04第三章(1)复合材料的增强体

1第三章复合材料的增强体主讲教师：田进涛中国海洋大学材料科学与工程研究院21.1增强体的概念增强体的概念：复合材料中能明显提高基体材料某一性能的组元物质增强体的特征：（1）具有能明显提高基体某种所需的特殊性能；（2）增强体应具有稳定的化学性质；（3）与基体有良好的润湿性31.2增强体的分类（1）颗粒类增强体（零维）性能特点：高强度、高模量、耐热、耐磨、耐腐蚀实例：碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化硼、石墨、碳化钛、滑石、碳酸钙等无机非金属颗粒复合材料性能特点：具有各向同性4（2）纤维类增强体（一维）连续长纤维：长度：连续长度一般超过数百米；性能特点：沿轴向有很高的强度和弹性模量分类：分为单丝和束丝两种。应用：成本高、性能高，只用于高性能复合材料复合材料性能特点：具有各向异性5连续长纤维实例单丝：硼纤维、CVD法制备的碳化硅纤维（直径约为95-140微米）束丝：碳纤维、氧化铝纤维、氮化硅纤维烧结法制备的碳化硅纤维等（含500-12000根单丝，单丝直径5.6-14微米）6短纤维：长度：连续长度一般几十毫米性能特点：沿轴向有方向性，但性能一般比长纤维低应用：成本比较低，应用广实例：硅酸铝纤维、氧化铝纤维碳纤维、氮化硼纤维等复合材料特点：无明显方向性(制造时排列无序)7（3）晶须类增强体（一维）外形尺寸：直径0.2-1微米，长约为几十微米性能特点：有很高的强度和模量（结构细小、缺陷少）应用：陶瓷增韧（成本比颗粒高得多）实例：碳化硅、氧化铝、氮化硅等复合材料性能特点：各向同性。8（4）金属丝增强体（一维）不锈钢丝、钨丝等（W/Al、W/Ni、不锈钢丝/Al）（5）片状物增强体（二维）陶瓷薄片：SiC/C、SiC/ZrO2、Si3N4/BN等。（6）纤维编织类增强体（三维）纤维编织成的三维结构91.3纤维类增强体具有高强度的原因（1）固体材料的理论强度：σth=(Eγ/a0)1/2纤维类增强体：Be、B、C、Al、Si以及它们与N、O的化合物（常温下原子半径小、化学性质稳定）纤维类增强体理论强度高！10（2）固体材料的实际强度：固体材料实际强度远远低于理论强度！原因：缺陷的存在；应力集中；破坏失效。断裂力学的研究结果：σ=(Eγ/4c)1/2高强度：高的弹性模量、高的表面能尽可能小的内部或表面的最大裂纹长度11（3）纤维材料具有高强度的原因：纤维类增强材料：强度很高同质地块状材料：强度一般E-玻璃：40-100MPaE-玻璃纤维：1000MPa（直径为10微米）2400MPa（直径5微米以下）随着纤维直径减小，强度将获得进一步提高！12纤维材料所包含的缺陷的形状、位置、取向和数目都有别与同质地的块状材料内部径向最大裂纹尺寸：非常小（纤维类增强材料）一般（同质地块状材料）内部轴向最大裂纹尺寸？对性能有怎样的影响呢？13内部轴向最大裂纹尺寸：一般（纤维类增强材料）一般（同质地块状材料）纤维中轴向的最大裂纹尺寸虽然可与块体材料中的相比，但对轴向性能的影响则很小（纤维主要承受轴向拉伸载荷）141.4纤维类增强体具有较高柔曲性的原因玻璃是典型的脆性材料，为什么玻璃纤维具有优良的柔曲性？柔曲性的表示方法：MMρ图3.1作用于受力梁上的力矩M及由此力矩产生的曲率半径ρ以1/(Mρ)表示材料的柔曲性15材料力学的研究结果给出了下式：4641dEM上式中，E为材料的杨氏模量，d为圆柱的直径。以1/(Mρ)表示材料的柔曲性，与1/d4成正比。玻璃是典型脆性材料，为什么玻璃纤维具有优良的柔曲性？16图3.2各种纤维材料的柔曲性与纤维直径和杨氏模量的关系17§2玻璃纤维2.1玻璃纤维的种类2.2玻璃纤维的制造2.3玻璃纤维的结构和化学组成2.4玻璃纤维的性能2.5玻璃纤维的应用182.1玻璃纤维的种类（1）按玻璃原料成分分类（最重要的分类方法）E-玻璃纤维：又称无碱玻璃，由钙铝硼硅酸盐组成的玻璃，碱金属氧化物（R2O）含量一般小于0.5%（国外小于1%）。E-玻璃纤维的电绝缘性能特别好，并且有较高的强度和较好的耐环境老化性能，但易被稀的无机酸腐蚀（耐酸性差）。19C-玻璃纤维：又称中碱玻璃，是一种钠硼硅酸盐玻璃，国产的不含硼，碱金属氧化物的含量为2%~6%，电绝缘性差，强度和模量低，成本低，但耐酸性好。A-玻璃纤维：又称有碱玻璃，碱金属氧化物的含量在10%以上，耐老化性能差，电绝缘性和耐水性差，强度和模量低(破坏网络)，成本低，但耐酸性优良。国内已停止生产。20S-玻璃纤维：又称高强玻璃纤维，属镁铝硅酸盐玻璃纤维，其强度和弹性模量均优于E玻璃纤维，高温性能好，主要用于飞机和火箭的高强度部件。M-玻璃纤维：氧化铍含量高的玻璃纤维，弹性模量比一般的玻璃纤维高1/3，主要用于航空航天领域。21（2）按玻璃纤维单丝直径分类超细纤维：直径为3.8-4.6微米柔曲性、耐磨性好防火衣、宇宙服、地毯、帐篷等中粗纤维：直径为5.3-7.4微米绝缘材料，过滤布等粗纤维：直径为9.2-21.6微米与树脂浸透性好，成本低、产量高经济性和工艺性好，有多种用途222.2玻璃纤维的制造（1）原丝的制造：原丝由若干根单丝（单纤维）组成图3.3拉丝玻璃纤维示意图原丝制造工艺流程：(1)按要求配料并送入熔窑制成玻璃液(2)玻璃液经制球机制成玻璃球(3)玻璃球加入加料斗并在铂金坩埚中熔化(4)熔化玻璃液自小漏孔流出并冷却形成单纤维(5)单纤维经过浸润、集丝后形成单股原丝(6)单股原丝被绕到控丝机头上的卷筒23（2）纤维纱的制造：通过原丝的退绕、加捻、并股、络纱而制成的玻璃纤维成品纱为有捻纱，直接并股、络纱制成的为无捻纱。（3）玻璃布的制造：将有捻纱或无捻纱经过纺织工艺可制成各种玻璃布。（4）玻璃纤维制品的制造：除了以上的各种制品，玻璃纤维还可制成其它制品，如滤布、防虫网等。242.3玻璃纤维的结构和化学组成（1）玻璃纤维的结构：玻璃纤维具有比块体玻璃高许多倍的强度玻璃纤维具有良好的柔曲性玻璃纤维结构与块体玻璃是相同的！25玻璃结构的两种假说：微晶假说：由二氧化硅的“微晶子”组成的网络假说：玻璃是由二氧化硅四面体、铝氧三面体、硼氧三面体相互连成不规则的三维网络结构，网络间的空隙由钠、钾、钙、镁等阳离子所填充。二氧化硅四面体的三维网络结构是决定玻璃性能的基础，阳离子称为网络改性物26玻璃纤维的结构特点：具有短程有序、长程无序的特点。玻璃纤维的性能特点:具有各向同性，杨氏模量、热膨胀系数等性能，在纤维的轴向和径向都是相同的。27（2）玻璃纤维的化学组成：SiO2：硅酸盐玻璃主要成份（构成玻璃的骨架）B2O3：硼酸盐玻璃的主要成分；Na2O、K2O：制造玻璃的助熔剂降低玻璃熔化温度和玻璃液粘度但也降低强度、电绝缘性CaO：加速玻璃熔化，提高玻璃稳定性Al2O3：提高机械强度、降低热膨胀系数等。282.4玻璃纤维的性能2.4.1物理性能（1）外观和相对密度玻璃纤维表面呈光滑的圆柱，其横断面几乎是完整的圆型，这种外观不利于纤维和基体材料的黏结，但却有利于复合材料制备过程中增强体体积含量的提高。玻璃纤维的直径为1.5~25微米，大多数为4~14微米。玻璃纤维的密度为2.16~4.30g/cm3，较有机纤维大很多，但比一般的金属密度低，跟铝相当。29表3.1各种纤维的密度纤维种类密度（g/cm3）纤维种类密度（g/cm3）羊毛1.28~1.33尼龙1.14蚕丝1.30~1.45碳纤维1.4棉花1.50~1.60玻璃纤维（无碱）2.6~2.7人造丝1.50~1.60玻璃纤维（有碱）2.4~2.730（2）力学性能拉伸强度：玻璃纤维具有很高的拉伸强度，较之块体玻璃有几十倍的提高，甚至比高强合金钢还高。一般地，玻璃纤维含碱量越高，强度越低；在湿气环境中有碱玻璃比无碱玻璃更容易老化；湿气环境能加剧玻璃纤维的疲劳破坏等。31材料纤维直径（微米）拉伸强度（MPa）材料纤维直径（微米）拉伸强度（MPa）羊毛~15100~300高强合金钢块状1600亚麻16~50350铝合金块状40~460棉花10~20300~700玻璃块状20~120尼龙块状300~600玻璃纤维5~81000~3000表3.2几种纤维材料和金属材料的强度32延伸率：较低，一般为3%（远低于有机纤维）直径越小，断裂延伸率越大。弹性模量：较低（约为钢的1/3）（只与结构有关）弹性模量与纤维直径无关表3.3几种纤维材料和金属材料的弹性模量与延伸率材料弹性模量（GPa）断裂延伸率（%）材料弹性模量（GPa）断裂延伸率（%）羊毛625~35钢2105~14亚麻30~502~3铝合金476~16棉花10~127.8钛合金968~12天然丝1318~24无碱玻璃723.0卡普龙纤维320~25有碱玻璃662.733（3）耐磨性和耐折性耐磨性：纤维抵抗摩擦的能力耐折性：纤维抗折断的能力玻璃纤维：耐磨性和耐折性比较差当纤维表面吸附水分后变得更差表面处理可以适当改善这两个性能34（4）热性能导热性：玻璃热导率为0.697-1.278W/m/K玻璃纤维0.034W/m/K（优良的绝热材料）（纤维间空隙较大，容积密度小，纤维之间是热导率更小的空气）表3.4几种物质的导热系数物质种类容积密度（kg/m3）导热系数（W/m/K）物质种类容积密度（kg/m3）导热系数（W/m/K）羊毛800.034~0.046玻璃〉21600.7~1.3蚕丝1000.046~0.052玻璃纤维800.034亚麻1300.046~0.053空气0.0246原棉810.058~0.062水0.6035耐热性：钠钙玻璃纤维：软化温度为550~580C热膨胀系数为4.8x10-6/C（加热到470C之前强度变化不大）玻璃纤维热处理：有明显的强度降低300C保持24小时室温强度下降20%，400C后保持24小时室温强度下降50%500C后保持24小时室温强度下降70%36（5）电性能化学组成：碱金属离子越多，电绝缘性能越差；温度：升高则电阻率下降；空气湿度：增加则电阻率下降。半导体：加入氧化铁、氧化铅、氧化铜导体：表面涂敷金属或石墨（6）光学性能透光性远不如块体玻璃好，优于其他纤维材料372.4.2化学性能（1）侵蚀介质对玻璃纤维的侵蚀情况二氧化硅四面体：骨架结构，很难被侵蚀介质腐蚀；钠、钾、钙等金属离子及与之相连的硅酸盐部分：容易被侵蚀介质溶解或破坏；良好的化学稳定性（氢氟酸、浓碱、浓磷酸）38（2）影响玻璃纤维化学稳定性的因素化学成分：a.酸的浸蚀：碱金属氧化物溶解生成硅酸胶体（极薄氧化硅保护膜）（中碱玻璃纤维的耐酸性好）b.水的侵蚀：溶解碱金属（无碱玻璃纤维耐水性好）c.碱液侵蚀：对所有成分都是均匀进行的39表面情况：玻璃耐蚀性：很好玻璃纤维耐蚀性：差很多（比表面增大）侵蚀介质体积和温度：温度升高，加剧玻璃纤维被腐蚀；介质体积增大，加剧玻璃纤维被腐蚀402.5玻璃纤维的应用玻璃纤维是目前用量最大的增强体材料。以有机聚合物为基体材料采用玻璃纤维增强制造的复合材料（在我国统称玻璃钢），其世界年产量已超过250万吨，产品种类超过4万种，其应用已遍及各个行业。（阅读相关的资料）