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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 分为和分为和分为和分为和无机纤维无机纤维无机纤维无机纤维要点回顾要点回顾1复合材料的增强体有机纤维课件（一）一）无机纤维无机纤维1、玻璃玻璃纤维纤维2、特种玻璃特种玻璃纤纤维维3、碳碳纤维纤维4、硼硼纤维纤维5、氧化铝氧化铝纤维纤维6、碳化硅碳化硅纤维纤维7、氮化硼氮化硼纤维纤维8、其他其他纤维纤维2复合材料的增强体有机纤维课件 4.1 4.1 概述概述 4.2 4.2 硼纤维的制造硼纤维的制造 4.3 4.3 硼纤维的组织结构硼纤维的组织结构 4.4 4.4 硼纤维的性能硼纤维的性能 4.5 4.5 硼纤维的应
2、用硼纤维的应用 4.硼纤维硼纤维3复合材料的增强体有机纤维课件4.1 4.1 概述概述硼硼：是是一一种种脆脆性性材材料料，原原子子序序数数为为5 5，相相对对原原子子量量10.810.8，熔点熔点20002000o oC C以上，电的半导体。以上，电的半导体。硼很难直接制成纤维硼很难直接制成纤维硼很难直接制成纤维硼很难直接制成纤维。4复合材料的增强体有机纤维课件硼纤维硼纤维：通通过过化化学学气气相相沉沉积积（chemicalvapordeposition，CVD）的的方法，在超细的异质芯材上获得表面为硼的复合纤维。方法，在超细的异质芯材上获得表面为硼的复合纤维。芯材芯材：有有钨钨丝丝、碳碳丝丝
3、、涂涂钨钨及及涂涂碳碳的的石石英英玻玻璃璃纤纤维维。硼硼纤纤维维是是高高强强度和高模量的无机纤维度和高模量的无机纤维，其模量比玻璃纤维约高，其模量比玻璃纤维约高57倍倍。5复合材料的增强体有机纤维课件硼纤维研制历史硼纤维研制历史19561956年年最最早早制制成成，19591959年年美美国国TELLYTELLY首首先先发发表表了了用用化化学学气气相相沉沉积积法法制制造造高高性性能能硼硼纤纤维维的的论论文文，并并受受到到了了美美国国空空军军材材料料实实验验室室的的高高度度重重视视，积积极极推推进进硼硼纤纤维维及及其其复复合合材材料料的的研研制制。19661966年年应应用用于于航航天天工工业业
4、，是是应应航航天天领领域域对对材材料料日日益益严严苛苛的的要要求求而而发发展展起起来来的的，是是制制造造金金属属复合材料最早采用的高性能纤维。复合材料最早采用的高性能纤维。硼纤维的制备问题硼纤维的制备问题：现现在在硼硼纤纤维维通通用用的的制制备备方方法法CVDCVD法法，这这种种制制备备法法硼硼纤纤维维生生产产率率低低，且且须须对对表表面面进进行行特特殊殊处处理理（防防止止表表面面氧氧化化及机械损伤）。及机械损伤）。6复合材料的增强体有机纤维课件4.2 4.2 硼纤维的制造硼纤维的制造制备工艺制备工艺：CVDCVD法法制制备备硼硼纤纤维维，是是以以氢氢气气为为还还原原剂剂，从从三三卤卤化化硼硼
5、中中还还原出硼并沉积在炙热的芯材上，所需温度约为原出硼并沉积在炙热的芯材上，所需温度约为1160oC。 2BX3+3H22B +6HX 上式中，上式中，X X为卤素原为卤素原子（子（Cl、Br、I）。）。硼纤维的直径有硼纤维的直径有100m、140m、200m几种。几种。7复合材料的增强体有机纤维课件4.3 4.3 硼纤维的组织结构硼纤维的组织结构硼硼纤纤维维的的组组织织和和结结构构受受其其制制备备的的工工艺艺参参数数影影响响很很大大，由由此此产产生生的的一一些些结结构构缺缺陷陷和和组组织织不不规规则则性性都都可可降降低低纤纤维维的的力学性能。因此，硼纤维制备过程中的工艺参数很关键力学性能。因
6、此，硼纤维制备过程中的工艺参数很关键8复合材料的增强体有机纤维课件（1 1）硼纤维的形貌）硼纤维的形貌：硼硼纤纤维维是是由由一一些些边边界界分分开开的的、不不规规则则的的 小小结结节节 构构成成“玉玉米米棒棒”结结构构，因因此此表表面面粗粗燥燥。小小结结节节是是硼硼在在沉沉积积过过程程中中成成核核并并逐逐渐渐长长大大的的，直直径径为为37微微米米，高高13微微米米，节节间沟深间沟深0.250.75微米。微米。图图3.4硼纤维的表面形貌和断口形硼纤维的表面形貌和断口形貌貌9复合材料的增强体有机纤维课件（2 2）硼纤维的结构）硼纤维的结构硼硼纤纤维维的的无无定定形形结结构构实实际际上上是是晶晶粒粒
7、直直径径为为2 2纳纳米米的的微微晶晶结结构构（主主要要是是菱菱形形六六面面体体），菱菱形形六六面面体体的的晶晶胞胞结构的基本单元是一组由结构的基本单元是一组由1212个原子构成的二十面体。个原子构成的二十面体。在在钨钨丝丝表表面面形形成成沉沉积积的的硼硼时时往往往往在在界界面面上上有有硼硼化化钨钨化化合合物的形成，这主要是硼在钨丝表面扩散形成的。物的形成，这主要是硼在钨丝表面扩散形成的。10复合材料的增强体有机纤维课件（3 3）硼纤维的残余应力）硼纤维的残余应力：采用采用CVDCVD法制备硼纤维事，存在着法制备硼纤维事，存在着较大的残余应力较大的残余应力。使用钨芯时，钨芯为压缩应力，硼覆盖层
8、为周向拉伸应力使用钨芯时，钨芯为压缩应力，硼覆盖层为周向拉伸应力（硼化钨的形成产生体积膨胀）；（硼化钨的形成产生体积膨胀）；碳丝芯材时，碳与硼不反应，但热膨胀不匹配，在碳芯中碳丝芯材时，碳与硼不反应，但热膨胀不匹配，在碳芯中形成很大的拉伸残余应力，覆盖层中外部为压缩应力（硼形成很大的拉伸残余应力，覆盖层中外部为压缩应力（硼纤维被拉出后冷淬形成的）。纤维被拉出后冷淬形成的）。硼覆盖层中的这种压缩应力有利于阻止裂纹在外表面扩展硼覆盖层中的这种压缩应力有利于阻止裂纹在外表面扩展11复合材料的增强体有机纤维课件（4 4）硼纤维的结构缺陷）硼纤维的结构缺陷：包包括括表表面面缺缺陷陷和和芯芯材材与与覆覆盖
9、盖层层之之间间的的界界面面缺缺陷陷。对对硼硼纤纤维维表表面面进进行行化化学学处处理理，表表面面缺缺陷陷被被腐腐蚀蚀掉掉，硼硼纤纤维维的的性性能能将将有所提高。有所提高。（5 5）硼纤维的表面涂层）硼纤维的表面涂层：由由于于硼硼的的表表面面能能高高，所所以以在在制制备备复复合合材材料料时时硼硼纤纤维维容容易易被被基基体体材材料料所所浸浸润润，但但同同时时也也容容易易与与多多数数金金属属（如如铝铝、镁镁、钛钛等等）强强烈烈反反应应。因因此此硼硼纤纤维维表表面面必必须须进进行行涂涂层层制制备备，包包括：括：BNBN、SiCSiC、B B4 4C C等。等。12复合材料的增强体有机纤维课件4.4 4.
10、4 硼纤维的性能硼纤维的性能化学稳定性化学稳定性：室室温温下下硼硼纤纤维维的的化化学学稳稳定定性性好好，但但表表面面具具有有活活性性，不不需需要要处处理理就就可可与与树树脂脂复复合合，其其复复合合材材料料具具有有较较高高的的层层间间剪剪切切强强度度。但但在在高高温温下下易易与与大大多多数数金金属属反反应应，需需要要在在纤纤维维表面沉积保护涂层，如表面沉积保护涂层，如BNBN、SiCSiC和和B B4 4C C等。等。13复合材料的增强体有机纤维课件抗氧化和高温性能抗氧化和高温性能：硼硼纤纤维维的的这这两两种种性性能能较较差差，在在400400 C C时时可可保保持持室室温温强强度度的的80%8
11、0%；在在高高于于500500 C C的的氧氧化化气气氛氛中中几几分分钟钟其其强强度度就迅速下降；在就迅速下降；在650650 C C时将失去所有的性能。时将失去所有的性能。模模量量：比比S玻璃纤维高玻璃纤维高45倍。倍。制造成本制造成本：较高，下降的潜力也不大。较高，下降的潜力也不大。14复合材料的增强体有机纤维课件表表3.6直径直径为100微米微米钨芯硼芯硼纤维的性能的性能性能性能数数值性能性能数数值密度，密度，g/cm32.6杨氏模量，氏模量，GPa420拉伸拉伸强强度，度，GPa3.14.1剪切模量，剪切模量，GPa165179泊松比泊松比0.21热膨膨胀系数，系数，10-6/C4.6
12、85.0纤维直径，微米直径，微米处理状理状态平均拉伸平均拉伸强强度，度，GPa142未未处理理3.8406未未处理理2.1382表面化学抛光表面化学抛光4.6382热处理理+化学抛光化学抛光5.7表表3.7改进的特大直径钨芯硼纤维的性能改进的特大直径钨芯硼纤维的性能15复合材料的增强体有机纤维课件4.5 4.5 硼纤维的应用硼纤维的应用硼纤维主要用于硼纤维主要用于聚合物基和铝基聚合物基和铝基复合材料。复合材料。由由于于 卓卓越越的的性性能能 和和 昂昂贵贵的的价价格格，硼硼纤纤维维增增强强复复合合材材料料主要用于航空航天、军事领域。主要用于航空航天、军事领域。应应用用实实例例：轰轰炸炸机机、战
13、战斗斗机机的的水水平平尾尾翼翼。硼硼纤纤维维增增强强铝铝基基时时一一般般带带有有碳碳化化硅硅涂涂层层，以以避避免免硼硼纤纤维维与与铝铝、镁镁等等基基体体之之间间产产生生有有害害的的界界面面反反应应；硼硼纤纤维维增增强强钛钛时时一一般般带带有有B4CB4C涂涂层，基体常用层，基体常用Ti-6Al-4VTi-6Al-4V合金。合金。16复合材料的增强体有机纤维课件5.5.氧化铝纤维氧化铝纤维以以氧化铝氧化铝氧化铝氧化铝为为主要纤维组分主要纤维组分的陶瓷纤维统称的陶瓷纤维统称为氧化铝纤维为氧化铝纤维(AluminiaFibre,AF或或(Al2O3)f)。17复合材料的增强体有机纤维课件通常情况下，
14、将通常情况下，将氧化铝含量大于氧化铝含量大于70的的纤维相称为纤维相称为氧化铝纤维氧化铝纤维；将将氧化铝含量小于氧化铝含量小于70，其余为，其余为二氧化二氧化硅和少量杂质硅和少量杂质的纤维称为的纤维称为硅酸铝纤维硅酸铝纤维。18复合材料的增强体有机纤维课件氧化铝纤维的特点氧化铝纤维的特点(1)耐热性好耐热性好耐热性好耐热性好，在空气中加热到，在空气中加热到1250还保还保持室温强度的持室温强度的90%，碳纤维碳纤维通常在通常在400以上就以上就氧化燃烧。氧化燃烧。19复合材料的增强体有机纤维课件(2)不被熔融金属侵蚀不被熔融金属侵蚀不被熔融金属侵蚀不被熔融金属侵蚀，可与金属很好地复合。，可与金
15、属很好地复合。(3)表面活性好表面活性好表面活性好表面活性好，不需要进行表面处理，即能，不需要进行表面处理，即能与树脂和金属复合。与树脂和金属复合。(4)具有极佳的具有极佳的耐化学腐蚀耐化学腐蚀耐化学腐蚀耐化学腐蚀和和抗氧化性抗氧化性抗氧化性抗氧化性，尤其，尤其在高温条件这些性能更为突出在高温条件这些性能更为突出。20复合材料的增强体有机纤维课件(5)用氧化铝增强的复合材料用氧化铝增强的复合材料具有优良的具有优良的抗压抗压抗压抗压性能性能性能性能，压缩强度比，压缩强度比GFRP高，是高，是GFRP的三倍以上，的三倍以上，耐疲劳强度高，经耐疲劳强度高，经107次次重复交变加载重复交变加载后，强度
16、不后，强度不低于静强度的低于静强度的70。21复合材料的增强体有机纤维课件(6)电气绝缘电气绝缘、电波透过性好电波透过性好。与玻璃钢相比，它的介电常数和损耗值与玻璃钢相比，它的介电常数和损耗值小，且随频率的变化小，电波透过性更好。小，且随频率的变化小，电波透过性更好。22复合材料的增强体有机纤维课件氧化铝纤维的分类及制造方法氧化铝纤维的分类及制造方法氧化铝纤维按照纤维的长短可分为连续氧化铝氧化铝纤维按照纤维的长短可分为连续氧化铝纤维和氧化铝短纤维两种。氧化铝纤维的制备方法纤维和氧化铝短纤维两种。氧化铝纤维的制备方法较多，制备的晶型有较多，制备的晶型有-Al2O3、-Al2O3、-Al2O323
17、复合材料的增强体有机纤维课件连续氧化铝纤维的制备方法主要有如下几种连续氧化铝纤维的制备方法主要有如下几种拉晶法（拉晶法（Typo）：）：采用制造单晶的方法制备采用制造单晶的方法制备氧化铝纤维，是单晶结构；氧化铝纤维，是单晶结构；溶液纺丝法：溶液纺丝法：日本住友公司使用的、通过先驱日本住友公司使用的、通过先驱体转化法制备的氧化铝纤维，其结构为粒径为体转化法制备的氧化铝纤维，其结构为粒径为5纳纳米的超微粒子聚集而成，属于一种凝聚结构。米的超微粒子聚集而成，属于一种凝聚结构。溶胶溶胶-凝胶法（凝胶法（3M）：）：美国美国3M公司采用该方法公司采用该方法制备了氧化铝纤维，其结构为多晶混合结构。制备了氧
18、化铝纤维，其结构为多晶混合结构。24复合材料的增强体有机纤维课件混合液纺丝法：混合液纺丝法：将金属氧化物与聚合物溶液混将金属氧化物与聚合物溶液混合成一定黏度的溶液，用挤压纺丝的方法从纺丝孔合成一定黏度的溶液，用挤压纺丝的方法从纺丝孔直接挤出纤维，再以高温烧结形成；直接挤出纤维，再以高温烧结形成；基体纤维浸渍溶液法：基体纤维浸渍溶液法：用无机铝盐溶液浸渍有用无机铝盐溶液浸渍有机基体纤维，然后高温烧结除去基体纤维而得到陶机基体纤维，然后高温烧结除去基体纤维而得到陶瓷纤维。溶液多为水溶液，基体纤维多为亲水性良瓷纤维。溶液多为水溶液，基体纤维多为亲水性良好的黏胶纤维。采用此法可以得到强度较高的连续好的
19、黏胶纤维。采用此法可以得到强度较高的连续纤维。与混合液法相比工艺简单，容易推广。纤维。与混合液法相比工艺简单，容易推广。25复合材料的增强体有机纤维课件氧化铝短纤维的制备方法主要有两种氧化铝短纤维的制备方法主要有两种熔喷法：熔喷法：将氧化铝和氧化硅按照一定比例混合将氧化铝和氧化硅按照一定比例混合均匀后，在电炉中高温熔融，以压缩空气或高温水均匀后，在电炉中高温熔融，以压缩空气或高温水蒸气将熔体吹成细流，冷却后即成为氧化铝短纤维；蒸气将熔体吹成细流，冷却后即成为氧化铝短纤维；离心甩丝法：离心甩丝法：将熔融的液流落在高速旋转的离将熔融的液流落在高速旋转的离心辊的表面，由于离心力的拉伸作用，使得熔体分
20、心辊的表面，由于离心力的拉伸作用，使得熔体分散，经二次或三次离心而制得纤维。此法工艺产量散，经二次或三次离心而制得纤维。此法工艺产量大，但设备比较复杂。大，但设备比较复杂。26复合材料的增强体有机纤维课件氧化铝纤维的应用氧化铝纤维的应用针对氧化铝纤维特点，氧化铝纤维适合于制针对氧化铝纤维特点，氧化铝纤维适合于制造既需要造既需要轻质高强轻质高强轻质高强轻质高强又需要又需要耐热耐热耐热耐热的结构件。的结构件。用它制作用它制作雷达天线罩雷达天线罩，其，其刚性刚性比玻璃钢高，比玻璃钢高，透电波透电波性能好，性能好，耐高温耐高温。27复合材料的增强体有机纤维课件若用若用氧化铝纤维的复合材料氧化铝纤维的复
21、合材料制制导弹壳体导弹壳体导弹壳体导弹壳体，则有，则有可能不开天线窗，将天线装在弹内。可能不开天线窗，将天线装在弹内。目前，目前，氧化铝纤维的的用途氧化铝纤维的的用途氧化铝纤维的的用途氧化铝纤维的的用途正处于正处于开发阶段开发阶段，不久的将来将在不久的将来将在航空航空、航天航天、卫星卫星、交通交通和和能源能源等等部门得到广泛应用。部门得到广泛应用。28复合材料的增强体有机纤维课件氧化铝纤维氧化铝纤维不足之处不足之处是是密度比较大密度比较大，约为约为3.20g/cm3，是纤维中最大的一种。是纤维中最大的一种。29复合材料的增强体有机纤维课件6.6.碳化硅纤维碳化硅纤维碳化硅纤维（碳化硅纤维（Si
22、liconCarbideFibre，SF或或SiCf）是以）是以碳和硅为主要组分碳和硅为主要组分的一种的一种陶瓷纤维。陶瓷纤维。30复合材料的增强体有机纤维课件6.1碳化硅纤维的性能碳化硅纤维的性能SiC纤维是纤维是高强度、高模量高强度、高模量纤维，有良纤维，有良好的好的耐化学腐蚀性耐化学腐蚀性、耐高温耐高温和和耐辐射性能耐辐射性能。31复合材料的增强体有机纤维课件(1)力学性能力学性能优异力学性能（均匀分散的微晶凝聚力优异力学性能（均匀分散的微晶凝聚力大）大）以在日本碳公司进行中试生产，产品名以在日本碳公司进行中试生产，产品名称称尼卡纶尼卡纶为代表，其主要性能如下表所示：为代表，其主要性能如
23、下表所示：32复合材料的增强体有机纤维课件尼卡纶的一般性质尼卡纶的一般性质从表中可看出，从表中可看出，尼卡纶尼卡纶尼卡纶尼卡纶的强度与韧性接近于的强度与韧性接近于硼纤维。硼纤维。33复合材料的增强体有机纤维课件纤维密度（g/cm3）弹性模量（GPa）拉伸强度 （MPa）比模量( GPa/g/cm3)比强度(MPa/g/cm3)NicalonCVD-W芯CVD-C芯Tyranno晶须2.63.43.02.43.22504004002807002500360036002400 2000096.2117.6133.3116.7218.8961.51058.81200.01000.06250.0表表各
24、种各种SiC纤维的力学性能比较纤维的力学性能比较34复合材料的增强体有机纤维课件 (2)热性能热性能碳化硅纤维碳化硅纤维碳化硅纤维碳化硅纤维具有优良的具有优良的耐热性能耐热性能耐热性能耐热性能，在在1000以下以下，其力学性能（，其力学性能（拉伸强度拉伸强度和和弹性模量弹性模量）基本）基本上不变，可长期使用。上不变，可长期使用。当当温度超过温度超过1300时，时，由于由于SiC微晶长大微晶长大其性能才开始下降。因此，相比于碳纤维和硼纤其性能才开始下降。因此，相比于碳纤维和硼纤维，维，碳化硅纤维碳化硅纤维碳化硅纤维碳化硅纤维具有更好的具有更好的高温稳定性高温稳定性高温稳定性高温稳定性，是一种，是
25、一种较好的耐高温材料较好的耐高温材料。35复合材料的增强体有机纤维课件(3)耐化学性能耐化学性能碳化硅纤维碳化硅纤维碳化硅纤维碳化硅纤维具有良好的具有良好的耐化学性能耐化学性能耐化学性能耐化学性能，在，在80下耐强酸下耐强酸(HCl、H2SO4、HNO3)；用用30NaOH浸蚀浸蚀20小时后，纤维仅失重小时后，纤维仅失重1以下，其力学性能仍不变。以下，其力学性能仍不变。碳化硅纤维碳化硅纤维碳化硅纤维碳化硅纤维与全属在与全属在1000以下也不发生反以下也不发生反应，而且有很好的浸润性，有益于金属的复合。应，而且有很好的浸润性，有益于金属的复合。36复合材料的增强体有机纤维课件(4)耐辐照和吸波性
26、能耐辐照和吸波性能碳化硅纤维碳化硅纤维碳化硅纤维碳化硅纤维在通量为在通量为3.21010中子中子/秒的秒的快快快快中子中子中子中子辐照辐照1.5小时或以能量为小时或以能量为105中子伏特中子伏特，200纳纳秒的强脉冲秒的强脉冲 射线照射下，碳化硅纤维射线照射下，碳化硅纤维强度强度强度强度均无明均无明显降低。显降低。37复合材料的增强体有机纤维课件此外，此外，SiC纤维还具有纤维还具有半导体性能半导体性能，与与金属相容性金属相容性好，常用于金属基和陶瓷好，常用于金属基和陶瓷基复合材料。基复合材料。38复合材料的增强体有机纤维课件6.2碳化硅纤维的制造方法碳化硅纤维的制造方法A、化学气相沉积法（化
27、学气相沉积法（CVD法）法）B、烧结法烧结法(先驱体转化法先驱体转化法)39复合材料的增强体有机纤维课件化学气相沉积法：化学气相沉积法：将基体丝连续通过玻璃管状反将基体丝连续通过玻璃管状反应器，并在加热到应器，并在加热到12001300 C的同时通入适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热丝上发生热解反应生成SiC并沉积在热丝上形并沉积在热丝上形成带有芯（丝）材的连续成带有芯（丝）材的连续SiC纤维。生产的碳化纤维。生产的碳化硅纤维是直径为硅纤维是直径为95-140um的单丝。的单丝。CH3SiCl3+H2SiC
28、 +HCl +烧结法烧结法：1975年由日本的关岛教授首先研制成功。年由日本的关岛教授首先研制成功。纤维呈束状，每束纤维呈束状，每束500根左右，每根纤维根左右，每根纤维10um左右。先驱体转化法制备碳化硅纤维工艺流程：左右。先驱体转化法制备碳化硅纤维工艺流程：聚碳硅烷合成、聚碳硅烷纺丝、不熔化处理、烧聚碳硅烷合成、聚碳硅烷纺丝、不熔化处理、烧结结等阶段。等阶段。40复合材料的增强体有机纤维课件碳化硅纤维碳化硅纤维碳化硅纤维碳化硅纤维的主要生产国是美、日两国。的主要生产国是美、日两国。美国美国Texton公司是公司是碳化硅单丝碳化硅单丝碳化硅单丝碳化硅单丝的主要生产厂。的主要生产厂。碳化硅纤维
29、的碳化硅纤维的系列产品系列产品是是SCS2，SCS6等，并研究等，并研究发展发展碳化硅纤维增强铝、钛基复合材料碳化硅纤维增强铝、钛基复合材料。41复合材料的增强体有机纤维课件日本碳公司日本碳公司是利用是利用烧结法烧结法烧结法烧结法生产生产碳化硅纤维碳化硅纤维的的主要厂家，系列商品名为主要厂家，系列商品名为Nicalon纤维和纤维和Tyranno纤维。纤维。80年代末，日本又发展了年代末，日本又发展了含含含含TiTi碳化硅纤维碳化硅纤维碳化硅纤维碳化硅纤维。碳化硅纤维碳化硅纤维碳化硅纤维碳化硅纤维虽有其性能特点，但虽有其性能特点，但价格昂贵价格昂贵价格昂贵价格昂贵，应用，应用尚未广泛。尚未广泛。
30、42复合材料的增强体有机纤维课件6.3碳化硅纤维的结构碳化硅纤维的结构研究表明碳化硅纤维中含有研究表明碳化硅纤维中含有SiC微晶微晶及少量石墨微晶和及少量石墨微晶和石英微晶，这些石英微晶，这些微晶微晶大大小约为小约为5纳米纳米左右，因此可以认为左右，因此可以认为碳化硅纤维碳化硅纤维是是由由SiC微晶、少量石墨微晶和微晶、少量石墨微晶和石英微石英微晶组成的均匀分散体晶组成的均匀分散体。43复合材料的增强体有机纤维课件6.4碳化硅纤维的应用碳化硅纤维的应用由于碳化硅纤维具有由于碳化硅纤维具有耐高温耐高温、耐腐耐腐蚀蚀、耐辐射耐辐射的的三耐性能三耐性能，是一种耐热的，是一种耐热的理想材料。适合于制备
31、树脂、金属及陶理想材料。适合于制备树脂、金属及陶瓷基复合材料。瓷基复合材料。44复合材料的增强体有机纤维课件用用碳化硅纤维碳化硅纤维碳化硅纤维碳化硅纤维编织成双向和三向编织成双向和三向织物织物织物织物，巳，巳用于高温的传送带、过滤材料，如汽车的废气用于高温的传送带、过滤材料，如汽车的废气过滤器等。过滤器等。碳化硅复合材料碳化硅复合材料碳化硅复合材料碳化硅复合材料已应用于已应用于喷气发动机涡轮喷气发动机涡轮叶片叶片、飞机螺旋桨飞机螺旋桨等受力部件。等受力部件。45复合材料的增强体有机纤维课件在军事上，在军事上，碳化硅纤维碳化硅纤维碳化硅纤维碳化硅纤维用于大口径军用步枪用于大口径军用步枪金属基复合
32、枪筒套管金属基复合枪筒套管，M-1作战坦克履带、火箭作战坦克履带、火箭推进剂传送系统，先进战术战斗机的推进剂传送系统，先进战术战斗机的垂直安定面垂直安定面，导弹尾部，火箭发动机导弹尾部，火箭发动机外壳外壳，鱼雷壳体鱼雷壳体等。等。46复合材料的增强体有机纤维课件7、氮化硼纤维、氮化硼纤维氮化硼纤维氮化硼纤维氮化硼纤维氮化硼纤维是是20世纪世纪60年代发展起来的无机年代发展起来的无机纤维，该纤维具有优良的纤维，该纤维具有优良的机械性能机械性能机械性能机械性能、耐热性能耐热性能耐热性能耐热性能、抗氧化性能抗氧化性能抗氧化性能抗氧化性能、耐腐蚀性能耐腐蚀性能耐腐蚀性能耐腐蚀性能以及独特的以及独特的电
33、性能电性能电性能电性能等，等，可用作可用作金属基金属基、陶瓷基陶瓷基、聚合物基聚合物基复合材料的增复合材料的增强材料强材料.47复合材料的增强体有机纤维课件氮化硼的结构氮化硼的结构氮化硼的结构氮化硼的结构类似于石墨，而类似于石墨，而氮化硼的耐氧氮化硼的耐氧氮化硼的耐氧氮化硼的耐氧化性能化性能化性能化性能比石墨优越。比石墨优越。石墨纤维石墨纤维石墨纤维石墨纤维在空气中在空气中400时氧化性能开始降低，时氧化性能开始降低，而而氮化硼纤维氮化硼纤维氮化硼纤维氮化硼纤维在在850的空气中的空气中才开始氧化。才开始氧化。48复合材料的增强体有机纤维课件石墨纤维石墨纤维石墨纤维石墨纤维被氧化时产生气体，被
34、氧化时产生气体，不形成表面的不形成表面的保护层保护层；而；而氮化硼纤维氮化硼纤维氮化硼纤维氮化硼纤维在氧化过程中在氧化过程中具有增重现具有增重现象象。这是因为形成氧化硼保护层，可以防止深度。这是因为形成氧化硼保护层，可以防止深度氧化。氧化。在惰性或还原性气氛中，在惰性或还原性气氛中，氮化硼纤维氮化硼纤维氮化硼纤维氮化硼纤维直到直到2500纤维的性能是稳定的。纤维的性能是稳定的。49复合材料的增强体有机纤维课件氮化硼纤维氮化硼纤维氮化硼纤维氮化硼纤维的的强度强度强度强度和和模量模量模量模量接近于接近于玻璃纤维玻璃纤维，但是它的但是它的多晶性质多晶性质多晶性质多晶性质使它具有较好的使它具有较好的耐
35、腐蚀性能耐腐蚀性能耐腐蚀性能耐腐蚀性能。它的密度为它的密度为1.42.0g/cm3，用其制备的复合用其制备的复合材料具有材料具有轻质高强轻质高强轻质高强轻质高强的特点。的特点。50复合材料的增强体有机纤维课件氮化硼纤维氮化硼纤维氮化硼纤维氮化硼纤维具有优异的具有优异的电性能电性能电性能电性能，直到，直到2000纤维还具有极好的纤维还具有极好的电绝缘性能电绝缘性能电绝缘性能电绝缘性能；氮化硼纤维还具有很氮化硼纤维还具有很低的介电损耗低的介电损耗低的介电损耗低的介电损耗和和介电常介电常介电常介电常数数数数，是，是耐烧蚀天线窗耐烧蚀天线窗的理想材料。的理想材料。51复合材料的增强体有机纤维课件8、其
36、他纤维其他纤维陶瓷纤维陶瓷纤维具有具有陶瓷化学成分的纤维陶瓷化学成分的纤维陶瓷化学成分的纤维陶瓷化学成分的纤维称为称为陶瓷纤维陶瓷纤维陶瓷纤维陶瓷纤维，如氧化锆、氧化铍、氧化镁、氧化钛和硼化如氧化锆、氧化铍、氧化镁、氧化钛和硼化钛等纤维。钛等纤维。52复合材料的增强体有机纤维课件陶瓷纤维的特点陶瓷纤维的特点陶瓷纤维的特点陶瓷纤维的特点是可是可耐耐12601790的高温的高温（在惰性和氧化性气氛中）、（在惰性和氧化性气氛中）、耐磨耐腐蚀性耐磨耐腐蚀性耐磨耐腐蚀性耐磨耐腐蚀性好和好和良良良良好的物理机械性能好的物理机械性能好的物理机械性能好的物理机械性能，特别适合于，特别适合于陶瓷基复合材料陶瓷基
37、复合材料。陶瓷纤维的缺点陶瓷纤维的缺点陶瓷纤维的缺点陶瓷纤维的缺点是是对裂纹等缺陷敏感，脆性大对裂纹等缺陷敏感，脆性大对裂纹等缺陷敏感，脆性大对裂纹等缺陷敏感，脆性大。53复合材料的增强体有机纤维课件金属和钢纤维金属和钢纤维金属和钢的特点是金属和钢的特点是导电性导电性和和导热性导热性好，好，塑性塑性和和抗冲击性抗冲击性好。好。钢纤维常用于钢纤维常用于混凝土基复合材料混凝土基复合材料。54复合材料的增强体有机纤维课件 用作复合材料增强体的金属丝有用作复合材料增强体的金属丝有高强钢丝高强钢丝、不锈钢丝不锈钢丝和和难熔金属丝（如钨、钼等难熔金属丝（如钨、钼等）。高强钢丝和不锈钢丝主要用。高强钢丝和不
38、锈钢丝主要用来增强铝基复合材料，也可用来增强水泥基复合材料。来增强铝基复合材料，也可用来增强水泥基复合材料。 钨丝增强镍基耐热合金钨丝增强镍基耐热合金是比较成功的金属基复合材料。是比较成功的金属基复合材料。用钨丝增强镍基合金可以使高温持久强度提高一倍以上，高用钨丝增强镍基合金可以使高温持久强度提高一倍以上，高温蠕变性能也明显提高温蠕变性能也明显提高。55复合材料的增强体有机纤维课件金属丝金属丝 直径，微直径，微米米密度，密度，g/cm3g/cm3弹性模量，弹性模量，GPaGPa拉伸强度，拉伸强度，MPaMPa熔点，熔点，K KW W131319.419.44074074020402036733
39、673MoMo252510.210.23293292160216028952895钢丝钢丝13137.747.741961964120412016731673不锈钢不锈钢丝丝80807.87.81961963430343016731673表表 各种金属丝的性能各种金属丝的性能56复合材料的增强体有机纤维课件（一）一）无机纤维无机纤维1、玻璃玻璃纤维纤维2、特种玻璃特种玻璃纤纤维维3、碳碳纤维纤维4、硼纤维硼纤维5、氧化铝纤维氧化铝纤维6、碳化硅纤维碳化硅纤维7、氮化硼纤维氮化硼纤维8、其他纤维其他纤维要点回顾要点回顾57复合材料的增强体有机纤维课件有机纤维有机纤维 芳纶芳纶纤维纤维 聚乙烯聚乙
40、烯纤维纤维 58复合材料的增强体有机纤维课件、芳纶纤维、芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维(aramid-fiber)是指目前已工业化是指目前已工业化生产并广泛应用的生产并广泛应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。由芳香族聚。由芳香族聚酰胺树脂纺成的纤维，国外称为芳酰胺纤维。酰胺树脂纺成的纤维，国外称为芳酰胺纤维。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。59复合材料的增强体有机纤维课件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
41、展很快。很短，发展很快。1968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。一种人工合成的长链聚酰胺纤维，其中至少一种人工合成的长链聚酰胺纤维，其中至少85%的酰胺键直接与的酰胺键直接与两个两个苯环基团连接。苯环基团连接。60复合材料的增强体有机纤维课件ARAMIDARAMID纤维纤维纤维纤维包括三种牌号的产品，
42、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 B纤维纤维纤维纤维改称为改称为芳纶芳纶芳纶芳纶。61复合材料的增强体有机纤维课件芳纶、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
43、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。62复合材料的增强体有机纤维课件自自1972年年芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维作为商品出售以来，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。63复合材料的增强体有机纤维课件 芳酰胺纤维的分类芳酰胺纤维的分类 包
44、括：全芳族聚酰胺纤维(Aramid)和杂环芳族聚酰胺纤维。主要实用品种:聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)，美国杜邦；聚对苯甲酰胺(PBA)，美国杜邦；对位芳酰胺共聚纤维 (Technora) ,日本帝人公司聚对芳酰胺苯并咪唑 (CBM)和APMOC纤维 ，俄罗斯。64复合材料的增强体有机纤维课件PPTA纤维的制备过程： 对苯二甲酰氯(TDC)或对苯二甲酸 原料 对苯二胺(PPD)单体 强极性溶剂(如含有LiCI或CaCl2增溶剂 的N-甲基吡咯烷酮即NMP体系) 制备方法：低温溶液缩聚法或直接缩聚反应。PPTA纤维纤维制备65复合材料的增强体有机纤维课件PPTA的合成的合成 PPTA的原料为对
45、苯二甲酰氯对苯二甲酰氯或对苯二胺对苯二胺、强极性的酰强极性的酰胺类溶剂胺类溶剂(二甲基乙酰胺或六甲基磷酸胺)。 选用强极性的酰胺类溶剂，是为了将开始生成的聚合物留在溶液中。 合成后，生成聚对苯二甲酰对苯二胺PPTA。 反应式图如下：PTA聚合物经过纺丝和热处理，制得聚合物经过纺丝和热处理，制得PPTA纤维。纤维。66复合材料的增强体有机纤维课件67复合材料的增强体有机纤维课件纺丝纺丝 纺丝液由纺丝液由浓硫酸浓硫酸( (浓度为浓度为100100) )与与聚对苯二甲酰对苯聚对苯二甲酰对苯二胺二胺(PPTA)(PPTA)组成，配成的液晶溶液称为明胶。配比为组成，配成的液晶溶液称为明胶。配比为PPTA
46、/PPTA/硫酸硫酸=20/100=20/100，PPTAPPTA在浓硫酸中形成向列型液晶态，在浓硫酸中形成向列型液晶态，聚合物呈一维取向有序排列。聚合物呈一维取向有序排列。 纺丝有湿纺、干喷和干喷纺丝有湿纺、干喷和干喷湿纺三种方法湿纺三种方法。 湿纺湿纺是将明胶经针孔挤出，进入冷凝液体中快速冷却，是将明胶经针孔挤出，进入冷凝液体中快速冷却，最后在惰性气体中热处理；最后在惰性气体中热处理； 干喷干喷是将明胶由喷丝嘴喷出，经过一段空气快速拉伸是将明胶由喷丝嘴喷出，经过一段空气快速拉伸使分子取向，最后进行热处理；使分子取向，最后进行热处理； 干喷干喷湿纺湿纺工艺是最常用的方法。工艺是最常用的方法。
47、68复合材料的增强体有机纤维课件纺丝时，在剪切力作用下，PPTA极易沿作用力方向取向。采取干喷湿纺法液晶纺丝工艺，可抑制纤维中产生卷曲或折叠链，使分子链沿纤维的轴向进一步高度取向，形成几乎为100的次晶结构。干喷干喷-湿纺工艺的过程是：湿纺工艺的过程是：041cm10069复合材料的增强体有机纤维课件（1）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：70复合材料的增强体有机纤维课件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
48、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.71复合材料的增强体有机纤维课件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
49、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。72复合材料的增强体有机纤维课件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，因而纤维具有高的模量高的模量高的模量高的模量。73复合材料的增强体有机纤维课件芳纶纤维芳纶纤维分子
50、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。74复合材料的增强体有机纤维课件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、高温尺寸稳定性高温尺寸稳定性高温尺寸稳定性高温
51、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。75复合材料的增强体有机纤维课件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。
52、76复合材料的增强体有机纤维课件77复合材料的增强体有机纤维课件(2)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。78复合材料的增强体有机纤维课件A、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；254mm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
53、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。79复合材料的增强体有机纤维课件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。80复合材料的增强体有机纤维课件芳纶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
54、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。81复合材料的增强体有机纤维课件下表为芳纶纤维的基本性能下表为芳纶纤维的基本性能82复合材料的增强体有机纤维课件、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
55、碳化碳化碳化碳化。83复合材料的增强体有机纤维课件因此，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。84复合材料的增强体有机纤维课件和碳纤维一样，芳纶纤维的和碳纤维一样，芳纶纤维的热膨胀系数热膨胀系数
56、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 10-6/85复合材料的增强体有机纤维课件、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
57、碱的侵蚀酸碱的侵蚀，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；86复合材料的增强体有机纤维课件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；耐光性差，暴露于可；耐光性差，暴露于可见光和紫外线时会产生光致降解，使其力学性能见光和紫外线时会产生光致降解，使其力学性能下降和颜色变化下降和颜色变化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
58、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。87复合材料的增强体有机纤维课件(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。88复合材料的增强体有机纤维课件芳纶在复合材料中的应用与展望芳纶在复合材料中的应用与展望 芳纶可应用于先进复合材料、防弹制品、缆绳、建材、传送带、特种防护服装、体育运动器材和电子设备。 在先进复合材料中，芳纶用于
59、航空航天领域和战略导弹芳纶用于航空航天领域和战略导弹的结构材料、耐热隔热功能材料、制造飞机部件。也可与其的结构材料、耐热隔热功能材料、制造飞机部件。也可与其他高级纤维一道制作混杂复合材料。他高级纤维一道制作混杂复合材料。芳纶应用于航空航天领域耐热隔热的功能材料，如芳纶如芳纶短切纤维增强的三元乙丙短切纤维增强的三元乙丙 (EPDM)橡胶基复合材料的软片或橡胶基复合材料的软片或带材，作为发动机的内绝热层。带材，作为发动机的内绝热层。89复合材料的增强体有机纤维课件 芳纶/环氧复合材料用于制造飞机部件，如发动机舱、用于制造飞机部件，如发动机舱、发动机整流罩、机翼与肌身整流罩、挂架整流罩、机翼前发动机
60、整流罩、机翼与肌身整流罩、挂架整流罩、机翼前缘、襟翼、方向舵和升降舵后缘、安定面翼尖、货舱衬壁、缘、襟翼、方向舵和升降舵后缘、安定面翼尖、货舱衬壁、天花板、应急出口门和窗、发动机调节系统管道等。还用天花板、应急出口门和窗、发动机调节系统管道等。还用于直升机的机身外蒙皮、旋翼、尾桨叶片和雷达天线等。于直升机的机身外蒙皮、旋翼、尾桨叶片和雷达天线等。 芳纶广泛用于混杂复合材料，如如ARALL是以芳纶环氧是以芳纶环氧无纬布与薄铝板交叠铺层、再热压制成的聚合物无纬布与薄铝板交叠铺层、再热压制成的聚合物-金属复合金属复合材料，称为超混杂复合材料。材料，称为超混杂复合材料。90复合材料的增强体有机纤维课件
61、超混杂复合材料它是一种新型的结构材料，具有它是一种新型的结构材料，具有许多优异性能许多优异性能(比强度高、比模量高、疲劳寿命是铝的比强度高、比模量高、疲劳寿命是铝的1001000倍，阻尼和耐噪声性能较铝好，加工性能倍，阻尼和耐噪声性能较铝好，加工性能较芳纶较芳纶/环氧好环氧好)；荷兰和美国的多家飞机公司利用；荷兰和美国的多家飞机公司利用ARALL制造机翼下蒙皮以及机舱门。制造机翼下蒙皮以及机舱门。芳纶在造船工业中应用于游艇、赛艇、帆船、小型应用于游艇、赛艇、帆船、小型渔船、救生艇、充气船、巡逻艇的舶壳材料；战舰及渔船、救生艇、充气船、巡逻艇的舶壳材料；战舰及航空母舰的防护装甲以及声纳导流罩等。
62、航空母舰的防护装甲以及声纳导流罩等。91复合材料的增强体有机纤维课件芳纶在汽车工业中用作橡胶轮胎的帘子线用作橡胶轮胎的帘子线。芳纶在体育运动器材方面用作弓箭、弓弦、羽毛球拍；用作弓箭、弓弦、羽毛球拍；与其他纤维混杂的复合材料制作高尔夫球棍、滑雪板、雪橇、与其他纤维混杂的复合材料制作高尔夫球棍、滑雪板、雪橇、自行车架和轮毂等。自行车架和轮毂等。 芳纶在电子设备方面用作集成电路和低膨胀系数的印刷用作集成电路和低膨胀系数的印刷电路板，扬声器的喇叭盆。电路板，扬声器的喇叭盆。改善芳纶性能的途径是：改善芳纶性能的途径是：对PPTA引入第三组分进行共聚、共混；合成新型的芳纶；研制PPTA纤维与其他纤维混杂
63、增强的复合材料；对PPTA纤维进行表面处理。92复合材料的增强体有机纤维课件芳纶编织布芳纶编织布芳纶复合防弹衣芳纶复合防弹衣芳纶纤维芳纶纤维防弹头盔防弹头盔自行车链轮自行车链轮航空、航天器航空、航天器93复合材料的增强体有机纤维课件94复合材料的增强体有机纤维课件芳纶纤维布芳纶纤维布 芳纶手套芳纶手套芳纶绳索、环形带（套管）芳纶绳索、环形带（套管） 95复合材料的增强体有机纤维课件芳纶纤维光缆芳纶纤维光缆96复合材料的增强体有机纤维课件2.2. 聚乙烯纤维聚乙烯纤维（Polyethylene, PE）聚乙烯纤维又称超高分子量聚乙烯纤维聚乙烯纤维又称超高分子量聚乙烯纤维(简记为简记为UHMWPE
64、纤维纤维)是指是指平均分子量在在106以上的聚乙烯所纺以上的聚乙烯所纺出的纤维。工业上多采用出的纤维。工业上多采用3X106左右分子量。左右分子量。超高分子量聚乙烯纤维的制造方法是超高分子量聚乙烯纤维的制造方法是冻胶纺丝超倍热拉伸技术。这种技术首先由荷兰国家矿业。这种技术首先由荷兰国家矿业(DSM)公司公司开发，开发，1979年获得专利。年获得专利。 20世纪世纪80年代中期，年代中期，美国Allied公司通过技术改进，通过技术改进，建立了世界上第一个生产超高分子量聚乙烯纤维的中试装建立了世界上第一个生产超高分子量聚乙烯纤维的中试装置投入商品化生产，所开发的产品商品名置投入商品化生产，所开发的
65、产品商品名Spectra 900和和Spectral000，1988年开始应用。年开始应用。97复合材料的增强体有机纤维课件20世纪世纪80年代初，我国开始研制超高分子量聚乙烯年代初，我国开始研制超高分子量聚乙烯纤维。纤维。94年建成工业化实验生产线。年建成工业化实验生产线。超高分子量聚乙烯纤维的制备超高分子量聚乙烯纤维的制备超高分子量聚乙烯纤维是以平均分子量大于超高分子量聚乙烯纤维是以平均分子量大于106的的粉状粉状UHMW-PE为原料，采用冻胶纺丝为原料，采用冻胶纺丝超倍热牵伸超倍热牵伸技术制造的。技术制造的。 (1)高牵伸比熔融纺丝高牵伸比熔融纺丝 20世纪世纪70年代，年代，Baman
66、和和Keller采用高相对分子质量采用高相对分子质量(104105)的结晶的结晶PE进行高牵进行高牵伸比熔融纺丝，所获得的纤维杨氏模量为伸比熔融纺丝，所获得的纤维杨氏模量为70 GPa。98复合材料的增强体有机纤维课件用高牵伸比熔融纺丝方法制备的用高牵伸比熔融纺丝方法制备的PE纤维，其分子链纤维，其分子链沿纤维轴定向，但分子链本身并未完全伸直。超倍热牵伸沿纤维轴定向，但分子链本身并未完全伸直。超倍热牵伸可使可使PE的分子链完全伸直并按纤维轴取向。的分子链完全伸直并按纤维轴取向。 (2)冻胶纺丝超倍热牵伸制备技术 将高分子聚合物在冻胶状态使大分子充分解缠，再纺将高分子聚合物在冻胶状态使大分子充分
67、解缠，再纺丝，脱除溶剂，在高牵伸比下将冻胶丝进行热牵伸，获得丝，脱除溶剂，在高牵伸比下将冻胶丝进行热牵伸，获得高性能高性能PE纤维。此方法称为冻胶纺丝纤维。此方法称为冻胶纺丝超倍热牵伸技超倍热牵伸技术，术，其工艺流程见图。其工艺流程见图。99复合材料的增强体有机纤维课件100复合材料的增强体有机纤维课件（3）聚乙烯纤维的性能 纤维具有独特的综合性能，其相对密度低，比强度、比模纤维具有独特的综合性能，其相对密度低，比强度、比模量高。量高。 断裂伸长率虽然也较低，但因强度高而使其断裂功高。断裂伸长率虽然也较低，但因强度高而使其断裂功高。 具有耐海水、耐化学试剂、耐磨损、耐紫外线辐射、耐腐具有耐海水
68、、耐化学试剂、耐磨损、耐紫外线辐射、耐腐蚀、吸湿性低、抗弯曲、耐冲击、自润滑、耐低温、电绝缘蚀、吸湿性低、抗弯曲、耐冲击、自润滑、耐低温、电绝缘等特性。等特性。 UHMW-PE纤维具有良好的柔曲性纤维具有良好的柔曲性,耐疲劳性耐疲劳性,耐磨损性好。耐磨损性好。 冲击强度与尼龙相当，可以用于制作防弹衣。冲击强度与尼龙相当，可以用于制作防弹衣。 耐光性比芳纶纤维优异；耐光性比芳纶纤维优异； 结晶度高，对水、酸、碱介质均极稳定熔点为结晶度高，对水、酸、碱介质均极稳定熔点为150左右，左右，在高温下在高温下(80，500MPa)使用会发生蠕变。使用会发生蠕变。101复合材料的增强体有机纤维课件聚乙烯纤
69、维聚乙烯纤维的不足之处：的不足之处：(1)熔点较低熔点较低（约（约135）(2)高温容易蠕变高温容易蠕变。因此仅能在因此仅能在100以下使用。以下使用。102复合材料的增强体有机纤维课件(4)UHMW-PE纤维的应用与展望 UHMW-PE纤维在现代化战争和宇航、航空、航天、海洋工程纤维在现代化战争和宇航、航空、航天、海洋工程等方面具有广泛用途。等方面具有广泛用途。103复合材料的增强体有机纤维课件通过物理交联或化学交联，提高，提高PE聚合物的耐热性、聚合物的耐热性、耐磨性、抗蠕变性。耐磨性、抗蠕变性。通过高能辐射，如用加速电子束和离子、，如用加速电子束和离子、X射线辐射射线辐射进行辐照，使纤维
70、分子链之间产生横向交联。经辐照的纤进行辐照，使纤维分子链之间产生横向交联。经辐照的纤维与碳纤维、玻璃纤维或维与碳纤维、玻璃纤维或Kevlar纤维混杂，可以使复合材纤维混杂，可以使复合材料有较好的耐热、耐磨和耐蠕变性。料有较好的耐热、耐磨和耐蠕变性。 由于纤维表面光滑，纤度较高，比表面积小；又由于由于纤维表面光滑，纤度较高，比表面积小；又由于PE大分子无极性基团，无化学活性，表面能低。因此，纤大分子无极性基团，无化学活性，表面能低。因此，纤维与树脂之间润湿性差，并难以形成化学键结合维与树脂之间润湿性差，并难以形成化学键结合。对纤维进行表面改性可以改善它与聚合物基体的粘接性。可以改善它与聚合物基体
71、的粘接性。为了改进为了改进UHMW-PE纤维的性能，已开展的研究纤维的性能，已开展的研究104复合材料的增强体有机纤维课件利用化学刻蚀或接枝、涂层和氧化方法，在纤维表面引入反，在纤维表面引入反应性基团，使之能与树脂基体分子的基团反应，增加表面能，应性基团，使之能与树脂基体分子的基团反应，增加表面能，可以改善纤维与基体之间的润湿性。可以改善纤维与基体之间的润湿性。当高分子材料增强的主要方式出现在分子结构或超分子当高分子材料增强的主要方式出现在分子结构或超分子结构的尺度，并且增强相与基体的化学结构完全相同，则此结构的尺度，并且增强相与基体的化学结构完全相同，则此种增强方式称为种增强方式称为分子自增
72、强，此种材料称为分子自增强材料。，此种材料称为分子自增强材料。目前，制得的自增强聚乙烯纤维在强度和模量上都超过了某目前，制得的自增强聚乙烯纤维在强度和模量上都超过了某些液晶材料及聚苯硫醚些液晶材料及聚苯硫醚(PPS)、聚酰亚胺、聚酰亚胺(P1)等工程材料。等工程材料。因此，分子自增强可以视作发展这种纤维的方向。因此，分子自增强可以视作发展这种纤维的方向。105复合材料的增强体有机纤维课件9、各种纤维的比较各种纤维的比较纤维的柔韧性及断裂纤维的柔韧性及断裂比性能比性能热稳定性热稳定性106复合材料的增强体有机纤维课件纤维的柔韧性及断裂纤维的柔韧性及断裂各种纤维各种纤维在拉伸断裂前在拉伸断裂前不发
73、生任何屈不发生任何屈服服，如下图所示的纤维的，如下图所示的纤维的应力应力-应变应变曲线。曲线。107复合材料的增强体有机纤维课件拉伸应变，拉伸应变，%拉拉伸伸应应力力,GPa各各种种纤纤维维的的应应力力-应应变变曲曲线线108复合材料的增强体有机纤维课件从从拉断后拉断后纤维的扫描电镜纤维的扫描电镜纤维的扫描电镜纤维的扫描电镜观察发现，仅观察发现，仅Kevlar-49纤维呈纤维呈韧性断裂韧性断裂韧性断裂韧性断裂，断裂前断裂前纤维有明显纤维有明显的的颈缩颈缩颈缩颈缩，并在发生，并在发生很大的局部伸长后很大的局部伸长后才最终断裂才最终断裂碳纤维碳纤维碳纤维碳纤维和和玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维几
74、乎就是理想的几乎就是理想的脆性断裂脆性断裂脆性断裂脆性断裂，断裂时不发生截面积的缩小。断裂时不发生截面积的缩小。109复合材料的增强体有机纤维课件比性能比性能比强度比强度和和比模量比模量是纤维性能的一个重是纤维性能的一个重要指标。下图给出了各种纤维比强度和比要指标。下图给出了各种纤维比强度和比模量全图。模量全图。110复合材料的增强体有机纤维课件各种纤维的比强度和比模量比较各种纤维的比强度和比模量比较各种纤维的比强度和比模量比较各种纤维的比强度和比模量比较比模量，比模量，比模量，比模量，GPa/(g/cmGPa/(g/cm33) )比比强强度度，MPa/(g/cm3)具有最佳的比强具有最佳的比
75、强具有最佳的比强具有最佳的比强度和比模量搭配度和比模量搭配度和比模量搭配度和比模量搭配比模量最高比模量最高比模量最高比模量最高比模量和比强度较低比模量和比强度较低比模量和比强度较低比模量和比强度较低比比比比模模模模量量量量最最最最低低低低111复合材料的增强体有机纤维课件热稳定性热稳定性纤维的纤维的热稳定性热稳定性热稳定性热稳定性与与熔点熔点熔点熔点有关。有关。一般来讲，材料的熔点越高，热稳定性就越好。一般来讲，材料的熔点越高，热稳定性就越好。在在没有空气和氧气的条件没有空气和氧气的条件下，下，碳纤维碳纤维碳纤维碳纤维具有非常好的具有非常好的耐高温性能耐高温性能耐高温性能耐高温性能。112复合
76、材料的增强体有机纤维课件尽管块状玻璃的尽管块状玻璃的软化温度软化温度为为850，但当温但当温度高于度高于250时，时，E玻璃纤维的玻璃纤维的强度和模量强度和模量强度和模量强度和模量就开始就开始迅速下降。迅速下降。玻璃纤维玻璃纤维的的热稳定性热稳定性热稳定性热稳定性高于高于Kevlar49纤维纤维。在。在受到太阳光照射时，受到太阳光照射时，Kevlar纤维产生严重的光致纤维产生严重的光致劣化，使纤维变色，机械性能下降。劣化，使纤维变色，机械性能下降。113复合材料的增强体有机纤维课件二、晶须增强体二、晶须增强体晶须晶须晶须晶须（Whiskers）是在人工控制条件下，是在人工控制条件下，以单晶形式
77、以单晶形式生长成的一种纤维。生长成的一种纤维。晶须晶须晶须晶须的直径一般为几微米，长几十微米，的直径一般为几微米，长几十微米，是一种是一种无缺陷的理想完整晶体无缺陷的理想完整晶体。114复合材料的增强体有机纤维课件由于晶须的由于晶须的直径非常小直径非常小，所以，所以不适合不适合容纳容纳在大晶体中常出现的在大晶体中常出现的缺陷缺陷，因而，因而强度强度接近于完整晶体的理论值。接近于完整晶体的理论值。近年来，晶须作为一种新型增强材料近年来，晶须作为一种新型增强材料倍受青睐。倍受青睐。115复合材料的增强体有机纤维课件自自1948年美国年美国贝尔电话公司贝尔电话公司的科学家首的科学家首次发现晶须以来，
78、迄今为止，材料学家们已次发现晶须以来，迄今为止，材料学家们已研究开发出了研究开发出了上百种晶须上百种晶须，有，有金属金属、氧化物氧化物、碳化物碳化物、氮化物氮化物、硼化物硼化物以及以及无机盐无机盐等多种等多种晶须。晶须。但是，已经得到但是，已经得到实际应用实际应用并开始并开始工业化工业化生产生产的晶须只有几种。的晶须只有几种。116复合材料的增强体有机纤维课件从大的方面来看，从大的方面来看，晶须晶须分为分为陶瓷晶须陶瓷晶须和和金属晶须金属晶须两类，用作两类，用作增强材料增强材料的主要是的主要是陶瓷陶瓷晶须晶须。陶瓷晶须陶瓷晶须的的直径直径只有几个微米，长度一只有几个微米，长度一般为几厘米，般为
79、几厘米，断面断面多呈多角状。多呈多角状。117复合材料的增强体有机纤维课件陶瓷晶须的基本性能如下表所示：陶瓷晶须的基本性能如下表所示：118复合材料的增强体有机纤维课件金属晶须金属晶须主要有主要有Ni、Fe、Cu、Si、Ag、Ti、Cd等；等；氧化物晶须氧化物晶须主要有主要有MgO、ZnO、BeO、Al2O3、TiO2、Y2O3、Cr2O3等。等。119复合材料的增强体有机纤维课件陶瓷晶须陶瓷晶须陶瓷晶须陶瓷晶须主要是主要是碳化物晶须碳化物晶须碳化物晶须碳化物晶须，如，如，如，如SiC、TiC、ZrC、WC、B4C等。等。硼化物晶须硼化物晶须硼化物晶须硼化物晶须主要有主要有TiB2、ZrB2、
80、TaB2、CrB、NbB2等等无机盐类晶须无机盐类晶须无机盐类晶须无机盐类晶须主要有如主要有如K2Ti6O13和和Al18B4O33120复合材料的增强体有机纤维课件 碳化硅晶须碳化硅晶须121复合材料的增强体有机纤维课件具有实用价值的具有实用价值的晶须直径晶须直径约为约为110m，长度与直径比长度与直径比在在51000之间。之间。实际上，晶须是含实际上，晶须是含缺陷很少缺陷很少的的单晶短纤单晶短纤维维，其，其拉伸强度拉伸强度接近其接近其纯晶体的理论强度纯晶体的理论强度。122复合材料的增强体有机纤维课件也可以认为，也可以认为，晶须晶须是是以单晶结构生长的以单晶结构生长的直径极小的直径极小的短
81、纤维短纤维，由于，由于直径小直径小(3um)，造造成晶体中的成晶体中的缺陷少缺陷少，原子排列高度有序原子排列高度有序，故，故其其强度强度接近于接近于相邻原子间成键力相邻原子间成键力的理论值。的理论值。123复合材料的增强体有机纤维课件晶须晶须可用作可用作高性能复合材料高性能复合材料的的增强材增强材料料，以增强，以增强金属金属、陶瓷陶瓷和和聚合物聚合物。晶须晶须是目前是目前已知纤维中已知纤维中强度最高强度最高的一的一种，其种，其机械强度机械强度几乎等于几乎等于相邻原子间的作相邻原子间的作用力用力。124复合材料的增强体有机纤维课件晶须高强的主要原因晶须高强的主要原因、它的、它的直径非常小直径非常
82、小，不能容纳不能容纳使晶使晶体削弱的体削弱的空隙空隙、位错位错和和不完整不完整等缺陷。等缺陷。、晶须材料的、晶须材料的内部结构完整内部结构完整，使它，使它的强度的强度不受表面完整性的严格限制不受表面完整性的严格限制。125复合材料的增强体有机纤维课件晶须晶须兼有兼有玻璃纤维玻璃纤维和和硼纤维硼纤维的优良性的优良性能。它具有玻璃纤维的延伸率能。它具有玻璃纤维的延伸率(3-4)和硼纤维的弹性模量和硼纤维的弹性模量(4.27.0106MPa)。例如，氧化铝晶须例如，氧化铝晶须在在2070高温下高温下，仍能保持仍能保持7000MPa的拉伸强度。的拉伸强度。126复合材料的增强体有机纤维课件晶须的制备方
83、法晶须的制备方法CVD法法原位生长原位生长原位生长原位生长法法溶胶溶胶溶胶溶胶凝胶法气液固凝胶法气液固凝胶法气液固凝胶法气液固（VLS）法）法液相生长液相生长液相生长液相生长法法固相生长固相生长固相生长固相生长法法127复合材料的增强体有机纤维课件晶须晶须没有显著的没有显著的疲劳效应疲劳效应，切断切断、磨粉磨粉或其它的或其它的施工操作施工操作，都，都不会降低其强度不会降低其强度。晶须晶须在复合材料中的在复合材料中的增强效果增强效果与其与其品种品种、用量用量关系极大，根据实践可得出下面的经验：关系极大，根据实践可得出下面的经验：128复合材料的增强体有机纤维课件(1)作为作为硼纤维硼纤维、碳纤维
84、碳纤维及及玻璃纤维玻璃纤维的的补充增强材料补充增强材料，加入，加入1-5晶须，晶须，强度强度有明显的提高有明显的提高。(2)加入加入5-50晶须对晶须对模压复合材模压复合材料料和和浇注复合材料浇注复合材料的强度能的强度能成倍增加成倍增加。129复合材料的增强体有机纤维课件(3)在在定向复合材料定向复合材料中、加入中、加入70-90的晶须，往往可以使其强度的晶须，往往可以使其强度提高一个数量提高一个数量级级，定向复合材料所用的，定向复合材料所用的晶须制品晶须制品为为浸渍纱浸渍纱和和定向带定向带。130复合材料的增强体有机纤维课件(4)在在层压板复合材料层压板复合材料中，加入中，加入50-70的晶
85、须，能使其的晶须，能使其强度增长许多倍强度增长许多倍.(5)对于高强度、低密度的对于高强度、低密度的晶须构架晶须构架，胶结剂胶结剂只须相互接触就可把只须相互接触就可把晶须粘结晶须粘结起来，起来，因此晶须含量可高达因此晶须含量可高达90-95。131复合材料的增强体有机纤维课件晶须一般都是晶须一般都是一维线形针状体一维线形针状体,主要主要用作复合材料增强体，而且用作复合材料增强体，而且生产成本生产成本很高，很高，不易推广使用。不易推广使用。132复合材料的增强体有机纤维课件因此，因此，晶须复合材料晶须复合材料由于其由于其价格昂贵价格昂贵，日前主要用在日前主要用在空间和尖端技术空间和尖端技术上，在
86、上，在民用民用方面方面主要用于主要用于合成牙齿合成牙齿、骨胳骨胳及直升飞机及直升飞机的的旋翼旋翼和高强和高强离心机离心机等。等。133复合材料的增强体有机纤维课件新型氧化锌晶须新型氧化锌晶须在众多种类的晶须中，在众多种类的晶须中，新型氧化锌新型氧化锌晶须晶须（ZincOxideWhisker,简写为简写为ZnOw）以其以其独特的结构独特的结构而倍受注目。而倍受注目。134复合材料的增强体有机纤维课件由于由于氧化锌晶须氧化锌晶须的的制造工艺制造工艺、周期周期、成本成本、纯度纯度等存在较大的等存在较大的不可控性不可控性，全世，全世界进入产业化生产程序的企业仅有两家，界进入产业化生产程序的企业仅有两
87、家，一家是日本一家是日本松下电器公司松下电器公司，另一家则是成，另一家则是成都交大都交大晶宇科技有限公司晶宇科技有限公司。135复合材料的增强体有机纤维课件目前，新型目前，新型氧化锌晶须的形状氧化锌晶须的形状与普通的晶须完全不同与普通的晶须完全不同,为为立体四立体四针状单晶体针状单晶体微纤维。如下图所示。微纤维。如下图所示。136复合材料的增强体有机纤维课件普通氧化锌晶须普通氧化锌晶须普通氧化锌晶须普通氧化锌晶须四针状氧化锌晶须四针状氧化锌晶须四针状氧化锌晶须四针状氧化锌晶须SEMPhotooftheZnOWhiskersSEMPhotooftheZnOWhiskers137复合材料的增强体有
88、机纤维课件四针状氧化锌晶须产品四针状氧化锌晶须产品四针状氧化锌晶须产品四针状氧化锌晶须产品外观外观外观外观- -白色松软状粉末白色松软状粉末白色松软状粉末白色松软状粉末138复合材料的增强体有机纤维课件新型新型氧化锌晶须氧化锌晶须不仅生产不仅生产成本低成本低，而且，而且功能独特功能独特。由于其独特的由于其独特的空间四针状结构空间四针状结构,特有的特有的半半导体导体、压电压电、吸波吸波等特性，除了等特性，除了增强作用增强作用外外,其多方面的功能决定了该晶须可以作为其多方面的功能决定了该晶须可以作为结构结构材料材料、功能材料功能材料，在国防、电子、化工、交，在国防、电子、化工、交通等领域发挥巨大的
89、作用。通等领域发挥巨大的作用。139复合材料的增强体有机纤维课件氧化锌晶须氧化锌晶须主要特点主要特点（1 1）独特的）独特的）独特的）独特的立体四针状结构立体四针状结构立体四针状结构立体四针状结构，每根针状体，每根针状体，每根针状体，每根针状体均为均为均为均为单晶体微纤维单晶体微纤维单晶体微纤维单晶体微纤维。（2 2）具有）具有）具有）具有半导体半导体半导体半导体、压电压电压电压电、吸波吸波吸波吸波特性。特性。特性。特性。（3 3）高强度高强度高强度高强度，单晶体纤维的强度达到或接，单晶体纤维的强度达到或接，单晶体纤维的强度达到或接，单晶体纤维的强度达到或接近化学键的理论计算值。近化学键的理论
90、计算值。近化学键的理论计算值。近化学键的理论计算值。（4 4）耐高温耐高温耐高温耐高温，在，在，在，在17201720之前不发生变化。之前不发生变化。之前不发生变化。之前不发生变化。（5 5）耐磨防滑耐磨防滑耐磨防滑耐磨防滑、减振降噪减振降噪减振降噪减振降噪等功能特性。等功能特性。等功能特性。等功能特性。（6 6）抗菌抗菌抗菌抗菌等生物学功能特性。等生物学功能特性。等生物学功能特性。等生物学功能特性。140复合材料的增强体有机纤维课件氧化锌晶须氧化锌晶须主要用途主要用途（1 1）导电、压电、抗静电）导电、压电、抗静电）导电、压电、抗静电）导电、压电、抗静电复合材料复合材料复合材料复合材料。（2
91、 2）微波吸收、微波）微波吸收、微波）微波吸收、微波）微波吸收、微波- -热热热热转换材料转换材料转换材料转换材料。（3 3）耐磨防滑）耐磨防滑）耐磨防滑）耐磨防滑复合材料复合材料复合材料复合材料。（4 4）减振、降噪、抗冲制品。）减振、降噪、抗冲制品。）减振、降噪、抗冲制品。）减振、降噪、抗冲制品。（5 5）各项）各项）各项）各项同性增强复合材料同性增强复合材料同性增强复合材料同性增强复合材料。（6 6）抗碎裂陶瓷材料及制品。）抗碎裂陶瓷材料及制品。）抗碎裂陶瓷材料及制品。）抗碎裂陶瓷材料及制品。（7 7）抗菌材料。）抗菌材料。）抗菌材料。）抗菌材料。141复合材料的增强体有机纤维课件ZnO
92、w的的主主要要物物理理性性能能性性能数能数值值化化学学式式ZnOZnO含含量量(%)99.99形形形形 状四针状状四针状状四针状状四针状真真实实比比重重5.96表表观观比比重重0.01-0.5耐耐耐耐 热热热热 性性性性 能能能能()()17201720升华升华升华升华针状体长度针状体长度针状体长度针状体长度( (mm)mm)10-30010-300针状体根直径针状体根直径(mm)0.1-10体积电阻率体积电阻率(W.cm)7.14介介电电常常数数8.55拉拉伸伸强强度度(GPa)10弹弹性性模模量量(GPa)345热热膨膨胀胀率率(%/)410-6142复合材料的增强体有机纤维课件硫酸钙晶须
93、硫酸钙晶须外外观：观：白色蓬松状白色蓬松状固体（在显微镜固体（在显微镜下为下为纤维状纤维状或或针状针状单晶体）单晶体）分子量：分子量：136.14143复合材料的增强体有机纤维课件中径纤维中径纤维直径：直径：12um长度：长度：30150um长径比：长径比：20100细径纤维细径纤维直径：直径：0.11.5um长度：长度：20120um长径比：长径比：30200144复合材料的增强体有机纤维课件硫酸钙晶须的物理参数硫酸钙晶须的物理参数拉伸强度：拉伸强度：2.058Gpa耐热性：耐热性：1000弹性率：弹性率：176.4Gpa相对密度：相对密度：2.96莫氏硬度：莫氏硬度：3熔点：熔点：1450
94、145复合材料的增强体有机纤维课件硫酸钙晶须的主用用途硫酸钙晶须的主用用途(1)晶须硫酸钙晶须硫酸钙添加添加在塑料、橡胶中在塑料、橡胶中起起增韧增强增韧增强作用，并有一定的作用，并有一定的阻燃效果阻燃效果进而进而提高被添加材料的熔点提高被添加材料的熔点。另外，还能。另外，还能降低降低基体熔化后的流动性基体熔化后的流动性。146复合材料的增强体有机纤维课件(2)硫酸钙晶须硫酸钙晶须可用作可用作中等强度中等强度的的填充剂填充剂，细径纤维细径纤维的的补强效果补强效果与与其其它高性能纤维增强材料它高性能纤维增强材料的的补强效果补强效果接接近。近。147复合材料的增强体有机纤维课件用用硫酸钙晶须硫酸钙晶
95、须增强的塑料制品，其增强的塑料制品，其抗拉抗拉强度强度、弯曲强度弯曲强度、弯曲弹性率弯曲弹性率的的热变形温度热变形温度均有提高。均有提高。硫酸钙晶须硫酸钙晶须可以可以代替石棉代替石棉作作摩擦材料摩擦材料，建筑材料建筑材料，保温、保冷材料等。还可部分代，保温、保冷材料等。还可部分代替玻璃纤维。替玻璃纤维。148复合材料的增强体有机纤维课件(3)硫酸钙晶须硫酸钙晶须可用来可用来增强聚丙烯增强聚丙烯。可。可增加材料的增加材料的拉伸强度拉伸强度、弯曲强度弯曲强度。(4)加入加入硫酸钙晶须硫酸钙晶须可可提高环氧树脂提高环氧树脂的的粘结强度粘结强度。其。其增强效果增强效果超过超过石英粉石英粉、氧化铝氧化铝
96、、白碳黑白碳黑、超细硅酸铝超细硅酸铝等添加剂。等添加剂。 149复合材料的增强体有机纤维课件硼硼酸酸铝铝晶须晶须外观：外观：白色针状白色针状白色针状白色针状分子量：分子量：1056.88直径：直径：0.51um长度：长度：530um相对密度：相对密度：2.90-2.94拉伸强度：拉伸强度：8Gpa莫氏硬度：莫氏硬度：7弹性模量：弹性模量：400Mpa耐热性：耐热性：耐热性：耐热性：1420146014201460热膨胀系数：热膨胀系数：4.2106/150复合材料的增强体有机纤维课件白色针状白色针状白色针状白色针状硼硼酸酸铝铝晶须晶须151复合材料的增强体有机纤维课件硼硼酸酸铝铝晶须的基本特征
97、晶须的基本特征(1)极高的极高的强度和弹性强度和弹性强度和弹性强度和弹性(2)优良的优良的耐酸、碱性耐酸、碱性耐酸、碱性耐酸、碱性(3)高熔点、高熔点、耐热性能耐热性能耐热性能耐热性能较好较好(4)近似近似化学中性化学中性化学中性化学中性(5)温度膨胀系数温度膨胀系数温度膨胀系数温度膨胀系数低低152复合材料的增强体有机纤维课件硼硼酸酸铝铝晶须的主要用途晶须的主要用途硼酸铝须主要用于硼酸铝须主要用于金属基复合材料金属基复合材料金属基复合材料金属基复合材料领域，它主领域，它主要包括：要包括：(1)机械材料机械材料机械材料机械材料：空调机的压缩部分、切削工具等：空调机的压缩部分、切削工具等(2)机
98、械活塞机械活塞机械活塞机械活塞：各种齿轮：各种齿轮(3)结构和功能材料结构和功能材料结构和功能材料结构和功能材料：铝、镁基复合材料：铝、镁基复合材料153复合材料的增强体有机纤维课件硅晶须硅晶须上海上海汇精亚汇精亚纳米新材料有限公司同国内纳米新材料有限公司同国内先进的材料研究机构合作，经过多方努力，先进的材料研究机构合作，经过多方努力，终于研究开发出一种终于研究开发出一种与玻璃纤维具有相似与玻璃纤维具有相似功能特点功能特点、价格较为低廉价格较为低廉的硅晶须的硅晶须(价格价格只有短玻纤的只有短玻纤的1/3左右左右)。154复合材料的增强体有机纤维课件晶须硅晶须硅，又称作，又称作短玻璃纤维短玻璃纤
99、维，是一，是一种种纤维状纤维状材料，主要成分材料，主要成分SiO2，俗称为俗称为短玻纤短玻纤，外观为，外观为纯白色纯白色，它是一种新型它是一种新型功能性功能性增强、增韧材料增强、增韧材料。155复合材料的增强体有机纤维课件晶须硅晶须硅的的性能特点性能特点如下如下:强度高强度高、化学稳定性好化学稳定性好、分散性好分散性好、耐高温耐高温（可耐（可耐1700高温），高温），绝缘性好绝缘性好、烧失量低烧失量低、吸油率低吸油率低。156复合材料的增强体有机纤维课件晶须硅晶须硅晶须硅晶须硅的的性能特点性能特点同同玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维极其相似极其相似：可以提高制品的可以提高制品的抗拉强度抗拉强度
100、抗拉强度抗拉强度、刚性刚性刚性刚性、硬度硬度硬度硬度、耐磨性耐磨性耐磨性耐磨性和和机械加工机械加工机械加工机械加工性能；性能；还可以降低还可以降低收缩变形率收缩变形率收缩变形率收缩变形率和提高制品的和提高制品的热变热变热变热变形温度形温度形温度形温度和和阻燃绝缘阻燃绝缘阻燃绝缘阻燃绝缘性能。性能。缺点：缺点：缺点：缺点：韧性韧性韧性韧性比比玻璃纤维玻璃纤维略差些。略差些。157复合材料的增强体有机纤维课件虽然虽然活性晶须硅活性晶须硅产品还不成熟，但是产品还不成熟，但是晶晶须硅须硅应产业的要求应产业的要求而生，必将而生，必将随着产业的发随着产业的发展展而逐渐而逐渐趋于成熟和完善趋于成熟和完善并不
101、断发展，必将并不断发展，必将为为工程塑料行业工程塑料行业带来一轮新的革命。带来一轮新的革命。158复合材料的增强体有机纤维课件晶须硅化学成分晶须硅化学成分SiO299.6Al2O30.03Fe2O30.3TiO20.01CaO0.01Na2O0.01K2O0.01159复合材料的增强体有机纤维课件160复合材料的增强体有机纤维课件晶须硅物理性能：晶须硅物理性能：粒经（粒经（m）4-45堆积密度（堆积密度（g/cm3）0.78真实密度（真实密度（g/cm3）2.35色泽（白度色泽（白度色泽（白度色泽（白度%）9292吸油率吸油率g(oil)/100g20-30pH值值6.8水份水份(%)0.2耐
102、火度（耐火度（）1720莫氏硬度莫氏硬度(Mohsscale)7烧失量烧失量0.10%体积电阻（体积电阻（.CM）1.51010161复合材料的增强体有机纤维课件作为作为纤维状材料纤维状材料，晶须硅晶须硅晶须硅晶须硅主要应用如下：主要应用如下：1尼龙、尼龙、PP、PBT、PC、POM、ABS等等工程塑工程塑工程塑工程塑料的改性料的改性料的改性料的改性，可替代，可替代玻璃纤维玻璃纤维，提高，提高拉伸强度拉伸强度、抗抗挠曲强度挠曲强度、降低收缩率，提高、降低收缩率，提高制品强度制品强度、尺寸稳尺寸稳定性定性、防止翘曲，降低成本；提高制品的、防止翘曲，降低成本；提高制品的阻燃性阻燃性、热变形温度热变
103、形温度和和绝缘性能绝缘性能。162复合材料的增强体有机纤维课件2填充填充PVC、PP、PE、生产生产异型异型材材、管材管材和和板材板材，可使制品具有良好的，可使制品具有良好的尺寸稳定尺寸稳定、提高、提高刚性刚性、耐热温度耐热温度和和绝缘绝缘性性，提高制品，提高制品性价比性价比，降低成本。，降低成本。163复合材料的增强体有机纤维课件3填充环氧树脂填充环氧树脂覆铜版覆铜版，可降低，可降低树脂树脂树脂树脂粘度粘度粘度粘度，提高，提高弯曲强度弯曲强度弯曲强度弯曲强度，改善其物理机械性能，改善其物理机械性能，提高提高玻璃化转变温度玻璃化转变温度玻璃化转变温度玻璃化转变温度，降低，降低介电常数介电常数介
104、电常数介电常数、提高、提高绝缘性能绝缘性能绝缘性能绝缘性能，降低，降低吸水性吸水性吸水性吸水性，降低，降低成本成本成本成本。164复合材料的增强体有机纤维课件4填充填充不饱和聚脂不饱和聚脂不饱和聚脂不饱和聚脂，可降低产品的，可降低产品的收缩率收缩率和和吸水率吸水率，提高，提高耐磨性和硬度耐磨性和硬度，且，且在层压和涂覆时在层压和涂覆时空穴少，用于玻璃钢制品、抛光轮、工具等。空穴少，用于玻璃钢制品、抛光轮、工具等。5填充填充有机硅树脂有机硅树脂有机硅树脂有机硅树脂，可提高物理机械性能，可提高物理机械性能，大量填充可大大降低成本。大量填充可大大降低成本。165复合材料的增强体有机纤维课件碳晶须碳晶
105、须碳晶须碳晶须碳晶须碳晶须是是非金属晶须非金属晶须，碳含量碳含量99.5，氢含氢含量量0.15，呈，呈针状单晶针状单晶针状单晶针状单晶。碳晶须碳晶须碳晶须碳晶须的的的的直径从直径从亚微米亚微米亚微米亚微米到到几微米几微米几微米几微米，长度为，长度为几几几几毫米毫米毫米毫米到到几百毫米几百毫米，并具有高度的，并具有高度的结晶完整性结晶完整性。由。由于于位错密度位错密度低、低、孔隙率孔隙率低、低、表面缺陷表面缺陷少以及少以及不存不存在晶界在晶界，碳晶须具有极，碳晶须具有极高的强度高的强度高的强度高的强度。166复合材料的增强体有机纤维课件碳晶须碳晶须碳晶须碳晶须在空气中在空气中可可耐耐耐耐7007
106、00高温高温高温高温，在惰性气体在惰性气体中中可可耐耐耐耐30003000高温高温高温高温，而且，而且热膨胀系数小热膨胀系数小、受中子受中子照射后尺寸变化小照射后尺寸变化小，耐磨性耐磨性和和自润滑性自润滑性优良。优良。碳晶须碳晶须碳晶须碳晶须主要用作主要用作聚合物基聚合物基、碳基复合材料碳基复合材料的增的增强材料。强材料。167复合材料的增强体有机纤维课件碳晶须的制备工艺碳晶须的制备工艺碳晶须的制备工艺碳晶须的制备工艺类似于类似于气相生长碳纤维气相生长碳纤维，通常采用通常采用气相合成法气相合成法气相合成法气相合成法，即在管式炉中，即在管式炉中以氢气以氢气为为载体通入苯、甲烷或乙烯，在有载体通入
107、苯、甲烷或乙烯，在有铁、钴、镍等铁、钴、镍等催化剂催化剂存在下将基极加热到存在下将基极加热到10501100而制而制得碳丝。得碳丝。168复合材料的增强体有机纤维课件钛酸钾晶须钛酸钾晶须钛酸钾晶须的形貌如下图所示：钛酸钾晶须的形貌如下图所示：钛酸钾晶须的形貌钛酸钾晶须的形貌169复合材料的增强体有机纤维课件钛酸钾晶须钛酸钾晶须钛酸钾晶须钛酸钾晶须有有6-钛酸钾钛酸钾和和4-钛酸钾钛酸钾两种结两种结晶结构。晶结构。6-钛酸钾钛酸钾中，中，TiO6八面体具有八面体具有隧道结构隧道结构隧道结构隧道结构，K+固定在中间；固定在中间；4-钛酸钾钛酸钾中，中，TiO6八面体为八面体为层状结构层状结构层状结
108、构层状结构。这。这种结构中的种结构中的K+易与其他阳离子或易与其他阳离子或H+进行交换，进行交换，层间距离也在变化。层间距离也在变化。170复合材料的增强体有机纤维课件最初，最初，钛酸钾晶须钛酸钾晶须钛酸钾晶须钛酸钾晶须是作为是作为耐热、隔热耐热、隔热耐热、隔热耐热、隔热用材料用材料而开发的，其成本低于其他晶须。而开发的，其成本低于其他晶须。由于由于6-6-钛酸钾钛酸钾钛酸钾钛酸钾结构特殊，具有优异的结构特殊，具有优异的耐热耐热耐热耐热性性性性、耐碱性耐碱性耐碱性耐碱性和和耐酸性耐酸性耐酸性耐酸性等，可作为聚合物基复合材等，可作为聚合物基复合材料的增强材料。料的增强材料。4-4-钛酸钾晶须钛酸
109、钾晶须钛酸钾晶须钛酸钾晶须由于由于化学活性大化学活性大，主要用于，主要用于阳离子吸附材料阳离子吸附材料和和催化剂载体催化剂载体材料。材料。171复合材料的增强体有机纤维课件钛酸钾晶须钛酸钾晶须钛酸钾晶须钛酸钾晶须的的直径直径约为约为0.21.5um，长度长度为为10100um。钛酸钾晶须的钛酸钾晶须的硬度低硬度低硬度低硬度低（莫氏硬度为（莫氏硬度为4），），抗磨损性能较差抗磨损性能较差抗磨损性能较差抗磨损性能较差，与，与铝相容性较差铝相容性较差铝相容性较差铝相容性较差，所制，所制备的备的铝基复合材料铝基复合材料强度和模量较低。强度和模量较低。172复合材料的增强体有机纤维课件钛酸钾晶须钛酸钾晶
110、须钛酸钾晶须钛酸钾晶须增强铝基（增强铝基（AlMgSi系系和和AlSi系）复合材料可以采用系）复合材料可以采用压铸法压铸法压铸法压铸法制造，制造，也可以采用也可以采用包覆铝的钛酸钾晶须与铝粉混合包覆铝的钛酸钾晶须与铝粉混合，再用再用挤压挤压挤压挤压的方法来制造。的方法来制造。173复合材料的增强体有机纤维课件钛酸钾晶须钛酸钾晶须钛酸钾晶须钛酸钾晶须经过经过表面处理后表面处理后具有具有亲油性亲油性亲油性亲油性，纤维纤维直径细直径细、渗透压低渗透压低，与溶液亲和性良好，与溶液亲和性良好，耐碱性好耐碱性好，可作为，可作为过滤器材料过滤器材料和和隔膜材料隔膜材料。钛酸钾晶须钛酸钾晶须钛酸钾晶须钛酸钾晶
111、须耐老化性耐老化性好，有良好的好，有良好的抗磨损抗磨损性能性能，可以，可以替代石棉替代石棉作汽车的制动器、离合器。作汽车的制动器、离合器。174复合材料的增强体有机纤维课件钛酸钾晶须钛酸钾晶须钛酸钾晶须钛酸钾晶须细细、难折难折，在制备，在制备钛酸钾晶须钛酸钾晶须增强热塑性复合材料增强热塑性复合材料工艺过程中，熔融树脂的工艺过程中，熔融树脂的黏度上升不快，成型后纤维长度几乎不变短，黏度上升不快，成型后纤维长度几乎不变短，可以可以像无填料的树脂一样像无填料的树脂一样利用利用注射注射注射注射和和压铸工艺压铸工艺压铸工艺压铸工艺成型生产复杂的制品。成型生产复杂的制品。175复合材料的增强体有机纤维课件
112、钛酸钾晶须较软钛酸钾晶须较软钛酸钾晶须较软钛酸钾晶须较软，所以对，所以对成型加工设备成型加工设备和和金金属模具属模具的的磨损小磨损小磨损小磨损小。钛酸钾晶须钛酸钾晶须钛酸钾晶须钛酸钾晶须可以用可以用硅烷偶联剂硅烷偶联剂对晶须进行对晶须进行表表表表面处理面处理面处理面处理，进一步改善制品的，进一步改善制品的加工性能加工性能和和物理性能物理性能。钛酸钾晶须增强树脂钛酸钾晶须增强树脂的制品与的制品与纯树脂制品纯树脂制品表面一表面一样平滑。样平滑。176复合材料的增强体有机纤维课件钛酸钾晶须增强的聚四氟乙烯密封环钛酸钾晶须增强的聚四氟乙烯密封环177复合材料的增强体有机纤维课件钛酸钾晶须的制法钛酸钾晶
113、须的制法A烧结法烧结法B熔融法熔融法C水热法水热法178复合材料的增强体有机纤维课件A烧结法烧结法把把K2CO3和和TiO2混合物混合物在一定时间内在一定时间内烧结，烧结，可得到高收率的可得到高收率的单晶纤维单晶纤维单晶纤维单晶纤维，但结晶性不太好。，但结晶性不太好。B熔融法熔融法将原料熔融、冷却来将原料熔融、冷却来培育晶须培育晶须培育晶须培育晶须，但单晶的，但单晶的收率较低。收率较低。179复合材料的增强体有机纤维课件C水热法水热法在高压下在高压下使原料使原料在热水中反应在热水中反应在热水中反应在热水中反应而生长晶体；而生长晶体；另外，使原料另外，使原料在溶剂中在溶剂中反应，可得到高收率的反
114、应，可得到高收率的单晶纤维单晶纤维单晶纤维单晶纤维，结晶性好，常用的溶剂有，结晶性好，常用的溶剂有KCl-KF、K2O-B2O3、K2O-WO3等。等。180复合材料的增强体有机纤维课件碳酸钙晶须碳酸钙晶须长径比大于长径比大于15，形貌比较均匀的，形貌比较均匀的文石相文石相文石相文石相碳酸钙晶须。碳酸钙晶须。181复合材料的增强体有机纤维课件三、颗粒增强体三、颗粒增强体用以改善复合材料用以改善复合材料力学性能力学性能、提高、提高断断裂性裂性、耐磨性耐磨性和和硬度硬度、增进、增进耐腐蚀性能耐腐蚀性能的的颗粒状材料，称为颗粒状材料，称为颗粒增强体颗粒增强体(ParticleReinforcemen
115、t)。182复合材料的增强体有机纤维课件颗粒增强体的特点颗粒增强体的特点(1)选材方便选材方便，可根据不同的性能要，可根据不同的性能要求选用不同的颗粒增强体。求选用不同的颗粒增强体。(2)颗粒增强体颗粒增强体成本低成本低，易于批量生，易于批量生产。产。183复合材料的增强体有机纤维课件颗粒增强体三种增韧机制颗粒增强体三种增韧机制(1)当材料受到当材料受到破坏应力破坏应力时，时，裂纹尖端处裂纹尖端处裂纹尖端处裂纹尖端处的颗的颗粒发生显著的物理变化，如粒发生显著的物理变化，如晶形转变晶形转变，体积改变体积改变、微裂纹产生微裂纹产生与与增殖增殖等，它们均能消耗能量，从而等，它们均能消耗能量，从而提高
116、了复合材料的韧性。这种增韧机制称为提高了复合材料的韧性。这种增韧机制称为相变相变相变相变增韧增韧增韧增韧和和微裂纹增韧微裂纹增韧微裂纹增韧微裂纹增韧。其典型例子是四方晶相其典型例子是四方晶相ZrO2颗粒的相变增韧。颗粒的相变增韧。184复合材料的增强体有机纤维课件(2)复合材料中的第二种颗粒复合材料中的第二种颗粒使裂纹扩使裂纹扩展路径发生改变展路径发生改变，如，如裂纹偏转裂纹偏转、弯曲弯曲、分叉分叉、裂纹桥接裂纹桥接或或裂纹钉扎裂纹钉扎等，从而产生增韧效果。等，从而产生增韧效果。(3)以上以上两种机制两种机制同时发生，此时称为同时发生，此时称为混合增韧混合增韧。185复合材料的增强体有机纤维课
117、件按照按照颗粒增强颗粒增强颗粒增强颗粒增强复合材料的基体复合材料的基体复合材料的基体复合材料的基体不同，不同，颗粒颗粒颗粒颗粒增强体增强体增强体增强体可以分为可以分为颗粒颗粒颗粒颗粒弥散强化弥散强化弥散强化弥散强化陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷、颗粒颗粒颗粒颗粒增强增强增强增强金属金属金属金属和和颗粒颗粒颗粒颗粒增强增强增强增强聚合物聚合物聚合物聚合物。颗粒颗粒在聚合物中在聚合物中还可以还可以用作填料用作填料用作填料用作填料，目的是，目的是降低成本降低成本，提高导电性、，提高导电性、屏蔽性屏蔽性或或耐磨性耐磨性。186复合材料的增强体有机纤维课件颗粒增强体的颗粒增强体的平均尺寸平均尺寸为为3.510um，最
118、最细的为纳米级细的为纳米级(1100nm)，最粗的颗粒粒径最粗的颗粒粒径大于大于30um。目前使用的目前使用的颗粒增强体颗粒增强体有有SiC、TiC、B4C、WC、Al2O3、MoS2、Si3N4、TiB2、BN、C(石墨石墨)。187复合材料的增强体有机纤维课件在复合材料中，颗粒增强体的在复合材料中，颗粒增强体的体积含体积含量量通常约为通常约为1520%，特殊的也可达，特殊的也可达5%75%。按照按照变形性能变形性能，颗粒增强体可以分为，颗粒增强体可以分为刚性刚性(rigid)颗粒颗粒和和延性延性(ductile)颗粒颗粒两两种。种。188复合材料的增强体有机纤维课件刚性颗粒增强体刚性颗粒增
119、强体(RigidParticleReinforcement)或或陶瓷颗粒增强体陶瓷颗粒增强体。主要是指具有主要是指具有高强度高强度、高模量高模量、耐热耐热、耐磨耐磨、耐高温耐高温的的陶瓷陶瓷和和石墨石墨等等非金属颗粒非金属颗粒，如碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化如碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼、石墨、细金刚石等。硼、石墨、细金刚石等。189复合材料的增强体有机纤维课件颗粒增强体颗粒增强体以很细的粉状以很细的粉状(一般在一般在10um以下以下)加入到加入到金属基和陶瓷基中金属基和陶瓷基中起起提高提高耐磨、耐热、强度、模量和韧性耐磨、耐热、强度、模量和韧性的的作用。作用。190复合材料
120、的增强体有机纤维课件如如在在A1合金中合金中加入体积为加入体积为30，粒径，粒径为为0.3um的的Al2O3颗粒，材料颗粒，材料在在300时时的的拉伸强度拉伸强度仍可达仍可达220MPa，并且所加入的并且所加入的颗颗粒越细粒越细，复合材料的，复合材料的硬度和强度越高硬度和强度越高。在在Si3N4陶瓷中陶瓷中加入体积为加入体积为20的的TiC颗粒，可使其韧性提高颗粒，可使其韧性提高5。191复合材料的增强体有机纤维课件延性颗粒增强体延性颗粒增强体(DuctileParticleReinforcement)，主要为主要为金属颗粒金属颗粒，一般是，一般是加入到加入到陶瓷、玻璃和微晶玻璃陶瓷、玻璃和微
121、晶玻璃等等脆性基体脆性基体中，中，目的是目的是增加基体材料的韧性增加基体材料的韧性，如，如A12O3中加入中加入Al，WC中加入中加入Co等。等。金属颗粒的加入金属颗粒的加入使材料的韧性显著提高，使材料的韧性显著提高，但但高温力学性能高温力学性能会有所下降。会有所下降。192复合材料的增强体有机纤维课件颗粒增强复合材料的颗粒增强复合材料的力学性能力学性能取决于取决于颗粒的形貌、直径、结晶完整度颗粒的形貌、直径、结晶完整度和颗粒在和颗粒在复合材料中的复合材料中的分布情况分布情况及及体积分数体积分数。下表列出了下表列出了常用颗粒增强体的性能常用颗粒增强体的性能。193复合材料的增强体有机纤维课件常用颗粒增强体的性能常用颗粒增强体的性能194复合材料的增强体有机纤维课件195复合材料的增强体有机纤维课件第三次作业1、什么是增强体？增强体应具备哪些特性？、什么是增强体？增强体应具备哪些特性？2、简述碳纤维的制备方法及其应用。、简述碳纤维的制备方法及其应用。3、什么是玻璃纤维？玻璃纤维的分类组成及其性能特、什么是玻璃纤维？玻璃纤维的分类组成及其性能特点？点？4、在玻璃纤维生产中，为什么要常加入氢化钠、氢化、在玻璃纤维生产中，为什么要常加入氢化钠、氢化钾等碱性氧化物？钾等碱性氧化物？5、芳纶纤维（、芳纶纤维（PPTA）的制备过程。的制备过程。196复合材料的增强体有机纤维课件
