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1、第三章 复合材料的增强体,2,3.1 增强体概念及分类,概念：增强体是复合材料中能提高基体材料力学性能的组元物质，是复合材料的重要组成部分，起着提高基体的强度、韧性、模量、耐热、耐磨等性能的作用。,3,增强体具备的特性：应能明显提高某种所需特性的性能；具有良好的化学稳定性；与基体有良好的润湿性,4,分类：纤维类（连续长纤维和短纤维）颗粒类晶须类金属丝片状物,5,一、碳纤维 是以碳元素为主要成分的一种纤维状材料。它强度高（最高强度可达7000MPa），弹性模量高(可达900GPa)，密度小(约为1.82.1g/cm3)，并具有低热膨胀、高导热、耐磨、耐高温、耐腐蚀等性能。,3.2 无机非金属纤维
2、,碳纤维由高度取向的石墨片层组成，具有明显的各向异性，沿纤维轴向性能高，沿横向性能差。,6,碳纤维的制造：（1）气相法：在惰性气氛中小分子有机物（如烃或芳烃等）在高温沉积而成纤维。该法适宜制取短纤维或晶须。（2）有机纤维碳化法：先将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤维，然后再在惰性气氛中在高温下进行煅烧碳化，使有机纤维失去部分碳和其他非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维。此法可制备连续长纤维。,7,有机纤维碳化法制造碳纤维的5个阶段：1 拉丝 2 牵伸（通常100300 拉伸）3 稳定（预氧化，400）4 碳化（10002000）5 石墨化（20003000）,8,有机纤维碳化法 制造碳纤维的主要
3、原材料：聚丙烯腈（PAN）纤维：黏胶碳纤维；沥青碳纤维,9,二、硼纤维（B）硼纤维具有较低的密度（2.42.6g/cm3）、较高的强度（3.45GPa）、很高的弹性模量（400）和熔点（2000以上）及较高的高温强度。,10,硼纤维的制造：采用化学气相法在一根受热的钨丝或碳丝上沉积而成。反应式：2BCl3+3H22B+6HCl,11,三、碳化硅纤维（SiC）碳化硅纤维是以碳和硅为主要成分的一种陶瓷纤维。碳化硅纤维具有优异的力学性能（如直径为1015m的纤维，拉伸强度为25003000MPa，弹性模量为180200GPa，密度为2.55g/cm3）、耐热氧化性能、耐化学腐蚀性能。,12,碳化硅纤
4、维的制作方法：（1）化学气相沉积法（直径95140m，单丝）（2）有机聚合物转化法，也称烧结法（直径10m的细纤维，有500根纤维组成丝束）,13,碳化硅纤维的应用：喷气发动机涡轮叶片、飞机螺旋桨受力部件、大口径军用步枪枪筒套管、坦克履带、火箭推进剂传送系统、先进战斗机的垂直安定面、火箭发动机外壳等。,14,四、氧化铝纤维 氧化铝纤维是以氧化铝为主要组分的陶瓷纤维。一般氧化铝含量大于70%的纤维成为氧化铝纤维，儿氧化铝含量小于70%，其余为二氧化硅和少量杂质的纤维称为硅酸铝纤维。氧化铝纤维具有优异的机械强度和耐热性能，抗拉伸强度大，弹性模量高，化学性质稳定，耐高温，多用于高温结构材料，也可用做
5、高温绝缘滤波器材料。,15,氧化铝短纤维制备：离心甩丝法：将熔融的氧化铝陶瓷熔体流落到高速旋转的离心辊上，甩成细纤维。,16,氧化铝长纤维制备：烧结法：以Al2O3细粉与Al(OH)3及少量Mg(OH)2混合成一定黏度的纺丝料进行干法纺丝，纺成的丝在1000以上高温烧结成Al2O3纤维，为减少表面缺陷，常在纤维表面途覆一层0.1m的SiO2涂层。,17,氧化铝长纤维制备：先驱体法：将烷基铝或烷氧基铝与水进行水解缩合为聚铝氧烷，再与有机聚合物混合制成浆液，用干法纺丝后，在空气中逐步加热，形成-Al2O3纤维。,18,氧化铝长纤维制备：熔融法：将Al2O3在坩埚中加热熔化（约2400），熔融的氧化
6、铝通过喷丝板，以一定的速率拉出，冷却凝固形成直径为50500m的氧化铝连续纤维。,19,五、玻璃纤维 玻璃纤维是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制成，单丝直径为几微米到几十微米。,20,无碱玻璃纤维（E玻纤）：以钙铝硼硅酸盐组成，纤维强度高，耐热性和电性能优良，抗大气侵蚀，化学稳定性较好（不耐酸）。碱性氧化物含量小于1%。,中碱玻璃纤维：碱金属氧化物含量在11.5%12.5%之间。耐酸性好，强度不如E玻纤，价格便宜。,有碱玻璃（A玻璃）纤维：含碱量高，强度低，对潮气侵蚀敏感，很少用作增强材料。碱性氧化物含量大于12%。,特种玻璃纤维,21,玻璃纤维的化学组成：化学组成
7、主要为：二氧化硅、三氧化二硼、氧化钙、三氧化二铝等。玻璃纤维中加入氢化钠、氧化钾等碱性物质为助熔剂：通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，从而降低玻璃的熔化温度和粘度，使玻璃熔液中气泡易排除。,22,玻璃纤维的物理性能：玻璃纤维拉伸强度高，防火，防霉，防蛀，耐高温和电绝缘性能好。缺点是脆性大，易折断，模量低，不耐磨，长期放置强度会稍有下降。,23,（1）外观和比重：表面光滑，密度2.164.30g/cm3。（2）表面积大（3）拉伸强度高：15004000MPa原因：微裂纹理论：玻璃纤维高温成型时减少了玻璃溶液的不均匀性，使微裂纹产生机会减少。玻璃纤维断面较小，随着表面积减少，微裂纹存在概率也相应减少。
8、影响因素：纤维直径大小（直径小，拉伸强度大），纤维长度（长度增加拉伸强度下降），化学组成（含碱量增加，强度下降），纤维存放时间，纤维成型方式等。,24,玻璃纤维拉伸强度与直径的关系,25,玻璃纤维拉伸强度与长度的关系,26,（4）耐磨性和耐折性差：玻璃纤维的耐磨性和抗折能力都很差。纤维表面吸附水分后能加速裂纹扩展，更降低其耐磨性和耐折性。（5）热性能：导热系数小0.035W/(m.K)耐热性较高（软化点550580）热处理后强度会明显下降，可能是热处理是微裂纹增加所致 300下经24h，强度下降20%；400下经24h，强度下降50%；500下经24h，强度下降70%；600下经24h，强度下
9、降80%；,27,（6）电性能：玻璃纤维的导电性主要取决于化学组成、温度和湿度。*无碱纤维的碱金属少，电绝缘性比有碱纤维优越。原因是，碱金属离子增加，电绝缘性能变差*温度升高，电阻率下降；湿度增加电阻率下降。*在玻璃纤维中加入大量的氧化铁、氧化铅、氧化铜、氧化铋或氧化钒，会使纤维具有半导体性能。*在玻璃纤维表面涂覆金属或石墨，可获得导电纤维。,28,（7）光学性能 玻璃纤维的透光性比玻璃差。玻璃纤维可用于通信领域以传送光束或光学物象。,29,玻璃纤维的化学性能：玻璃纤维除对氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对所有化学药品和有机溶剂都有良好的化学稳定性。,30,影响玻璃纤维化学稳定性的因素：玻璃纤维的化学
10、成分：主要取决于二氧化硅及碱金属氧化物的含量。二氧化硅含量多稳定性增强，碱金属氧化物多则使稳定性降低。纤维比表面增大其相应的耐腐蚀性降低。侵蚀介质体积和温度：温度升高，化学稳定性降低；介质体积越大，对纤维侵蚀越严重。,31,玻璃纤维的制造：三个步骤：制球、拉丝、纺织（1）制球：将砂、石灰石、硼酸等玻璃原料干混后，送入玻璃熔窑内（约1260）制成玻璃液，玻璃液从熔窑中缓慢流出，经制球机制成直径约为1.8cm的玻璃球。,32,（2）拉丝拉丝过程中用浸润剂的作用：原丝中的纤维不散乱而能相互粘附在一起；防止纤维间磨损；便于纺织加工。,常用浸润剂：石蜡乳剂和聚醋酸乙烯酯,33,玻璃纤维结构玻璃纤维与无机
11、玻璃的本质结构相同是一种具有短距离网络结构的非晶结构，因此称为“凝固的过冷液体”,34,特种玻璃纤维,高强度高模量玻璃纤维高强度玻璃纤维：镁铝硅酸盐玻璃纤维（S玻璃纤维）SiO2：65%，Al2O3：25%，MgO：10%硼硅酸盐玻璃纤维：SiO2：4050%，Al2O3：1929%，B2O3：1020%，Li2O：0.11%,35,高模量玻璃纤维 比一般玻璃纤维的模量提高1/3以上：9.4104 SiO2 53.7%,CaO 12.7%,MgO 9%,BeO 8%,ZrO2 2%,TiO2 7.9%,Li2O 3%,Fe2O3 0.5%,36,耐高温玻璃纤维（1）石英纤维：用高纯度(99.5
12、%二氧化硅)天然石英晶体制成的纤维。主要性能：软化温度高，可达1250以上膨胀系数小电性能好能耐100200 浓酸的侵蚀，耐碱性稍差些在2504700m的光谱区内，有较高的透过率。石英纤维广泛用在电机制造、光通讯、火箭及原子反应堆工程等方面。,37,（2）高硅氧玻璃纤维 是用浸析法将高钙硼硅酸盐玻璃纤维中的可溶物析出，从而制得的二氧化硅含量在95%以上的纤维。其耐热性能与石英纤维相似，但其强度较低，仅为普通无碱纤维强度的十分之一。其价格低廉，广泛用于宇宙航空、火箭等方面。,38,（3）铝硅酸盐玻璃纤维 是以高龄土、铝矾土、蓝晶石为原料，在高频炉、电弧炉或其他高温炉中熔化，用吹制法制成的玻璃纤维
13、。Al2O3含量占50%以上，熔化温度为1760，最高使用温度为1260。主要用作绝缘材料和隔热材料，多用于火箭、喷气发动机、原子反应堆等。,39,空心玻璃纤维 采用铝硼硅酸盐玻璃原料，用特制拔丝炉拔丝制成。呈中空状态，质轻，刚性好，弹性模量较高，电性能好，导热系数低，较脆，纤维直径一般为1017m。适用于航空与海底装备。,40,3.3 金属丝（纤维）,高强钢丝、不锈钢丝增强铝基复合材料钨钍丝增强镍基耐热合金金属丝制备：,41,针状金属纤维,42,3.4 芳纶纤维,国外又称凯芙拉（kevlar）纤维。,1968年由杜邦（DuPont）公司研制成功，当时登记的商品名称为Aramid，1973年定
14、名为Kevlar纤维（凯芙拉或芳纶纤维）Kevlar纤维的品种很多（20多种），常用的有Kevlar、Kevlar29（芳纶14）和Kevlar49（芳纶1414）,43,芳纶纤维的制造：,将原料溶于浓硫酸中，制成各向异性液晶溶液 纺丝液挤压喷丝干湿纺溶剂萃取与洗涤干燥Kevlar29纤维在氮气保护下经550热处理Kevlar49纤维,44,性能特点力学性能：拉伸强度大，可达3773MPa，冲击性能好；弹性模量高，1.271.57105MPa；密度小，1.44g/cm3。热稳定性好，耐火不熔（487尚不熔化，但开始碳化）低温（-60 也不发生脆化或降解）耐中性介质，易受酸碱侵蚀，耐水性较差,4
15、5,用途航空方面：整流罩、窗框、天花板、隔板、地板、舱壁、舱门、行李架、座椅、机翼前缘、方向舵、安定面翼尖、尾锥、应急出口系统构件等。航天方面：火箭发动机壳体、压力容器、宇宙飞船的驾驶舱、通风管道等。军事应用：飞机、坦克、装甲车、艇的防弹构件、头盔和防弹衣等。民用：造船业、汽车业、体育器具（曲棍球棒、高尔夫球棒、网球拍、标枪、弓、钓鱼杆、滑雪撬等。绳索：如深海作业用电缆、轮胎帘子线等。,46,3.5 晶须及颗粒增强物,作为增强物用的晶须和颗粒主要是陶瓷，如SiC，Al2O3，B4C，TiC等，尤其是陶瓷颗粒，其性能稳定、成本低，可用来增强金属基、陶瓷基和聚合物基复合材料。,47,用于金属基和陶
16、瓷基复合材料的晶须有SiC、Al2O3、9Al2O32B2O3、2Al2O3B2O3等，TiC、Si3N4等晶须其成本较高而用的较少。晶须是在人工控制条件下生长的细小单晶，直径为0.21m，其缺陷小，强度高。,48,晶须增强物 SiC晶须（高强度、高模量、导热性好）SiO2+3CSiC+CO,49,晶须性能,50,颗粒增强体颗粒增强体：用以改善基体材料性能的颗粒状材料颗粒增强体的特点是选材方便，可根据不同的性能要求选用不同的颗粒增强体。颗粒增强体成本低，易于批量生产。,51,具有高强度、高模量、耐热、耐磨、耐高温的陶瓷和石墨等非金属颗粒 如碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石墨、细金刚石
17、等。,刚性颗粒增强体（Ragid Particle Reinforcement）,52,颗粒增强体以很细的粉末（一般在10m以下）加入到金属基和陶瓷基中起提高耐磨、耐热、强度、模量和韧性的作用在Al合金中加入体积为30%，粒径为0.3m的Al2O3颗粒，材料在300时的拉伸强度仍可达220MPa，并且所加入的颗粒越细，复合材料的硬度和强度越高。在Si3N4陶瓷中加入体积为20%的TiC颗粒，可使其韧性提高5%。,53,延性颗粒增强体（Ductile Particle Reinforcement）,主要为金属颗粒，加入到陶瓷基体和玻璃陶瓷基体中增强其韧性如Al2O3中加入Al，WC中加入Co等。金属颗粒的加入使材料的韧性显著提高，但高温力学性能会有所下降。,54,颗粒增强物,55,短切碳纤维,56,碳纤维管,碳纤维轮毂,57,碳纤维板,58,碳纤维方向盘,59,碳纤维自行车,60,玻璃纤维,61,玻璃纤维棒,玻璃纤维,62,玻璃纤维复合毯,彩色玻璃纤维布,63,玻璃纤维防火布（耐温布）,64,芳纶纤维1414,65,芳纶纤维布,芳纶手套,芳纶绳索、环形带（套管）,66,芳纶纤维光缆,67,碳化硅晶须,68,钛酸钾晶须增强的聚四氟乙烯密封环,
