1、1,第四章 復合材料的增強材料 在復合材料中，粘結在基體內以改進其機械性能的高強度材料稱為增強材料。 增強材料有時也稱作增強體、增強劑等。,2,增強材料共分為三類： 纖維及其織物 晶須 顆粒,3,一、纖維 如，植物纖維棉花、麻類； 動物纖維絲、毛； 礦物纖維石棉。 天然纖維 強度較低， 現(xiàn)代復合材料的增強材料 用合成纖維。,4,纖維在復合材料中起增強作用，是主要承力組分。 纖維不僅能使材料顯示出較高的抗張強度和剛度，而且能減少收縮，提高熱變形溫度和低溫沖擊強度等。,5,復合材料的性能在很大程度上取決于纖維的性能、含量及使用狀態(tài)。 如聚苯乙烯塑料，加入玻璃纖維后，拉伸強度可從600 MPa提高到

2、1000 MPa，彈性模量可從3000 MPa提高到8000 MPa，其熱變形溫度可從85提高到105 ，使-40 以下的沖擊強度可提高10倍。,6,纖維可分為有機纖維和無機纖維,7,（一） 有機纖維 芳綸纖維 聚乙烯纖維 尼龍纖維,8,、芳綸纖維 芳綸纖維是指日前巳工業(yè)化生產(chǎn)并廣泛應用的聚芳酰胺纖維。 國外商品牌號叫凱芙拉(Kevlar)纖維，我國暫命名為芳綸纖維，有時也稱有機纖維。,9,芳綸纖維的歷史很短，發(fā)展很快。 1968午美國杜邦公司開始研制。 1972年以B纖維為名發(fā)表了專利并提供產(chǎn)品。1972年又研制了以PRD-49命名的纖維。 1973年正式登記的商品名稱為ARAMID纖維。,

3、10,ARAMID纖維包括三種牌號的產(chǎn)品，并重改名稱。 PRD-49-IV改稱為芳綸-29； PRD-49-III改稱為芳綸-49； B纖維改稱為芳綸。,11,芳綸、芳綸-29、芳綸-49這三種牌號纖維的用途各不相同。 芳綸主要用于橡膠增強，制造輪胎、三角皮帶、同步帶等； 芳綸-29主要用于繩索、電纜、涂漆織物、帶和帶狀物，以及防彈背心等。 芳綸-49用于航空、宇航、造船工業(yè)的復合材料制件。,12,自1972年芳綸纖維作為商品出售以來，產(chǎn)量逐年增加。 其原因是由于該纖維具有獨特的功能，使之廣泛應用到軍工和國民經(jīng)濟各個部門。,13,(1) 芳綸纖維的性能特點 A 、芳綸纖維的力學性能； 、 芳綸

4、纖維的熱穩(wěn)定性； 、芳綸纖維的化學性能。,14,A 、芳綸纖維的力學性能 芳綸纖維的特點是拉伸強度高。單絲強度可達3773 MPa；254mm長的纖維束的拉伸強度為2744 MPa，大約為鋁的5倍。 芳綸纖維的沖擊性能好，大約為石墨纖維的6倍，為硼纖維的3倍，為玻璃纖維0.8倍。,15,芳綸纖維的彈性模量高，可達1.27 1.577 MPa，比玻璃纖維高一倍，為碳纖維0.8倍。 芳綸纖維的斷裂伸長在3左右，接近玻璃纖維，高于其他纖維。,16,芳綸纖維與碳纖維混雜將能大大提高纖維復合材料的沖擊性能。 芳綸纖維的密度小，比重為1.44 1.45，只有鋁的一半。因此，它有高的比強度與比模量。,17,

5、下表為芳綸纖維的基本性能,18,、 芳綸纖維的熱穩(wěn)定性 芳綸纖維有良好的熱穩(wěn)定性，耐火而不熔，當溫度達487 時尚不熔化，但開始碳化。,19,因此，芳綸纖維在高溫作用下，不發(fā)生變形，直至分解。 如，能長期在180下使用；在150下作用一周后強度、模量不會下降；即使在200下，一周后強度降低15，模量降低4； 另外，在低溫(-60)不發(fā)生脆化亦不降解。,20,和碳纖維一樣，芳綸纖維的熱膨脹系數(shù)具有各向異性的特點。 如，芳綸纖維的縱向熱膨脹系數(shù)在0 100時為-2 10 -6 / ；在100 200時為-4 10 6 /。橫向熱膨脹系數(shù)為59 10 -6 /,21,、芳綸纖維的化學性能 芳綸纖維具

6、有良好的耐介質性能，對中性化學藥品的抵抗力一般是很強的，但易受各種酸堿的侵蝕，尤其是強酸的侵蝕；,22,芳綸纖維的耐水性也不好，這是由于在分子結構中存在著極性酰氨基； 濕度對纖維的影響，類似于尼龍或聚酯。在低濕度(20相對濕度)下芳綸纖維的吸濕率為1，但在高濕度(85相對濕度)下，可達到7。,23,（） 芳綸纖維的結構 芳綸纖維是對苯二甲酰與對苯二胺的聚合體，經(jīng)溶解轉為液晶紡絲而成。它的化學結構式如下：,24,從上述化學結構可知，芳綸纖維材料的基體結構是長鏈狀聚酰胺，即結構中含有酰氨鍵，其中至少85的酰氨直接鍵合在芳香環(huán)上.,25,鍵合在芳香環(huán)上剛硬的直線狀分子鍵在纖維軸向是高度定向的，各聚合

7、物鏈是由氫鍵作橫向連結。 這種在沿纖維方向的強共價鍵和橫向弱的氫鍵，是造成芳綸纖維力學性能各向異性的原因，即纖維的縱向強度高，而橫向強度低。,26,芳綸纖維的化學鏈主要由芳環(huán)組成。這種芳環(huán)結構具有高的剛性，并使聚合物鏈呈伸展狀態(tài)而不是折疊狀態(tài)，形成棒狀結構，因而纖維具有高的模量。,27,芳綸纖維分子鏈是線性結構，這又使纖維能有效地利用空間而具有高的填充效率的能力，在單位體積內可容納很多聚合物。這種高密度的聚合物具有較高的強度。,28,由于芳綸纖維具有規(guī)整的晶體結構，因此，它具有化學穩(wěn)定性、高溫尺寸穩(wěn)定性、不發(fā)生高溫分解以及在很高溫度下不致熱塑化等特點。,29,通過電鏡對纖維觀察表明，芳綸是一種

8、沿軸向排列的有規(guī)則的褶疊層結構。 這種褶疊層結構的模型，可以很好地解釋橫向強度低、壓縮和剪切性能差及容易劈裂的現(xiàn)象。,30,(3) 用 途 目前，芳綸纖維的總產(chǎn)量43用于輪胎的簾子線(芳綸-29)，31用于復合材料，17.5用于繩索類和防彈衣，8.5用于其他。,31,以樹脂作為基體，芳綸纖維作為增強相所形成的增強塑料，簡稱KFRP，它在航空航天方面的應用，僅次于碳纖維，成為必不可少的材料。,32,、聚乙烯纖維（Polyethylene, PE）,聚乙烯纖維作為目前國際上最新的一種有機纖維，它具有以下四個特點： 超輕、高比強度、高比模量、成本較低。,33,通常情況下，聚乙烯纖維的分子量大于106

9、，纖維的拉伸強度為3.5 GPa，彈性模量為116 GPa，延伸率為3.4%，密度為0.97 g / cm 3?？捎糜谥谱鑫淦餮b甲、防彈背心、航天航空部件等。,34,相比于其它各種纖維材料，聚乙烯纖維具有許多種優(yōu)點。 如：高比強度、高比模量以及耐沖擊、耐磨、自潤滑、耐腐蝕、耐紫外線、耐低溫、電絕緣等。,35,聚乙烯纖維的不足之處： (1)熔點較低（約135） (2)高溫容易蠕變。 因此僅能在100以下使用。,36,（二） 無機纖維 1、玻璃纖維 2、 特種玻璃 纖維 3、 碳纖維 4 、 硼纖維 5 、氧化鋁纖維 6、碳化硅纖維 7 、氮化硼纖維 8、其他纖維,37,、玻璃纖維（Glass F

10、ibre, GF或Gt） 1.1 玻璃纖維及其制品； 1.2 玻璃纖維的結構及化學組成； 1.3 玻璃纖維的物理性能； 1.4 玻璃纖維的化學性能。,38,1.1 玻璃纖維及其制品 概 述 隨著玻璃鋼工業(yè)的發(fā)展，玻璃纖維工業(yè)也得到迅速發(fā)展。 國外玻璃纖維的主要特點如下：,39,、普遍采用池窯拉絲新技術； 、大力發(fā)展多排多孔拉絲工藝； 、用于玻璃鋼的纖維直徑逐漸向粗的方向發(fā)展，纖維直徑為14-24um，甚至達27um； 、大量生產(chǎn)無堿纖維；,40,、大力發(fā)展無紡織玻璃纖維織物，無捻粗紗和短切纖維氈片所占比例增加； 、重視纖維-樹脂界面的研究，偶聯(lián)劑的品種不斷增加，玻璃纖維的前處理受到普遍重視。,

11、41,我國玻璃纖維工業(yè)誕生于1950年，當時只能生產(chǎn)絕緣材料用的初級纖維。 1958年以后，玻璃纖維工業(yè)得到迅速發(fā)展?，F(xiàn)在全國有大、小玻璃纖維廠家200多個，玻璃纖維年產(chǎn)量為5萬噸，其中無堿纖維占20，中堿纖維占80，纖維直徑多數(shù)為6-8um，正向粗纖維方向發(fā)展。,42,池窯拉絲工藝正在推廣，重視纖維-樹脂界面的研究，新型偶聯(lián)劑不斷出現(xiàn)，許多玻璃纖維廠使用前處理工藝，玻璃纖維工業(yè)的不斷發(fā)展促進了我國復合材料及尖端科學技術的發(fā)展。,43,玻璃纖維的分類 玻璃纖維的分類方法很多。通常從玻璃原料成分、單絲直徑、纖維外觀及纖維特性等方面進行分類。,44,1以玻璃原料成分分類 這種分類方法主要用于連續(xù)玻

12、璃纖維的分類。一般以不同的含堿量來區(qū)分： (1)無堿玻璃纖維 (2)中堿玻璃纖維 (3)有堿玻璃纖維 (4)特種玻璃纖維,45,(1)無堿玻璃纖維(通稱E玻纖)： 是以鈣鋁硼硅酸鹽組成的玻璃纖維，這種纖維強度較高，耐熱性和電性能優(yōu)良，能抗大氣侵蝕，化學穩(wěn)定性也好(但不耐酸)。,46,無堿玻璃纖維最大的特點是電性能好，因此也把它稱做電氣玻璃。 現(xiàn)在，國內外大多數(shù)都使用這種破璃纖維作為復合材料的原材料。 目前，國內規(guī)定其堿金屬氧化物含量不大于0.5，國外一般為1左右。,47,(2)中堿玻璃纖維 它是指堿金屬氧化物含量在11.5 12.5之間的玻璃纖維。 國外沒有這種玻璃纖維，它的主要特點是耐酸性好

13、，但強度不如E玻璃纖維高。它主要用于耐腐蝕領域中，價格較便宜。,48,(3)有堿玻璃(A玻璃)纖維 有堿玻璃稱A玻璃，類似于窗玻璃及玻璃瓶的鈉鈣玻璃。 此種玻璃由于含堿量高，強度低，對潮氣侵蝕極為敏感，因而很少作為增強材料。,49,(4)特種玻璃纖維 如由純鎂鋁硅三元組成的高強玻璃纖維，鎂鋁硅系高強高彈玻璃纖維，硅鋁鈣鎂系耐化學介質腐蝕玻璃纖維，含鉛纖維，高硅氧纖維，石英纖維等。,50,2以單絲直徑分類 玻璃纖維單絲呈圓柱形，以其直徑的不同可以分為以下幾種： 粗纖維：30 um；初級纖維：20 um; 中級纖維：10 20 um ； 高級纖維：3 10um (亦稱紡織纖維)。 對于單絲直徑小于

14、4 um的玻璃纖維稱為超細纖維。,51,單絲直徑不同，不僅使纖維的性能有差異，而且影響到纖維的生產(chǎn)工藝、產(chǎn)量和成本。 一般5 10 um的纖維作為紡織制品使用，10 14 um的纖維一般做無捻粗紗、無紡布、短切纖維氈等較為適宜。,52,3以纖維外觀分類 有連續(xù)纖維，其中有無捻粗紗及有捻粗紗(用于紡織)、短切纖維、空心玻璃纖維、玻璃粉及磨細纖維等。,53,4以纖維特性分類 根據(jù)纖維本身具有的性能可分為：高強玻璃纖維、高模量玻璃纖維、耐堿玻璃纖維、耐酸玻璃纖維、普通玻璃纖維(指無堿及中堿玻璃纖維)。,54,1.2 玻璃纖維的結構及化學組成 玻璃纖維的結構 玻璃纖維的拉伸強度比塊狀玻璃高許多倍，但經(jīng)

15、研究證明，玻璃纖維的結構與玻璃相同。 關于玻璃結構的假說到目前為止，比較能夠反映實際情況的是“微晶結構假說”和“網(wǎng)絡結構假說”。,55,微晶結構假說的要點 玻璃是由硅酸塊或二氧化硅的“微晶子”組成，在“微晶子”之間由硅酸塊過冷溶液所填充。,56,網(wǎng)絡結構假說的要點 玻璃是由二氧化硅的四面體、鋁氧三面體或硼氧三面體相互連成不規(guī)則三維網(wǎng)絡；網(wǎng)絡間的空隙由Na、K、Ca、Mg等陽離子所填充。 二氧化硅四面體的三維網(wǎng)狀結構是決定玻璃性能的基礎，填充的Na、Ca等陽離子稱為網(wǎng)絡改性物。,57,大量資料證明，玻璃結構是近似有序的。主要是因為在玻璃結構中存在一定數(shù)量和大小比較有規(guī)則排列的區(qū)域，這種規(guī)則性是由

16、一定數(shù)目的多面體遵循類似晶體結構的規(guī)則排列造成的。,58,但是，玻璃結構的這種有序區(qū)域不像晶體結構那樣有嚴格的周期性，微觀上是不均勻的，宏觀上卻又是均勻的，反映到玻璃的性能上是各向同性的。,59, 玻璃纖維的化學組成 玻璃纖維的化學組成主要是二氧化硅、三氧化二硼、氧化鈣、三氧化二鋁等。 玻璃纖維的化學組成對玻璃纖維的性質和生產(chǎn)工藝起決定性作用，以二氧化硅為主的稱為硅酸鹽破璃，以三氧化二硼為主的稱為硼酸鹽玻璃。,60,氫化鈉、氧化鉀等堿性氧化物為助熔氧化物，它可以降低玻璃的熔化溫度和粘度，使玻璃熔液中的氣泡容易排除。 助熔氧化物主要通過破壞玻璃骨架，使結構疏松，從而達到助熔的目的。 因此氧化鈉和

17、氫化鉀的含量越高，玻璃纖維的強度、電絕緣性能和化學穩(wěn)定性都會相應的降低。,61,加入氧化鈣、三氧化二鋁等，能在一定條件下構成玻璃網(wǎng)絡的一部分，改善玻璃的某些性質和工藝性能。 例如，用氧化鈣取代二氧化硅可降低拉絲溫度；加入三氧化二鋁可提高耐水性。,62,總之，玻璃纖維化學成分的制定，一方面要滿足玻璃纖維物理和化學性能的要求，具有良好的化學穩(wěn)定性；另一方面要滿足制造工藝的要求，如合適的成型溫度、硬化速度及粘度范圍。,63,1.3 玻璃纖維的物理性能 玻璃纖維具有一系列優(yōu)良性能，拉伸強度高，防火、防霉、防蛀、耐高溫和電絕緣性能好等。 玻璃纖維的缺點是具有脆性，不耐腐，對人的皮膚有刺激性等。,64,(

18、1)外觀和比重 一般天然或人造的有機纖維，其表面都有較深的皺紋； 而對于玻璃纖維來說，其表面呈光滑的圓柱，其橫斷面幾乎都是完整的圓形。,65,宏觀看來，由于表面光滑，纖維之間的抱合力非常小，不利于和樹脂粘結； 又由于呈圓柱狀，所以玻璃纖維彼此相靠近時，空隙填充的較為密實，這對于提高復合材料制品的玻璃含量是有利的。,66,玻璃纖維直徑從1.5 25 um，大多數(shù)為4 14 um。 玻璃纖維的密度為2.16 4.30 gcm3，其比重較有機纖維大很多，但比一般的金屬比重要低，與鋁相比幾乎一樣。所以在航空工業(yè)上用復合材料代替鋁鈦合金就成為可能。 此外，一般情況下，無堿玻璃纖維的比重大于有堿纖維。,6

19、7,(2)表面積大 由于玻璃纖維的表面積大，使得纖維表面處理的效果對性能的影響很大。,68,(3)玻璃纖維的力學性能 玻璃纖維的拉伸強度 玻璃纖維的最大特點是拉伸強度高。一般玻璃制品的拉伸強度只有40 100 MPa，而直徑3 9 um的玻璃纖維拉伸強度則高達1500 4000 MPa，較一般合成纖維高約10倍，比合金鋼還高2倍。,69,幾種纖維和全屬材料的強度如下表所示：,幾種纖維材料和金屬材料的強度,70,玻璃纖維高強的原因 對玻璃纖維高強的原因，許多學者提出了不同的假說，其中比較有說服力的是微裂紋假說。 微裂紋假說認為，玻璃的理論強度取決于分子或原子間的引力，其理論強度很高，可達到200

20、 l 200kgmm2。,71,但通常情況下，玻璃或玻璃纖維的實測強度很低。這是因為，在它們當中，存在著數(shù)量不等，尺小不同的微裂紋，從而大大降低了其強度。,72,微裂紋分布在破璃或玻璃纖維的整個體積內，但以表面的微裂紋危害最大。 出于微裂紋的存在，使玻璃在外力作用下受力不均，在危害最大的微裂紋處，產(chǎn)生應力集中，從而使強度下降。,73,玻璃纖維比玻璃的強度高很多，主要有兩方面的原因： 、玻璃纖維高溫成型時減少了玻璃溶液的不均一性，使微裂紋產(chǎn)生的機會減少。 、玻璃纖維的斷面較小，隨著表面積的減小，使微裂紋存在的幾率也減少，從而使纖維強度增高。,74,有人更明確地提出，直徑小的玻璃纖維強度比直徑粗的

21、纖維強度高的原因是由于表面微裂紋尺寸和數(shù)量較小，從而減少了應力集中，使纖維具有較高的強度。,75,影響玻璃纖維強度的因素 A、一般情況，玻璃纖維的拉伸強度隨直徑變細而拉伸強度增加，如下表所示：,76,玻璃纖維拉伸強度與直徑的關系,77,B、拉伸強度也與纖維的長度有關，隨著長度增加拉伸強度顯著下降。如下表所示：,78,纖維直徑和長度對拉伸強度的影響，可用“微裂紋理論”給予解釋： 隨著纖維直徑的減小和長度的縮短，纖維中微裂紋的數(shù)量和大小就會相應地減小，這樣強度就會相應地增加。,79,、化學組成對強度的影響 纖維的強度與玻璃化學成分關系密切。 對于同一系統(tǒng)(即基本組分)來說，部分改變氧化物的種類和數(shù)

22、量，纖維強度改變不大(2030)。 而改變系統(tǒng)(即改變它的基本組分)，強度會產(chǎn)生大幅度地變化。,80,一般來說，含堿量越高，纖維的強度越低。高強玻璃纖維強度明顯地高于無堿玻璃纖維，而有堿纖維強度更低。 研究表明，高強和無堿玻璃纖維由于成型溫度高、硬化速度快、結構鍵能大等原因，而具有很高的拉伸強度。,81,纖維的表面缺陷對強度影響巨大。如下表所示：,纖維強度與化學組成的關系,82,從上表可以看出，當各種纖維都有微裂紋時強度相近；只有當表面缺陷減小到一定程度時，纖維強度對其化學組成的依賴關系才會表現(xiàn)出來。,83,D、纖維老化的影響 當纖維存放一段時間后，會出現(xiàn)強度下降的現(xiàn)象，稱為纖維的老化。 纖維

23、的老化主要取決于纖維對大氣水分的化學穩(wěn)定性。,84,例如，直徑6 um的無堿玻璃纖維和含17的Na2O 有堿纖維，在空氣濕度為60 65的條件下存放，無堿玻璃纖維存放后強度基本不變，而有堿纖維強度不斷下降。 強度變化的原因，主要是由于二種纖維對大氣水分的化學穩(wěn)定性不同所致。,85,E、纖維的疲勞影響 玻璃纖維的疲勞一般是指纖維強度隨施加負荷時間的增加而降低的情況。 纖維疲勞現(xiàn)象是普遍的，當相對濕度為60 65 %時，玻璃纖維在長期張力作用下，都會有很大程度的疲勞。,86,纖維強度受施加負荷時間的影響，即纖維的疲勞是普通存在的。 例如，在施加60的斷裂負荷的作用力下，2 6晝夜，纖維會全部斷裂。

24、,87,玻璃纖維疲勞的原因，在于吸附作用的影響，即水分吸附并滲透到纖維微裂紋中，在外力的作用下，加速裂紋的擴展。 玻璃纖維疲勞的程度取決于微型紋擴展和范圍。這與應力、尺寸、濕度、介質種類等方面有關。,88,F、成型方法和成型條件強度的影響 玻璃纖維成型方法和成型條件對強度也有很大影響。 如玻璃硬化速度越快，拉制的纖維強度也越高。,89,玻璃纖維的彈性 A、玻璃纖維的延伸率 纖維的延伸率(又稱斷裂伸長率)是指纖維在外力作用下直至拉斷時的伸長百分率。 玻璃纖維的延伸率比其它有機纖維的延伸率低，一般為3左右。,90,B、玻璃纖維的彈性模量 玻璃纖維的彈性模量是指在彈性范圍內應力和應變關系的比例常數(shù)。

25、 玻璃纖維的彈性模量約為7 104 MPa，與鋁相當，只有普通鋼的三分之一，致使復合材料的剛度較低。,91,對玻璃纖維的彈性模量起主要作用的是其化學組成。 實踐證明，加入BeO、MgO能夠提高玻璃纖維的彈性模量。,92,含BeO的高彈玻璃纖維(M)，其彈性模量比無堿玻璃纖維(E)提高60。它取決于玻璃纖維結構的本身，與直徑大小、磨損程度等無關。 另外，不同直徑的玻璃纖維彈性模量相同，也證明了它們具有近似的分子結構。,93,(4)玻璃纖維的耐磨性與耐折性 玻璃纖維的耐磨性是指纖維抵抗磨擦的能力； 玻璃纖維的耐折性是指纖維抵抗折斷的能力。玻璃纖維這兩個性能都很差，經(jīng)過揉搓摩擦容易受傷或斷裂，這是玻

26、纖的嚴重缺點。,94,當纖維表面吸附水分后能加速微裂紋擴展，使纖維耐磨性和耐折性降低。 為了提高玻璃纖維的柔性以滿足紡織工藝的工求，可以采用適當?shù)谋砻嫣幚?，如?jīng)0.2陽離子活性劑水溶液處理后，玻璃纖維的耐磨性比未處理的高200倍。,95,纖維的柔性一般以斷裂前彎曲半徑的大小來表示；彎曲半徑越小，柔性越好。 如玻璃纖維直徑為9 um時，其彎曲半徑為0.094 mm；而超細纖維直徑為3.6 um時，其彎曲半徑為0.038 mm。,96,(5)玻璃纖維的熱性能 玻璃纖維的導熱性 導熱系數(shù)是指通過單位傳熱面積1m2，溫度梯度為1度/ m，時間為1小時所通過的熱量。,97,玻璃的導熱系數(shù)為0.6 1.1

27、千卡/米度時，但拉制成玻璃纖維后，其導熱系數(shù)只有0.03千卡米度時。,98,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，主要是纖維間的空隙較大，容重較小所致； 容重越小，其導熱系數(shù)越小，主要是因為空氣導熱系數(shù)低所致； 導熱系數(shù)越小，隔熱性能越好。,99,溫度的變化對玻璃纖維的導熱系數(shù)影響不大。 例如，當玻璃纖維的使用溫度升高到200300 ，其導熱系數(shù)只升高10。 因此，玻璃纖維是一種優(yōu)良的絕熱材料。當玻璃纖維受潮時，導熱系數(shù)增大，隔熱性能降低。,100,破璃纖維的耐熱性 玻璃纖維耐熱性較高，軟化點為550 580，其熱膨脹系數(shù)為4.8 106 / 。 玻璃纖維是一種無機纖維，不會引起燃燒。將玻璃纖維加溫，直到某一強

28、度界限以前，強度基本不變。,101,玻璃纖維的耐熱性是由化學成分決定的。 一般情況下，鈉鈣玻璃纖維加熱到470之前（不降溫），強度變化不大； 石英和高硅氧玻璃纖維的耐熱性則可達到2000以上。,102,如果將玻璃纖維加熱至250以上后再冷卻(通常稱為熱處理)，則強度明顯下降。 溫度越高，強度下降越顯著。 例如：300下經(jīng)24小時，強度下降20； 400下經(jīng)24小時、強度下降50； 500下經(jīng)24小時、強度下降70； 600下經(jīng)24小時，強度下降80。,103,玻璃纖維的強度降低與熱作用時間有關。 因此，玻璃布熱處理溫度雖然很高，但因受熱時間短，故強度降低不大。 玻璃纖維熱處理后強度下降，可能是

29、熱處理使微裂紋增加所引起的.,104,(6)玻璃纖維的電性能 玻璃纖維的導電性主要取決于化學組成、溫度和濕度。 無堿纖維的電絕緣性能比有堿纖維優(yōu)越得多。 這主要是因為無堿纖維中堿金屬離子少的緣故。堿金屬離子越多，電絕緣性能越差； 玻璃纖維的電阻率隨著溫度的升高而下降。,105,雖然玻璃纖維的吸附能力較小，但空氣濕度對玻璃纖維的電阻率影響很大。 濕度增加，電阻率下降。如下表所示：,空氣濕度對玻璃布電阻率影響,106,在玻璃纖維的化學組成中，加入大量的氧化鐵、氧化鉛、氧化銅、氧化銀或氧化釩，會使纖維具有半導體性能。 在玻璃纖維上涂敷金屬或石墨，能獲得導電纖維。,107,(7)玻璃纖維及制品的光學性

30、能 玻璃是優(yōu)良的透光材料，但制成玻璃纖維制品后，其透光性遠不如玻璃。 玻璃纖維制品的光學性能以反射系數(shù)、透光系數(shù)和亮度系數(shù)來表示。,108,反射系數(shù)P是指玻璃布反射的光強度與入射到玻璃布上的光強度之比，即,式中：-反射系數(shù)； Ip-反射光強度; Io -入射光強度。,109,在一般情況下，玻璃布的反射系數(shù)與布的織紋特點、密度及厚度有關，平均為40-70;如將透光性較弱的半透明材料墊在下邊玻璃布的反射系數(shù)可達87。,110,透過系數(shù)是指透過玻璃布的光強度與入射光強度之比，即,式中，-透光系數(shù) ； I-透過光強度； Io-入射光強度,111,玻璃布的透光系數(shù)與布的厚度及密度有關。 密度小而薄的玻璃

31、布，透光系數(shù)可達65； 密度大而厚的玻璃布，透光系數(shù)只有1820。,112,亮度系數(shù)是用試樣的亮度與絕對白的表面亮度(標準器)之比來測得。 不同織紋玻璃布的光學性能如下表所示：,不同織紋玻璃布的光學性能,113,由于玻璃纖維具有優(yōu)良的光學性能，因而可以制成透明玻璃鋼，進而制成各種采光材料、導光管以傳送光束或光學物像。這在現(xiàn)代通信技術等方面也得到了廣泛應用。,114,1.4 玻璃纖維的化學性能 玻璃纖維除對氫氟酸、濃堿、濃磷酸外，對所有化學藥品和有機溶劑都有良好的化學穩(wěn)定性。,115,化學穩(wěn)定性在很大程度上決定了不同纖維的使用范圍。 玻璃纖維的性能一般認為與水、濕度有關。,116,玻璃纖維在相對

32、濕度80以上的環(huán)境中存放，強度有所下降； 玻璃纖維在l00相對濕度下，強度保持率在50左右。,117,但是，玻璃纖維單纖即使與水接觸，強度也不發(fā)生變化； 只有在含堿玻璃纖維中，由于玻璃纖維中所含的堿分溶出，強度才會下降。,118,(1)侵蝕介質對玻璃纖維制品的腐蝕情況 根據(jù)網(wǎng)絡結構假說可知，二氧化硅四面體相互連結構成玻璃纖維結構的骨架，它是很難與水、酸( H3PO3，HF除外)起反應的。,119,在玻璃纖維結構中，還有Na，Ca，K等金屬離子及SiO2與金屬離子結合的硅酸鹽部分； 當侵蝕介質與玻璃纖維制品作用時，多數(shù)是溶解玻璃纖維結構中的金屬離子或破壞硅酸鹽部分；對于濃堿溶液、氫氟酸、磷酸等，

33、將使玻璃纖維結構全部溶解。,120,(2)影響玻璃纖維化學穩(wěn)定性的因素 A玻璃纖維的化學成分； B、纖維表面情況； C、侵蝕介質體積和溫度； D玻璃纖維紗的規(guī)格及性能。,121,A玻璃纖維的化學成分 中堿玻璃纖維對酸的穩(wěn)定性是較高的，但對水的穩(wěn)定性是較差的； 無堿玻璃纖維耐酸性較差，但耐水性較好；如下表所示：,122,無堿與中堿玻璃纖維性能對比,123,中堿玻璃纖維和無堿玻璃纖維，從弱堿液對玻璃纖維強度的影響看，二者的耐堿性相接近；如下表所示：,124,經(jīng)NaOH溶液(5)浸潤后方格布的變化,125,中堿纖維含Na2O，K2O比無堿纖維高二十多倍，受酸作用后，首先從表面上，有較多的金屬氧化物侵

34、析出來，但主要是Na2O ， K2O的離析、溶解。,126,另一方面，中堿纖維受酸作用后，酸與玻璃纖維中硅酸鹽作用生成硅酸，而硅酸迅速聚合并凝成膠體，結果在玻璃表面上會形成一層極薄的氧化硅保護膜，這層膜使酸的侵析與離子交換過程迅速減緩，使強度下降也緩慢。 實踐證明Na2O ， K2O有利于這層保護膜的形成。所以中堿纖維比無堿纖維的耐酸性好。,127,水與玻璃纖維作用，首先是侵蝕玻璃纖維表面的堿金屬氧化物，主要是Na2O，K2O的溶解，使水呈現(xiàn)堿性。 隨著時間的增加，玻璃纖維與堿液繼續(xù)作用、直至使二氧化硅骨架破壞。由于無堿玻璃纖維的堿金屬氧化物含量較低，所以對水的穩(wěn)定性較高。,128,無堿纖維與

35、中堿纖維受到NaOH溶液侵蝕后，幾乎所有玻璃成分，包括SiO2在內，均勻溶解，使纖維變細。 但是，隨浸堿時間的增加，化學成分含量基本不發(fā)生變化，即內部結構并未破壞，因而單位面積的強度基本不變。,129,總之，玻璃纖維的化學穩(wěn)定性主要取決于其成分中的二氧化硅及堿金屬氧化物的含量。 顯然，二氧化硅含量多能提高玻璃纖維的化學穩(wěn)定性，而堿金屬氧化物則會使化學穩(wěn)定性降低。,130,在玻璃纖維成分中增加SiO2或A12O3含量，或加入ZrO2及TiO2都可以提高玻璃纖維的耐酸性； 增加SiO2含量，或加入CaO，ZrO2及ZnO能提高玻璃纖維的耐堿性；,131,在玻璃纖維中加入A12O3 、 ZrO2及T

36、iO2等氧化物，可大大提高耐水性。 石英、高硅氧玻璃纖維對水、酸的化學穩(wěn)定性較好，耐堿性遠比普通纖維高。,132,B、纖維表面情況對化學穩(wěn)定性影響,玻璃是一種非常好的耐腐蝕材料，但拉制成玻璃纖維后，其性能遠不如玻璃。 這主要是由于玻璃纖維的比表面積大所造成的。,133,例如，克重的2mm厚的玻璃，只有5.1cm2表面積；而克玻璃纖維(直徑5um)的表面積則有3100cm2，表面積增大了608倍。 也就是說玻璃纖維受侵蝕介質作用的面積比玻璃大608倍。因此，玻璃纖維的耐腐蝕性能比塊玻璃差很多。,134,侵蝕介質體積和溫度對玻璃纖維化學穩(wěn)定性的影響 同樣的玻璃纖維，受不同體積的侵蝕介質作用，其化學

37、穩(wěn)定性不同。 介質的體積越大，對纖維的侵蝕越嚴重。,135,溫度對玻璃纖維的化學穩(wěn)定性有很大影響。在100以下時，溫度每升高10，纖維在介質侵蝕下的破壞速度增加50-l00； 溫度升高到l00以上時，破壞作用將更劇烈。,136,D玻璃纖維紗的規(guī)格及性能 玻璃纖維紗可分無捻紗及有捻紗兩種。 無捻紗一般用增強型浸潤劑，由原紗直接并股、絡紗制成。 有捻紗則多用紡織型浸潤劑，由原紗經(jīng)過退繞、加捻、并股、絡紗而制成。,137,由于生產(chǎn)玻璃纖維紗的直徑、支數(shù)及股數(shù)不同，使無捻紗和有捻紗的規(guī)格有許多種。 纖維支數(shù)有兩種表示方法； 定重法 2定長法,138,定重法 是用一克重原紗的長度來表示。 纖維支數(shù)纖維長

38、度纖維重量 例如：40支紗，就是指一克重的原紗長40m。,139,2定長法 是目前國際統(tǒng)一使用的方法，通稱“TE”(公制稱號)，是指1000m長的原紗的克重量。例如：4 “ TEX ” 就是指1000m原紗重4g。,140,捻度是指單位長度內纖維與纖維之間所加的轉數(shù)，以捻米為單位。 捻度有Z捻和S捻，Z捻一般稱為左捻，順時針方向加捻；S捻稱為右捻，是逆時針方向加捻。,141,通過加捻可提高纖維的抱合力，改善了單纖維的受力狀況，有利于紡織工序的進行。 但是，當玻璃纖維的捻度過大時，不易被樹脂浸透。,142,無捻粗紗中的纖維具有平行排列、拉伸強度很高、易被樹脂浸透等特點。 因此，無捻粗紗多用于纏繞

39、高壓容器及管道等，同時也用于擠拉成型、噴射成型等工藝中。,143,2、特種玻璃纖維 2.1 高強度及高模量玻璃纖維 2.2 耐高溫玻璃纖維 2.3 空心玻璃纖維,144,2.1 高強度及高模量玻璃纖維 (1)高強度玻璃纖維 高強度玻璃纖維有鎂鋁硅酸鹽和硼硅酸鹽兩個系統(tǒng)。,145,鎂鋁硅酸鹽玻璃纖維也稱S玻璃纖維。其化學成分主要是SiO2-65，Al2O3-25，MgO-10。 S玻璃纖維與E玻璃纖維相比，拉伸強度高33%，彈性模量提高20。,146,S玻璃纖維具有高的比強度，在高溫下有良好的強度保留率及高的疲勞極限。 直徑為9 um的鎂鋁硅酸鹽纖維，經(jīng)過無水增強型浸潤劑“HTS”處理后，其拉伸

40、強度可達4900 MPa，彈性模量為9 104 MPa，其耐熱性比較高。,147,S玻璃纖維的拉絲溫度很高，一般要在1400以上，需要特殊的拉絲工藝。 因此，國外又開始研究硼硅酸鹽玻璃纖維。這種纖維的化學成分為SiO2：40-50，A12O3：19-29，B2O3：10-20，Li2O：0.1-1。,148,硼硅酸鹽玻璃纖維的液相溫度較低，不需特殊拉絲工藝條件，一般用含量15-25的鉑拉絲爐即可拉絲。 硼硅酸鹽玻璃纖維的拉伸強度為4400 MPa，彈性模量為7.4 l04 MPa。 有時，為了提高硼硅酸鹽玻璃纖維彈性模量，常常在其配方中人為引入BeO。,149,(2)高模量玻璃纖維 高模量玻璃

41、，也稱M玻璃或YM-35-A玻璃。M玻璃纖維的模量為9.4 10 4 MPa，比一般玻璃纖維的模量提高1/3以上，拉伸強度和E玻璃纖維相似，玻璃液相溫度為1110 。,150,由M玻璃纖維制成的玻璃鋼制品剛性特別好，在外力作用下不易變形，更適合于要求高強度和高模量制品，以及航空、宇航所用的制品。 國內這種玻璃的成分質量比如下：,151,2.2 耐高溫玻璃纖維 (1)石英纖維 (2)鋁硅酸鹽玻璃纖維,152,(1)石英纖維 石英纖維是一種優(yōu)良的耐高溫材料，這種纖維僅限于用高純度(99.95二氧化硅)天然石英晶體制成的纖維，它保持了固體石英的特點和性能。,153,石英纖維的直徑一般為10-100

42、um，由于其纖維比較脆，故紡織品價格比一般玻璃紗高很多。 石英纖維的具有以下五個方面的性能：,154, 軟化溫度高 一般玻璃纖維的軟化溫度只有550-580 ，而石英纖維的軟化溫度可達1250 以上。,155, 膨脹系數(shù)小 室溫下，石英纖維的膨脹系數(shù)為5 10 7/，當溫度升高到1200 時、僅增大為11 10 -7 / ，為普通玻璃纖維的1/10-1/20。 另外，石英纖維加熱到800-1000 后，用水冷卻，其性能無損傷。,156, 電性能好 石英纖維在高溫下的電絕緣性能良好，其導電率只有10-16 -1.cm 1，為一般纖維的干分之一至萬分之一。,157, 石英纖維能耐100-200濃酸

43、的浸蝕，但耐堿及堿性鹽的能力差些。 石英纖維在250-4700 um的光譜區(qū)內，有較高的透光率。 石英纖維廣泛用在電機制造、光通訊、火箭及原子反應堆工程等方面。,158,()鋁硅酸鹽玻璃纖維 鋁硅酸鹽玻璃纖維是以高嶺土、鋁礬土、藍晶石等為原料，在高頻爐、電弧爐或其它高溫爐中熔化，用吹制法制成的玻璃纖維。 吹制法制成的纖維較短，可以捻絲成線，但強度較低。,159,鋁硅酸鹽玻璃纖維的化學組成特點是A12O3占50以上，其熔化溫度為1760，最高使用溫度為1260。 鋁硅酸鹽玻璃纖維的主要用途是作絕緣材料和隔熱材料，多用于火箭、噴氣發(fā)動機、原子反應堆等。,160,2.3 空心玻璃纖維 空心玻璃纖維是

44、采用鋁硼硅酸鹽玻璃原料，用特制拔絲爐拔絲制成。 空心玻璃纖維呈中空狀態(tài)，質輕、剛性好，制成玻璃鋼制品比一般的輕10以上，而且彈性模量較高，適用于航空與海底裝備。,161,另外，空心玻璃纖維的電性能好，導熱系數(shù)低，但性質較脆。 空心玻璃纖維的直徑為10-17um。毛細系數(shù)是空心玻璃纖維性能的重要因素。當體積重量為1.6 1.8 g/ cm3時，毛細系數(shù)為0.6-0.7。,162,3、碳纖維 3.1 概 述 碳纖維（Carbon Fibre, CF或Cf）的開發(fā)歷史可追溯到19世紀末期，美國科學家愛迪生發(fā)明的白熾燈燈絲，而真正作為有使用價值并規(guī)模生產(chǎn)的碳纖維，則出現(xiàn)在二十世紀50年代末期。,163

45、,1959年美國聯(lián)合碳化公司(Union Carbide Corporation，UCC)以粘膠纖維(Viscose firber)為原絲制成商品名為“Hyfil Thornel”的纖維素基碳纖維(Rayon-based carbon firber)。 1962年日本炭素公司實現(xiàn)低模量聚丙烯脂基碳纖維(Polyacry lontrile-based carbon firber，PANCF)的工業(yè)化生產(chǎn);,164,1963年英國航空材料研究所(Royal Aircraft Establishment，RAE)開發(fā)出高模量聚丙烯脂基碳纖維； 1965年日本群馬大學試制成功以瀝青或木質素為原料的通用

46、型碳纖維； 1970年日本昊羽化學公司實現(xiàn)瀝青基碳纖維Pitch-based carbon fiber的工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)；,165,1968年美國金剛砂公司研制出商品名為“Kynol”的酚醛纖維Phenolic fibers; 1980年以酚醛纖維為原絲的活性碳纖維(Fibrous activated carbon)投放市場。,166,1988年，世界碳纖維總生產(chǎn)能力為10054噸/年，其中聚丙烯腈基碳纖維為7840噸，占總量的78。日本是最大的聚丙烯腈基碳纖維生產(chǎn)國，生產(chǎn)能力約3400噸/年，占總量的43。 美國的碳纖維主要用于航空航天領域，歐洲在航空航天、體育用品和工業(yè)方面的需求比較均衡，而日

47、本則以體育器材為主。,167,碳纖維是由有機纖維經(jīng)固相反應轉變而成的纖維狀聚合物碳，是一種非金屬材料。 碳纖維不屬于有機纖維范疇，但從制備方法上看，它又不同于普通無機纖維。,168,碳纖維性能 碳纖維具有重量輕、比強度大、模量高、耐熱性高； 化學穩(wěn)定性好，除硝酸等少數(shù)強酸外，幾乎對所有藥品均穩(wěn)定；另外，碳纖維對堿也穩(wěn)定。,169,碳纖維制品具有非常優(yōu)良的X射線透過性，阻止中子透過性，還可賦予塑料以導電性和導熱性。 以碳纖維為增強劑的復合材料具有比鋼強、比鋁輕的特性，是一種目前最受重視的高性能材料之一。它在航空航天、軍事、工業(yè)、體育器材等許多方面有著廣泛的用途。,170,32碳纖維的分類 當前，

48、國內外巳商品化的碳纖維種類很多，一般可以根據(jù)原絲的類型、碳纖維的性能和碳纖維的用途等三種方法進行分類。,171,1根據(jù)碳纖維的性能分類 (1) 高性能碳纖維 在高性能碳纖維中，有高強度碳纖維、高模量碳纖維、中模量碳纖維等。 (2)低性能碳纖維 這類碳纖維中，有耐火纖維、碳質纖維、石墨纖維等。,172,2根據(jù)原絲類型分類 (1)聚丙烯腈基纖維； (2)粘膠基碳纖維； (3)瀝青基碳纖維； (4)木質素纖維基碳纖維； (5)其他有機纖維基(各種天然纖維、再生纖維、縮合多環(huán)芳香族合成纖維)碳纖維。,173,3根據(jù)碳纖維功能分類 (1)受力結構用碳纖維 (2)耐焰碳纖維 (3)活性碳纖維(吸附活性)

49、(4)導電用碳纖維 (5)潤滑用碳纖維 (6)耐磨用碳纖維,174,33碳纖維的制造 碳纖維是一種以碳為主要成分的纖維狀材料。它不同于有機纖維或無機纖維，不能用熔融法或溶液法直接紡絲，只能以有機物為原料，采用間接方法制造。,175,碳纖維制造方法可分為兩種類型，即氣相法和有機纖維碳化法。,176,氣相法是在惰性氣氛中，小分子有機物(如烴或芳烴等)在高溫下沉積成纖維。 用這種方法只能制造晶須或短纖維，不能制造連續(xù)長絲。,177,有機纖維碳化法可以制造連續(xù)長纖維，它通常分為兩步進行： 將有機纖維經(jīng)過穩(wěn)定化處理變成耐焰纖維；,178,在惰性氣氛中，于高溫下進行焙燒碳化，使有機纖維失去部分碳和其它非碳

50、原子，形成以碳為主要成分的纖維狀物。,179,天然纖維、再生纖維和合成纖維都可用來制備碳纖維。 制備碳纖維時，選擇的條件是加熱時不熔融，可牽伸，且碳纖維產(chǎn)率高。,180,制作碳纖維的主要原材料有三種： 人造絲(粘膠纖維)； 聚丙烯腈(PNN) 纖維； 瀝青。,181,用人造絲、聚丙烯腈纖維、瀝青為原料生產(chǎn)的碳纖維各有其不同特點。 其中，制造高強度、高模量碳纖維多選聚丙烯腈為原料。,182,無論用哪一種原絲纖維來制造碳纖維，都要經(jīng)過五個階段：,拉絲,牽伸,穩(wěn)定,碳化,石墨化,183,(1)拉絲： 可用濕法、干法或者熔融狀態(tài)三種中的任意一種方法進行。,184,(2)牽伸 在室溫以上，通常是100-

51、300 范圍內進行。 W.Watt首先發(fā)現(xiàn)結晶定向纖維的拉伸效應，而且這種效應控制著最終纖維的模量。,185,(3)穩(wěn)定 通過400 加熱氧化的方法。 400 的氧化階段是A. Shindos 最近在工藝上做出的貢獻。它顯著地降低所有的熱失重，并因此保證高度石墨化和取得更好的性能。,186,(4)碳化 在1000-2000 范圍內進行。 (5)石墨化 在2000-3000 范圍內進行。,187,在制備碳纖維的過程中，無論采用什么原材料，都要經(jīng)過上述五個階段，即原絲預氧化（拉絲、牽伸、穩(wěn)定）、碳化以及石墨化等，所產(chǎn)生的最終纖維，其基本成分為碳。,188,3. 4 碳纖維的結構與性能 1碳纖維的結

52、構與力學性能 2碳纖維的物理性能 3碳纖維的化學性能,189,1結構與力學性能 材料的性能主要決定于材料的結構。結構有兩方面的含義，一是化學結構，二是物理結構。,190,碳纖維的結構決定于原絲結構與碳化工藝。 對有機纖維進行預氧化、碳化等工藝處理的目的是，除去有機纖維中碳以外的元素，形成聚合多環(huán)芳香族平面結構。,191,在碳纖維形成的過程中，隨著原絲的不同，重量損失可達10-80，因此形成了各種微小的缺陷。 但是，無論用哪種原料，高模量碳纖維中的碳分子平面總是沿纖維軸平行地取向。,192,用x射線、電子衍射和電子顯微鏡研究發(fā)現(xiàn)，真實的碳纖維結構并不是理想的石墨點陣結構，而是屬于亂層石墨結構。,

53、193,在亂層石墨結構中，石墨層片是基本的結構單元，若干層片組成微晶，微晶堆砌成直徑數(shù)十納米、長度數(shù)百納米的原纖，原纖則構成了碳纖維單絲，其直徑約數(shù)微米。,194,實測碳纖維石墨層的面間距約0.339-0.342 nm，比石墨晶體的層面間距(0.335nm)略大，各平行層面間的碳原子排列也不如石墨那樣規(guī)整。,195,依據(jù)C-C鍵的鍵能及密度計算得到的單晶石墨強度和模量分別為180 Pa和1000 GPa左右。而碳纖維的實際強度和模量遠遠低于此理論值。 這主要是由于纖維中的缺陷和原絲中的缺陷所造成的。,196,纖維中的缺陷主要是指結構不勻、直徑變異、微孔、裂縫或溝槽、氣孔、雜質等。 纖維中的缺陷

54、來自兩個方面，一是原絲中特有的，二是在碳化過程中產(chǎn)生的。,197,原絲中的缺陷主要是在纖維成形過程中產(chǎn)生的。而在碳化時，則由于從纖維中會釋放出特種氣體物質，進而在纖維表面及內部產(chǎn)生空穴等缺陷。,198,碳纖維的應力-應變曲線為一直線，由于伸長小，斷裂過程在瞬間完成，所以碳纖維不容易發(fā)生屈服。,199,碳纖維軸向分子間的結合力比石墨大，所以它的抗張強度和模量都明顯高于石墨； 而碳纖維的徑向分子間作用力弱，抗壓性能較差，軸向抗壓強度僅為抗張強度的10-30，而且不能結節(jié)。,200,2碳纖維的物理性能 碳纖維的比重在1.5-2.0之間，這除了與原絲結構有關外，主要還決定于碳化處理的溫度。 一般情況下

55、，經(jīng)過高溫(3000 )石墨化處理，比重可達2.0。,201,碳纖維的熱膨脹系數(shù)與其它類型纖維不同，它有各向異性的特點。 平行于纖維方向是負值(-0.72 -0.90 10 -6 /)，而垂直于纖維方向是正值( 32 22 10-6 /)。,202,碳纖維的比熱一般為7.12 l0-1 kJ( kg )。導熱率有方向性，平行于纖維軸方向導熱率為0.04卡/秒厘米度，而垂直于纖維軸方向為0.002卡/秒厘米度。 導熱率隨溫度升高而下降。,203,碳纖維的比電阻與纖維的類型有關。在25時，高模量碳纖維為775 u cm，高強度碳纖維為1500 u cm。 碳纖維的電動勢為正值，而鋁合金的電動勢為負

56、值。因此當碳纖維復合材料與鋁合金組合應用時會發(fā)生電化學腐蝕。,204,3碳纖維的化學性能 碳纖維的化學性能與碳很相似。它除能被強氧化劑氧化外，對一般酸堿是惰性的。 在空氣中，當溫度高于400 時，則會出現(xiàn)明顯的氧化，生成CO和CO2。,205,在不接觸空氣或氧化氣氛時，碳纖維具有突出的耐熱性。 當碳纖維在高于1500 時，強度才開始下降；而其它類型材料包括A12O3晶須在內，在此溫度下，其性能已大大下降。,206,另外，碳纖維還有良好的耐低溫性能，如在液氮溫度下也不脆化。它還有耐油、抗放射、抗輻射、吸收有毒氣體和減速中子等特性。,207,4、硼纖維 硼纖維（Boron Fibre,BF或Bf）

57、是一種將硼元素通過高溫化學氣相法沉積在鎢絲表面制成的高性能增強纖維。它具有很高的比強度和比模量，也是制造金屬復合材料最早采用的高性能纖維。,208,用硼鋁復合材料制成的航天飛機主艙框架強度高、剛性好，代替鋁合金骨架節(jié)省重量44，取得了十分顯著的效果，也有力地促進了硼纖維金屬基復合材料的發(fā)展。,209,1959年美國TELLY首先發(fā)表了用化學氣相沉積法制造高性能硼纖維的論文，并受到了美國空軍材料實驗室的高度重視，積極推進硼纖維及其復合材料的研制。美國AVCO、TEXFROU公司是硼纖維的主要生產(chǎn)廠家。,210,現(xiàn)在硼纖維通用的制備方法是在加熱的鎢絲表面通過化學反應沉積硼層。 硼纖維的直徑有100

58、m、140m、200m幾種。,211,硼纖維具有良好的力學性能、強度高、模量高、密度小。 硼纖維具有耐高溫和耐中子輻射性能。,212,硼纖維的缺點 工藝復雜，不易大量生產(chǎn)，其價格昂貴。 由于鎢絲的密度大，硼纖維的密度也大。,213,硼纖維具有很高的彈性模量和強度，但其性能受沉積條件和纖維直徑的影響。 硼纖維的密度為2.4 2.65 g / cm3，拉伸強度為3.2 5.2 GPa，彈性模量為350 400 GPa。,214,硼纖維在空氣中的拉伸強度隨溫度升高而降低。 在200 左右硼纖維性能基本不變；而在315 、1000小時硼纖維強度將損失70；而加熱到650 時硼纖維強度將完全喪失。,21

59、5,硼纖維的彎曲強度比拉伸強度高，其平均拉伸強度為310 MPa，拉伸模量為420 GPa。,216,在室溫下，硼纖維的化學穩(wěn)定性好，但表面具有活性，不需要處理就能與樹脂進行復合，而且所制得的復合材料具有較高的層間剪切強度,217,目前已研究用碳纖維代替鎢絲，以降低成本和密度。 結果表明，碳心硼纖維比鎢絲硼纖維強度下降 5%，但成本降低 25%。,218,硼纖維在常溫下為惰性物質，但在高溫下易與金屬反應。 因此，需在表面沉積SiC層，稱之為Bosic纖維。 硼纖維主要用于聚合物基和金屬基復合材料。,219,5、氧化鋁纖維 以氧化鋁為主要纖維組分的陶瓷纖維統(tǒng)稱為氧化鋁纖維( Aluminia Fibre, AF或( Al2O3 )f )。,220,通常情況下，將氧化鋁含量大于70的纖維相稱為氧化鋁纖維； 將氧化鋁含量小于70，其余為二氧化硅和少量雜質的纖維稱為硅酸鋁纖維。,221,氧化鋁纖維的特點 (1) 耐熱性好，在空氣中加熱到1250 還保持室溫強度的90%，碳纖維通常在400 以上就氧化燃燒。,222,(2) 不被熔融金屬侵蝕，可與