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1、第二章 复合材料增强体,主要内容：增强体的概念和分类 无机非金属纤维 金属丝 有机纤维 晶须 颗粒,2-1 增强体的概念和分类,增强体：能提高基体材料力学性能的物质。增强体是复合材料的主要组成部分，它起着提高树脂基体的强度、模量、耐热和耐磨等性能的作用；同时，增强体能减少复合材料成型过程中的收缩率，提高制品硬度等作用。,从物理形态分：有纤维状增强体、片状增强体、颗粒状增强体等。纤维状材料的拉伸强度和拉伸弹性模量比同一块状材料要大几个数量级。用纤维材料对基体材料进行增强可得到高强度、高模量的复合材料。,增强体的分类,纤维类增强体 颗粒类增强体 晶须类增强体 金属丝 片状物增强体,按形态分类,2-
2、2 无机非金属纤维,一、玻璃纤维 （Glass Fibers）,一种性能优异的无机非金属材料; 具有不燃、耐高温(熔点680，沸点1000度）、电绝缘、拉伸强度高、化学稳定性好等优良性能; 无普通玻璃的脆性，质地柔软而有弹性，可并股、加捻、纺织成各种玻璃布、玻璃带等织物。 密度2.4-2.7g/cm3.,（一）概述：玻璃纤维是复合材料中使用量最大的一种增强材料。,玻璃球法 直接熔融法(池窑拉丝法)。,（1）包括制球和拉丝两步： 制玻璃球铂金坩埚熔融小漏孔拉丝 涂浸润剂并股成纱纺织成布、毡或带。,（二）玻璃纤维的制造方法,(2) 池窑漏板法拉丝工艺,池窑拉丝是连续玻璃纤维生产的一种新的工艺方法,
3、将玻璃配合料投入熔窑熔化后直接拉制成各种支数的连续玻璃纤维。,（三）玻璃纤维分类：,以玻璃原料成分分类 以单丝直径分类 以纤维外观分类 以纤维特性分类,1）以玻璃原料成分分类一般以不同的碱金属氧化物含量来区分。可以分为：无碱，中碱，有碱，特种玻璃纤维 无碱玻璃纤维（E玻璃纤维）碱金属氧化物含量0.5%化学稳定性、电绝缘性能、强度好主要用作电绝缘材料、玻璃钢的增强材料等,中碱玻璃纤维（C玻璃纤维）碱金属氧化物含量11.5-12.5%含碱量高，不能用作电绝缘材料，但其化学稳定性和强度尚好。一般用作乳胶布、方格布基材、酸性过滤布、窗纱基材等，也可作对电性能和强度要求不很严格的玻璃钢增强材料。成本较低
4、，用途较广。,有碱玻璃纤维（A玻璃纤维）碱金属氧化物含量15如采用碎的平板玻璃、碎瓶子玻璃等作原料拉制而成的玻璃纤维均属此类。可用作蓄电瓶的隔离片、管道包扎布和毡片等防水、防潮材料。,特种玻璃纤维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；硅铝钙镁系耐化学腐蚀玻璃纤维含铅纤维；高硅氧纤维二氧化硅含量高于96%石英纤维高纯二氧化硅和天然石英晶体制成的纤维。,2）以单丝直径分类 粗 纤 维：单丝直径一般为30um 初级纤维：单丝直径大于20um； 中级纤维：单丝直径10-20um 高级纤维：（纺织纤维）其单丝直径3-10um。 超细纤维：单丝直径小于4um。 一般：5-10um的纤
5、维作为纺织制品用；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。,3）按纤维外观分类连续纤维；无捻粗纱及有捻粗纱，短切纤维，空心玻璃纤维、玻璃粉及磨细纤维等。,玻璃纤维纱 玻璃纤维布 玻璃纤维带 玻璃纤维管 玻璃纤维毡,4）按纤维性能分类这是一类为适应特殊使用要求，新发展起来的，纤维本身具有某些特殊优异性能的新型玻璃纤维，大致可分为：高强玻璃纤维；高模量玻璃纤维；耐高温玻璃纤维；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）光学纤维；低介电常数玻璃纤维；导电纤维等,（四）玻璃纤维的结构和组成,玻璃是由硅氧原子为主组成的不规则网络，网络间存在空穴，空穴中填充
6、着Na，K、Ca2、Mg2等金属离子。,骨架氧化物： 二氧化硅、三氧化二硼 改性氧化物： 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。助熔氧化物： 氧化钠，氧化钾等，,降低玻璃的熔化温度和粘度，使玻璃溶液中的气泡容易排除，通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，从而达到助溶的目的。,组成： SiO2 + 氧化物Al2O3、CaO、MgO、Na2O、BeO 、B2O3 等,（五)玻璃纤维的物理性能,1.外观和密度,玻璃纤维呈表面光滑的圆柱体，表面光滑，纤维之间的抱合力非常小，不利于和树脂粘结。而玻璃纤维彼此相靠近时，空隙填充得较为密实，有利于提高玻璃钢制品的玻璃含
7、量。,2.表面积大,使得纤维表面处理的效果对性能的影响很大。,3.力学性能a.拉伸强度 最大特点是拉伸强度高 玻璃纤维的拉伸强度比同成分的块状玻璃高几十倍 例：块状有碱玻璃纤维的拉伸强度： 40MPa100MPa玻璃纤维强度：1500-4000MPa, 纤维直径和长度对拉伸强度的影响 直径越细，拉伸强度越高,b.影响玻璃纤维强度的因素：,随着纤维长度的增加，拉伸强度显著下降, 化学组成对拉伸强度的影响 含碱量越高，强度越低。 无碱玻璃纤维比有碱玻璃纤维的拉伸强度高20%。,无碱玻璃纤维成型温度高、硬化速度快、结构键能大；氧化钠和氧化钾的含量越高，玻璃纤维的强度会相应的降低。, 存放时间对强度的
8、影响 玻璃纤维存放一段时间后其强度会降低 纤维的老化。 原因：空气中的水分和氧气对纤维侵蚀, 施加负荷时间对强度的影响 玻璃纤维强度随着施加负荷时间的增长而降低。 环境湿度较高时，尤其明显. 原因：吸附在微裂纹中的水分，在外力作用下，使微裂纹扩展速度加速。,玻纤的成型工艺和条件。,用漏板拉制的玻璃纤维强度高于用玻璃棒法拉制的纤维。 如用漏板法拉制10m玻璃纤维的强度为1700MPa，而用棒法拉制相同直径的玻璃纤维强度仅为1100MPa。 原因: 玻璃棒只加热到软化，粘度仍然很大，拉丝时纤维受到很大的应力； 此外玻璃棒法是在较低温度下拉丝成型，其冷却速度要比漏板法为低。,c. 玻璃纤维的弹性玻璃
9、纤维的延伸率：纤维在外力作用下直至拉断时的伸长百分率约为3%。是一种弹性材料，没有塑性变形。,4.玻璃纤维的耐磨性和耐折性 玻璃纤维的耐磨性和耐折性能很差， 尤其在潮湿环境下玻璃纤维表面吸附水分后能加速微裂纹的扩展。,5.玻璃纤维的热性能 (1) 玻璃纤维的导热性 玻璃导热系数：0.7W/(mK)1.3W/(mK) 玻璃纤维导热系数：0.034W/(mK)，优良的绝热材料。 原因：纤维间的空隙较大，容积密度较小，空气导热系数低，所以玻璃纤维的导热系数低。,（2）玻璃纤维的耐热性 玻璃纤维的耐热性较高； 软化点为550580； 热膨胀系数为4.810-6 ； 200 250以下，玻璃纤维强度不变
10、； 化学成分决定其耐热性。,6.玻璃纤维的电性能,电性能:绝缘性好，主要取决于化学组成、温度和湿度。 碱金属离子越多，电绝缘性能越差； 温度升高，电阻率下降； 湿度增加，电阻率下降。,7.玻璃纤维及其制品的光学性能,玻璃具有优良的透光性， 但是制成玻璃纤维之后透光性不如玻璃。 玻璃布的透光率与布的厚度及密度有关。,二、碳纤维 Carbon Fibers (CF),（一）概述,（1）碳纤维的起源 1860年，英国人瑟夫斯旺将细长的绳状纸片碳化制取碳丝，以此制作电灯的灯丝。大约在1879年，他把棉纱浸入硫酸，焦干处理，然后碳化，或将硝化纤维素从膜孔中挤出成丝，然后再碳化，制取碳丝（获得专利）。由于
11、当时解决不了灯泡的真空问题，所以没有实用化意义。但是，碳丝的起源或溯源点应该是从他开始的。,1880年Edson成功研制出白炽碳丝灯泡（用棉、亚麻等天然植物纤维碳化得到碳纤维用于筛选白炽灯的灯丝）； 1881年，发现在碳纤维的表面涂覆一层碳膜提高其性能； 1909年，将碳纤维在惰性气体中加热到2600度以上，获得最早的石墨纤维； 1910年钨丝的出现，使这方面的研究停顿； 20世纪50年代，美国研发大型火箭和人造卫星以及全面提升飞机性能，急需新型结构材料及耐腐蚀材料，使碳纤维重新出现在新材料的舞台上。1959年美国联合碳化物公司黏胶基碳纤维研制成功，同年日本人发明了用丙烯腈(PAN)原丝制取碳
12、纤维的新方法并申请了专利。 历时多年的风雨历程，碳纤维的发展已初具规模。,（2）定义：,CF是有机纤维在惰性气氛中经高温（1500度）碳化而成的纤维状碳化合物。或：纤维化学组成中碳元素占总质量90以上的纤维。 Notes：只有在碳化过程中不熔融，不剧烈分解的有机纤维才能作为CF的原料。有些纤维要经过予氧化处理后才能满足这个要求。,它是一种强度比钢大、密度比铝小、比不锈钢耐腐蚀、比耐热钢耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。最高强度达7000MPa，最高弹性模量达900Gpa。用碳纤维制成的树脂基复合材料比模量比钢和铝合金高5倍，比强度高3倍以上， 同时耐腐蚀、
13、耐热冲击、耐烧蚀性能均优越，因而在航空和航天工业中得到应用并得到迅速发展。,理想的石墨点阵结构属六方晶系，真实的碳纤维结构属于乱层石墨结构。,石墨的六方晶体结构,石墨：六方晶系,（二）碳纤维的结构,碳：原子序数6，相对原子量12，密度为2.268 g/cm3。 石墨结构是在层面内为六方晶格结构，以牢固的共价键结合，原子间距0.142纳米，键强度为627 kJ/mol；层与层之间由范德华力连接，层间距为0.34纳米，层间结合能为5.4 kJ/mol。 石墨的这种结构具有性能的各向异性： 杨氏模量在层面内为1000GPa，而垂直于层面方向则仅为35GPa。,碳纤维：乱层石墨结构 最基本的结构单元：
14、石墨片层 二级结构单元：石墨微晶(由数张或数十张石墨片层组成) 三级结构单元：石墨微晶组成的原纤维。直径在50nm左右，弯曲，彼此交叉的许多条带状组成的结构。,石墨层片,石墨微晶,最基本的结构单元,碳纤维的二级结构单元,碳纤维的三级结构单元：石墨微晶组成原纤维，直径50nm左右，长度数百纳米。原纤维呈现弯曲、彼此交叉的许多条带状结构组成，条带状的结构之间存在针形空隙，大体沿纤维轴平行排列。,最后由原纤维组成碳纤维的单丝,碳纤维的皮芯结构：碳纤维由表皮层和芯子两部分组成，中间是连续的过渡区。皮层的微晶较大，排列较整齐有序，占直径的14，芯子占39，由皮层到芯子，微晶减小，排列逐渐紊乱，结构不均匀
15、性愈来愈显著。,皮层：微晶较大，排列有序。 芯层：微晶减小，排列紊乱，结构不均匀。,聚丙烯腈基碳纤维,粘胶基碳纤维,沥青基碳纤维,木质素纤维基碳纤维,其它有机纤维类（各种天然纤维， 再生纤维缩合多环芳香族等）,（三）碳纤维的分类：,按先驱体原料,可按先驱体原料、碳纤维的性能和用途进行分类,高性能碳纤维（HP）,中强型（MT） 高强型（HT） 超高强型（UHT） 中模型（IM） 高模型（HM） 超高模型（UHM）,通用级碳纤维（GP）,UHM HM IM UHT HT,拉伸模量/Gpa 拉伸强度/Gpa 含碳量/%,400 300400 180200 200350 200250,1.7 1.7
16、2.73.0 2.76 2.02.75,99.8 99.0 96.5 94.5 99.0,按力学性能：,碳纤维用途,受力结构用碳纤维,耐焰碳纤维,活性碳纤维（吸附活性）,导电用碳纤维,润滑用碳纤维,耐磨用碳纤维,纤维外观,短纤维 短切碳纤维和碳毡,长纤维 碳纤维长度可达几千米,二（双）向织物,布的叠层结构 将碳布折叠成一定的长、宽、高的形状,扭绳或编织绳 将数束单丝纤维合并成小股，以数股或数十股进行扭编或编织，可制成粗细不等的圆形或方形绳。,三向织物和多向织物,短纤维,长纤维,碳纤维：以碳为主要成分的纤维状材料。不同于有机纤维或无机纤维，不能用熔融法或溶液法直接纺丝，只能以有机物为原料，采用间接方法来制造。,
