复合材料增强体

1第三章复合材料的增强材料在复合材料中，粘结在基体内以改进其机械性能的高强度材料称为增强材料。增强材料有时也称作增强体、增强剂等。2增强材料共分为三类：①纤维及其织物②晶须③颗粒3一、纤维如，植物纤维－－－棉花、麻类；动物纤维－－－丝、毛；矿物纤维－－－石棉。天然纤维强度较低，现代复合材料的增强材料用合成纤维。4纤维在复合材料中起增强作用，是主要承力组分。纤维不仅能使材料显示出较高的抗张强度和刚度，而且能减少收缩，提高热变形温度和低温冲击强度等。5复合材料的性能在很大程度上取决于纤维的性能、含量及使用状态。如聚苯乙烯塑料，加入玻璃纤维后，拉伸强度可从600MPa提高到1000MPa，弹性模量可从3000MPa提高到8000MPa，其热变形温度可从85℃提高到105℃，使-40℃以下的冲击强度可提高10倍。6纤维可分为有机纤维和无机纤维7（一）有机纤维芳纶纤维聚乙烯纤维尼龙纤维8１、芳纶纤维芳纶纤维是指日前巳工业化生产并广泛应用的聚芳酰胺纤维。国外商品牌号叫凯芙拉(Kevlar)纤维，我国暂命名为芳纶纤维，有时也称有机纤维。9芳纶纤维的历史很短，发展很快。1968午美国杜邦公司开始研制。1972年以B纤维为名发表了专利并提供产品。1972年又研制了以PRD--49命名的纤维。1973年正式登记的商品名称为ARAMID纤维。10ARAMID纤维包括三种牌号的产品，并重改名称。PRD--49--IV改称为芳纶--29；PRD--49--III改称为芳纶--49；B纤维改称为芳纶。11芳纶、芳纶--29、芳纶--49这三种牌号纤维的用途各不相同。芳纶主要用于橡胶增强，制造轮胎、三角皮带、同步带等；芳纶--29主要用于绳索、电缆、涂漆织物、带和带状物，以及防弹背心等。芳纶--49用于航空、宇航、造船工业的复合材料制件。12自1972年芳纶纤维作为商品出售以来，产量逐年增加。其原因是由于该纤维具有独特的功能，使之广泛应用到军工和国民经济各个部门。13(1)芳纶纤维的性能特点A、芳纶纤维的力学性能；Ｂ、芳纶纤维的热稳定性；Ｃ、芳纶纤维的化学性能。14A、芳纶纤维的力学性能芳纶纤维的特点是拉伸强度高。单丝强度可达3773MPa；254mm长的纤维束的拉伸强度为2744MPa，大约为铝的5倍。芳纶纤维的冲击性能好，大约为石墨纤维的6倍，为硼纤维的3倍，为玻璃纤维0.8倍。15芳纶纤维的弹性模量高，可达1.27~1.577MPa，比玻璃纤维高一倍，为碳纤维0.8倍。芳纶纤维的断裂伸长在3％左右，接近玻璃纤维，高于其他纤维。16芳纶纤维与碳纤维混杂将能大大提高纤维复合材料的冲击性能。芳纶纤维的密度小，比重为1.44~1.45，只有铝的一半。因此，它有高的比强度与比模量。17下表为芳纶纤维的基本性能18Ｂ、芳纶纤维的热稳定性芳纶纤维有良好的热稳定性，耐火而不熔，当温度达487℃时尚不熔化，但开始碳化。19因此，芳纶纤维在高温作用下，不发生变形，直至分解。如，能长期在180℃下使用；在150℃下作用一周后强度、模量不会下降；即使在200℃下，一周后强度降低15％，模量降低4％；另外，在低温(-60℃)不发生脆化亦不降解。20和碳纤维一样，芳纶纤维的热膨胀系数具有各向异性的特点。如，芳纶纤维的纵向热膨胀系数在0~100℃时为-2×10-6/℃；在100~200℃时为-4×10–6/℃。横向热膨胀系数为59×10-6/℃21Ｃ、芳纶纤维的化学性能芳纶纤维具有良好的耐介质性能，对中性化学药品的抵抗力一般是很强的，但易受各种酸碱的侵蚀，尤其是强酸的侵蚀；22芳纶纤维的耐水性也不好，这是由于在分子结构中存在着极性酰氨基；湿度对纤维的影响，类似于尼龙或聚酯。在低湿度(20％相对湿度)下芳纶纤维的吸湿率为1％，但在高湿度(85％相对湿度)下，可达到7％。23（２）芳纶纤维的结构芳纶纤维是对苯二甲酰与对苯二胺的聚合体，经溶解转为液晶纺丝而成。它的化学结构式如下：24从上述化学结构可知，芳纶纤维材料的基体结构是长链状聚酰胺，即结构中含有酰氨键，其中至少85％的酰氨直接键合在芳香环上.25键合在芳香环上刚硬的直线状分子键在纤维轴向是高度定向的，各聚合物链是由氢键作横向连结。这种在沿纤维方向的强共价键和横向弱的氢键，是造成芳纶纤维力学性能各向异性的原因，即纤维的纵向强度高，而横向强度低。26芳纶纤维的化学链主要由芳环组成。这种芳环结构具有高的刚性，并使聚合物链呈伸展状态而不是折叠状态，形成棒状结构，因而纤维具有高的模量。27芳纶纤维分子链是线性结构，这又使纤维能有效地利用空间而具有高的填充效率的能力，在单位体积内可容纳很多聚合物。这种高密度的聚合物具有较高的强度。28由于芳纶纤维具有规整的晶体结构，因此，它具有化学稳定性、高温尺寸稳定性、不发生高温分解以及在很高温度下不致热塑化等特点。29通过电镜对纤维观察表明，芳纶是一种沿轴向排列的有规则的褶叠层结构。这种褶叠层结构的模型，可以很好地解释横向强度低、压缩和剪切性能差及容易劈裂的现象。30(3)用途目前，芳纶纤维的总产量43％用于轮胎的帘子线(芳纶--29)，31％用于复合材料，17.5％用于绳索类和防弹衣，8.5％用于其他。31以树脂作为基体，芳纶纤维作为增强相所形成的增强塑料，简称KFRP，它在航空航天方面的应用，仅次于碳纤维，成为必不可少的材料。32２、聚乙烯纤维（Polyethylene,PE）聚乙烯纤维作为目前国际上最新的一种有机纤维，它具有以下四个特点：超轻、高比强度、高比模量、成本较低。33通常情况下，聚乙烯纤维的分子量大于106，纤维的拉伸强度为3.5GPa，弹性模量为116GPa，延伸率为3.4%，密度为0.97g/cm3。可用于制做武器装甲、防弹背心、航天航空部件等。34相比于其它各种纤维材料，聚乙烯纤维具有许多种优点。如：高比强度、高比模量以及耐冲击、耐磨、自润滑、耐腐蚀、耐紫外线、耐低温、电绝缘等。35聚乙烯纤维的不足之处：(1)熔点较低（约135℃）(2)高温容易蠕变。因此仅能在100℃以下使用。36（二）无机纤维1、玻璃纤维2、特种玻璃纤维3、碳纤维4、硼纤维5、氧化铝纤维6、碳化硅纤维7、氮化硼纤维8、其他纤维37１、玻璃纤维（GlassFibre,GF或Gt）1.1玻璃纤维及其制品；1.2玻璃纤维的结构及化学组成；1.3玻璃纤维的物理性能；1.4玻璃纤维的化学性能。381.1玻璃纤维及其制品①概述随着玻璃钢工业的发展，玻璃纤维工业也得到迅速发展。国外玻璃纤维的主要特点如下：39Ａ、普遍采用池窑拉丝新技术；Ｂ、大力发展多排多孔拉丝工艺；Ｃ、用于玻璃钢的纤维直径逐渐向粗的方向发展，纤维直径为14--24um，甚至达27um；Ｄ、大量生产无碱纤维；40Ｅ、大力发展无纺织玻璃纤维织物，无捻粗纱和短切纤维毡片所占比例增加；Ｆ、重视纤维--树脂界面的研究，偶联剂的品种不断增加，玻璃纤维的前处理受到普遍重视。41我国玻璃纤维工业诞生于1950年，当时只能生产绝缘材料用的初级纤维。1958年以后，玻璃纤维工业得到迅速发展。现在全国有大、小玻璃纤维厂家200多个，玻璃纤维年产量为5万吨，其中无碱纤维占20％，中碱纤维占80％，纤维直径多数为6--8um，正向粗纤维方向发展。42池窑拉丝工艺正在推广，重视纤维--树脂界面的研究，新型偶联剂不断出现，许多玻璃纤维厂使用前处理工艺，玻璃纤维工业的不断发展促进了我国复合材料及尖端科学技术的发展。43②玻璃纤维的分类玻璃纤维的分类方法很多。通常从玻璃原料成分、单丝直径、纤维外观及纤维特性等方面进行分类。441．以玻璃原料成分分类这种分类方法主要用于连续玻璃纤维的分类。一般以不同的含碱量来区分：(1)无碱玻璃纤维(2)中碱玻璃纤维(3)有碱玻璃纤维(4)特种玻璃纤维45(1)无碱玻璃纤维(通称E玻纤)：是以钙铝硼硅酸盐组成的玻璃纤维，这种纤维强度较高，耐热性和电性能优良，能抗大气侵蚀，化学稳定性也好(但不耐酸)。46无碱玻璃纤维最大的特点是电性能好，因此也把它称做电气玻璃。现在，国内外大多数都使用这种Ｅ破璃纤维作为复合材料的原材料。目前，国内规定其碱金属氧化物含量不大于0.5％，国外一般为1％左右。47(2)中碱玻璃纤维它是指碱金属氧化物含量在11.5％~12.5％之间的玻璃纤维。国外没有这种玻璃纤维，它的主要特点是耐酸性好，但强度不如E玻璃纤维高。它主要用于耐腐蚀领域中，价格较便宜。48(3)有碱玻璃(A玻璃)纤维有碱玻璃称A玻璃，类似于窗玻璃及玻璃瓶的钠钙玻璃。此种玻璃由于含碱量高，强度低，对潮气侵蚀极为敏感，因而很少作为增强材料。49(4)特种玻璃纤维如由纯镁铝硅三元组成的高强玻璃纤维，镁铝硅系高强高弹玻璃纤维，硅铝钙镁系耐化学介质腐蚀玻璃纤维，含铅纤维，高硅氧纤维，石英纤维等。502．以单丝直径分类玻璃纤维单丝呈圆柱形，以其直径的不同可以分为以下几种：粗纤维：30um；初级纤维：20um;中级纤维：10~20um；高级纤维：3~10um(亦称纺织纤维)。对于单丝直径小于4um的玻璃纤维称为超细纤维。51单丝直径不同，不仅使纤维的性能有差异，而且影响到纤维的生产工艺、产量和成本。一般5~10um的纤维作为纺织制品使用，10~14um的纤维一般做无捻粗纱、无纺布、短切纤维毡等较为适宜。523．以纤维外观分类有连续纤维，其中有无捻粗纱及有捻粗纱(用于纺织)、短切纤维、空心玻璃纤维、玻璃粉及磨细纤维等。534．以纤维特性分类根据纤维本身具有的性能可分为：高强玻璃纤维、高模量玻璃纤维、耐碱玻璃纤维、耐酸玻璃纤维、普通玻璃纤维(指无碱及中碱玻璃纤维)。541.2玻璃纤维的结构及化学组成①玻璃纤维的结构玻璃纤维的拉伸强度比块状玻璃高许多倍，但经研究证明，玻璃纤维的结构与玻璃相同。关于玻璃结构的假说到目前为止，比较能够反映实际情况的是“微晶结构假说”和“网络结构假说”。55微晶结构假说的要点玻璃是由硅酸块或二氧化硅的“微晶子”组成，在“微晶子”之间由硅酸块过冷溶液所填充。56网络结构假说的要点玻璃是由二氧化硅的四面体、铝氧三面体或硼氧三面体相互连成不规则三维网络；网络间的空隙由Na、K、Ca、Mg等阳离子所填充。二氧化硅四面体的三维网状结构是决定玻璃性能的基础，填充的Na、Ca等阳离子称为网络改性物。57大量资料证明，玻璃结构是近似有序的。主要是因为在玻璃结构中存在一定数量和大小比较有规则排列的区域，这种规则性是由一定数目的多面体遵循类似晶体结构的规则排列造成的。58但是，玻璃结构的这种有序区域不像晶体结构那样有严格的周期性，微观上是不均匀的，宏观上却又是均匀的，反映到玻璃的性能上是各向同性的。59②玻璃纤维的化学组成玻璃纤维的化学组成主要是二氧化硅、三氧化二硼、氧化钙、三氧化二铝等。玻璃纤维的化学组成对玻璃纤维的性质和生产工艺起决定性作用，以二氧化硅为主的称为硅酸盐破璃，以三氧化二硼为主的称为硼酸盐玻璃。60氧化钠、氧化钾等碱性氧化物为助熔氧化物，它可以降低玻璃的熔化温度和粘度，使玻璃熔液中的气泡容易排除。助熔氧化物主要通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，从而达到助熔的目的。因此氧化钠和氢化钾的含量越高，玻璃纤维的强度、电绝缘性能和化学稳定性都会相应的降低。61加入氧化钙、三氧化二铝等，能在一定条件下构成玻璃网络的一部分，改善玻璃的某些性质和工艺性能。例如，用氧化钙取代二氧化硅．可降低拉丝温度；加入三氧化二铝可提高耐水性。62总之，玻璃纤维化学成分的制定，一方面要满足玻璃纤维物理和化学性能的要求，具有良好的化学稳定性；另一方面要满足制造工艺的要求，如合适的成型温度、硬化速度及粘度范围。631.3玻璃纤维的物理性能玻璃纤维具有一系列优良性能，拉伸强度高，防火、防霉、防蛀、耐高温和电绝缘性能好等。玻璃纤维的缺点是具有脆性，不耐腐，对人的皮肤有刺激性等。64(1)外观和比重一般天然或人造的有机纤维，其表面都有较深的皱纹；而对于玻璃纤维来说，其表面呈光滑的圆柱，其横断面几乎都是完整的圆形。65宏观看来，由于表面光滑，纤维之间的抱合力非常小，不利于和树脂粘结；又由于呈圆柱状，所