第9章其他无机纤维增强材料

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1、第九章 其他无机纤维增强材料 第一节 硼纤维 硼纤维是一种新型的无机纤维。通常所指的硼纤维是一种复 合纤维，常见的复合形式有B/W和B/SiO2两种，前者是硼沉 积在细钨丝上，后者是硼沉积在涂碳和涂钨的石英纤维上。 1 硼纤维的制备 硼纤维的制备方法:通行采用气相沉积法(CVD),即在一根 受热的纤芯上。 例如在超细的钨丝上，用氢气还原三氯化硼，生成无定 形的硼，并沉积在芯材的表面，形成立径大约100m的 硼纤维。其化学反应式如下： 硼纤维的制造技术主要集中在三个方面： (1)采用了新的芯材取代了价格昂贵的钨质纤芯 最有代表性的是采用涂碳(或钨)的石英玻璃纤维芯材。 用此种纤维制备硼纤维的特点

2、:具有高温膨胀性能好、降 低硼纤维的表现密度、提高它的比弹性模量。 (2)改进化学气相沉积法及其有关设备 在沉积过程中，随着纤维直径的增加，以及芯材与硼在高 温下的化学反应，电阻值变化很大，甚至由于局部电阻增 大出现“亮点”,造成硼的不均匀沉积，影响硼纤维的质 量。所以采取了辅助外部加热装置和射频加热装置,实现 了反应温度的均匀分布。 (3)硼纤维的后处理 后处理技术：主要包括化学处理和表面涂层处理两个方面 化学处理法的目的是把影响纤维性能， 表面涂层处理目的是增加硼纤维的辅助保护层,使其在高 温下不与基质材料(金属基)起反应。 2 硼纤维的性能及其应用 硼纤维的性能:与其他增强材料相比，硼纤

3、维具有较低 的密度、较高的强度、很高的弹性模量和熔化温度,以 及良好的高温强度保留率。例如弹性模量比玻璃纤维高 出4倍。硼纤维的强度超过了钢的强度。其性能见表1。 表1 硼纤维的主要性能 性能典型值 拉伸强度（GPa）3.45 拉伸弹性模量（GPa）400 线膨胀系数（10-6K-1）1.5 密度（g/cm3）2.42.6 硼纤维的应用：硼纤维在航天工业上用作结构材料， 也在航空工业中得到了应用，例如，B-1洲际战略轰炸 机、F-14和F-15等军用飞机中，都使用硼纤维来增强 钛合金的部件。 在高温高速下运转的内燃机转子的叶片，如果使用硼 纤维来增强，可以提高叶片的使用寿命和转动速度。 硼纤维

4、还可以作为中子的减速剂，在原于能工业以及 防中子弹等方面。 第二节 碳化硅纤维 碳化硅纤维有三种形态上:晶须、异芯纤维和先驱体纤维。 碳化硅(SiC)纤维的先驱体是聚碳硅烷(PCS)。 高性能的 纤维的制备：聚碳硅烷经熔融纺丝、不熔化处 理、以及1200以上的高温热解。 1 碳化硅(SiC)纤维制备 聚碳硅烷(PCS)经熔融纺丝，可以得到10m15m的有机纤维。 碳化硅(SiC)纤维制备：在一定温度下，是纤维表面的Si-H键与氧 作用，生成不熔的交联结构，再经不熔化处理SiC纤维的PCS纤维 ，在氮气的保护下，在一定张力下，以100/h 300/h的升温 速率，从室温升到1250 ，然后停止加

5、热，让其自然冷却，可得 到黑色有金属光泽的SiC纤维。 2 碳化硅纤维的性能 (1)力学性能优异 碳化硅纤维是由均匀分散的微晶构成，凝聚力很大，应力 能沿着致密的粒子界面分散，因此具有优异的力学性能。 例如碳化硅纤维，纤维直径为l0m15m,抗张强度为 2500MPa3000MPa，弹性模量为180GPa200GPa，断裂伸 长率1.5，密度为2.55g/cm3，热膨胀系数(轴向)为 3.110-6-1。 (2)耐热氧化性能好 在1000以下，其力学性能基本上没有变化，因此可以在 高温下长时间使用,当在1300以上；由于微晶的增大， 使力学性能降低。 (3)化学稳定性好 碳化硅纤维具有良好的化

6、学稳定性在80的6molL HCl、 9molL H2SO4、7molL HNO3、30NaOH水溶液中浸蚀24h ，后纤维质量损失均在1以下，纤维力学性能基本不变。 (4)与金属有良好的浸润性 在1000以下，碳化硅纤维几乎不与金属发生反应，直到 1100以上才与某些金属发生反应。因此，它可与多种金属 复合，并有良好的浸润性。 碳化硅纤维与各种金属在高温下的反应活性见表2。 (5)耐辐照性能和吸波性能好 金属金属熔点 （） 处理温度（）（在H2中1h） 450530620650750800850900950100011001200 Al660000 Ag9610000 Cu108300000

7、0 Ni1453000 Co149500 Fe15370000 Ti1668 Cr187500 Mo261000000 表2 碳化硅纤维与金属的反应活性 注： 0表示未观察到反应， 表示有轻微反应，表示发生反应。 3 碳化硅纤维的应用 (1)耐热材料 碳化硅纤维是一种理想的耐热材料，碳化硅纤维的双向和 三向编织布、毡等织物。用于高温物质的传输带、金属熔 体过滤材料、高温烟尘过滤器、汽车废气过滤器等方面， 在冶金、化工、原子能工业，以及环境保护部门，都有广 阔的应用前景。 (2)树脂基复合树料 碳化硅纤维与环氧树脂复合，可以得到性能优良的复合材 料，其性能见表3。 树脂基复台材料抗弯曲冲击强度是

8、碳纤维复合材料的2倍 ，它的剪切强度与碳纤维环氧树脂复合材料相近。应用 于喷气发动机的涡轮叶片，也可用作飞机门窗，直升飞机 螺旋浆等，高尔夫球棒。 抗张强度(0方向)1500MPa 弹性模量130GPa 弯曲模量120GPa 层间剪切强度120MPa 压缩强度1800MPa 热膨胀系数0方向2.6 10-4C-1 90方向2.0 10-4C-1 密度2.0 103kg/m3 表3 SiC纤维环氧树脂复合材料的性能( ) (3)金属基复合材料 碳化硅纤维与金属复合，得到性能良好的金属基复合材 料。碳化硅纤维铝复合材料通常是用熔态金属模压方 法制得的。 一般使用的纤维体积分数( )为3040，抗张

9、强度 可达600MPa800MPa左右。 碳化硅纤维铝复合材料的一般性能见表4。 SiC纤维单向增强各种玻璃的机械强度( ) 抗张强度800MPa 弹性模量E1130GPa E288GPa 弯曲强度1200MPa 弯曲模量E1113GPa E283GPa 泊松比0.31 热膨胀系数0方向8.910-4C-1 90方向2510-4C-1 密度2650103kg/m3 图l SiC纤维铝复合材料的抗张 强度与温度的关系曲线 1SiC =35，铝型号：1100; 2SiC =30，铝型号：1100; 3SiC =30，铝型号：6061; 4一纯铝材1100 (4)陶瓷基复合材料 碳化硅纤维增强陶瓷，

10、可以大大提高陶瓷的耐冲击强度 ，其性能见表5所示。 碳化硅纤维增强陶瓷，提高陶瓷的耐冲击强度。碳化硅 纤维增强复合材料在高温下有极高的弯曲强度，缺口冲 击强度试验值比SiN4陶瓷高50倍，即使无缺口的冲击强 度试验值，也比后者高出4.5倍。 碳化硅纤维增强陶瓷或者玻璃复合材科，可用于火箭喷 气发动机的高温部件，也有可能用于作为高温耐腐蚀化 学反应釜的材料。 表5 SiC纤维单向增强各种玻璃的机械强度 玻璃种类硼硅酸玻璃硅酸盐玻璃 硅酸锂铝 玻璃（ LAS） SiC纤维 体积含量（ %） 35503550 温 度 室温470800506600 600620940 800800 100070085

11、0 弯曲模量（GPa，室 温） 100118102149 第三节 氧化铝纤维 氧化铝纤维：是Al2O3多晶连续纤维，用作增强材料。 性能:优异的机械强度和耐热性能，直到1370其强度 仍下降不大。室温拉伸强度约为1.72.0GPa，拉伸弹 性模量约为380GPa，密度为3.95g/cm3 。 氧化铝纤维强度及其他性质在很大程度上取决于它的微 观结构。 氧化铝纤维制造：主要用挤压加工法。 氧化铝纤维应用：多用于高温结构材料，特别是在航空 、宇航空间技术方面有广泛的应用前景。 第四节 石 棉 1 石棉矿物种类 石棉：蕴藏在中性或酸性岩浆岩中的一种非金属矿物， 它可以劈分成极细而又柔韧的纤维。 工业

12、上按其矿物成分和化学成分的不同，将石棉分为纤 蛇纹石石棉和角闪石石棉两大类。 1.1 纤蛇纹石石棉(温石棉) 化学式为 ， 物理性质:颜色多样，有深绿、浅绿、黄、灰白等色；外 观呈纤维束状，具丝绢光泽，莫氏硬度22.5，密度为 2.492.53gcm3，熔点为1550。 12 角闪石石棉 (1)蓝石棉:包括纤铁蓝闪石石棉 和镁质钠铁闪石棉Na2Fe3+2Fe23+Si18O22(OH)2。 物理特性：具独特的浅蓝、深蓝或淡青色，丝绢光泽， 密度为3.2gcm33.3gcm3 ，熔点9301150。 化学特性：有很强耐酸、碱性能。 (2)透闪石石棉：化学式为CaMg5Si4O11(OH)2。 物

13、理特性：呈灰白色，丝绢光泽或玻璃光泽。 密度为2.85gcm33.14gcm3，熔点1250，短而硬 脆，不易劈分，强度很低。 (3)阳起石石棉：化学式为Ca2(Mg,Fe+2)5Si4O112(OH)2。 物理特性：呈蓝绿色或褐色，纤维短而硬脆，无弹性， 强度低，密度3.1gcm33.3gcm3。 2 石棉的工艺技术特性 石棉的特性:有耐火、耐酸、耐碱、保温、绝热、防腐、绝缘 等。 由于各种石棉化学成分不同，它们的特性也有显著差别。 例如：蛇纹石类石棉的耐碱和耐高温性能均好，但耐酸性能 较差；而角闪石类青石棉的耐碱和耐高温性能虽均不及蛇纹 石类石棉，但耐酸性能较好。 石棉的分级、性能、技术指

14、标见表6和表7。 表6 石棉的分级及性能 表7 温石棉及青石棉的技术指标 3 石棉的应用 现根据制品的制造工艺及用途不同将石棉制品划分如下八 大类。 (1)石棉水泥制品 常见的如石棉水泥管、石棉水泥瓦等。 特点：密度和容积密度小，耐火度较高，导热性能低，导 电率低，机械强度较高，耐腐蚀性能好，加工性能好等。 (2)石棉纺织制品 可纺织成各种规格的石棉纱，而后捻线、搓绳、织布、织 带，再进一步制成各种石棉制品。主要有石棉布、石棉绳 及盘根。 特点:石棉纤维质地柔软，机械强度高，耐热、防腐、耐 酸碱、隔热、绝缘密封等。 (3)石棉保温隔热制品 蒸汽锅炉外壁和导管上用石棉做为保温层，同时也起隔热作用

15、。 (4)石棉橡胶制品 石棉橡胶制品主要用于各种设备的密封、衬垫。 品种包括：油浸石棉盘根、油浸石棉石墨盘根、其他石棉盘根、 石棉橡胶板、耐油板等。 (5)石棉传动、制动制品 制动制品 有制动带、制动片或叫刹车带、刹车片。 传动制品 主要用于各种机动车辆和工程机械的动力传动。 (6)石棉电工材料 石锦纤维与酚醛树脂而制成各种电工绝缘材料； 电工上做高压器材的底板、高压开关把手、电话耳机柄及 其军用器材以及配电盘、配电板、仪表板等； 造纸机上，用精选的石棉制成厚度为0.2mm以下的绝缘石 棉纸，是用在电机线圈的绝缘材料； 角闪石石棉中的磁铁矿细粒则可经过酸处理后再使用。 (7)石棉沥青制品 石棉

16、纤维掺合在天然沥青或人造沥青中便可制成石棉沥青 制品；如薄型的石棉沥青板、石棉沥青布(石棉油毡)、石 棉沥青纸、石棉沥青砖、液态的石棉漆和软性嵌填水泥路 面及膨胀用的油灰等。 (8)石锦的新用途 石棉在国防工业上出现了许多新用途。 石棉与陶瓷纤维制成的复合绝缘材料，用于火箭的燃烧室。 石棉与石墨的复合材料，用作导弹喷管的喉部和导弹发动机壳 体的封闭绝缘材料。 石棉与金属的复合树料用于高温防护，避免火箭发动机火舌和 高速飞行时由于高温引起的破坏作用。 石棉与玻璃纤维、尼龙纤维交织制成的复合材料也用于火箭和 导弹上。 第五节 硅灰石 硅灰石是自然产出的一种硅酸盐矿物。 1 硅灰石的矿物特性 三种同质多象变体： 一种是高温变体环硅灰右，为三斜晶系；两种低温变体的三 斜晶系硅灰石-TC型最常见；单斜晶系副硅灰石-ZM型少见。 化学式