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1、第三章 复合材料的增强材料,增强体作用：增强或改善基体材料的性能 本章主要内容包括纤维增强体的特点和几种增强材料（Gf、Cf、Bf、SiCf、晶须）的制备、性能特点及应用,3.1 增强体概述与纤维增强机制,增强材料分类 按几何形状分 按材质分,颗粒状（零维） 纤维状（一维） 薄片状（二维） 纤维编织体（三维）,无机（Gf、Cf、Bf、SiCf、Al2O3f等） 有机（芳纶纤维）,短纤维 晶须,3.1.1 纤维状增强材料的特点, 与同材质的块体材料相比，强度高得多 例如：E-玻璃40100MPa， Gf：1670MPa（d9.7m）；2330MPa（d4.2m） 原因：影响材料强度的主要因素是材
2、料中存在缺陷的形状、位置、取向和数目。,Gf强度与直径的关系,Gf强度与长度的关系（d=13m）, 纤维状材料具有较高的柔曲性 纤维单元受力矩M作用产生 弯曲，曲率半径与材质和 圆柱横截面尺寸关系为 d柔曲性 大的长径比（l/d）使纤维在复合材料中比其他形状的增强体更容易发挥其固有的强度,作用于微圆柱上的力矩M,玻璃纤维线团,看山是山，看水是水； 看山不是山，看水不是水； 看山还是山，看水还是水。 .青源惟信禅师讲到自己修佛悟道的历程时说的 .九鼎神皇824 处处留心皆学问 7075铝合金的固溶与热挤压前的塑性回复 粉末冶金中的烧结与热压（热挤压） 社会中人的道德观、价值观或社会观 思考：固溶
3、/时效与淬火/回火,破题、承题、起讲、入题、起股、中股、后股、束股。,八股文,提出、分析、解决问题。,议论文,作 文 秀,毕业设计 （研究）,做 写 说,动手 总结 表达,指导教师 评阅教师 答辩成绩,固溶：将合金加热到高温单相区一定温度，保温一定时间，使第二相充分溶解到固溶体中，随之迅速冷却至室温，以获得溶质原子在该基体相中的过饱和固溶体的热处理工艺。金属热处理工艺学 烧结：是粉末或粉末压坯在适当的温度和气氛条件下加热所发生的一系列复杂的现象或过程。粉末冶金原理,3.1.2 增强体在复合材料中的作用,结构复合材料（MMC, PMC） 增强体主要作用是承载，其中连续纤维所承受载荷的比例远高于基
4、体 结构CMC 增强体主要作用是增韧 功能复合材料 增强体主要作用是吸波、隐身、耐磨、耐腐蚀、抗热震等其中一种或多种，同时为材料提供基本的结构性能,假设：界面结合良好； 变形协调（等应变）； 弹性变形范围（虎克定律）； 纤维排列规整（纤维的体积分数面积分数） 复合材料的载荷由基体和增强体分担：,纤维体积分数 根据等应变的假设 则纤维承担的载荷与基体之比为： 讨论：如果Ef =20Em，f =0.6，则 Pf /Pm =30 Pf /Pm 随Ef /Em 、 f 而增加 选择纤维,纤维与基体的杨氏模量与载荷分配,增强效果用复合材料承担的载荷与基体之比表示： 增强效果取决于Ef /Em 和 f 所
5、以 ，作为复合材料的增强体，纤维弹性模量必 须高于基体，而且纤维体积分数越大增强效果越好。,高比强度、比模量，与基体相容性好，成本低，工艺性好（具有柔韧性，易绕曲），高温抗氧化性好，不污染环境等,3.1.3 高性能复合材料对纤维增强体的要求,第二节 纤维增强体介绍,3.2.1 玻璃纤维 3.2.2 碳纤维 3.2.3 硼纤维 3.2.4 碳化硅纤维 3.2.5 凯夫拉纤维,32 玻璃纤维,3.2.1 概述 玻璃纤维的物理、化学性能几乎由其化学组成所决定。现在所使用的主要有无碱E玻璃、耐药品的C玻璃、含碱的A玻璃、高拉伸强度的S玻璃以及特殊用途的玻璃等。 玻璃纤维表面积普通玻璃的1000倍，对于
6、普通玻璃来说不会成为问题的耐风化性、耐药品性，表面电阻等，对于玻璃纤维来说都必须充分注意。例如玻璃纤维表面可能与空气中的水分反应，产生风化，使强度等下降。,连续纤维的直径为330m。短纤维多为520m。 超细纤维d4m，用于防火衣、宇宙服、地毯、帐篷 5d10m，（编制纤维）过滤布、层压CM 10d20m，与树脂浸润性好、成本低、含量高 玻璃纤维的最大特征是拉伸强度高，一根连续纤维的拉伸强度，E玻璃可达3400MPa，而S玻璃可达4800MPa。 玻璃长纤维的70%以上用于强化树脂，其余的多用于电绝缘，工业机器等。,将玻璃加热至熔融状态，使其从漏嘴流出，再进行高速拔丝的方法。而且一般是使用多个
7、漏嘴，同时纺丝。用这种方法既可制备连续纤维，也可以制备短纤维（熔融后玻璃液在高速气流中吹拉而成，即吹制法）。,（坩埚法） （池窑法）,3.2.2 制备,3.2.3 应用,3.3 碳纤维,3.3.1 概述 碳纤维最早用棉、麻、竹等天然纤维碳化而成，用于白炽灯灯丝（1880），真正规模生产是从50年代末人造丝开始 早期碳纤维强度、模量低，热牵伸（1964）后性能突破 碳纤维是有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳，是一种非金属材料，不属于有机纤维 制备方法有气相法和有机纤维碳化法，前者制备短纤维，后者用于连续长纤维,3.3.2 连续长纤维制备 原料包括人造丝（粘胶纤维）、聚丙烯腈（PAN）和沥
8、青，高强高模量多用，高模量多用，最高达900GPa 一般工艺流程如下， 拉丝：块状聚合物成丝状； 牵伸：100300，杂乱主链取向化分布，影响纤维最终模量 稳定化：200400，又称预氧化，空气中脱氢环化 碳化：10002000，高纯惰性气体中去除非碳原子 石墨化：20003000，碳纤维结构石墨化，E，,3.3.3 碳纤维性能,各种碳纤维的力学性能,*现在碳纤维最高强度达7000MPa，最高模量达900GPa 强度跟缺陷有关、模量跟取向和石墨化程度有关,碳纤维热处理温度与强度及弹性模量的关系,现在碳纤维最高强度达7000MPa，最高模量达900GPa 强度跟缺陷有关、模量跟取向和石墨化程度有
9、关,碳纤维微纤模型,碳纤维的理想结构与实际结构 表观与内部缺陷,物理性能： 密度，1.52.5g/cm3 热膨胀系数，轴向为负（-0.72-0.90106），径向为正3222106 化学性能： 耐酸碱 抗氧化性，有氧400明显氧化；无氧1500以上强度才明显下降,碳纤维实例,镀镍碳纤维,碳短纤维,碳纤维织物,碳纤维织布,碳纤维,制备方法及相应的纤维小结 纤维素纤维：复杂应力，石墨化收得率低 沥青纤维：原料便宜，收得率高；杂质影响性能 PAN纤维：基础研究全面，工艺成熟,碳纤维的价格 （美元/kg）,碳纤维,该领域的主要课题与研究热点 需要解决的课题：原丝质量、原始创新、自力更生、精诚协作 优质
10、原丝是生产高性能碳纤维的前提。高纯、高强、高取向度 预氧化是控制碳纤维质量的重要因素。防熔、防燃，耐热梯形结构 碳化和石墨化工艺是制备高性能碳纤维的关键。高纯氮气或氩气保护，脱氮交联，排除非碳元素，瞬时排出热解产物,3.4 硼纤维,硼纤维是以钨丝为芯线，用化学气相沉积（CVD）的方法制备的。它具有优异的力学性能。虽然价格很高，但性能稳定，偏差小，是信赖性很高的一种纤维。 比较： 玻璃纤维熔融纺丝 金属纤维拔丝 碳纤维制成丝后碳化,硼纤维,将所需金属或非金属的化合物盐（主要为挥发性卤化物）气化，与H2等气体一起加热，并使其与基体接触。由于热分解或还原反应，就可以使金属或化合物在基体上析出。该过程
11、称为化学气相沉积。 将BCl3与作为载体的H2一起加热，并使其在钨丝或者碳丝上流过，发生反应： 2BCl3+3H22B+6HCl 则可在细丝上析出硼，以适当的速度拉卷细丝，则可以得到硼纤维。,H2+BCl3,H2+HCl,H2,反应区,预热区,芯线,卷线轴,硼纤维,在硼纤维开发的初期，作为芯线大多是钨丝芯线（纤维为100m时，芯线为13m，150m时为约20m），后来从成本上考虑，多使用碳的芯线（约30m）。一般市场上所出售的硼纤维直径为150m，实际应用中还可以再粗一些：例如300m。,析出速度,BCl3的流量,芯线的温度,芯线拉卷速度,反应槽的长度,随着温度的 升高而增大,过高： 晶化使晶
12、界变弱， 与芯线反应 生成脆性层,过低： 硼之间的结合力 变弱,最佳温度范围,中心是碳纤维或钨丝,室温下硼纤维的化学稳定性好，但表面具有活性，不需要处理就可与树脂复合，其复合材料具有较高的层间剪切强度。硼纤维主要用于聚合物基和铝基复合材料。,特点：抗张强度：3500MPa；弹性模量：390GPa；密度：2.68g/cm3 状态：连续单丝。不能采用像碳纤维那样的成形方法；另外，此类纤维不适宜用于曲率半径小的部分和非常薄的板。 硼纤维抗氧化和高温性能较差，在400C时可保持室温强度的80% ；在高于500C的氧化气氛中几分钟其强度就迅速下降；在650C时将失去所有的性能。 同时其成本也较高，成本下
13、降的潜力也不大。,3. 5 SiC纤维,碳化硅纤维具有很高的比强度、比刚度，耐腐蚀、抗热震、热膨胀系数小、热传导系数大等优点同时还具有良好的抗氧化和高温性能，其室温性能可保持到1200C。其成本下降的潜力很大。适合于制备树脂、金属及陶瓷基复合材料。 碳化硅纤维的制备方法有先驱体转化法和 CVD法两种。,1）先驱体转化法 1975 年由日本矢岛教授首先研制成功。有 Nicalon（尼卡隆） 和Tyranno（奇拉隆）两种商品。 纤维呈束状，每束500根左右，每根纤维10m左右。,2）CVD法制备SiC纤维 （美国Textron,SCS系列） 直径：100 140 m；抗张强度：3500MPa ；
14、 状态：连续单丝。,制备方法： 将基体丝连续通过玻璃管状反应器，并在加热到1200 1300C的同时通入适量的氯硅烷与氢气的混合反应气体反应气体在热丝上发生热解反应生成SiC CH3 SiCl3 + H2 SiC + HCl + 并沉积在热钨丝上形成带有芯（丝）材的连续SiC纤维,各种SiC纤维的性能比较,陶瓷纤维的特性,3.6 芳伦纤维,历史：Kevlar（聚对苯二甲酰对苯二胺）是由Du Pont公司于20世纪70年代开发，现在作为商品生产的合成纤维。与传统的合成纤维相比，强度与弹性模量都有显著的提高。,工艺： 由P次苯基肼与对酞酸盐的低温溶液重合。 干湿式纺丝法。该法与湿式纺丝基本相同，不
15、同之处在于喷丝嘴面与凝固浴之间有约1cm的空隙。这样就可以将纺丝原液的温度设计得比凝固浴的温度高得多，从而实现高浓度化，且可以增大拉取速度与吐出线速度之比。这对于干湿式纺丝法是很重要的。 关键：纺丝时得到充分的晶体取向是十分必要的，如果没有充分的晶体取向，即使通过热延伸提高弹性模量，也不能使强度得到大幅提高。将上述纺丝所得的纤维在氮气气氛中，550进行定长热处理，可以促进晶体化与取向。从而使弹性模量成倍增长，但强度几乎无变化。,Kevlar纤维与其它纤维性能的比较,优点 （1）不熔融（温度为650时强度为零）。 （2）高温能保持高强度与高弹性模量。 （3）耐热、不易燃烧。 （4）尺寸稳定、几乎
16、不发生蠕变。 （5）耐药性好，在有机溶剂及油中性能不下降。 （6）耐疲劳性，耐磨性好。 （7）对放射性线的抵抗性大。 （8）非导电、且诱电性能优越。 （9）与无机纤维相比振动吸收性好、减衰速度快。 （10）多次加工性好，用现行纤维加工设备可加工。,缺点： 是压缩性差，压缩强度仅有不到拉伸强度的1/5。 紫外线照射时强度大幅下降。 加工困难。 应用： 在很多领域得到了商业性的应用 还正在开发出很多新的用途。例如可用于橡胶轮胎的补强，绳索、防弹手套、保护衣、树脂基等复合材料的强化等。,3.3 晶须、颗粒增强体介绍 3.3.1 前言,名称： Whisker，猫 （猫的胡子） 历史 数百年前：银晶须（大
