2O3 0.03 Fe2O3 0.3 TiO2 0.01 CaO 0.01 Na2O 0.01 K2O 0.01,160,161,晶須硅物理性能：,粒經(jīng)（m）4-45 堆積密度（g/cm3）0.78 真實(shí)密度（g/cm3）2.35 色澤（白度%） 92 吸油率g(oil)/100g 20-30,pH值 6.8 水份(%) 0.2 耐火度（）1720 莫氏硬度 (Mohs scale) 7 燒失量0.10% 體積電阻（.CM）1.5 1010,162,

50、作為纖維狀材料，晶須硅主要應(yīng)用如下：1 尼龍、PP、PBT、PC、POM、ABS等工程塑料的改性，可替代玻璃纖維，提高拉伸強(qiáng)度、抗撓曲強(qiáng)度、降低收縮率，提高制品強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性、防止翹曲，降低成本；提高制品的阻燃性、熱變形溫度和絕緣性能。,163,2 填充PVC、PP、PE、生產(chǎn)異型材、管材和板材，可使制品具有良好的尺寸穩(wěn)定、提高剛性、耐熱溫度和絕緣性，提高制品性價(jià)比，降低成本。,164,3 填充環(huán)氧樹脂覆銅版，可降低樹脂粘度，提高彎曲強(qiáng)度，改善其物理機(jī)械性能，提高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，降低介電常數(shù)、提高絕緣性能，降低吸水性，降低成本。,165,4 填充不飽和聚脂，可降低產(chǎn)品的收縮率和吸水率，提高耐

51、磨性和硬度，且在層壓和涂覆時(shí)空穴少，用于玻璃鋼制品、拋光輪、工具等。 5 填充有機(jī)硅樹脂，可提高物理機(jī)械性能，大量填充可大大降低成本。,166,碳晶須 碳晶須是非金屬晶須，碳含量99.5，氫含量0.15，呈針狀單晶。 碳晶須的直徑從亞微米到幾微米，長(zhǎng)度為幾毫米到幾百毫米，并具有高度的結(jié)晶完整性。由于位錯(cuò)密度低、孔隙率低、表面缺陷少以及不存在晶界，碳晶須具有極高的強(qiáng)度。,167,碳晶須在空氣中可耐700高溫，在惰性氣體中可耐3000高溫，而且熱膨脹系數(shù)小、受中子照射后尺寸變化小，耐磨性和自潤(rùn)滑性優(yōu)良。 碳晶須主要用作聚合物基、碳基復(fù)合材料的增強(qiáng)材料。,168,碳晶須的制備工藝類似于氣相生長(zhǎng)碳纖維

52、，通常采用氣相合成法，即在管式爐中以氫氣為載體通入苯、甲烷或乙烯，在有鐵、鈷、鎳等催化劑存在下將基極加熱到1050 1100而制得碳絲。,169,鈦酸鉀晶須 鈦酸鉀晶須的形貌如下圖所示：,鈦酸鉀晶須的形貌,170,鈦酸鉀晶須有6-鈦酸鉀和4-鈦酸鉀兩種結(jié)晶結(jié)構(gòu)。 6-鈦酸鉀中，TiO6八面體具有隧道結(jié)構(gòu)，K+固定在中間； 4-鈦酸鉀中，TiO6八面體為層狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)中的K+易與其他陽(yáng)離子或H+進(jìn)行交換，層間距離也在變化。,171,最初，鈦酸鉀晶須是作為耐熱、隔熱用材料而開發(fā)的，其成本低于其他晶須。 由于6-鈦酸鉀結(jié)構(gòu)特殊，具有優(yōu)異的耐熱性、耐堿性和耐酸性等，可作為聚合物基復(fù)合材料的增強(qiáng)材料

53、。 4-鈦酸鉀晶須由于化學(xué)活性大，主要用于陽(yáng)離子吸附材料和催化劑載體材料。,172,鈦酸鉀晶須的直徑約為0.21.5um，長(zhǎng)度為10100um。鈦酸鉀晶須的硬度低（莫氏硬度為4），抗磨損性能較差，與鋁相容性較差，所制備的鋁基復(fù)合材料強(qiáng)度和模量較低。,173,鈦酸鉀晶須增強(qiáng)鋁基（AlMgSi系和AlSi系）復(fù)合材料可以采用壓鑄法制造，也可以采用包覆鋁的鈦酸鉀晶須與鋁粉混合，再用擠壓的方法來(lái)制造。,174,鈦酸鉀晶須經(jīng)過(guò)表面處理后具有親油性，纖維直徑細(xì)、滲透壓低，與溶液親和性良好，耐堿性好，可作為過(guò)濾器材料和隔膜材料。 鈦酸鉀晶須耐老化性好，有良好的抗磨損性能，可以替代石棉作汽車的制動(dòng)器、離合器。,175,鈦