3复合材料的增强材料-2

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现在硼纤维通用的制备方法是在加热的钨丝表面 通过化学反应沉积硼层。 硼纤维的直径有100μm、140μm、200μm几种。 硼纤维具有良好的力学性能，强度高、模量高、 密度较低。 硼纤维具有耐高温和耐中子辐射性能。
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硼纤维具有很高的弹性模量和强度，但其 性能受沉积条件和纤维直径的影响。 硼纤维的密度为2.4 ~ 2.65 g / cm3，拉伸强 度为3.2 ~ 5.2 GPa，弹性模量为350 ~ 400 GPa。
点阵结构，而是属于乱层石墨结构。
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图1 石墨晶体结构与乱层结构图
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在乱层石墨结构中，石墨层片是基本的结构单元， 若干层片组成微晶，微晶堆砌成直径数十纳米、长度数 百纳米的原纤，原纤则构成了碳纤维单丝，其直径约数
微米。
实测碳纤维石墨层的面间距约0.339-0.342 nm，比
石墨晶体的层面间距(0.335nm)略大，各平行层面间的碳
的基本原料；也用于制造各种耐火砖、耐火坩埚、耐火管、
耐高温实验仪器；还可作研磨剂、阻燃剂、填充料等。
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γ型氧化铝是氢氧化铝在140-150℃的低温环境下脱水制得，
工业上也叫活性氧化铝、铝胶。

γ型氧化铝结构中氧离子近似为立方面心紧密堆积，Al3+不 规则地分布在由氧离子围成的八面体和四面体空隙之中。
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二）碳纤维的制造
碳纤维是一种以碳为主要成分的纤维状材料。它不 同于有机纤维或无机纤维，不能用熔融法或溶液法
直接纺丝，只能以有机物为原料，采用间接方法制
造。 碳纤维制造方法可分为两种类型，即气相法和有机 纤维碳化法。
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气相法是在惰性气氛中，小分子有机物(如 烃或芳烃等)在高温下沉积成纤维。
“Hyfil Thornel”的纤维素基碳纤维(Rayon-based carbon
firber)。 1962年日本炭素公司实现低模量聚丙烯腈(PAN) 基碳 纤维(Polyacry lontrile--based carbon firber，PANCF)的工 业化生产。
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1963年英国航空材料研究所(Royal Aircraft Establishment，RAE)开发出高模量聚丙烯腈基碳纤维；
复合材料原理
江苏大学材料学院
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一、纤维及其织物

玻璃纤维 碳纤维 硼纤维 氧化铝纤维 碳化硅纤维 氮化硼纤维

芳纶纤维
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１、玻璃纤维
玻璃纤维简介及分类
玻璃纤维的结构及化学组成
玻璃纤维的物理性能与化学性能
玻璃纤维及其制品的制造工艺
玻璃纤维制品的性能及应用
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中空玻璃纤维是如何生产的?
用这种方法只能制造晶须或短纤维，不能制
造连续长丝。
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有机纤维碳化法可以制造连续长纤维，它通常分为两 步进行： ①将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤维； ②在惰性气氛中，于高温下进行焙烧碳化，使有机 纤维失去部分碳和其它非碳原子，形成以碳为主要成分的
纤维状物。
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天然纤维、再生纤维和合成纤维都可 用来制备碳纤维。 制备碳纤维时，选择的条件是加热时 不熔融，可牵伸，且碳纤维产率高。
拉丝
牵伸
稳定
碳化
石墨化
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拉丝可用湿法、干法或者熔融状态三种中的任意 一种方法进行。

牵伸在室温以上，通常是100-300 ℃范围内进行。 稳定通过400 ℃加热氧化的方法。 碳化在1000-2000 ℃范围内进行。 石墨化在2000-3000 ℃范围内进行。
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三）碳纤维的结构与性能
直于纤维长度方向是正值( 32 ~ 22 10-6 /℃)。
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碳纤维的比热一般为7.12 l0-1 kJ( kg · )。导热 ℃ 率有方向性，平行于纤维轴方向导热率为0.04卡/ 秒· 厘米· 度，而垂直于纤维轴方向为0.002卡/秒· 厘 米· 度。

导热率随温度升高而下降。

碳纤维的比电阻与纤维的类型有关。在25℃时，高 模量碳纤维为775 u · cm，高强度碳纤维为1500 u · cm。
一。它在航空航天、军事、工业、体育器材等许多
方面有着广泛的用途。
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一）碳纤维的分类
当前，国内外巳商品化的碳纤维种类很多，
一般可以根据原丝的类型、碳纤维的性能和碳纤 维的用途等三种方法进行分类。
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根据原丝类型分类
(1)聚丙烯腈基纤维；
(2)粘胶基碳纤维；
(3)沥青基碳纤维； (4)木质素纤维基碳纤维；
(5)其他有机纤维基(各种天然纤维、再
生纤维、缩合多环芳香族合成纤维)碳纤维。
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根据碳纤维的性能分类
(1) 高性能碳纤维 在高性能碳纤维中，有高强度碳纤维、高模 量碳纤维、中模量碳纤维等。 (2)低性能碳纤维 这类碳纤维中，有耐火纤维、碳质纤维、石
墨纤维等。
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根据碳纤维用途分类：
受力结构用碳纤维，耐焰碳纤维，活性碳纤维(吸 附活性)，导电用碳纤维，润滑用碳纤维，耐磨用 碳纤维等。
材料的性能主要决定于材料的结构。结构有两方 面的含义，一是化学结构，二是物理结构。 碳纤维的结构决定于原丝结构与碳化工艺。 对有机纤维进行预氧化、碳化等工艺处理的目的 是，除去有机纤维中碳以外的元素，形成聚合多环芳 香族平面结构。
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用X射线、电子衍射和电子显微镜研究 发现，真实的碳纤维结构并不是理想的石墨
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氧化铝纤维的应用
氧化铝纤维适合于制造既需要轻质高强又需 要耐热的结构件。 用它制作雷达天线罩，其刚性比玻璃钢高，
透电波性能好，耐高温。
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若用氧化铝纤维的复合材料制导弹壳体，则有可能不开 天线窗，将天线装在弹内。 目前，氧化铝纤维的的用途正处于开发阶段，不久的将 来将在航空、航天、卫星、交通和能源等部门得到广泛应用。
原子排列也不如石墨那样规整。
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依据C-C键的键能及密度计算得到的单晶石墨强度
和模量分别为180 ＧPa和1000 GPa左右。而碳纤维的
实际强度和模量远远低于此理论值。
这主要是由于纤维中的缺陷和原丝中的缺陷所造 成的。
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纤维中的缺陷主要是指结构不匀、直径变 异、微孔、裂缝或沟槽、气孔、杂质等。
而且不能结节。
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碳纤维的密度在1.5-2.0之间，这除了与原丝结构有关
外，主要还决定于碳化处理的温度。经过高温(3000
℃)石墨化处理可达2.0。 碳纤维的热膨胀系数与其它类型纤维不同，它有各 向异性的特点。 纤维长度方向是负值(-0.72 ~ -0.90 10 -6 /℃)，而垂
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硼纤维在常温下为惰性物质，但在高温下易 与金属反应。
因此，需在表面沉积SiC层，称之为Bosic纤维。
硼纤维主要用于聚合物基和金属基复合材料。
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缺点：工艺复杂，不易大量生产，其价
格昂贵。 由于钨丝的密度大，硼纤维的密度也大。
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目前已研究用碳纤维代替钨丝，以降 低成本和密度。 结果表明，碳芯硼纤维比钨丝硼纤维 强度下降 5%，但成本降低 25%。
也是制造金属复合材料最早采用的高性能纤维。
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用硼铝复合材料制成的航天飞机主舱框架强 度高、刚性好，代替铝合金骨架节省重量44％，
取得了十分显著的效果，也有力地促进了硼纤维
金属基复合材料的发展。
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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。 美国AVCO、TEXFROU公司是硼纤维的主要生产厂家。
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2、碳纤维
碳纤维（Carbon Fibre, CF或Cf）的开发历史可追
溯到19世纪末期，美国科学家爱迪生发明的白炽 灯灯丝，而真正作为有使用价值并规模生产的碳 纤维，则出现在二十世纪50年代末期。
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1959年美国联合碳化公司(Union Carbide Corporation， UCC)以粘胶纤维(Viscose firber)为原丝制成商品名为
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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(5) 优良的抗压性能。用氧化铝增强的复合材料压缩 强度比GFRP高，是GFRP的3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％。 (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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思考题
1、玻璃纤维有哪些主要物理和化学特性，这些性能在玻
璃钢制品中发挥怎样的作用？
（外观、密度、强度、耐热、膨胀特性、耐腐蚀）
2、玻璃纤维有哪些制品，它们主要应用在哪些场合？你 觉得还可以开发哪些玻璃纤维制品？
（无捻粗纱、无捻粗纱方格布、玻璃纤维毡片、缝合毡、加捻玻璃纤
维布、玻璃带、三向织物等；玻璃纤维绳、笼、立体编织物等）
极不稳定，遇酸或碱都会生成水和弱酸弱碱盐。 如遇氢氧化钠就会有偏铝酸钠生成，当氢氧化钠 过量就会因为溶解度问题析出氢氧化铝沉淀；如遇盐 酸，则生成氯化铝。
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在α型氧化铝的晶格中，氧离子为六方紧密堆积，Al3+对 称地分布在氧离子围成的八面体配位中心，晶格能很大， 故熔点、沸点很高。

α型氧化铝不溶于水和酸，工业上也称铝氧，是制金属铝
氧化铝纤维不足之处是密度比较大，约为3.20 g/cm3， 是纤维中最大的一种。
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淤浆法是以氧化铝粉末为主要原料，同时加入分散剂、流变助
剂、烧结助剂，分散于水中，制成可纺浆料，经挤出成纤，干
燥、烧结得到直径在200 μ m左右的纤维。 溶胶-凝胶法是以铝的醇盐或无机盐为原料，同时加入其它有机