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1、2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,1,第2章 增强体材料,江苏大学 材料科学与工程学院,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,2,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,3,碳纤维的理论强度为180GPa，目前世界上强度最高的碳纤维T1000（日本东丽公司）的拉伸强度也仅是理论值的3.9，而国产碳纤维的拉伸强度则更低，所以提高碳纤维的拉伸强度有很大的潜力和空间。,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,4,高的比强度、比模量、高导热性、耐热性、耐磨性、低热膨胀性等，以便赋予金属基体某种所需的特性和综合性能。,在金属基复合材料制备和使用过程中其组织结构和性能不发生明显的变
2、化和退化，与金属基体有良好的化学相容性，不发生严重的界面反应。,与金属有良好的浸润性，或通过表面处理能与金属良好浸润，基体良好复合和分布均匀。此外，增强物的成本也是应考虑的一个重要因素。,能明显提高金属基体所需的某种特性,具有良好的化学稳定性,有良好的浸润性,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,5,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,6,2.1.1 纤维类增强体 纤维类增强物有连续长纤 维和短纤维。,2.1.2 颗粒类增强体 颗粒增强体分外加和内生两种，一般是具有高强度、高模量、耐热、耐磨性好、而高温的陶瓷、石墨等非金属颗粒。,2.1.3 晶须类增强体 晶须是在人工条件下生长出
3、来的细小单晶。由于细小组织结构缺陷少，具有很高的强度和模量。,2.1.4 其它增强体 用于金属基复合材料的高强度、高模量金属丝增强物主要有铁丝、高强度钢丝、不锈钢丝和钨丝等。,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,7,2.2 纤维类增强体,2.2.1 碳纤维,实际用作碳纤维原料的有机纤维主要有三种：,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,8,20世纪80年代以来，国外许多以PAN纤维为原料制造碳纤维的厂家在原料供 应及碳纤维的生产、供销方面进行广泛合作与竞争，促进了PAN基 碳纤维工业的长足发展。,1969年，日本东丽公司研究成功特殊的单体共聚PAN基碳纤维，结合美 国联合碳化物公
4、司(Union Carbide)的碳化技术，生产出高强 度、高模量碳纤维。,1959年，日本的进藤昭男发明了用聚丙烯腈(PAN)原丝生产碳纤维的方法;,1962年，日本东丽公司开始生产并研制用于生产碳纤维的专用优质原丝，并于1967年成功生产T300PANCF；,英国考陶尔公司(Courtaulds)利用这项技术开始生产高强度、高模量PAN基碳纤维。,英国皇家航空研究所的Watt等人，对PAN纤维生产进行技术改进；,美国、前苏联、法国、德国、印度、南斯拉夫、以色列、韩国也都引进或开发了PAN原丝及碳纤维的生产。其中，日本东丽公司的碳纤维研发与生产一直处于世界领先水平，3000MPa。,20世纪
5、90年代后，由于PAN基碳纤维性能优越，应用领域日益扩展。目前世 界PAN基碳纤维已进入发展旺盛的成熟期，IM7和IM8的强度达到 5300MPa。,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,9,2.2.1.1 碳纤维的分类,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,10,各种材质碳纤维的主要性能表,2.2.1.2 主要性能,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,11,耐酸性能好，超过惰性金属黄金和铂金；,热膨胀系数小，导热系数大；,强度高，大于1600MPa；,高模量，大于230MPa；,密度小，比强度高；,耐超高温，2000正常使用；,耐低温，在-180保持柔软；,轴向抗剪切模量
6、较低，延伸率小，耐冲击差，并且 后加工 较为困难。,导电性能好（517m）；,防原子辐射，能使中子减速；,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,12,2.2.1.3 碳纤维的制造,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,13,2.2.2 硼纤维,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,14,2.2.2.1 硼纤维的制造,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,15,独特的性能：抗压强度是其拉伸强度的2倍（6900MPa)。,2.2.2.2 硼纤维的性能,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,16,2.2.2.3 与其它纤维性能比较,2023年7月12日星期三,江 苏 大
7、 学,17,2.2.3 碳化硅纤维,碳化硅,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,18,2.2.3.1 碳化硅纤维的制备方法,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,19,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,20,将有机物加热变成无机物的过程，在远古的时代便已经利用了。近年来发明的将聚丙烯腈等有机纤维高温碳化后制备碳纤维的方法，在这个领域中已经形成了工业化生产，除此以外，利用有机硅聚合物作先驱体可以制得的陶瓷纤维研究如下表：,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,21,先驱体转化法工艺流程图,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,22,2023年7月12日星期三,
8、江 苏 大 学,23,SiC粉在聚合物粘接剂存在下的挤出细丝，形成的细丝再烧结固化。通常是将粒径在1.7m（亚微米）和烧结助剂和过量的碳与适当的聚合物组成的混合物。其工艺流程如下：,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,24,2.2.3.2 SiC纤维的性能及其应用领域SiC纤维具有抗拉强度和拉伸模量高，密度低；耐热性好，在空气中可长期应用于10001100使用；与金属反应性小，浸润性好，在1000以下几乎不与金属发生反应；纤维具有半导体性且随组成不同，其电阻率在10-1106cm 之间可调；以先驱体法制得SiC纤维直径细，易编织成各种织物；耐腐蚀性能优异。,2023年7月12日星期三,
9、江 苏 大 学,25,2.2.4 氧化铝纤维,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,26,1.淤浆法,3.卜内门法,5.基体纤维浸渍溶液法,该法是以氧化铝粉末为主要原料,同时加入分散剂、流变助剂、烧结助剂,分散于水中,制成可纺浆料，经挤出成纤，干燥、烧结得到直径在200um 左右的氧化铝纤维。,氧化铝纤维制备,该法与溶胶-凝胶法不同之处是先驱体不形成均匀溶胶，而是通过加入水溶性有机高分子来控制纺丝粘度以得到氧化铝纤维。由于前驱体分子本身并不形成类线性聚合物，难以得到连续的氧化铝长纤维，故其产品一般是短纤维的形式。,这是一种新型的成型方法,一般以铝的醇盐或无机盐为原料,同时加入其它有机酸催
10、化剂,溶于醇/水中,得到混合均匀的溶液,经醇解/水解和聚合反应得到溶胶,浓缩的溶胶达到一定粘度后进行纺丝,得到凝胶纤维,随后进行热处理得到氧化铝纤维。,2.溶胶-凝胶法,日本住友化学公司的产品是以Al2O3为主要成分,并含有B2O3、SiO2的多晶纤维。采用预聚合法,先是用烷基铝加水聚合成一种聚铝氧烷聚合物，将其溶解在有机溶剂中,加入硅酸酯或有机硅化合物,使混合物浓缩成粘稠液,干法纺丝成先驱纤维。再在600空气中裂解成含有氧化铝和氧化硅等组成的无机纤维，最后在1000以上烧结，得到微晶聚集态的连续氧化铝纤维，其直径10m左右。,4.预聚合法,此法采用无机盐溶液浸渍基体纤维,经过烧结除去基体纤维
11、而得到陶瓷纤维。缺点是成本高。,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,27,美国杜邦公司利用淤浆法生产的FP氧化铝纤维,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,28,溶胶-凝胶法具有以下优点:,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,29,美国3M公司生产Nextel系列氧化铝纤维，具代表性的品种是Nextel-312。,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,30,国外公司生产的高性能氧化铝纤维。（1）美国杜邦公司采用淤浆法生产FP氧化铝纤维，氧化铝含量为99.9。（2）日本 Mitsui Mining公司也通过淤浆法制得氧化铝含量在95以上的 连续氧化铝纤维。（3）美国3
12、m公司通过溶胶凝胶法生产Nextel系列氧化铝纤维，其中较具 代表性的品种是Nextel312。（4）日本住友化学公司采用预聚合法生产Altex氧化铝纤维，其组分为Al2O3、SiO2和B2O3。（5）美国Ici公司采用卜内门法生产商品名为saffil的氧化铝短纤维，其使 用温度可达12001600，已开始应用在工业烧结炉的衬里上。以上几种氧化铝纤维制备方法中。溶胶凝胶法工艺简单，烧结温度较低且制得的纤维均匀性好，纯度高，可设计性强，产品多样，已成为生产氧化铝纤维的主要方法。氧化铝纤维主要用于高温绝热材料（短纤维）和增强复合材料（长纤维），可以编织成无纺布、编织带、绳索等各种形状的纤维制品。,
13、2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,31,2.3 晶须及颗粒增强体,晶须是在人工控制条件下以单晶形式生长成的一种纤维，是高技术新型复合材料中的一种特殊成员；（1）直径非常小，以致难容纳在大晶体中常出现的缺陷；（2）原子高度有序，因而强度接近于完整晶体的理论值；（3）具有优良的耐高温、高热、耐腐蚀性能，良好的机械强度、电绝缘性、轻量、高强度、高弹性模量、高硬度等特性；（4）在电学、光学、磁学、铁磁性、介电性、传导性甚至超导 性等方面皆发生显著变化。,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,32,晶须增强体的分类,晶须增强体的分类和物理性质,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,
14、33,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,34,晶须是在受控条件下培殖生长的高纯度纤细单晶体，其晶体结构近乎完整，不含有晶粒界、位错、空洞等晶体结构缺陷，具有异乎寻常的力学等物理性能。,晶须增强体的物理性质,各种非金属晶须的直径比最细纤维还微细(小于10m)，长度由零点几毫米到数十毫米，最高模量可达100GPa数量级，最高熔点可达3500左右。,如用2030氧化铝晶须增强金属，得到的复合材料强度在室温下比金属增加近30倍。作为增强体时，晶须用量多在35(体积)以下。,晶须的伸长率与玻璃纤维相当，弹性模量与硼纤维相当，兼具这两种纤维的最佳性能；其性能还与直径相关，如图所示。,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,35,晶须分散技术,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,36,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,37,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,38,其制造工艺流程如下图。,用做金属基复合材料增强物的金属丝主要有高强钢丝、不锈钢丝和难熔金属丝等连续丝或不连续丝。高强钢丝、不锈钢丝用来增强铝基复合材料，而钍钨丝等难熔金属丝则用来增强镍基耐热合金，提高耐热合金的高温性能。,2.4 金属丝,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,39,金属丝制造工艺流程图,2023年7月12日星期三,江 苏 大 学,40,本章总结,
