第4章-填充与纤维增强3

4.4增强纤维的种类1、玻璃纤维2、碳纤维3、芳纶纤维4、晶须5、其他纤维1、玻璃纤维力学性能——抗拉强度比普通玻璃高几十倍，且直径越小，抗拉强度越高。——弹性模量约为7×104MPa，与纯铝相近，只有普通钢的1/3，但模量较低。——是标准的弹性体，变形与应力成正比，没有屈服点，一旦去除应力，形变可完全恢复，具有优良的尺寸稳定性。——断裂延伸率很小，约为2.6%，硬度较大，一般为莫氏6.5。1、玻璃纤维热性能——导热系数很低，约为0.86千卡/米·度，是一种良好的绝热材料。在200-250℃以下，玻璃纤维的强度不变，当温度超过250℃，玻璃纤维的强度开始下降。在300℃经24小时，强度约下降20%；在400℃经24小时，强度约下降50%。这种强度下降与受热的时间有关，时间越长，强度下降越多。1、玻璃纤维耐腐蚀性能有碱玻璃纤维的耐水性很差，这是因为含碱硅酸盐在水或空气中的水分作用下，容易发生水解之故；无碱纤维的耐水性比有碱纤维好，而有碱纤维的耐酸性比无碱纤维强得多。由于比表面积的增大，总体而言，玻璃纤维耐酸碱的能力都要逊于玻璃。1、玻璃纤维介电性能玻璃纤维是一种优良的电绝缘材料。由于成分中含碱金属离子少的缘故，无碱玻璃纤维要比有碱玻璃纤维的电绝缘性能好得多。玻璃纤维的介电常数在102Hz时为6.43，在1010时为6.11；介电损耗角正切值在102Hz时为0.0042，在1010时为0.006。1、玻璃纤维玻璃纤维的表面处理方法①后处理法此法过程是首先除去玻璃纤维表面的纺织型浸润剂，然后经处理剂溶液浸渍、水洗、烘干等工艺，使玻璃纤维表面被覆上一层处理剂。②前处理法这种方法是采用增强型浸润剂，使玻璃纤维既能满足拉丝、并股、纺织各道工序的要求，又能满足制作复合材料时粘结的要求。③迁移法迁移法是将化学处理剂直接加入到树脂胶液中进行整体渗合，在浸胶的同时将处理剂施于玻璃纤维上，借助处理剂从树脂胶液至纤维表面的“迁移”作用而与纤维表面发生作用，从而在树脂固化过程中产生偶联作用。2、碳纤维碳纤维是指纤维中含碳量在95%左右的碳纤维和含碳量在99%左右的石墨纤维。碳纤维由有机纤维在高温下和惰性气体保护下烧制而成。所用的有机纤维可以是粘胶纤维、聚丙烯睛纤维、木质素—聚乙烯醇等。有机纤维在烧制温度达到1千多度高温时，就已全部成为碳元素组成的纤维，其导电性可接近金属，强度和拉伸弹性模量也大大提高。2、碳纤维力学性能——理论强度远远高于玻璃纤维；实际上，高强度的碳纤维的抗张强度为2500~3500MPa，与玻璃纤维处于同一数量级，这原因就在于碳纤维在制造过程中缺陷微裂纹出现的几率远远大于玻璃纤维。碳纤维是典型的脆性材料。一般高模量碳纤维的最大延伸率是0.35%，高强度碳纤维为1%；碳纤维的弹性回复为100%，说明碳纤维的刚性极大，韧性较差。2、碳纤维物理性能碳纤维的密度在1.5～2.0g/cm3之间，低于玻璃纤维，所以碳纤维的比强度，比模量较高。碳纤维的热膨胀系数与其测量的方向有关。平行于纤维方向是负值，而垂直于纤维方向是正值。碳纤维的导热率也有方向性，平行于纤维轴方向导热率高些，其导热率随温度升高而下降。碳纤维具有较好的导电性。2、碳纤维化学性能——与碳很相似，除能被强氧化剂氧化外，对一般酸碱是惰性的。在空气中，温度高于400℃时，则出现明显的氧化，生成CO和CO2；在不接触空气或氧化气氛时，碳纤维具有突出的耐热性。与其他类型材料比较，碳纤维要在高于1500℃强度才开始下降，而其他材料包括Al2O3晶须的性能已大大下降。碳纤维还有良好的耐低温、耐油、抗放射、抗辐射、吸收有毒气体和减速中子等特性。2、碳纤维碳纤维表面处理方法：1.表面清洁法2.气相氧化法3.液相氧化法4.电解氧化法5.表面涂层法3、芳纶纤维——芳香族聚酰胺纤维。是一种高强度、高模量且质轻的新型合成纤维。代表品种是美国杜邦(DuPont)公司开发的Kevlar纤维，其比强度是钢丝的5倍，相对密度仅为1.43~1.45，且具有良好的耐热性。与极性聚合物，如PU、EP等，具有良好的相容性，一般不需要进行表面改性处理即可获得良好的增强效果。高性能芳纶纤维具有优异性能，是制造先进复合材料最重要的增强材料和发展国防军工及国民经济的重要战略物资。4、晶须晶须是单丝形式的小单晶体，可用于制备具有优良物理力学性能的复合材料。用作晶须的材料可以是单质，如C、Fe、Ni、Cu等，也可以是无机化合物，如Al2O3、SiC、BC等。大多数晶须是由气相反应生产的。晶须既有硼纤维的高弹性模量(400～700GPa)和强度，又具有玻璃纤维的伸长率(3～4%)。缺点是价格昂贵，使应用受限。晶须对塑料的增强效果十分显著，通常如果晶须能被塑料熔体充分润湿并合理取向，塑料的抗拉强度可提高10～20倍。从价格和性能两方面考虑，晶须目前主要还是应用于航空航天、航海、军工等高技术领域。5、其他纤维硼纤维聚酯纤维尼龙纤维聚丙烯纤维……4.5纤维增强复合材料简介——以聚合物为基体，以纤维为增强材料制成的复合材料；综合了基体聚合物和纤维的性能，具有优越性和广泛用途，其特性优于各单一组分的特性。按聚合物基体的不同，分为：塑料基体和橡胶基体；本章主要介绍塑料基体复合材料。热固性塑料：环氧树脂、聚酯树脂、酚醛树脂等热塑性塑料：PP、PA、PC等。按增强纤维的长度，可分为短纤维增强复合材料和连续长纤维增强复合材料；短纤维增强复合材料最早出现于1951年，但是直到20世纪60年代中期，螺杆注塑机被广泛使用后，才得以批量生产。与基体相比，具有明显的性能优势：(1)沿纤维取向方向的强度、比强度有显著提高；(2)高温下强度高；(3)抗蠕变性能显著提高；(4)耐特殊环境如高温、紫外光等性能显著提高；(5)抗冲击性及抗热冲击性好；(6)耐疲劳性改善。短纤维增强聚合物基复合材料的增强机理应力传递理论单根纤维埋入基体模型受力前后变形示意图(a)受力前b)受力后复合材料受到平行于纤维方向上的拉力时，由于纤维的弹性模量一般大于基体的弹性模量，基体应变将会大于纤维应变．但因基体与纤维是紧密结合在一起的，纤维将限制基体过大的变形，于是在基体与纤维之间的界面部分便产生了剪应力和剪应变，并将所承受的载荷合理分配到纤维和基体这两种组分上。纤维通过界面沿纤维轴向的剪应力传递载荷，会受到比基体中更大的应力，这就是纤维能增强基体的原因。连续纤维增强热塑性聚合物复合材料连续纤维增强热塑性聚合物是20世纪70年代初开发的一种聚合物基复合材料。连续纤维可采用玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等，其中又以玻璃纤维最为常用。以玻璃纤维毡为增强材料的热塑性聚合物片材称为GMT，其近年来的发展尤其引人注目连续纤维增强热塑性塑料(ContinuousFibreReinforcedThermoplasticPlastics，简称CFRTP)是聚合物基复合材料中新发展起来的一类重要品种。优点：(1)预浸料可长期保存；(2)具有优良的综合性能，特别是在高温、高湿度下仍能保持良好的力学性能；(3)成型方法多、生产效率高；(4)制品可重复加工、再生利用。课后作业1、玻璃纤维和碳纤维的表面处理方法有哪些？2、简述短纤维增强聚合物基复合材料的增强机理？