增強(qiáng)體復(fù)合材料原理

增強(qiáng)體概述1.定義：復(fù)合材料中凡能提高基體材料力學(xué)性能的組分稱增強(qiáng)體2.增強(qiáng)體的一般要求：1）提高基體的一種或多種性能:如：比強(qiáng)度、比模量、熱導(dǎo)率、耐熱性等2）良好的化學(xué)穩(wěn)定性：使用中組織、結(jié)構(gòu)、性能不明顯變化或退化、不與基體發(fā)生嚴(yán)重的界面化學(xué)反應(yīng)3）與基體良好的界面潤濕性：保證增強(qiáng)體在基體中分布與基體良好復(fù)合4）環(huán)境相容性好等特點(diǎn)5）成本低、工藝性能好3.增強(qiáng)體分類：

1）按幾何形狀分：零維（顆粒、微珠（空心、實(shí)心））一維（纖維、晶須）二維（片狀）晶板(寬厚比>5)

三維（編織）

2）習(xí)慣上分：纖維：細(xì)長狀，直徑4~140μm，多晶體晶須：呈棒狀，直徑0.2~1μm，長幾十微米，單晶體、缺陷少顆粒：顆粒狀，直徑3.5~10μm，陶瓷、石墨等無機(jī)非金屬顆粒及金屬顆粒等單元內(nèi)容一纖維晶須二顆粒三增強(qiáng)體知識點(diǎn)1-纖維（玻璃纖維）纖維概述主要內(nèi)容一二玻璃纖維纖維有機(jī)纖維無機(jī)纖維玻璃纖維硼纖維碳纖維碳化硅纖維氧化鋁纖維芳香族聚酰胺纖維芳香族聚酯纖維超高相對分子量聚乙烯纖維3.形成纖維的材料元素：一般為周期表右上角的部分元素：Be、C、B、Al、Si及其與N和O的化合物1.定義：

纖維是指一維尺寸很長，另兩維尺寸很小的組分材料2.分類：

跟據(jù)纖維成分可分為無機(jī)纖維和有機(jī)纖維一、纖維概述圖1纖維狀和塊狀材料的平均強(qiáng)度和離散系數(shù)二、玻璃纖維1.成分：非晶型無機(jī)纖維，主要成分為二氧化硅與金屬Ca、Na、Al、Fe等和非金屬B等的氧化物，屬于無定型離子結(jié)構(gòu)物質(zhì)。SiO2：形成骨架，具有高的熔點(diǎn)；BeO：提高模量，但毒性大；B2O3：提高耐酸性，改善電性能、降低熔點(diǎn)、粘度，降低模量和強(qiáng)度。氧化物：降低熔點(diǎn)；改善制備工藝。2．結(jié)構(gòu)：圖2玻璃的無定型結(jié)構(gòu)（a）玻璃的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)二維圖像（b）當(dāng)Na2O加入（a）中網(wǎng)絡(luò)的變化3.性能1）力學(xué)性能：（1）應(yīng)力與應(yīng)變曲線為直線，無屈服、無塑性、呈脆性特征。（2）拉伸強(qiáng)度高，1750MPa；模量較低E＝70GPa；密度2.55；熱脹系數(shù)4.7×10-6K-1；強(qiáng)度隨著纖維直徑的減小而增強(qiáng)、隨濕度的增加而減?。粡?qiáng)度的分散性較大。2）熱性能（1）導(dǎo)熱性：成纖維前熱導(dǎo)率：2508J/m.℃，成纖維后熱導(dǎo)率：125.4J/m.℃。（2）耐熱性：較高，軟化點(diǎn)為550～580℃，膨脹系數(shù)為4.8×10-6℃-1。玻璃纖維熱處理（升溫再降溫的過程）使微裂紋增加，強(qiáng)度降低。3）電性能（1）電絕緣性能優(yōu)。體積電阻率1011～1018Ω.cm。注意：（1）在玻纖中加入大量的氧化鐵、氧化鉛、氧化銅、氧化鉍等使其具有半導(dǎo)體性能；（2）在纖維表面涂覆石墨或金屬，成為導(dǎo)電纖維。（3）高頻介電性能好。介電常數(shù)較小，介電損耗低。4）耐介質(zhì)性能玻璃：具有良好的耐酸（HF除外）、堿、有機(jī)溶劑的能力；玻璃纖維：由于表面增加，耐蝕能力比塊體玻璃差。注意：玻璃纖維在水中浸泡時，強(qiáng)度會降低；干燥后，可部分恢復(fù)。玻璃纖維與水的物理作用使強(qiáng)度損失，干燥后強(qiáng)度恢復(fù)(可逆)；但玻璃纖維與水發(fā)生化學(xué)作用時強(qiáng)度損失(不可逆)。1）以成分（不同含堿量）可分為：無堿（E玻璃）：堿金屬氧化物含量<0.5%（國外<1%）.高強(qiáng)、耐熱、電性能優(yōu)（電氣玻璃），耐酸性差。中堿：堿金屬氧化物含量：11.5%~12.5%（國外無），耐酸性強(qiáng)、強(qiáng)度低于E玻璃有堿（A玻璃）：堿金屬氧化物含量高、強(qiáng)度低。對潮氣侵蝕極為敏感。特種:Al-Mg-Si，高強(qiáng)、高彈玻璃纖維

Si-Al-Mg-Ca，耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕高硅氧玻璃纖維;石英玻璃纖維，含鉛纖維。4.分類玻璃纖維E-玻璃纖維介電性能優(yōu)異耐化學(xué)、耐腐蝕耐環(huán)境性能好C-玻璃纖維耐化學(xué)性優(yōu)異力學(xué)性能低于E-纖維10%電氣性能較差S-玻璃纖維拉伸強(qiáng)度較E-玻纖提高35%壓縮強(qiáng)度提高25%模量提高20%D-玻璃纖維抗堿性優(yōu)異拉伸強(qiáng)度較水泥砂漿高2-3倍應(yīng)用廣成本低主用于次承力件圖3四種玻璃纖維性能比較2）以單絲直徑可分為：粗纖維：30μm初級纖維：20μm中級纖維：10-20μm高級纖維：3-10μm（紡織纖維）超細(xì)纖維：<4μm3）從外觀則可分為：連續(xù)纖維短切纖維空心玻璃纖維玻璃粉磨細(xì)纖維等4）以纖維特性可分為：高強(qiáng)、高模、耐堿，耐酸、耐高溫及普通玻璃纖維等5．制備：方法有十幾種，但主要是兩種：坩鍋法和池窯法1）坩鍋法其工藝流程為：玻璃球→坩鍋→單纖維→集束器→拉絲機(jī)→纖維絲。↑↑變壓器

浸潤劑↑控溫儀注意：1）坩鍋底部漏板上有數(shù)百個小孔（噴絲孔），玻璃纖維在重力作用下流出，經(jīng)集束器、拉絲器收集至轉(zhuǎn)筒。2）牽拉速度為600～1200m/min，最高達(dá)3500～4800m/min。3）坩鍋一般為鉑銠坩鍋，也可采用剛玉坩鍋。

圖4坩鍋法示意圖2）池窯法工藝流程為：配合料→熔窯→通路→漏板→單纖維→單絲上漿器→集束器→拉絲機(jī)→原絲筒。↑控溫儀→變壓器坩鍋法相比池窯法少了玻璃球的制備過程及二次融化過程，故可節(jié)能50％左右。

圖5池窯法示意圖纖維上漿：即涂浸潤劑（石蠟、聚酯酸乙烯酯等兩種含乳化聚合物）。浸潤劑作用：除了防止纖維間摩擦、劃傷外，還具有以下作用：（1）黏結(jié)作用，使單絲集束成原紗或絲束；（2）防止纖維表面聚集靜電荷；（3）為纖維進(jìn)一步加工提供所需的性能；（4）表面改性便于與基體結(jié)合。

5．玻