增强材料.pptx

v增强材料概述增强材料概述 定义、分类、结构类型、选择增强材料的原则定义、分类、结构类型、选择增强材料的原则v几类常用的增强材料几类常用的增强材料 纤维、晶须、颗粒纤维、晶须、颗粒 制备方法、特性、应用制备方法、特性、应用主要内容主要内容1一、增强材料概述一、增强材料概述v结合在基体内、用以提高基体力学等性能的结合在基体内、用以提高基体力学等性能的高强度材料高强度材料，称为称为增强材料增强材料(reinforcements reinforcements)，也称为，也称为增强体增强体、增强增强相相、增强剂增强剂等。等。v增强材料就象树木中的纤维、混凝土中的钢筋一样，是复增强材料就象树木中的纤维、混凝土中的钢筋一样，是复合材料的重要组成部分，并起到非常重要的作用。合材料的重要组成部分，并起到非常重要的作用。1、定义：、定义：22、分类：、分类：3增增强强材材料料纤维增强材料纤维增强材料（连续纤维、短（连续纤维、短纤维、编织纤维）纤维、编织纤维）金属纤维（金属纤维（W、Mo等）等）无机纤维（无机纤维（C、B、SiC、Al2O3等）等）有机纤维（芳纶、聚乙烯、尼龙等）有机纤维（芳纶、聚乙烯、尼龙等）晶须增强材料晶须增强材料金属晶须（金属晶须（Fe、Cu等）等）陶瓷晶须（陶瓷晶须（TiC、SiC、Al2O3等）等）颗粒增强材料颗粒增强材料氧化物颗粒（氧化物颗粒（SiO2、Al2O3等）等）非氧化物颗粒（非氧化物颗粒（TiC、B4C、SiC等）等）硅酸盐颗粒（高岭土、滑石等）硅酸盐颗粒（高岭土、滑石等）3、增强材料的结构类型：、增强材料的结构类型：增强材料在复合材料中的分布形式：增强材料在复合材料中的分布形式：v分散状增强结构分散状增强结构v单向增强结构单向增强结构v层状增强结构层状增强结构v网络状增强结构网络状增强结构4颗粒增强型颗粒增强型非连续纤维增强型非连续纤维增强型连续纤维增强型连续纤维增强型板状增强型板状增强型v 分散状增强结构分散状增强结构B4C原位增强原位增强ZrCN陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料含有原位生成含有原位生成的短纤维、晶的短纤维、晶须、颗粒须、颗粒XDMMC的的显微组织结构显微组织结构 也称为也称为不连续增强复合材料不连续增强复合材料的结构，即增强材料在基体中的结构，即增强材料在基体中呈呈分散分散状，主要是短纤维、颗粒、晶须。状，主要是短纤维、颗粒、晶须。5v 单向增强结构单向增强结构SiCf/Ti单向增强复合材料单向增强复合材料SiCfTi基体基体界面及界界面及界面反应层面反应层 指增强材料指增强材料一维平行排列一维平行排列分布在基体中。分布在基体中。SiCfSiCf/Cu钨纤维（丝）单向增强高温合金显微组织钨纤维（丝）单向增强高温合金显微组织6v 层状增强结构层状增强结构 增强材料以增强材料以织物方式织物方式增强，增强，或双向正交、或铺层方式分布或双向正交、或铺层方式分布在复合材料基体中。在复合材料基体中。SiCf/Al2O3原位生成陶瓷基复合材料原位生成陶瓷基复合材料喷涂法制备的喷涂法制备的Al2O3与高温合金与高温合金复合的层状复合材料复合的层状复合材料7 网络状增强结构一般通过编织方式将纤维编织成网络状增强结构一般通过编织方式将纤维编织成三维三维预制体，但各预制体，但各个方向的纤维含量可以相同或不同。个方向的纤维含量可以相同或不同。v 网络状增强结构网络状增强结构三维正交增强结构三维正交增强结构8v基本特性基本特性高强度、高模量、低密度、耐热性、耐磨性等；高强度、高模量、低密度、耐热性、耐磨性等；v增强材料与基体材料的相容性增强材料与基体材料的相容性浸润性、弹性匹配（弹性模量）、浸润性、弹性匹配（弹性模量）、热匹配（热膨胀系数）、互溶性等；热匹配（热膨胀系数）、互溶性等；v高化学稳定性高化学稳定性v优良的性能再现性和一致性优良的性能再现性和一致性v增强材料的形状、尺寸增强材料的形状、尺寸v容易制造，性能容易制造，性能/价格比。价格比。4、增强材料的选择原则：、增强材料的选择原则：对对结构复合材料结构复合材料，首先考虑的是增强材料的，首先考虑的是增强材料的强度强度、模量模量和和密度密度。增强体与基体增强体与基体相容性相容性主要反映主要反映界面作用界面作用和和影响影响。9二、纤二、纤 维（维（fiber）重点介绍：重点介绍：有机纤维：有机纤维：Kevlar纤维纤维，聚乙烯纤维，尼龙，聚乙烯纤维，尼龙无机纤维：玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、无机纤维：玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、SiC纤维、纤维、Al2O3纤维纤维10v碳纤维属于高新技术产品，它不仅具有碳素材料的特性，如质碳纤维属于高新技术产品，它不仅具有碳素材料的特性，如质量轻，强度高（量轻，强度高（7GPa），耐热，耐腐蚀，而且具有金属的），耐热，耐腐蚀，而且具有金属的特性，如导电性。特性，如导电性。v具有低热膨胀、高导热、耐磨、耐高温等优异性能，是一种很具有低热膨胀、高导热、耐磨、耐高温等优异性能，是一种很有发展前景的高性能纤维。有发展前景的高性能纤维。v碳纤维的大量和广泛应用与其价格的不断降低有关。随着生产碳纤维的大量和广泛应用与其价格的不断降低有关。随着生产规模的扩大、其价格由原来的数千元规模的扩大、其价格由原来的数千元/kg，降至数百元，降至数百元/kg。v碳纤维可以进行编织成各种碳纤维布，或制成碳纤维毡使用。碳纤维可以进行编织成各种碳纤维布，或制成碳纤维毡使用。1、碳纤维（、碳纤维（Carbon fiber,CF）(1)、引言、引言11(2)、碳纤维分类、碳纤维分类12人造丝基人造丝基聚丙烯腈（聚丙烯腈（PAN)基基沥青基沥青基原原丝丝力力学学性性能能碳碳纤纤维维低性能级碳纤维低性能级碳纤维高性能级碳纤维高性能级碳纤维强强度度模模量量中强型中强型(MT)高强型高强型(HT)超高强型超高强型(UHT)中模型中模型(IM)高模型高模型(HM)超高模型超高模型(UHM)v最早使用的是人造丝炭化而成的碳纤维，性能较差，强度、模最早使用的是人造丝炭化而成的碳纤维，性能较差，强度、模量均低，但耐烧蚀性能好，制造运载火箭头部的耐烧蚀部件。量均低，但耐烧蚀性能好，制造运载火箭头部的耐烧蚀部件。v19591959年日本首先发明了用聚丙烯腈纤维年日本首先发明了用聚丙烯腈纤维(PAN)(PAN)制取碳纤维的方制取碳纤维的方法；在法；在6060年代，对年代，对PANPAN原丝组成及纺丝条件作了系统研究，制原丝组成及纺丝条件作了系统研究，制得质量稳定的得质量稳定的高性能碳纤维高性能碳纤维；在；在7070年代得到年代得到高速发展高速发展；8080年代年代技术更加完善，技术更加完善，强度与模量均有明显提高强度与模量均有明显提高，并发展出不同性能，并发展出不同性能的系列产品。的系列产品。v我国于我国于6060年代初开始研究年代初开始研究PANPAN基碳纤维，基碳纤维，7070年代由国家统一组年代由国家统一组织，协同攻关取得较大进展。目前碳纤维的生产织，协同攻关取得较大进展。目前碳纤维的生产规模小规模小，产量产量低低，产品，产品品种单一品种单一，性能（强度、模量、密度）均低于国外同，性能（强度、模量、密度）均低于国外同类产品，关键性产品所需碳纤维仍严重依赖进口。类产品，关键性产品所需碳纤维仍严重依赖进口。PAN基碳纤维（基碳纤维（PANCF）13v与与PANCF相比，沥青基碳纤维（相比，沥青基碳纤维（PitchCF)发展较为缓慢。发展较为缓慢。v1963年日本以沥青为原料成功地研制了碳纤维，年日本以沥青为原料成功地研制了碳纤维，v1970年日本吴羽化学公司建成每月年日本吴羽化学公司建成每月10t规模规模通用级通用级碳纤维，碳纤维，v1976年美国联合炭化物公司从沥青得到年美国联合炭化物公司从沥青得到高性能高性能碳纤维，建成碳纤维，建成230t规模规模装置，但由于技术难度大，其开发受阻。装置，但由于技术难度大，其开发受阻。v1985年日本在这方面有了新的突破性进展，三菱化成公司建成年产年日本在这方面有了新的突破性进展，三菱化成公司建成年产500t高性能高性能沥青基碳纤维装置，这标志着沥青基碳纤维已处于向工业沥青基碳纤维装置，这标志着沥青基碳纤维已处于向工业化过渡的新阶段。化过渡的新阶段。沥青基碳纤维沥青基碳纤维发展历史：发展历史：14v沥青基碳纤维根据前驱体分为沥青基碳纤维根据前驱体分为石油沥青碳纤维石油沥青碳纤维与与煤沥青碳纤维煤沥青碳纤维。煤沥青碳纤维虽价格低、但强度更低。目前应用主要是石油沥煤沥青碳纤维虽价格低、但强度更低。目前应用主要是石油沥青碳纤维。青碳纤维。v沥青碳纤维主要应用在沥青碳纤维主要应用在宇航领域宇航领域制作高模量、不变形的构件，制作高模量、不变形的构件，模量达模量达620850GPa，强度约，强度约36003800MPa。另外，也用于。另外，也用于各种轴辊、船桅、舱体以及桥梁、建筑物修补等，模量约各种轴辊、船桅、舱体以及桥梁、建筑物修补等，模量约350550GPa，强度，强度20003000MPa。种类和用途：种类和用途：沥青基碳纤维沥青基碳纤维15(3)、碳纤维的制备、碳纤维的制备PAN碳纤维碳纤维 16200-300C空气空气1000-1500C氮气氮气碳化碳化2000-3000C氩气氩气碳纤维碳纤维表面处理表面处理交联、环化、氧化、脱氢交联、环化、氧化、脱氢交联、环化、缩聚交联、环化、缩聚vP PANAN是制造碳纤维是制造碳纤维最主要最主要和和最有前途最有前途的原丝，成品率高、的原丝，成品率高、工艺简单、成本低工艺简单、成本低空气氧化法制备空气氧化法制备PAN基碳纤维流程示意图基碳纤维流程示意图提高模量提高模量600GPa沥青基碳纤维流程示意图沥青基碳纤维流程示意图碳纤维的制备碳纤维的制备沥青碳纤维沥青碳纤维 17v成本最低成本最低v石墨化处理后具有石墨化处理后具有很高的模量很高的模量(4)、碳纤维的结构、碳纤维的结构18碳纤维微观结构主要为碳纤维微观结构主要为乱层乱层结构，石墨片层结构，石墨片层排列排列方向与方向与原丝轴向原丝轴向平行。平行。人造丝人造丝基碳纤维，除纤维表面碳层排列稍整齐外，基本为基碳纤维，除纤维表面碳层排列稍整齐外，基本为乱层结构；乱层结构；PAN基基碳原子层排列相对整齐，但石墨微晶尺寸相对碳原子层排列相对整齐，但石墨微晶尺寸相对较大；而经较大；而经石墨化石墨化处理后的处理后的沥青基沥青基碳纤维，碳原子层碳纤维，碳原子层排列整齐排列整齐，接近理想石墨的结构。接近理想石墨的结构。l PAN基碳纤维基碳纤维日本东丽（日本东丽（TORAY)公司生产的公司生产的PAN基碳纤维的型号与性能基碳纤维的型号与性能由由70年代初的年代初的T200、T300和和M40发展到当前的发展到当前的4大系列十几个品种，大系列十几个品种，特别是特别是T800、T1000高强度产品高强度产品代表当今世界的代表当今世界的发展水平发展水平。(5)、碳纤维的性能、碳纤维的性能 19(5.1)(5.1)、碳纤维的力学性能、碳纤维的力学性能 PAN基碳纤维性能基碳纤维性能美国阿莫科（美国阿莫科（AMOCO）公司）公司PAN基基碳纤维产品牌号及性能碳纤维产品牌号及性能 20 沥青基碳纤维的性能沥青基碳纤维的性能 日本三菱化成公司PitchCF产品牌号及性能 美国Amoco公司PitchCF产品牌号及性能 21(5.2)(5.2)、碳纤维的物理性能、碳纤维的物理性能22n密度小：密度小：1.52.0 g/cm3之间，石墨化程度越高，密度越大；之间，石墨化程度越高，密度越大；n热膨胀系数小：轴向热膨胀系数小：轴向(-1.5-0.5)10-6/K 横向（横向（5.58.4）10-6/Kn导热率：轴向导热率：轴向16.74W/(mK)横向横向0.837 W/(mK)n导电性好：高模量导电性好：高模量CF比电阻比电阻755cm 高强度高强度CF比电阻比电阻1500cmn拉伸强度高，拉伸强度高，7GPa；n弹性模量弹性模量900GPa；(5.3)(5.3)、碳纤维的化学性能、碳纤维的化学性能23n抗氧化性好：除能被强氧化剂氧化外，对抗氧化性好：除能被强氧化剂氧化外，对一般酸碱一般酸碱是是惰性惰性的。的。在空气中，温度高于在空气中，温度高于400时出现明显的时出现明显的氧化氧化，生成，生成CO和和CO2；n耐热性：在耐热性：在不接触空气不接触空气和和氧化氧化气氛时，气氛时，惰性气氛中热稳定性高(2000还能承载)，在空气中400开始开始下降下降；n耐油、抗放射、吸收有毒气体等耐油、抗放射、吸收有毒气体等(6)、碳纤维的应用、碳纤维的应用做为高性能增强纤维，应用在各类复合材料中（做为高性能增强纤维，应用在各类复合材料中（PMC、MMC、CMC和和C/C），广泛应用于），广泛应用于v航空航天、军事：航空器的主承力结构材料，如主翼、尾航空航天、军事：航空器的主承力结构材料，如主翼、尾翼、机体；翼、机体；C/C刹车片；防热及结构材料：火箭喷嘴、防热层；刹车片；防热及结构材料：火箭喷嘴、防热层；卫星天线、太阳能翼片底板，等等；卫星天线、太阳能翼片底板，等等；v交通运输；汽车车体、传动轴、底盘等；快艇、巡逻艇等；交通运输；汽车车体、传动轴、底盘等；快艇、巡逻艇等；v体育用品：网球、羽毛球球拍；棒球杆、高尔夫球杆；自体育用品：网球、羽毛球球拍；棒球杆、高尔夫球杆；自行车；滑雪板等；行车；滑雪板等；v生物材料、医疗器具等各行各业。生物材料、医疗器具等各行各业。242、硼纤维（、硼纤维（Boron fiber,BF）(1)、引言、引言v硼纤维是由美国最早开发、且最早应用于硼纤维是由美国最早开发、且最早应用于MMC的高强、高模的陶瓷纤维。的高强、高模的陶瓷纤维。v早在上世纪早在上世纪60年代，年代，B纤维增强铝用于航天飞机纤维增强铝用于航天飞机的主舱中，使航天飞机减重达的主舱中，使航天飞机减重达44%。v我国在我国在70年代初开始研制，但仍处于实验室阶段。年代初开始研制，但仍处于实验室阶段。25(2)、硼纤维的结构、硼纤维的结构 B纤维表面呈鱼鳞或玉米粒状，沉积纤维表面呈鱼鳞或玉米粒状，沉积B为无定为无定形的非晶结构，但也有人认为是微晶结构，晶粒形的非晶结构，但也有人认为是微晶结构，晶粒尺寸为尺寸为500nm左右。左右。26硼纤维的表面形貌硼纤维的表面形貌硼纤维的断面形貌硼纤维的断面形貌(3)、硼纤维的制备、硼纤维的制备 B纤维是采用纤维是采用化学气相沉积化学气相沉积法，法，B沉积在沉积在钨钨(W)芯或芯或碳碳(C)芯上。因此分为芯上。因此分为W芯与芯与C芯芯B纤维。纤维。27n将将所所需需金金属属或或非非金金属属的的化化合合物物盐盐（主主要要为为挥挥发发性性卤卤化化物物）气气化化，与与H H2 2等等气气体体一一起起加加热热，并并与与原原丝丝接接触触。由由于于热热分分解解或或还还原原反反应应，使使金金属属或或化化合合物物在在原原丝丝上上析析出出。该该过过程程成成为为化化学学气气相沉积相沉积，或，或CVD（Chemical Vapor Deposition）。B是经是经BCl3气体与气体与H2气体经高温（气体经高温（1350）气相反应生成：气相反应生成：2BCl3（g）3H2（g）2B（s）6HCl（g）制备工艺参数：制备工艺参数：vW芯的表面质量芯的表面质量W丝表面缺陷会引起纤维表面缺陷丝表面缺陷会引起纤维表面缺陷vH2和和BCl3气体的混合比气体的混合比影响沉积速度影响沉积速度v反应气体的流量反应气体的流量影响沉积速度影响沉积速度vW丝通过沉积室速度丝通过沉积室速度控制控制B纤维直径纤维直径28制备工艺参数：制备工艺参数：v反应温度：反应温度：W芯芯B纤维，反应温度在纤维，反应温度在11001350之间，并随之间，并随W丝长度变化而变化。温度过低，沉积速度慢，不均匀；温丝长度变化而变化。温度过低，沉积速度慢，不均匀；温度过高，沉积度过高，沉积B形成粗大节瘤状表面，严重降低纤维强度。形成粗大节瘤状表面，严重降低纤维强度。v反应气体的利用率仅反应气体的利用率仅2，因此未反应气体的回收很重要，因此未反应气体的回收很重要，需要经需要经-80 冷凝回收。因此，冷凝回收。因此，B纤维的生产成本极高，价格纤维的生产成本极高，价格昂贵，约数百美元昂贵，约数百美元/kg，不利于，不利于B纤维的推广应用。纤维的推广应用。29(4)、硼纤维的后处理、硼纤维的后处理1 1）化学处理）化学处理除去纤维表面缺陷，可采用化学溶剂浸蚀或抛光。除去纤维表面缺陷，可采用化学溶剂浸蚀或抛光。2 2）表面处理）表面处理 在与某些金属（如钛及钛合金）复合时会产生界面反应，在与某些金属（如钛及钛合金）复合时会产生界面反应，改改善善B纤维的抗氧化性纤维的抗氧化性，同时也，同时也还起还起优化界面优化界面的作用的作用。v SiC涂层；涂层；vB4C涂层；涂层；采用采用CVD法沉积涂层，主要用于法沉积涂层，主要用于B纤维增强纤维增强Ti复合材料。复合材料。30(5)、硼纤维的性能：、硼纤维的性能：31v密度为密度为2.42.6 g/cm3，与玻璃纤维相当，比，与玻璃纤维相当，比CVD-SiC纤维低纤维低30。v拉伸强度为拉伸强度为3.45.2GPa,模量则达模量则达400GPa,为玻璃纤为玻璃纤维的维的46倍倍，具有很高的比模量和比强度。，具有很高的比模量和比强度。v膨胀系数小：膨胀系数小：1.5 10-6/K。(6)、硼纤维的应用：、硼纤维的应用：32硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体龙骨桁架和支柱硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体龙骨桁架和支柱vCVD(化学气相沉积化学气相沉积)法法使用使用钨芯钨芯或或碳芯碳芯采用采用CVD法制备出法制备出SiC纤维，美国纤维，美国Texton公司商品名公司商品名SCS-2、SCS-6、SCS-8等，以及英国的等，以及英国的Sigma11140+。该方法生产的碳化硅纤。该方法生产的碳化硅纤维的密度为维的密度为3.5 g/cm3，性能高强、高模，抗拉强度为，性能高强、高模，抗拉强度为2.23.9GPa，模，模量为量为415 GPa，直径为，直径为100、140 m，柔软性也差。，柔软性也差。v先驱体转化法先驱体转化法日本矢岛教授首先研制成功。将日本矢岛教授首先研制成功。将有机硅聚合物有机硅聚合物转化成转化成聚碳硅烷聚碳硅烷纺丝，然后纺丝，然后烧结制备烧结制备SiC纤维。后由日本炭素公司生产的这种纤维。后由日本炭素公司生产的这种SiC纤维称为纤维称为Nicolon（尼可纶），也称为纺丝（尼可纶），也称为纺丝SiC纤维。因不含芯材，其密度仅为纤维。因不含芯材，其密度仅为2.55 g/cm3，抗拉强度为抗拉强度为2.53.0GPa，模量为，模量为250GPa，其单丝直径为，其单丝直径为1015 m，柔，柔软性好，可以编织软性好，可以编织。3、碳化硅、碳化硅(SiC)纤维（纤维（Silicon carbide fiber,SiCf）(1)、SiC纤维的制备纤维的制备331)、CVD(化学气相沉积化学气相沉积)法法 W芯芯34沉积室沉积室(SiC)通通H2+Ar+CH3SiCl3 的混合的混合气气;涂层室涂层室通入通入Ar+C2H2的混合气的混合气 沉积室沉积室 涂层室涂层室H2+Ar+CH3SiCl3Ar+C2H2CH3SiCl3(g)+H2(g)SiC(s)+HCl(g)先驱体转化法（先驱体转化法（Nicalon纤维）：纤维）：Nicalon纤维制备中的关键环节：纤维制备中的关键环节：v聚碳硅烷的合成聚碳硅烷的合成v熔融纺丝熔融纺丝v不熔化处理不熔化处理v高温烧成高温烧成35(2)、SiC纤维的性能纤维的性能v高强度、高模量、低密度高强度、高模量、低密度v高抗热性，在氧化气氛中也可使用，高抗热性，在氧化气氛中也可使用，1000 以下使用力学性能基本不变以下使用力学性能基本不变v优越的耐腐蚀性能，优越的耐腐蚀性能，1000 以下几乎与金属不发生反应以下几乎与金属不发生反应v与金属的相容性好，浸润性良好与金属的相容性好，浸润性良好v具有半导体特性，高温下电导率可以被控制。具有半导体特性，高温下电导率可以被控制。36(3)、SiC纤维的应用纤维的应用37uSiC纤维具有良好的纤维具有良好的耐高温耐高温、耐腐蚀、耐辐射性能，、耐腐蚀、耐辐射性能，编织成织物已用于高温度传送带、过滤材料，如汽车编织成织物已用于高温度传送带、过滤材料，如汽车的废气过滤器等。的废气过滤器等。uSiC长纤维长纤维PMC、MMC和和CMC常用的陶瓷增强纤维。常用的陶瓷增强纤维。lSiC纤维增强聚合物基复合材料可以吸收或透过雷达波，可以纤维增强聚合物基复合材料可以吸收或透过雷达波，可以用作用作雷达天线罩雷达天线罩，导弹等隐身结构材料。，导弹等隐身结构材料。lSiC纤维增强复合材料已应用于喷气发动机涡轮叶片、飞机螺纤维增强复合材料已应用于喷气发动机涡轮叶片、飞机螺旋桨等受力部件的主动轴等。旋桨等受力部件的主动轴等。Al2O3纤维类型与其制备工艺有关。按结构分，主要有三类：纤维类型与其制备工艺有关。按结构分，主要有三类：v单晶型（单晶型（Tyco法），如早期使用的法），如早期使用的-Al2O3单晶蓝宝石纤单晶蓝宝石纤维，价格非常昂贵。维，价格非常昂贵。v多晶型，多晶型，Dupont生产的生产的FP纤维，属纤维，属 -Al2O3多晶纤维。多晶纤维。v混合型，有美国混合型，有美国ICI公司公司Saffil短纤维，含短纤维，含 -Al2O3/SiO2；美国美国3M公司的公司的Nextel系列纤维，含系列纤维，含Al2O3/SiO2/B2O3；日；日本住友公司的本住友公司的Sumica纤维，含纤维，含Al2O3/SiO2。4、Al2O3纤维（纤维（Alumina fiber）(1)、Al2O3纤维的类型及特点纤维的类型及特点38(2)、FP-Al2O3纤维纤维vFP-Al2O3纤维由纤维由Dupont公司在上世纪公司在上世纪80年代初研制开发年代初研制开发的连续长含的连续长含99 以上以上-Al2O3多晶纤维束，单丝直径为多晶纤维束，单丝直径为20 m，一束，一束FP纤维约含有纤维约含有210根单丝。根单丝。vFP纤维的制备方法独特，是采用浆体纺丝烧结成纤维的制备方法独特，是采用浆体纺丝烧结成FP纤维。纤维。至今，其他国家还没有开发出能含至今，其他国家还没有开发出能含99以上以上-Al2O3纤维。纤维。vFP-Al2O3纤维主要用于金属基复合材料，如纤维主要用于金属基复合材料，如Al、Mg基复基复合材料。也可用于聚合物基复合材料，如环氧（合材料。也可用于聚合物基复合材料，如环氧（EP）树）树脂或聚酰亚胺（脂或聚酰亚胺（PI）树脂基复合材料。还可用于玻璃和陶）树脂基复合材料。还可用于玻璃和陶瓷基复合材料。瓷基复合材料。39FP-Al2O3纤维的制备工艺：纤维的制备工艺：主要分为三个步骤：主要分为三个步骤：1.1.纺丝浆料的准备：纺丝浆料的准备：通过三种原料配比的控制，得到通过三种原料配比的控制，得到泥浆混合液，然后除水来控制浆料的泥浆混合液，然后除水来控制浆料的粘度，以保证浆料的可纺性。粘度，以保证浆料的可纺性。2.2.纺丝：采用干法纺丝纺丝：采用干法纺丝3.3.纤维的烧成：纤维的烧成：烧结过程分为两部分，首先为烧结过程分为两部分，首先为低低温温焙烧，以控制纤维的焙烧，以控制纤维的收缩量收缩量。然后。然后经经高温高温火焰焙烧，以获得火焰焙烧，以获得高致密性高致密性的的FPFP纤维。纺丝添加物在烧结过程中完纤维。纺丝添加物在烧结过程中完全去除，以保证获得基本纯净的全去除，以保证获得基本纯净的-Al2O3多晶纤维。多晶纤维。40FP-Al2O3纤维的表面处理：纤维的表面处理：为了提高为了提高FP-Al2O3纤维的强度，以及与金属基体的润纤维的强度，以及与金属基体的润湿性，往往在纤维的表面上涂覆一层厚度仅湿性，往往在纤维的表面上涂覆一层厚度仅0.5m 的的SiO2涂层。这样就获得了涂层。这样就获得了SiO2涂覆的涂覆的FP-Al2O3纤维。经纤维。经SiO2涂涂覆的覆的FP-Al2O3纤维要比未涂覆的强度提高了约纤维要比未涂覆的强度提高了约50。41混合型混合型Al2O3纤维及其性能：纤维及其性能：vSaffil短纤维短纤维：美国：美国ICI公司采用公司采用纺丝法纺丝法经高温烧结的经高温烧结的短纤维短纤维。主要组成含主要组成含9697-Al2O334SiO2，密度，密度3.33.5 g/cm3，直径，直径3 m，长，长1300mm。是。是短纤维增强金属基复合材料短纤维增强金属基复合材料的主要增强材料。的主要增强材料。vNextel系列纤维系列纤维：由美国：由美国3M公司制备的含公司制备的含62-Al2O324SiO214B2O3,密度密度3.1 3.25 g/cm3，直径，直径1017 m m。vSumica纤纤维维，由日本住友公司采用有机铝化物或有机铝化物，由日本住友公司采用有机铝化物或有机铝化物与一种或多种含硅化合物的混合物，经纺丝烧结成的混合纤维，与一种或多种含硅化合物的混合物，经纺丝烧结成的混合纤维，含有含有85-Al2O315SiO2,密度密度2.73.g/cm3，直径，直径约约1012 m。42(3)Al2O3主要性能主要性能43 优异的机械强度和耐热性能，直到优异的机械强度和耐热性能，直到1370其强度仍下其强度仍下降不大。降不大。强度：强度：13002500MPa；模量：模量：150460GPa；密度：密度：2.74.2g/cm3。应用：多用于高温结构材料，特别是航空、宇航空间应用：多用于高温结构材料，特别是航空、宇航空间技术方面，也可用作高温绝缘滤波器材料。技术方面，也可用作高温绝缘滤波器材料。FP-Al2O3纤维与其它纤维（纤维与其它纤维（B、SiC）高温性能的比较：）高温性能的比较：44FP纤维纤维SiC纤维纤维被被SiC纤维覆盖的硼纤维覆盖的硼硼纤维硼纤维5、玻璃纤维（、玻璃纤维（glass fiber,GF）v19世纪末由美国康宁（世纪末由美国康宁（Corning Corp.)公司研发成功的；公司研发成功的；v直至直至20世纪世纪40年代开发出年代开发出“玻璃钢玻璃钢”（玻璃纤维增强塑料，（玻璃纤维增强塑料，GFRP）后才得到大量使用。）后才得到大量使用。（1）玻璃纤维和玻璃钢的出现）玻璃纤维和玻璃钢的出现无捻玻璃纤维无捻玻璃纤维45是复合材料中应用是复合材料中应用最早最早和和最为广泛最为广泛的的无机无机纤维；纤维；（2）玻璃纤维的成分和分类）玻璃纤维的成分和分类什么是玻璃纤维？什么是玻璃纤维？玻璃纤维是以石英砂、石灰石、白云石、石蜡等并配以纯碱、硼酸等为玻璃纤维是以石英砂、石灰石、白云石、石蜡等并配以纯碱、硼酸等为原料，经熔融后通过细的喷丝孔拉制成的无机连续纤维。原料，经熔融后通过细的喷丝孔拉制成的无机连续纤维。主要成分是主要成分是SiO2、B2O3及及金属氧化物金属氧化物（CaO,Al2O3），但原料的组成对玻璃纤维的性能有较大但原料的组成对玻璃纤维的性能有较大的影响。的影响。分类：分类：v按按单丝直径单丝直径可分为粗纤维可分为粗纤维(d30 m)、初级纤维、初级纤维(d20 m)、中级纤维、中级纤维(d10-20 m)、高级纤维、高级纤维(d3-10 m)、超细纤维、超细纤维(d14%14%，强度低、耐湿热，强度低、耐湿热性差；性差；l特种特种GFGF：高强高强GFGF（S S玻纤）玻纤）由纯镁铝硅三元组成，抗拉强度由纯镁铝硅三元组成，抗拉强度2800MPa2800MPa；高模量高模量GFGF（MM玻纤）玻纤）在低铝的钙镁硅酸盐系统中加在低铝的钙镁硅酸盐系统中加入铬、钽、铌等氧化物，其入铬、钽、铌等氧化物，其E=120GPaE=120GPa。（3）玻璃纤维的制造工艺）玻璃纤维的制造工艺v 玻璃球法（坩埚拉丝法）玻璃球法（坩埚拉丝法）：先将玻璃原料（砂、石灰石、硼酸先将玻璃原料（砂、石灰石、硼酸等）混匀后，装入熔炼炉，在等）混匀后，装入熔炼炉，在1260左右熔融，流入造球机制成左右熔融，流入造球机制成玻璃球玻璃球；然后将合格的玻璃球再放入然后将合格的玻璃球再放入坩埚坩埚中熔中熔化拉丝制成玻璃纤维。化拉丝制成玻璃纤维。v 直接熔融法（池窑拉丝法）：直接熔融法（池窑拉丝法）：直接将熔炼炉中熔化的玻璃直接流直接将熔炼炉中熔化的玻璃直接流入拉丝筛网中拉丝。入拉丝筛网中拉丝。48（4）玻璃纤维的特性和应用）玻璃纤维的特性和应用v典型力学性能：典型力学性能：抗拉强度：抗拉强度：1.54.0 GPa（为高强度钢的（为高强度钢的23倍）倍）弹性模量：弹性模量：70110 GPa（与铝和钛合金模量相当）（与铝和钛合金模量相当）比强度：比强度：12.518.4106 cm（为高强度钢的（为高强度钢的610倍）倍）比模量：比模量：2.84.0107 cm（略高于高强度钢）（略高于高强度钢）但不耐磨、脆而易折。但不耐磨、脆而易折。v热性能：导热率小，隔热性好热性能：导热率小，隔热性好优良的优良的绝热材料绝热材料；耐热，软化点为；耐热，软化点为550580；热膨胀系数；热膨胀系数4.810-6/K；不会引起燃烧；不会引起燃烧；v耐腐、化学稳定性好；耐腐、化学稳定性好；v电绝缘性能好；电绝缘性能好；v透光性好，制作透明的玻璃钢。透光性好，制作透明的玻璃钢。v成本低、应用广泛。成本低、应用广泛。v可加工成纱、布、带、毡等形状；可作为聚合物基等复合材料的增强材料。可加工成纱、布、带、毡等形状；可作为聚合物基等复合材料的增强材料。49vSi(CN)纤维纤维：含：含55Si、22N、15C和和8O，密度，密度2.4 g/cm3，强度强度1800MPa，模量，模量220GPa，最高使用温度，最高使用温度1400。vSi3N4纤维纤维：强度：强度24502480MPa，模量，模量200250GPa，最高使用温，最高使用温度度1200。vB4C纤维纤维：密度：密度2.7 g/cm3，强度，强度2400MPa，模量，模量400GPa。在文献中出现很少，应用更少。在文献中出现很少，应用更少。6、其它陶瓷纤维（、其它陶瓷纤维（Ceramic fiber）在新型增强材料的研究与开发过程中，实际上科研人员还研在新型增强材料的研究与开发过程中，实际上科研人员还研究和开发了许多无机陶瓷纤维，例如：究和开发了许多无机陶瓷纤维，例如：507、芳纶纤维（芳香族聚酰胺纤维，、芳纶纤维（芳香族聚酰胺纤维，Aromatic Polyamide fiber,Kevlar,KF）芳纶纤维是芳香族聚酰胺类纤维的通称，国外商品牌芳纶纤维是芳香族聚酰胺类纤维的通称，国外商品牌号为号为Kevlar（凯芙拉），我国命名为芳纶纤维。（凯芙拉），我国命名为芳纶纤维。芳纶纤维是一种新型高科技合成纤维，具有超高强度、高芳纶纤维是一种新型高科技合成纤维，具有超高强度、高模量、耐高温、耐酸碱、质量轻等优良性能。是重要的国模量、耐高温、耐酸碱、质量轻等优良性能。是重要的国防军工材料，可用于防弹衣、头盔使用，也可作为航空航防军工材料，可用于防弹衣、头盔使用，也可作为航空航天、机电、建筑、汽车、体育用品等使用。天、机电、建筑、汽车、体育用品等使用。5152（2）芳纶纤维的性能特点）芳纶纤维的性能特点力学性能：力学性能：v高强度高强度单丝单丝抗拉强度高达抗拉强度高达3.7GPa,254mm长的纤维束拉长的纤维束拉伸强度为伸强度为2.7GPa，大约为铝的，大约为铝的5倍。倍。v高模量高模量弹性模量为弹性模量为127158GPav低密度低密度仅为仅为1.44 g/cm3，几乎只有铝的一半；比强度高。，几乎只有铝的一半；比强度高。v抗冲击性能好抗冲击性能好大约为石墨纤维的大约为石墨纤维的6倍，硼纤维的倍，硼纤维的3倍。与倍。与碳纤维混杂，能大大提高纤维复合材料的抗冲击性。碳纤维混杂，能大大提高纤维复合材料的抗冲击性。KevlarKevlar纤维是属于一种液态结晶棒状高分子纤维是属于一种液态结晶棒状高分子,具有非常好的具有非常好的热稳定性热稳定性、耐火性耐火性、抗化学性抗化学性、绝缘性绝缘性、高强度高强度及及高模量高模量。53（2）芳纶纤维的性能特点）芳纶纤维的性能特点热稳定性热稳定性v良好的热稳定性良好的热稳定性耐火而不熔耐火而不熔，在在487487不熔化不熔化也不分解，但开始发生也不分解，但开始发生碳化碳化。高温作用下高温作用下不易变形不易变形，直至分解，具有良好的，直至分解，具有良好的尺寸稳定性尺寸稳定性。能长期在能长期在150150下使用，强度几乎不变；在下使用，强度几乎不变；在200200下一周后强度降低下一周后强度降低15%15%，模量降低，模量降低4%4%。在在6060低温低温下下不变脆不变脆也也不降解不降解；热膨胀系数各向异性，热膨胀系数各向异性，300300以下纵向为负值；横向正值。以下纵向为负值；横向正值。v化学稳定性化学稳定性抵抗中性化学药品的腐蚀性，但不抵抗中性化学药品的腐蚀性，但不耐强酸、强碱。耐强酸、强碱。v缺点：耐光性差，抗压强度低缺点：耐光性差，抗压强度低（拉伸强度的拉伸强度的1/5），），吸湿性强。吸湿性强。54（3）芳纶纤维的结构）芳纶纤维的结构55对苯二甲酰与对苯二胺的聚合体对苯二甲酰与对苯二胺的聚合体大分子链由大分子链由苯环苯环和和酰胺基酰胺基组成，沿纤维轴向方向骨架原子由组成，沿纤维轴向方向骨架原子由强的共价强的共价键结合键结合，横向由，横向由弱的氢键连结弱的氢键连结，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的原因，的原因，即纤维的即纤维的纵向强度高纵向强度高，而，而横向强度低横向强度低。轴向分子链轴向分子链刚度高刚度高，呈，呈伸展的线性结构伸展的线性结构，使纤维具有，使纤维具有较高的填充能力较高的填充能力，单位体积内容纳很多聚合物，纤维具有单位体积内容纳很多聚合物，纤维具有高的强度高的强度。（5）芳纶纤维的应用）芳纶纤维的应用56（5）芳纶纤维的应用）芳纶纤维的应用571)1)航空航天方面航空航天方面芳纶纤维增强塑料（芳纶纤维增强塑料（KFRPKFRP）在航空）在航空航天的应用仅次于航天的应用仅次于碳纤维碳纤维。用于火。用于火箭发动机壳体、压力容器、各种整箭发动机壳体、压力容器、各种整流罩、舱门、行李架、座椅等，采流罩、舱门、行李架、座椅等，采用用KFRPKFRP比比CFRPCFRP减重减重30%30%。（5）芳纶纤维的应用）芳纶纤维的应用582)2)防弹制品防弹制品（5）芳纶纤维的应用）芳纶纤维的应用593)3)交通运输方面交通运输方面游艇、赛艇、汽车构件、高速游艇、赛艇、汽车构件、高速轮胎（轮胎（43%用用于轮胎的帘子线，于轮胎的帘子线，承载高、质量轻、滚动阻力小）承载高、质量轻、滚动阻力小）等等（5）芳纶纤维的应用）芳纶纤维的应用604)4)建筑材料方面的应用建筑材料方面的应用作为加强筋增强混凝土，强度高，质量轻，寿命长作为加强筋增强混凝土，强度高，质量轻，寿命长5)5)绳索、线缆方面的应用绳索、线缆方面的应用（5）芳纶纤维的应用）芳纶纤维的应用616)6)其它的应用其它的应用芳纶纤维布芳纶纤维布阻燃赛车服阻燃赛车服芳纶纤维手套芳纶纤维手套阻燃消防服阻燃消防服 在金属基复合材料中，也使用部分金属纤维，如在金属基复合材料中，也使用部分金属纤维，如W丝、丝、Mo丝、不锈钢丝、不锈钢丝等。但总体而言，这些金属纤维的丝等。但总体而言，这些金属纤维的密度大密度大，比强度、比模量不占优势比强度、比模量不占优势，除，除高温合金基复合材料外，应用较少。高温合金基复合材料外，应用较少。8、金属纤维（、金属纤维（Metallic fiber）金属纤维的制造工艺：金属纤维的制造工艺：62v颗粒增强材料是用以颗粒增强材料是用以改善基体材料性能改善基体材料性能的的颗粒状颗粒状材料。材料。v分为分为延性颗粒延性颗粒、刚性颗粒刚性颗粒和和相变增韧颗粒相变增韧颗粒增强体三种。增强体三种。v延性颗粒延性颗粒增强体主要是一些高熔点的增强体主要是一些高熔点的金属颗粒金属颗粒，如，如Ni、Co、W等，通过等，通过在