1、2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),1,第2章 增強(qiáng)體材料,江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),2,2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),3,碳纖維的理論強(qiáng)度為180GPa，目前世界上強(qiáng)度最高的碳纖維T1000（日本東麗公司）的拉伸強(qiáng)度也僅是理論值的3.9，而國產(chǎn)碳纖維的拉伸強(qiáng)度則更低，所以提高碳纖維的拉伸強(qiáng)度有很大的潛力和空間。,2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),4,高的比強(qiáng)度、比模量、高導(dǎo)熱性、耐熱性、耐磨性、低熱膨脹性等，以便賦予金屬基體某種所需的特性和綜合性能。,在金屬基復(fù)合材料制備和使用過程中其組織結(jié)構(gòu)和性能不發(fā)生明顯的變化和退化

2、，與金屬基體有良好的化學(xué)相容性，不發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)。,與金屬有良好的浸潤性，或通過表面處理能與金屬良好浸潤，基體良好復(fù)合和分布均勻。此外，增強(qiáng)物的成本也是應(yīng)考慮的一個重要因素。,能明顯提高金屬基 體所需的某種特性,具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性,有良好的浸潤性,2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),5,2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),6,2.1.1 纖維類增強(qiáng)體 纖維類增強(qiáng)物有連續(xù)長纖 維和短纖維。,2.1.2 顆粒類增強(qiáng)體 顆粒增強(qiáng)體分外加和內(nèi)生兩種，一般是具有高強(qiáng)度、高模量、耐熱、耐磨性好、而高溫的陶瓷、石墨等非金屬顆粒。,2.1.3 晶須類增強(qiáng)體 晶須是在人工條件下生長出來的細(xì)小單

3、晶。由于細(xì)小組織結(jié)構(gòu)缺陷少，具有很高的強(qiáng)度和模量。,2.1.4 其它增強(qiáng)體 用于金屬基復(fù)合材料的高強(qiáng)度、高模量金屬絲增強(qiáng)物主要有鐵絲、高強(qiáng)度鋼絲、不銹鋼絲和鎢絲等。,2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),7,2.2 纖維類增強(qiáng)體,2.2.1 碳纖維,實(shí)際用作碳纖維原料的有機(jī)纖維主要有三種：,2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),8,20世紀(jì)80年代以來，國外許多以PAN纖維為原料制造碳纖維的廠家在原料供 應(yīng)及碳纖維的生產(chǎn)、供銷方面進(jìn)行廣泛合作與競爭，促進(jìn)了PAN基 碳纖維工業(yè)的長足發(fā)展。,1969年，日本東麗公司研究成功特殊的單體共聚PAN基碳纖維，結(jié)合美 國聯(lián)合碳化物公司(Union

4、 Carbide)的碳化技術(shù)，生產(chǎn)出高強(qiáng) 度、高模量碳纖維。,1959年，日本的進(jìn)藤昭男發(fā)明了用聚丙烯腈(PAN)原絲生產(chǎn)碳纖維的方法;,1962年，日本東麗公司開始生產(chǎn)并研制用于生產(chǎn)碳纖維的專用優(yōu)質(zhì)原絲， 并于1967年成功生產(chǎn)T300PANCF；,英國考陶爾公司(Courtaulds)利用這項技術(shù)開始生產(chǎn)高強(qiáng)度、高 模量PAN基碳纖維。,英國皇家航空研究所的Watt等人，對PAN纖維生產(chǎn)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)；,美國、前蘇聯(lián)、法國、德國、印度、南斯拉夫、以色列、韓國也都引進(jìn)或開發(fā)了PAN原絲及碳纖維的生產(chǎn)。其中，日本東麗公司的碳纖維研發(fā)與生產(chǎn)一直處于世界領(lǐng)先水平，3000MPa。,20世紀(jì)90年代后

5、，由于PAN基碳纖維性能優(yōu)越，應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)展。目前世 界PAN基碳纖維已進(jìn)入發(fā)展旺盛的成熟期，IM7和IM8的強(qiáng)度達(dá)到 5300MPa。,2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),9,2.2.1.1 碳纖維的分類,2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),10,各種材質(zhì)碳纖維的主要性能表,2.2.1.2 主要性能,2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),11,耐酸性能好，超過惰性金屬黃金和鉑金；,熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱系數(shù)大；,強(qiáng)度高，大于1600MPa；,高模量，大于230MPa；,密度小，比強(qiáng)度高；,耐超高溫，2000正常使用；,耐低溫，在-180保持柔軟；,軸向抗剪切模量較低，延伸率小，

6、耐沖擊差， 并且 后加工 較為困難。,導(dǎo)電性能好（517m）；,防原子輻射，能使中子減速；,2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),12,2.2.1.3 碳纖維的制造,2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),13,2.2.2 硼纖維,2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),14,2.2.2.1 硼纖維的制造,2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),15,獨(dú)特的性能：抗壓強(qiáng)度是其拉伸強(qiáng)度的2倍（6900MPa)。,2.2.2.2 硼纖維的性能,2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),16,2.2.2.3 與其它纖維性能比較,2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),17,2.2.3 碳

7、化硅纖維,碳化硅,2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),18,2.2.3.1 碳化硅纖維的制備方法,2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),19,2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),20,將有機(jī)物加熱變成無機(jī)物的過程，在遠(yuǎn)古的時代便已經(jīng)利用了。 近年來發(fā)明的將聚丙烯腈等有機(jī)纖維高溫碳化后制備碳纖維的方法，在這個領(lǐng)域中已經(jīng)形成了工業(yè)化生產(chǎn)，除此以外，利用有機(jī)硅聚合物作先驅(qū)體可以制得的陶瓷纖維研究如下表：,2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),21,先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法工藝流程圖,2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),22,2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),23,SiC粉在聚合

8、物粘接劑存在下的擠出細(xì)絲，形成的細(xì)絲再燒結(jié)固化。通常是將粒徑在1.7m（亞微米）和燒結(jié)助劑和過量的碳與適當(dāng)?shù)木酆衔锝M成的混合物。其工藝流程如下：,2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),24,2.2.3.2 SiC纖維的性能及其應(yīng)用領(lǐng)域 SiC纖維具有抗拉強(qiáng)度和拉伸模量高，密度低； 耐熱性好，在空氣中可長期應(yīng)用于10001100使用； 與金屬反應(yīng)性小，浸潤性好，在1000以下幾乎不與金屬發(fā)生反應(yīng)； 纖維具有半導(dǎo)體性且隨組成不同，其電阻率在10-1106cm 之間可調(diào)； 以先驅(qū)體法制得SiC纖維直徑細(xì)，易編織成各種織物； 耐腐蝕性能優(yōu)異。,2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),25,2.2

9、.4 氧化鋁纖維,2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),26,1. 淤漿法,3. 卜內(nèi)門法,5. 基體纖維 浸漬溶液法,該法是以氧化鋁粉末為主要原料, 同時加入分散劑、流變助劑、燒結(jié)助劑, 分散于水中, 制成可紡漿料，經(jīng)擠出成纖，干燥、燒結(jié)得到直徑在200um 左右的氧化鋁纖維。,2.2.4.1氧化鋁纖維制備,該法與溶膠-凝膠法不同之處是先驅(qū)體不形成均勻溶膠，而是通過加入水溶性有機(jī)高分子來控制紡絲粘度以得到氧化鋁纖維。由于前驅(qū)體分子本身并不形成類線性聚合物，難以得到連續(xù)的氧化鋁長纖維，故其產(chǎn)品一般是短纖維的形式。,這是一種新型的成型方法, 一般以鋁的 醇鹽或無機(jī)鹽為原料, 同時加入其它有

10、機(jī)酸催化劑, 溶于醇/水中, 得到混合 均勻的溶液, 經(jīng)醇解/水解和聚合反應(yīng) 得到溶膠, 濃縮的溶膠達(dá)到一定粘度后 進(jìn)行紡絲, 得到凝膠纖維, 隨后進(jìn)行熱 處理得到氧化鋁纖維。,2. 溶膠 - 凝 膠法,日本住友化學(xué)公司的產(chǎn)品是以Al2O3為主要成分,并含有B2O3、SiO2的多晶纖維。采用預(yù)聚合法, 先是用烷基鋁加水聚合成一種聚鋁氧烷聚合物，將其溶解在有機(jī)溶劑中, 加入硅酸酯或有機(jī)硅化合物, 使混合物濃縮成粘稠液,干法紡絲成先驅(qū)纖維。再在600空氣中裂解成含有氧化鋁和氧化硅等組成的無機(jī)纖維，最后在1000以上燒結(jié)，得到微晶聚集態(tài)的連續(xù)氧化鋁纖維，其直徑10m左右。,4.預(yù)聚合法,此法采用無機(jī)

11、鹽溶液浸漬基體纖維, 經(jīng)過燒結(jié)除去基體纖維而得到陶瓷纖維。缺點(diǎn)是成本高。,2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),27,美國杜邦公司利用淤漿法生產(chǎn)的FP氧化鋁纖維,2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),28,溶膠-凝膠法具有以下優(yōu)點(diǎn):,2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),29,美國3M公司生產(chǎn)Nextel系列氧化鋁纖維，具代表性的品種是Nextel-312。,2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),30,國外公司生產(chǎn)的高性能氧化鋁纖維。 （1）美國杜邦公司采用淤漿法生產(chǎn)FP氧化鋁纖維，氧化鋁含量為99.9。 （2）日本 Mitsui Mining公司也通過淤漿法制得氧化鋁含量在9

12、5以上的 連續(xù)氧化鋁纖維。 （3）美國3m公司通過溶膠凝膠法生產(chǎn)Nextel系列氧化鋁纖維，其中較具 代表性的品種是Nextel312。 （4）日本住友化學(xué)公司采用預(yù)聚合法生產(chǎn)Altex氧化鋁纖維，其組分為Al2O3、 SiO2和B2O3。 （5）美國Ici公司采用卜內(nèi)門法生產(chǎn)商品名為saffil的氧化鋁短纖維，其使 用溫度可達(dá)12001600，已開始應(yīng)用在工業(yè)燒結(jié)爐的襯里上。 以上幾種氧化鋁纖維制備方法中。溶膠凝膠法工藝簡單，燒結(jié)溫度較低且制得的纖維均勻性好，純度高，可設(shè)計性強(qiáng)，產(chǎn)品多樣，已成為生產(chǎn)氧化鋁纖維的主要方法。 氧化鋁纖維主要用于高溫絕熱材料（短纖維）和增強(qiáng)復(fù)合材料（長纖維），可以

13、編織成無紡布、編織帶、繩索等各種形狀的纖維制品。,2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),31,2.3 晶須及顆粒增強(qiáng)體,晶須是在人工控制條件下以單晶形式生長成的一種纖維，是高技術(shù)新型復(fù)合材料中的一種特殊成員； （1）直徑非常小，以致難容納在大晶體中常出現(xiàn)的缺陷； （2）原子高度有序，因而強(qiáng)度接近于完整晶體的理論值； （3）具有優(yōu)良的耐高溫、高熱、耐腐蝕性能，良好的機(jī)械強(qiáng)度、 電絕緣性、輕量、高強(qiáng)度、高彈性模量、高硬度等特性； （4）在電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、鐵磁性、介電性、傳導(dǎo)性甚至超導(dǎo) 性等方面皆發(fā)生顯著變化。,2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),32,2.3.1.1晶須增強(qiáng)體的分類,2

14、.3.1晶須增強(qiáng)體的分類和物理性質(zhì),2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),33,2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),34,晶須是在受控條件下培殖生長的高純度纖細(xì)單晶體，其晶體結(jié)構(gòu)近乎完整，不含有晶粒界、位錯、空洞等晶體結(jié)構(gòu)缺陷，具有異乎尋常的力學(xué)等物理性能。,2.3.1.2晶須增強(qiáng)體的物理性質(zhì),各種非金屬晶須的直徑比最細(xì)纖維還微細(xì)(小于10m)，長度由零點(diǎn)幾毫米到數(shù)十毫米，最高模量可達(dá)100GPa數(shù)量級，最高熔點(diǎn)可達(dá)3500左右。,如用2030氧化鋁晶須增強(qiáng)金屬，得到的復(fù)合材料強(qiáng)度在室溫下比金屬增加近30倍。作為增強(qiáng)體時，晶須用量多在35(體積)以下。,晶須的伸長率與玻璃纖維相當(dāng)，彈性模量與硼纖維相當(dāng)，兼具這兩種纖維的最佳性能；其性能還與直徑相關(guān)，如圖所示。,2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),35,2.3.1.3晶須分散技術(shù),2020年9月4日星期五,江 蘇 大 學(xué),36,2020年