复合材料的增强体有机纤维PPT

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4.1 概述
硼： 是一种脆性材料，原子序数为5，相对原子量10.8， 熔点2000oC以上，电的半导体。 硼很难ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ接制成纤维。
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硼纤维：
通过化学气相沉积（chemical vapor deposition，CVD）的方 法，在超细的异质芯材上获得表面为硼的复合纤维。 芯材：
有钨丝、碳丝、涂钨及涂碳的石英玻璃纤维。硼纤维是高强 度和高模量的无机纤维，其模量比玻璃纤维约高5~7倍。
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图3.4 硼纤维的表面形貌和断口形貌
（2）硼纤维的结构 硼纤维的无定形结构实际上是晶粒直径为2纳米的微晶结 构（主要是β—菱形六面体），β—菱形六面体的晶胞结 构的基本单元是一组由12个原子构成的二十面体。 在钨丝表面形成沉积的硼时往往在界面上有硼化钨化合 物的形成，这主要是硼在钨丝表面扩散形成的。
度的80%；在高于500C的氧化气氛中几分钟其强度 就迅速下降；在650C时将失去所有的性能。
模 量： 比S玻璃纤维高4~5倍。
制造成本： 较高，下降的潜力也不大。
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表3.6 直径为100微米钨芯硼纤维的性能
性能 密度，g/cm3 拉伸强度，GPa 泊松比
数值 2.6 3.1~4.1 0.21
性能 杨氏模量，GPa 剪切模量，GPa 热膨胀系数，10-6/C
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（3）硼纤维的残余应力：
采用CVD法制备硼纤维事，存在着较大的残余应力。
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）；
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 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 11
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4.3 硼纤维的组织结构
硼纤维的组织和结构受其制备的工艺参数影响很大，由 此产生的一些结构缺陷和组织不规则性都可降低纤维的 力学性能。因此，硼纤维制备过程中的工艺参数很关键
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（1）硼纤维的形貌：
硼纤维是由一些边界分开的、不规则的 小结节 构成
“玉米棒”结构，因此表面粗燥。小结节是硼在沉积过 程中成核并逐渐长大的，直径为3~7微米，高1~3微米， 节间沟深0.25~0.75微米。
数值 420 165~179 4.68~5.0
表3.7 改进的特大直径钨芯硼纤维的性能
纤维直径，微米
处理状态
142
未处理
406
未处理
382
表面化学抛光
382
热处理+化学抛光
平均拉伸强度，GPa 3.8 2.1 4.6
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4.5 硼纤维的应用
硼纤维主要用于聚合物基和铝基复合材料。
由于 卓越的性能 和 昂贵的价格，硼纤维增强复合材料主
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硼纤维研制历史
1956年最早制成，1959年美国TELLY首先发表了用
化学气相沉积法制造高性能硼纤维的论文，并受到了
美国空军材料实验室的高度重视，积极推进硼纤维及
其复合材料的研制。1966年应用于航天工业，是应航
天领域对材料日益严苛的要求而发展起来的，是制造
金属复合材料最早采用的高性能纤维。
硼纤维的制备问题：
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通常情况下，将氧化铝含量大于70％的 纤维相称为氧化铝纤维；
将氧化铝含量小于70％，其余为二氧化 硅和少量杂质的纤维称为硅酸铝纤维。
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氧化铝纤维的特点
(1) 耐热性好，在空气中加热到1250 ℃还保 持室温强度的90%，碳纤维通常在400 ℃以上就 氧化燃烧。
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(2) 不被熔融金属侵蚀，可与金属很好地复合。 (3)表面活性好，不需要进行表面处理，即能 与树脂和金属复合。 (4)具有极佳的耐化学腐蚀和抗氧化性，尤其 在高温条件这些性能更为突出。
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括：BN、SiC、B4C等。
4.4 硼纤维的性能
化学稳定性：
室温下硼纤维的化学稳定性好，但表面具有活性，不需
要处理就可与树脂复合，其复合材料具有较高的层间剪 切强度。但在高温下易与大多数金属反应，需要在纤维
表面沉积保护涂层，如BN、SiC和B4C等。
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抗氧化和高温性能：
硼纤维的这两种性能较差，在400C时可保持室温强
（4）硼纤维的结构缺陷：
包括表面缺陷和芯材与覆盖层之间的界面缺陷。对硼纤维 表面进行化学处理，表面缺陷被腐蚀掉，硼纤维的性能将
有所提高。
（5）硼纤维的表面涂层：
由于硼的表面能高，所以在制备复合材料时硼纤维容易被 基体材料所浸润，但同时也容易与多数金属（如铝、镁、 钛等）强烈反应。因此硼纤维表面必须进行涂层制备，包
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(5)用氧化铝增强的复合材料具有优良的抗压 性能，压缩强度比GFRP高，是GFRP的三倍以上， 耐疲劳强度高，经107次重复交变加载后，强度不 低于静强度的70％。
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(6) 电气绝缘、电波透过性好。 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。
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氧化铝纤维的分类及制造方法
要点回顾
增强材料共分为三类：
① 纤维及其织物
分为有机纤维和无机纤维
② 晶须
③ 颗粒
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（一） 无机纤维
1、玻璃纤维
2、 特种玻璃 纤维
3、 碳纤维
4 、 硼纤维
5 、氧化铝纤维 7 、氮化硼纤维
6、碳化硅纤维 8、其他纤维
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4. 硼纤维
➢ 4.1 概述 ➢ 4.2 硼纤维的制造 ➢ 4.3 硼纤维的组织结构 ➢ 4.4 硼纤维的性能 ➢ 4.5 硼纤维的应用
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 较多，制备的晶型有α-Al2O3、γ-Al2O3、δ- Al2O3
要用于航空航天、军事领域。
应用实例：轰炸机、战斗机的水平尾翼。硼纤维增强铝基 时一般带有碳化硅涂层，以避免硼纤维与铝、镁等基体之 间产生有害的界面反应；硼纤维增强钛时一般带有B4C涂 层，基体常用Ti-6Al-4V合金。
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5.氧化铝纤维
以氧化铝为主要纤维组分的陶瓷纤维统称 为氧化铝纤维( Aluminia Fibre, AF或( Al2O3 )f )。
现在硼纤维通用的制备方法CVD法，这种制备法硼纤
维生产率低，且须对表面进行特殊处理（防止表面氧
化及机械损伤）。
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4.2 硼纤维的制造
制备工艺： CVD法制备硼纤维，是以氢气为还原剂，从三卤化硼中 还原出硼并沉积在炙热的芯材上，所需温度约为1160oC。
2BX3 + 3H2 2B + 6HX
上式中，X为卤素原子（Cl、Br、I）。 硼纤维的直径有100μm、140μm、200μm几种。