第三章--复合材料的增强体

第三章复合材料的增强体23.1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1.8~2.1g/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100~300℃拉伸）3稳定（预氧化，400℃）4碳化（1000~2000℃）5石墨化（2000~3000℃）8有机纤维碳化法制造碳纤维的主要原材料：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（2.4~2.6g/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+3H2→2B+6HCl11三、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10~15μm的纤维，拉伸强度为2500~3000MPa，弹性模量为180~200GPa，密度为2.55g/cm3）、耐热氧化性能、耐化学腐蚀性能。12碳化硅纤维的制作方法：（1）化学气相沉积法（直径95~140μm，单丝）（2）有机聚合物转化法，也称烧结法（直径10μm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0.1μm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α-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℃），熔融的氧化铝通过喷丝板，以一定的速率拉出，冷却凝固形成直径为50~500μm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2.16~4.30g/cm3。（2）表面积大（3）拉伸强度高：1500~4000MPa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。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纤维直径/μm拉伸强度/MPa纤维直径/μm拉伸强度/MPa16017519.1942106.729715.2130070.63569.7167050.85606.6233033.57004.2350024.18213.33450玻璃纤维拉伸强度与直径的关系25纤维长度/mm纤维直径/μm拉伸强度/MPa513.015002012.512109012.7860156013.0720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550~580℃）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：SiO2：40~50%，Al2O3：19~29%，B2O3：10~20%，Li2O：0.1~1%35高模量玻璃纤维比一般玻璃纤维的模量提高1/3以上：9.4×104SiO253.7%,CaO12.7%,MgO9%,BeO8%,ZrO22%,TiO27.9%,Li2O3%,Fe2O30.5%36耐高温玻璃纤维（1）石英纤维：用高纯度(99.5%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100~200℃浓酸的侵蚀，耐碱性稍差些在250~4700μm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。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10~17μm。适用于航空与海底装备。403.3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：合金熔炼铸造盘条热拔粗丝冷拔退火金属丝41针状金属纤维423.4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，1.27~1.57×105MPa；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45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。463.5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用于金属基和陶瓷基复合材料的晶须有SiC、Al2O3、9Al2O3·2B2O3、2Al2O3·B2O3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0.2~1μm，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+3C→SiC+CO碳（炭黑）等SiO2催化剂混合加热反应1500℃反应生成SiC焙烧脱碳分选净化SiC晶须成品49晶须材料密度（g/cm3）熔点/℃拉伸强度/MPa弹性模量/GPaAl2O33.9208213800~27600482~1033AlN3.3219913800~20700344BeO1.8254913800~1930068