3复合材料的增强材料(revised201403)

复合材料的增强材料3.1玻璃纤维3.2碳纤维3.3高性能有机纤维3.4超高分子量聚乙烯纤维3.5碳化硅纤维晶须和碳纳米管3.6纳米增强材料蒙脱土无机纳米粒子3.1.1玻璃纤维的类型、成分及性能(1)E玻璃纤维无碱玻璃，一种硼硅酸盐玻璃（碱金属氧化物含量低）；良好的电气绝缘性及机械性能，但易被无机酸侵蚀；广泛用于生产电绝缘材料、玻璃钢等。C玻璃纤维中碱玻璃，耐酸性优于无碱玻璃，但电气性能、机械强度差低；我国中碱玻纤占据玻纤产量的60%，广泛用于玻璃钢的增强以及过滤织物，包扎织物等的生产，因其价格低而有较强的竞争力。A玻璃高碱玻璃，即钠硅酸盐玻璃，耐水性很差，很少用于生产玻璃纤维。玻璃纤维的类型、成分及性能(2)AR玻璃纤维耐碱玻璃纤维，主要用于增强水泥基体。E-CR玻璃纤维一种改进的无硼无碱玻纤，用于生产耐酸耐水性好的玻纤，其耐水性比无碱玻纤高7～8倍，耐酸性比中碱玻纤优越，专为地下管道、贮罐等开发的新品种。D玻璃纤维低介电玻纤，用于生产介电强度高的玻璃纤维制品。高强度（S）、高模量（M）玻璃纤维用它们生产的玻璃钢制品多用于军工产品、运动器械等。玻璃纤维的分类（按直径、外观）粗纤维：30mm初级纤维：20mm中级纤维：10-20mm高级纤维（纺织纤维）：3-10mm无捻粗纱（捻：捻度、左捻、右捻）有捻粗纱短切纤维空心玻璃纤维磨细纤维按直径按外观玻璃纤维的物理性能材料性能羊毛亚麻棉花生丝尼龙合金钢铝合金玻璃玻璃纤维纤维直径(mm)1516~5010~2018块状块状块状块状5~8拉伸强度(Kg/mm2)10~303530~704430~601604~464~12100~300玻璃纤维的性能：拉伸强度高，防火、防霉、防蛀、耐高温和电绝缘性能好等；但性脆、不耐腐、有皮肤刺激性。玻璃纤维的力学性能—拉伸强度几种纤维与玻璃纤维的性能比较影响玻璃纤维强度的因素—直径玻璃纤维的拉伸强度与直径的关系纤维直径(mm)拉伸强度(MPa)纤维直径(mm)拉伸强度(MPa)16017519.1942106.729715.2130070.63569.7167050.85606.6233033.57004.2350024.18213.33450玻璃纤维的拉伸强度随直径减小而增加！影响玻璃纤维强度的因素—长度玻璃纤维的拉伸强度与长度的关系纤维长度(mm)纤维直径(mm)平均拉伸强度(MPa)513.015002012.512109012.7860156013.0720玻璃纤维的拉伸强度随长度增加而下降！影响玻纤强度的因素—化学组成、表面缺陷品种A玻纤E玻纤铝硅酸盐玻纤石英玻纤表面缺陷状况强度/MPa80-15080-15080-15080-150表面有微裂纹500-700600-800800-10002000表面有超细微裂纹2000210025004000表面无微裂纹-300033005000-6000无缺陷纤维7000--22500理想均匀的玻璃结构表面缺陷越少，纤维强度越高；玻璃的碱含量越低，纤维强度越高！影响玻纤强度的因素—其它存放时间不同成分的纤维对大气水分的敏感性不同。有碱玻璃纤维更敏感。施加负荷时间—纤维疲劳疲劳的产生在于水分吸附并渗透到纤维的微裂纹中，外力作用下，裂纹的扩展加速。纤维的成型方法与成型条件玻璃纤维硬化速度快，强度高。玻璃纤维的力学性能—弹性断裂伸长率较低（＜3%），弹性模量也比钢低。三种典型玻璃纤维的力学性能纤维种类比重拉伸强度(Kg/mm2)弹性模量(Kg/mm2)E-玻璃纤维2.543507200S-玻璃纤维2.444708700M-玻璃纤维2.8937011800E-玻璃纤维综合性价比高；S-玻璃纤维拉伸强度高，M-玻璃纤维弹性模量高！玻璃纤维的耐磨性和耐折性玻璃纤维的耐磨性和耐折性都较差！玻璃纤维的热性能导热性：玻璃导热系数低为0.6-1.1卡/米·时·度，而玻璃纤维只有0.03卡/米·时·度，可用作优良的绝热材料。耐热性：耐热性能较好，软化点550-580oC，热膨胀系数为4.8×10-6/oC。但经高温（250oC以上）热处理后，强度明显下降。如，300oC处理24小时，强度下降20%；600oC处理24小时，强度下降80%。玻璃纤维的化学性能玻璃纤维的化学稳定性取决于化学成分SiO2和M2O的含量。增加碱金属氧化物含量会降低化学稳定性。纤维中增加SiO2或Al2O3,或加入ZrO2、TiO2可提高耐酸性并大大提高耐水性；增加SiO2或加入CaO、ZrO2、ZnO可提高耐碱性。纤维的比表面越大，化学稳定性越差。3.1.2玻璃纤维制品品种与用途无捻粗纱(有碱、无碱)玻璃纤维（加捻）纱(有碱、无碱)短切原丝与磨碎纤维玻璃纤维织物：布、带、立体织物……组合玻璃纤维增强材料无捻粗纱无捻粗纱是由平行原丝或平行单丝集束而成的。纤维直径从12～23mm，号数从150号到9600号（TEX）。无捻粗纱可直接用于某些复合材料工艺成型方法中，如缠绕、拉挤工艺，因其张力均匀，也可织成无捻粗纱织物，在某些用途中还将无捻粗纱进一步短切。纤维支数通常的表示方法重量法：用1克重原纱的长度(m)来表示。例如，60支纱，即指1克重原纱的长度是60m定长法:用一定长度(1000m)原纱的重量(g)来表示。例如，2“TEX”，指1000m原纱重2g.又如,3旦,指9000m原纱重3g.不同用途无捻粗纱的性能要求(1)喷射用无捻粗纱（通常每股原丝含200根玻纤单丝）良好的切割性，在连续高速切割时产生的静电少；分束率高，通常要求90%以上；优良的覆模性，可覆盖在模具的各个角落；树脂浸透快，易于被辊平且易于驱赶气泡；原丝筒退解性能好，粗纱线密度均匀，适合于各种喷枪。SMC用无捻粗纱（一般为2400TEX，切成25mm的长度）短切性好，毛丝少，抗静电性优良；对于着色SMC，能被高颜料含量的树脂糊浸透。不同用途无捻粗纱的性能要求(2)缠绕用无捻粗纱（一般为1200-9600TEX）成带性好，呈扁带状；退解性好，从纱筒退解时不脱圈，不形成“鸟巢”状乱丝；张力均匀，无悬垂现象；线密度均匀，一般须小于±7%；捻粗纱浸透性好，从树脂槽通过时易为树脂润湿及浸透。拉挤用无捻粗纱拉挤用于制造断面一致的各种型材，其特点是玻纤含量高，单向强度大。拉挤用无捻粗纱可以是多股原丝并合的也可以是直接的无捻粗纱，其线密度范围为1100号到4400号。性能要求与缠绕无捻粗纱大体相同。不同用途无捻粗纱的性能要求(3)织造用无捻粗纱(织造各种厚度的方格布或单向无捻粗纱织物)良好的耐磨性；良好的成带性；无捻粗纱张力均匀，悬垂度应符合一定标准；无捻粗纱退解性好；无捻粗纱浸透性好。预型体用无捻粗纱在预型体工艺中，无捻粗纱被短切并喷附在预定形状的网上，同时喷少量树脂使纤维网固定成形，然后将成形的纤维网片移入金属模具中，注入树脂热压成形，即得制品。对于这种工艺的无捻粗纱的性能要求与对喷射无捻粗纱的要求基本相同。短切原丝与磨碎纤维短切原丝用于玻璃钢的短切原丝又分为热固性树脂（BMC）用短切原丝和热塑性树脂用短切原丝两大类。增强热塑性塑料要求用无碱玻璃纤维，它强度高、电绝缘性好、原丝集束性好、流动性好、白度较高。增强热固性塑料要求原丝集束性好、浸透树脂快、机械强度及电气性能好。磨碎纤维磨碎纤维系由锤磨机或球磨机将短切纤维磨碎而成。磨碎纤维主要在增强反应注射工艺（RRIM）中用作增强材料，在制造浇铸制品、模具等制品时用作树脂的填料用以改善表面裂纹现象，降低模塑收缩率。E-玻璃短切原丝广泛用于模压塑料，玻璃钢制品，窑井盖，欧饰构件及石膏板等增强型短纤维。纤维长度一般为3.0-25.4mm。适用于NYLON，PET，PS，PVC，ABS等材料增强、绝缘、隔热、消音等。玻璃纤维纱玻璃纤维纱是玻璃纤维的加捻合股纱.它的电绝缘性能好,强度高,吸湿少,耐高温,适用于作电机电器绕组线的绝缘材料和其它工业用纱。无碱玻璃纤维纱玻璃纤维布常见类型：无捻粗纱布（方格布）、平纹布、斜纹布、缎纹布、罗纹布、席纹布、无纺布等。无碱玻璃布:用于生产各种电绝缘层压板、印刷线路板、车辆车体、贮罐、船艇、模具等。中碱玻璃布:用于生产涂塑包装布。决定织物特性(重量、厚度和断裂强度等)的因素:纤维性能、经纬密度、纱线结构和织纹。经纬密度由纱结构和织纹决定。玻璃纤维布无碱无捻粗纱布(方格布)无碱无捻粗纱布、电子级无碱玻纤布适用于不饱和聚脂树脂、乙烯基树脂和环氧树脂等。浸透速度快、敷层及脱泡性能好，广泛用于手糊和机械成型产品，如船艇、容器、飞机和汽车部件、家具、运动设施等。电子级无碱玻纤布玻璃纤维毡分为短切原丝毡、连续原丝毡、表面毡、针刺毡、缝合毡等。短切原丝毡将玻璃原丝或无捻粗纱切割成50mm长，随机但均匀地铺陈在网带上，随后施以乳液粘结剂或撒布上粉末粘结剂经加热固化后粘结而成。主要用于手糊、连续制板和SMC工艺中。连续原丝毡将拉丝过程中形成的玻璃原丝或从原丝筒中退解出来的连续原丝呈8字形铺敷在连续移动网带上，经粉末粘结剂粘合而成。连续玻纤原丝毡中纤维是连续的，对复合材料的增强效果较短切毡好。主要用在拉挤法、压力袋法及等工艺中。玻璃纤维毡无碱玻纤短切原丝毡短切原丝毡在手糊工艺中用量最大，也用于缠绕、模压、连续制板等工艺。主要产品有各种板材、船艇、浴室成套设备、汽车部件和冷却塔等.硅酸铝针刺毯针刺毯采用特制长丝纤维针刺成型，大大提高了纤维的交织密度、抗分层性能、抗拉强度，柔性不受影响。不使用结合剂，在高温下具有良好的可靠性和稳定性。其它玻璃纤维织物玻璃纤维带玻璃带分为有织边带和无织边带（毛边带），常用于制造高强度、介电性能好的电气设备零部件。单向织物单向织物是一种粗经纱和细纬纱织成的长轴缎纹织物。在经纱方向上具有高强度。异形织物异形织物的形状和它所要增强的制品的形状非常相似，必须在专用的织机上织造。对称形状的异形织物有：圆盖、锥体、帽、哑铃形织物等，也可以制成箱、船壳等不对称形状。无碱玻纤带绝缘性能好；耐高温；耐冲击；耐酸碱用于电机或电气的绝缘绑扎材料，能延长使用寿命、缩小体积和减轻重量。立体织物和槽芯织物立体织物立体织物具有三维结构特征，以此为增强体的复合材料具有良好的整体性和仿形性，大大提高了复合材料的层间剪切强度和抗损伤容限。应用于航天、航空、兵器、船舶、汽车、体育运动器材、医疗器械等。槽芯织物槽芯织物是由两层平行的织物，用纵向的竖条连接起来所组成的织物，其横截面形状可以是三角形或矩形。3.1.3特种玻璃纤维高强度（S）玻璃纤维包括镁硅酸盐玻纤和硼硅酸盐玻纤，拉伸强度约4400-4900MPa,比E-玻璃纤维高33%；弹性模量为7.4-9×104MPa。高模量（M）玻璃纤维玻璃成分为：SiO2、CaO、MgO、BeO、TiO2、ZrO2、Li2O等拉伸强度与E-玻璃纤维相当；弹性模量为9.4-11.8×104MPa。耐高温玻璃纤维石英纤维：软化温度高达1250oC，电性能好、透光率高、耐100-200oC浓酸浸蚀、膨胀系数小。空心玻璃纤维质轻、刚性好，用于航空、海底装备。玄武岩纤维由天然玄武岩矿经熔融、拉丝等加工而成的矿物纤维性能独特：拉伸、弹性模量高出普通玻纤20%，高出S-玻纤10%，高出M-玻纤5%；生产成本约为玻璃纤维的1.5倍，而S-玻纤和M-玻纤的生产成本是普通玻纤的十几倍；使用温度范围广，可在（﹣270~960oC）使用；具有吸波、防辐射、耐酸碱性能。典型玄武岩矿成份：SiO2（56.43%）、Al2O3（13.33%）、Fe2O3（4.3%）、CaO（3.6%）、MgO（1.22%）.玄武岩纤维及制品无捻粗纱拉挤型材复合板材纱玄武岩纤维单向布产品应用：1）雷达罩、发动机部件、雷达天线；2）坦克装甲车车体、结构件、车轮毂、扭力杆和套管；3）体育运动滑水板、滑雪板、冲浪板；4）用于建筑桥梁柱体抗震加固的BFRP性能非常接近CFRP，某些指标比BFRP更优越，具有更突出的综合性能和性价