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1、第三章第三章复合材料的增强材料复合材料的增强材料在复合材料中，粘结在基体内以改进其在复合材料中，粘结在基体内以改进其机械性能的机械性能的高强度材料高强度材料高强度材料高强度材料称为称为增强材料增强材料增强材料增强材料。增强材料增强材料增强材料增强材料有时也称作有时也称作增强体增强体增强体增强体、增强剂增强剂增强剂增强剂等。等。1增强材料共分为三类：增强材料共分为三类：纤维及其织物纤维及其织物晶须晶须颗粒颗粒2一、纤维一、纤维 如，植物纤维棉花、麻类；如，植物纤维棉花、麻类；动物纤维丝、毛；动物纤维丝、毛；矿物纤维石棉。矿物纤维石棉。天然纤维天然纤维 强度较低，强度较低，现代复合材料的增强材料现
2、代复合材料的增强材料 用合成纤维。用合成纤维。3纤维纤维纤维纤维在复合材料中起在复合材料中起增强作用增强作用增强作用增强作用，是主要，是主要承承承承力组分力组分力组分力组分。纤维纤维纤维纤维不仅能使材料显示出不仅能使材料显示出较高的抗张强度较高的抗张强度较高的抗张强度较高的抗张强度和和刚度刚度刚度刚度，而且能，而且能减少收缩减少收缩减少收缩减少收缩，提高，提高热变形温度热变形温度热变形温度热变形温度和和低温冲击强度低温冲击强度低温冲击强度低温冲击强度等。等。4复合材料的性能复合材料的性能复合材料的性能复合材料的性能在很大程度上取决于在很大程度上取决于纤维的性纤维的性纤维的性纤维的性能能能能、含
3、量含量含量含量及及使用状态使用状态使用状态使用状态。如如聚苯乙烯塑料聚苯乙烯塑料聚苯乙烯塑料聚苯乙烯塑料，加入，加入玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维后，后，拉伸强度拉伸强度拉伸强度拉伸强度可从可从600 600 MPaMPa提高到提高到1000 1000 MPaMPa，弹性模量弹性模量弹性模量弹性模量可从可从3000 3000 MPaMPa提高到提高到8000 8000 MPaMPa，其其热变形温度热变形温度热变形温度热变形温度可从可从8585提高提高到到105105 ，使使-40 -40 以下的以下的冲击强度冲击强度冲击强度冲击强度可提高可提高1010倍。倍。5 纤维纤维可分为可分为有机纤维
4、有机纤维和和无机纤维无机纤维6（一）（一） 有机纤维有机纤维 芳纶芳纶纤维纤维 聚乙烯聚乙烯纤维纤维 尼龙尼龙纤维纤维7、芳纶纤维、芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维是指日前巳工业化生产并广泛应是指日前巳工业化生产并广泛应用的用的聚芳酰胺纤维聚芳酰胺纤维聚芳酰胺纤维聚芳酰胺纤维。国外商品牌号叫国外商品牌号叫凯芙拉凯芙拉凯芙拉凯芙拉( (Kevlar)Kevlar)纤维纤维纤维纤维，我，我国暂命名为国暂命名为芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维，有时也称，有时也称有机纤维有机纤维有机纤维有机纤维。8芳纶纤维的历史芳纶纤维的历史芳纶纤维的历史芳纶纤维的历史很短，发展很快。很短，发展很快。1968
5、午美国午美国杜邦公司杜邦公司杜邦公司杜邦公司开始研制。开始研制。1972年以年以B B纤维为名纤维为名纤维为名纤维为名发表了专利并提供产品。发表了专利并提供产品。1972年又研制了以年又研制了以PRD-49PRD-49命名的纤维。命名的纤维。1973年正式登记的商品名称为年正式登记的商品名称为ARAMIDARAMID纤维。纤维。9ARAMIDARAMID纤维纤维纤维纤维包括三种牌号的产品，并包括三种牌号的产品，并重改名称。重改名称。PRD-49-IVPRD-49-IV改称为改称为芳纶芳纶芳纶芳纶-29-29；PRD-49-IIIPRD-49-III改称为改称为芳纶芳纶芳纶芳纶-49-49；B
6、B纤维纤维纤维纤维改称为改称为芳纶芳纶芳纶芳纶。10芳纶、芳纶芳纶、芳纶芳纶、芳纶芳纶、芳纶-29-29、芳纶、芳纶、芳纶、芳纶-49-49这三种牌号纤这三种牌号纤维的用途各不相同。维的用途各不相同。芳纶芳纶芳纶芳纶主要用于主要用于橡胶增强橡胶增强，制造轮胎制造轮胎、三角三角皮带皮带、同步带同步带等；等；芳纶芳纶芳纶芳纶-29-29主要用于主要用于绳索绳索、电缆电缆、涂漆织物涂漆织物、带带和和带状物带状物，以及，以及防弹背心防弹背心等。等。芳纶芳纶芳纶芳纶-49-49用于用于航空航空、宇航宇航、造船工业造船工业的复的复合材料制件。合材料制件。11自自1972年年芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维
7、作为商品出售以来，作为商品出售以来，产量产量逐年增加逐年增加。其原因是由于该其原因是由于该纤维具有独特的功能纤维具有独特的功能纤维具有独特的功能纤维具有独特的功能，使之，使之广泛应用到广泛应用到军工军工军工军工和和国民经济国民经济国民经济国民经济各个部门。各个部门。12(1)芳纶纤维的性能特点芳纶纤维的性能特点A、芳纶纤维的芳纶纤维的力学性能力学性能；、芳纶纤维的芳纶纤维的热稳定性热稳定性；、芳纶纤维的、芳纶纤维的化学性能化学性能。13A、芳纶纤维的力学性能芳纶纤维的力学性能芳纶纤维的特点芳纶纤维的特点是是拉伸强度高拉伸强度高拉伸强度高拉伸强度高。单丝强度。单丝强度可达可达3773MPa；25
8、4mm长的纤维束的拉伸强度长的纤维束的拉伸强度为为2744MPa，大约为铝的大约为铝的5倍。倍。芳纶纤维的芳纶纤维的冲击性能好冲击性能好冲击性能好冲击性能好，大约为石墨纤维，大约为石墨纤维的的6倍，为硼纤维的倍，为硼纤维的3倍，为玻璃纤维倍，为玻璃纤维0.8倍。倍。14芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维的的弹性模量高弹性模量高弹性模量高弹性模量高，可达，可达1.271.577MPa，比比玻璃纤维玻璃纤维高一倍，为高一倍，为碳纤维碳纤维0.8倍。倍。芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维的的断裂伸长断裂伸长断裂伸长断裂伸长在在3左右，接近左右，接近玻璃玻璃纤维纤维，高于其他纤维。，高于其他纤维。15芳纶
9、纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维与与碳纤维碳纤维碳纤维碳纤维混杂将能大大混杂将能大大提高提高提高提高纤维复纤维复合材料的合材料的冲击性能冲击性能冲击性能冲击性能。芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维的的密度小密度小密度小密度小，比重为，比重为1.441.45，只有，只有铝的一半。因此，它有高的铝的一半。因此，它有高的比强度比强度比强度比强度与与比模量比模量比模量比模量。16下表为芳纶纤维的基本性能下表为芳纶纤维的基本性能17、芳纶纤维的热稳定性芳纶纤维的热稳定性芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维有有良好的热稳定性良好的热稳定性良好的热稳定性良好的热稳定性，耐火而不耐火而不耐火而不耐火而不熔熔熔熔，当温度
10、达，当温度达487时尚时尚不熔化不熔化不熔化不熔化，但开始，但开始碳化碳化碳化碳化。18因此，因此，芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维在高温作用下，不发生变形，在高温作用下，不发生变形，直至分解。直至分解。如，能长期在如，能长期在180下使用；在下使用；在150下作用下作用一周后一周后强度强度强度强度、模量模量模量模量不会下降；即使在不会下降；即使在200下，下，一周后一周后强度降低强度降低强度降低强度降低15，模量降低模量降低模量降低模量降低4；另外，在低温另外，在低温(-60)不发生不发生脆化脆化脆化脆化亦不亦不降解降解降解降解。19和碳纤维一样，芳纶纤维的和碳纤维一样，芳纶纤维的热膨胀系数
11、热膨胀系数热膨胀系数热膨胀系数具有具有各向异性各向异性各向异性各向异性的特点。的特点。如，芳纶纤维的如，芳纶纤维的纵向热膨胀系数纵向热膨胀系数纵向热膨胀系数纵向热膨胀系数在在0100时为时为-2 10-6/；在在100200时为时为-4 106/。横向热膨胀系数横向热膨胀系数横向热膨胀系数横向热膨胀系数为为59 10-6/20、芳纶纤维的化学性能、芳纶纤维的化学性能芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维具有良好的具有良好的耐介质耐介质耐介质耐介质性能，对性能，对中中性化学药品性化学药品的的抵抗力抵抗力抵抗力抵抗力一般是很强的，但易受一般是很强的，但易受各种各种酸碱的侵蚀酸碱的侵蚀酸碱的侵蚀酸碱的侵蚀
12、，尤其是，尤其是强酸的侵蚀强酸的侵蚀强酸的侵蚀强酸的侵蚀；21芳纶纤维的芳纶纤维的耐水性耐水性耐水性耐水性也不好，这是由于在分子也不好，这是由于在分子结构中存在着结构中存在着极性酰氨基极性酰氨基极性酰氨基极性酰氨基；湿度湿度湿度湿度对纤维的影响，类似于对纤维的影响，类似于尼龙或聚酯尼龙或聚酯。在。在低湿度低湿度低湿度低湿度(20相对湿度相对湿度)下芳纶纤维的吸湿率为下芳纶纤维的吸湿率为1，但在，但在高湿度高湿度高湿度高湿度(85相对湿度相对湿度)下，可达到下，可达到7。22（）（）芳纶纤维的结构芳纶纤维的结构芳纶纤维是芳纶纤维是对苯二甲酰对苯二甲酰与与对苯二胺对苯二胺的聚合体，的聚合体，经溶解
13、转为经溶解转为液晶液晶纺丝而成。它的化学结构式如下：纺丝而成。它的化学结构式如下：23从上述化学结构可知，从上述化学结构可知，芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维材料的材料的基体基体结构结构是长链状是长链状聚酰胺聚酰胺聚酰胺聚酰胺，即结构中含有，即结构中含有酰氨键酰氨键酰氨键酰氨键，其，其中至少中至少85的酰氨直接键合在芳香环上的酰氨直接键合在芳香环上.24键合在芳香环上键合在芳香环上刚硬的直线状分子键在刚硬的直线状分子键在纤维轴纤维轴纤维轴纤维轴向向向向是是高度定向高度定向的，各的，各聚合物链聚合物链是由是由氢键氢键氢键氢键作横向连结。作横向连结。这种在这种在沿纤维方向的强共价键沿纤维方向的强共
14、价键沿纤维方向的强共价键沿纤维方向的强共价键和和横向弱的氢键横向弱的氢键横向弱的氢键横向弱的氢键，是造成芳纶纤维是造成芳纶纤维力学性能各向异性力学性能各向异性力学性能各向异性力学性能各向异性的原因，即纤维的原因，即纤维的的纵向强度高纵向强度高纵向强度高纵向强度高，而，而横向强度低横向强度低横向强度低横向强度低。25芳纶纤维的芳纶纤维的化学链化学链主要由主要由芳环芳环芳环芳环组成。这种组成。这种芳芳环结构环结构具有具有高的刚性高的刚性高的刚性高的刚性，并使，并使聚合物链聚合物链呈呈伸展伸展伸展伸展状态状态而不是而不是折叠折叠折叠折叠状态，形成状态，形成棒状棒状棒状棒状结构，因而纤维具有结构，因而
15、纤维具有高的模量高的模量高的模量高的模量。26芳纶纤维芳纶纤维分子链分子链是是线性结构线性结构线性结构线性结构，这又使纤维能，这又使纤维能有效地利用空间有效地利用空间有效地利用空间有效地利用空间而具有而具有高的填充效率高的填充效率高的填充效率高的填充效率的能力，在的能力，在单位体积内可容纳很多聚合物。这种高密度的聚单位体积内可容纳很多聚合物。这种高密度的聚合物具有合物具有较高的强度较高的强度较高的强度较高的强度。27由于由于芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维具有具有规整的晶体结构规整的晶体结构规整的晶体结构规整的晶体结构，因此，因此，它具有它具有化学稳定性化学稳定性化学稳定性化学稳定性、高温尺寸
16、稳定性高温尺寸稳定性高温尺寸稳定性高温尺寸稳定性、不发生不发生不发生不发生高温分解高温分解高温分解高温分解以及在很高温度下以及在很高温度下不致热塑化不致热塑化不致热塑化不致热塑化等特点。等特点。28通过电镜对纤维观察表明，芳纶是一种通过电镜对纤维观察表明，芳纶是一种沿轴沿轴沿轴沿轴向排列向排列向排列向排列的有规则的的有规则的褶叠层结构褶叠层结构褶叠层结构褶叠层结构。这种这种褶叠层褶叠层褶叠层褶叠层结构的模型，可以很好地解释结构的模型，可以很好地解释横横横横向强度低向强度低向强度低向强度低、压缩和剪切性能差压缩和剪切性能差压缩和剪切性能差压缩和剪切性能差及及容易劈裂容易劈裂容易劈裂容易劈裂的现象。的现象。29(3)用用途途目前，芳纶纤维的总产量目前，芳纶纤维的总产量43用于用于轮胎的轮胎的轮胎的轮胎的帘子线帘子线帘子线帘子线(芳纶芳纶-29)，31用于用于复合材料复合材料复合材料复合材料，17.5用于用于绳索类绳索类绳索类绳索类和和防弹衣防弹衣防弹衣防弹衣，8.5用于用于其他其他其他其他。30以以树脂树脂树脂树脂作为作为基体基体基体基体，芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维作为作为增强相增强
