第三篇--复合材料的增强材料教学内容
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3.复合材料的增强材料课件
复合材料的增强材料
3.1 玻璃纤维 3.2 碳纤维 3.3 芳纶纤维 3.4 超高分子量聚乙烯纤维
3.5 碳化硅纤维
3.6 硼纤维 3.7 氧化铝纤维 3.8 纳米增强材料 晶须和碳纳米管 蒙脱土 无机纳米粒子
3.1.1 玻璃纤维的类型、成分及性能(1)
E 玻璃纤维 无碱玻璃，一种硼硅酸盐玻璃（碱金属氧化物含量低）； 良好的电气绝缘性及机械性能，但易被无机酸侵蚀； 广泛用于生产电绝缘材料、玻璃钢等。 C 玻璃纤维 中碱玻璃，耐酸性优于无碱玻璃，但电气性能、机械强度差低； 我国中碱玻纤占据玻纤产量的 60%，广泛用于玻璃钢的增强以及过滤
同时喷少量树脂使纤维网固定成形，然后将成形的纤维网片移入金 属模具中，注入树脂热压成形，即得制品。对于这种工艺的无捻粗
纱的性能要求与对喷射无捻粗纱的要求基本相同。
短切原丝与磨碎纤维
短切原丝
用于玻璃钢的短切原丝又分为热固性树脂（ BMC）用短切原丝
和热塑性树脂用短切原丝两大类。
增强热塑性塑料要求用无碱玻璃纤维，它强度高、电绝缘性好、 原丝集束性好、流动性好、白度较高。 增强热固性塑料要求原丝集束性好、浸透树脂快、机械强度及 电气性能好。
1560
13.0
720
玻璃纤维的拉伸强度随长度增加而下降！
影响玻纤强度的因素—化学组成、表面缺陷
品种 A 玻纤 80-150 500-700 强度/ MPa 2000 7000 E 玻纤 80-150 600-800 2100 3000 铝硅酸盐 玻纤 80-150 800-1000 2500 3300 石英 玻纤 80-150 2000 4000 表面缺陷 状况 表面有微裂纹
玻璃纤维纱
玻璃纤维纱是玻璃纤维的加捻合股纱.它的电绝缘性能好,强度高,吸湿 少,耐高温,适用于作电机电器绕组线的绝缘材料和其它工业用纱。
3.1 玻璃纤维 3.2 碳纤维 3.3 芳纶纤维 3.4 超高分子量聚乙烯纤维
3.5 碳化硅纤维
3.6 硼纤维 3.7 氧化铝纤维 3.8 纳米增强材料 晶须和碳纳米管 蒙脱土 无机纳米粒子
3.1.1 玻璃纤维的类型、成分及性能(1)
E 玻璃纤维 无碱玻璃，一种硼硅酸盐玻璃（碱金属氧化物含量低）； 良好的电气绝缘性及机械性能，但易被无机酸侵蚀； 广泛用于生产电绝缘材料、玻璃钢等。 C 玻璃纤维 中碱玻璃，耐酸性优于无碱玻璃，但电气性能、机械强度差低； 我国中碱玻纤占据玻纤产量的 60%，广泛用于玻璃钢的增强以及过滤
同时喷少量树脂使纤维网固定成形，然后将成形的纤维网片移入金 属模具中，注入树脂热压成形，即得制品。对于这种工艺的无捻粗
纱的性能要求与对喷射无捻粗纱的要求基本相同。
短切原丝与磨碎纤维
短切原丝
用于玻璃钢的短切原丝又分为热固性树脂（ BMC）用短切原丝
和热塑性树脂用短切原丝两大类。
增强热塑性塑料要求用无碱玻璃纤维，它强度高、电绝缘性好、 原丝集束性好、流动性好、白度较高。 增强热固性塑料要求原丝集束性好、浸透树脂快、机械强度及 电气性能好。
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玻璃纤维的拉伸强度随长度增加而下降！
影响玻纤强度的因素—化学组成、表面缺陷
品种 A 玻纤 80-150 500-700 强度/ MPa 2000 7000 E 玻纤 80-150 600-800 2100 3000 铝硅酸盐 玻纤 80-150 800-1000 2500 3300 石英 玻纤 80-150 2000 4000 表面缺陷 状况 表面有微裂纹
玻璃纤维纱
玻璃纤维纱是玻璃纤维的加捻合股纱.它的电绝缘性能好,强度高,吸湿 少,耐高温,适用于作电机电器绕组线的绝缘材料和其它工业用纱。
《复合材料》课件——第三章 复合材料的增强体材料
热空气干燥炉(200 ~300℃) 预氧化
多级加热炉
高温炉
(1000～1500℃) （2500℃以上）
碳化
石墨化
PAN原丝
N2 废
气
（
N2 Ar2 CO,
Ar2
CO2, H2, N2.）
PAN基碳纤维生产过程的简图
黏胶碳纤维
• 碳纤维的热稳定性与 Na等含量存在着线 性关系，Na含量愈高，热稳定性愈差。 Na是碳的氧化催化剂，它的存在促进了 碳的氧化。黏胶碳纤维因为碱、碱土金 属含量低，所以热稳定较好。
⑤化学稳定性好，除硝酸等少数强酸外， 几乎对所有药品均稳定；另外，碳纤维 对碱也稳定。
此外，还有耐油、抗辐射、抗放射、吸 收有毒气体和使中子减速等特性。
3.2.2 硼纤维
制备工艺：化学气相沉积（CVD） 2BCl3 + 3H2 2B+6HCl
中心是碳纤维或钨纤维
分两段控温
开始阶段：1100-1200℃，防止生成钨 硼化合物（H2氛围除去表面氧化物） 稳定阶段：1200-1300℃，得到较大的 沉积速度，形成硼纤维。
以氧化铝为主要纤维组分的陶瓷纤维统 称为氧化铝纤维。 影响因素主要是其微结构（气孔、瑕疵、 晶粒大小等）--提高工艺 化学稳定性好，耐高温，绝缘等。
１、玻璃纤维（Glass Fibre, GF或Gt）
1.1 玻璃纤维及其制品； 1.2 玻璃纤维的结构及化学组成； 1.3 玻璃纤维的物理性能； 1.4 玻璃纤维的化学性能。
3.2.3碳化硅纤维
碳化硅纤维（Silicon Carbide Fibre， SF或SiCf）是以碳和硅为主要组分的一 种陶瓷纤维。
界面及界 面反应层
制备SiC纤维：
第三章复合材料的增强材料PPT课件
面再沉积一层碳。 ➢ 商品牌号:SCS-2，SCS-6，SCS-8，SCS-9等。
（例如SCS-2是在纤维表面涂有1μm厚的碳层。 SCS-9是直径为80μm的较细的纤维。） ➢ 特现性出：了C优V异D的-S高iC温/C强纤度维。用于Si3N4基复合材料时表
SiC纤维
PC-SiC纤维(前驱体法) • 将以有机硅聚合物形式的硅，与碳为主的材料进行多羧硅
• 玻璃纤维的最大特征是拉伸强度高，一根连续纤维的拉伸强度，E玻 璃可达3400MPa，而S玻璃可达4800MPa。
• 玻璃长纤维的70%以上用于强化树脂，其余的多用于电绝缘，工业机 器等。
玻璃纤维
玻璃纤维
玻璃纤维
3.1.3 高熔点金属纤维
➢ 种类：Ta、Mo、W、Nb、Ni与不锈钢纤维等 ➢ 制备方法：拔丝 ➢ 特点：直径可以自由地选择。通常10～600μm。 ➢ 优点：
烷纺丝，经热氧化不熔处理后，烧成而制。 • 成分接近Si3C4O。以β-SiC为主。 • 纤维直径为～14μm • 在1200～1300℃烧成时可获得最高的抗拉强度与弹性模
量。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱiC纤维
• 结构：热分解碳呈2～5nm的结晶状态。Si的氧化 物呈非晶状态，彼此均匀分布。
• 物理性能：电阻率随烧成温度而异。可在106～ 103Ωcm的范围变化。
• 用途：该类纤维用于强化环氧树脂基复合材料， 其压缩强度和冲击强度与碳纤维强化环氧树脂相 比，可提高2倍。且由于具有电波透过性，可用于 雷达无线电罩。该类纤维也用于强化Al基复合材 料。不仅力学性能优异，且容易形变加工。
SiC纤维
• 将非晶结构Si-Ti-C-O等的材料进行纺丝，再经热氧化不融 处理，烧成制作了纤维。该类纤维的直径可达10μm以下， 且柔韧性好，所以适合于三维编织物。纤维的高温性能较 好，用其强化的复合材料不仅在与纤维平行方向强度很高， 而且在纤维垂直的方向上也获得了较高的强度。该类纤维 对金属、陶瓷的适应性较好，可望得到大的发展。
（例如SCS-2是在纤维表面涂有1μm厚的碳层。 SCS-9是直径为80μm的较细的纤维。） ➢ 特现性出：了C优V异D的-S高iC温/C强纤度维。用于Si3N4基复合材料时表
SiC纤维
PC-SiC纤维(前驱体法) • 将以有机硅聚合物形式的硅，与碳为主的材料进行多羧硅
• 玻璃纤维的最大特征是拉伸强度高，一根连续纤维的拉伸强度，E玻 璃可达3400MPa，而S玻璃可达4800MPa。
• 玻璃长纤维的70%以上用于强化树脂，其余的多用于电绝缘，工业机 器等。
玻璃纤维
玻璃纤维
玻璃纤维
3.1.3 高熔点金属纤维
➢ 种类：Ta、Mo、W、Nb、Ni与不锈钢纤维等 ➢ 制备方法：拔丝 ➢ 特点：直径可以自由地选择。通常10～600μm。 ➢ 优点：
烷纺丝，经热氧化不熔处理后，烧成而制。 • 成分接近Si3C4O。以β-SiC为主。 • 纤维直径为～14μm • 在1200～1300℃烧成时可获得最高的抗拉强度与弹性模
量。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱiC纤维
• 结构：热分解碳呈2～5nm的结晶状态。Si的氧化 物呈非晶状态，彼此均匀分布。
• 物理性能：电阻率随烧成温度而异。可在106～ 103Ωcm的范围变化。
• 用途：该类纤维用于强化环氧树脂基复合材料， 其压缩强度和冲击强度与碳纤维强化环氧树脂相 比，可提高2倍。且由于具有电波透过性，可用于 雷达无线电罩。该类纤维也用于强化Al基复合材 料。不仅力学性能优异，且容易形变加工。
SiC纤维
• 将非晶结构Si-Ti-C-O等的材料进行纺丝，再经热氧化不融 处理，烧成制作了纤维。该类纤维的直径可达10μm以下， 且柔韧性好，所以适合于三维编织物。纤维的高温性能较 好，用其强化的复合材料不仅在与纤维平行方向强度很高， 而且在纤维垂直的方向上也获得了较高的强度。该类纤维 对金属、陶瓷的适应性较好，可望得到大的发展。
复合材料的增强材料
第三章复合材料的增强材料
第一节玻璃纤维 （2）丝根冷却器 二、连续玻璃纤维制造方法
25
第三章复合材料的增强材料
第一节玻璃纤维 二、连续玻璃纤维制造方法
⑶
单
丝 涂 油 器
26
第三章复合材料的增强材料
第一节玻璃纤维 二、连续玻璃纤维制造方法 （4）喷雾器、集束器、分束器
⑶
27
第三章复合材料的增强材料
丝毡，主要是利用其耐酸性较好，可以置于玻璃钢表面层，提高制 品耐化学性。 在我国 A 玻璃也即平板玻璃，多为乡镇企业用在陶土坩埚生产 玻璃钢增强材料。这种陶土坩埚拉制的高碱玻璃纤维由于性能很差， 国家不允许将其应用在玻璃钢生产中。
12
第三章复合材料的增强材料
第一节玻璃纤维 ⑹E-CR玻璃
是一种改进的无硼无碱玻璃，用于生产耐酸耐水性好的玻璃纤 维，其耐水性比无碱玻纤改善 7~8 倍，耐酸性比中碱玻纤也优越不
3
第三章复合材料的增强材料
第一节 玻璃纤维
㈠.模压和手工制作的玻璃：要求熔融玻璃冷却时 黏度随温度变化缓慢。
㈡.管状玻璃和机械吹制的玻璃器皿：要求熔融玻 璃冷却到最低工作温度时要迅速增大黏度以使其凝固。 ㈢.对于玻璃纤维生产而言，它既要求玻璃液粘度 随温度有较快的变化速率，从而有利于在将玻璃液从 丝根处拉下时能使其在冷却下迅速硬化定形；但又要 求粘度曲线不能过快上升，以致妨碍将玻璃丝拉制到 预定的直径。
1
复合材料概论
第三章 复合材料的增强材料
二、复合材料的基体
聚合物基体(热固性包括不饱和聚酯树脂、环氧树 脂、酚醛树脂等和热塑性树脂）、金属基体和陶瓷基 体。
2
复合材料概论
第三章 复合材料的增强材料
第三章__复合材料的增强体
32
四、氧化铝纤维
氧化铝纤维具有优异的机械强度和耐热性能，抗 拉伸强度大，弹性模量高，化学性质稳定，耐高温，
多用于高温结构材料，也可用做高温绝缘滤波器材料。
33
氧化铝短纤维制备：
离心甩丝法：将熔融的氧化铝陶瓷熔体流落到 高速旋转的离心辊上，甩成细纤维。
34
氧化铝长纤维制备： 烧结法：以Al2O3细粉与Al(OH)3及少量Mg(OH)2
烯 腈 （ PAN ） 纤 维 、 人 造 丝 （ 黏 胶 纤 维 ） 、 沥 青
（Pitch）等。碳纤维的制备一般都包括三个阶段。
7
（1）稳定化处理： 又称不溶化处理或预氧化处理，目的是使原丝变成不溶
不熔的，以防止在后来的高温处理中熔融或者粘连，通
常在 100 300 C 范围内进行。
（2）碳化热处理：
此阶段称为石墨化过程。形成的石墨纤维弹性模量大大
提高。该步骤不是每种碳纤维都必须的。
9
制造碳纤维的5个阶段：
拉丝 牵引
稳定
碳化
石墨化
10
碳纤维（以PAN为原料） polyacrylonitrile 聚丙烯腈
原丝 制造 安定 化 硫 酸 脱 氢 ， 桥 接 反 应 ， 嘧 啶 聚 合 物 碳化 在 氮 气 中 加 热 一 千 至 两 千 度 稳定 化 碳 、 氮 等 结 合 反 应 ， 脱 氢 反 应 精整 表面 处理 表 面 形 成 氢 氧 基 ， 或 涂 有 机 聚 合 物
26
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。
复合材料增强体课件
02 复合材料增强体制备方法
原材料选择与处理
01
02
03
原材料类型
选择合适的增强体原材料， 如玻璃纤维、碳纤维、芳 纶纤维等。
原材料处理
对原材料进行预处理，如 切割、打磨、清洗等，以 适应后续制备工艺。
原材料质量控制
确保原材料的质量和稳定 性，以满足复合材料的性 能要求。
制备工艺流程及设备
工艺流程
汽车工业领域应用案例分析
节能减排需求
汽车工业领域对节能减排有很高的要求，复合材料增强体能够提供 轻量化的材料，降低汽车重量，从而减少燃油消耗和排放。
安全性需求
汽车在行驶过程中会受到各种外力的作用，复合材料增强体具有较 好的抗冲击性能和耐磨损性能，能够提高汽车的安全性。
舒适性需求
汽车内部需要提供舒适的乘坐环境，复合材料增强体具有较好的隔音、 隔热性能，能够提高汽车的舒适性。
弹性模量
通过弹性模量测试，可以了解复合材料在受力作用下的弹 性变形性能。弹性模量反映了复合材料抵抗变形的能力。
弯曲强度
弯曲强度表征了复合材料在承受弯曲载荷时的承载能力。 这种测试通常在三点或四点弯曲试验中进行，以确定材料 的最大弯曲应力。
拉伸强度与压缩强度
通过在特定方向上对复合材料施加拉力或压力，可以测定 其承受最大应力的能力。拉伸强度和压缩强度是评估复合 材料承受载荷能力的重要指标。
随着物联网、大数据等技术的发展，复合材料增强体将向智能化方向发展，实现材料的在 线监测、预测和调控。
技术挑战与对策分析
加强基础研究
对策分析
针对这些技术挑战，可以采取以 下对策
加大对复合材料增强体基础研究 的投入，深入了解其性能和机理， 为技术突破提供理论支持。
第三章--复合材料的增强体
400℃下经24h，强度下降50%；
500℃下经24h，强度下降70%；
600℃下经24h，强度下降80%；
26
（6）电性能：
玻璃纤维的导电性主要取决于化学组成、温度和湿度。
无碱纤维的电绝缘性比有碱纤维优越，碱金属离子增加，
电绝缘性能变差；温度升高，电阻率下降；湿度增加电阻率下
降。
在玻璃纤维中加入大量的氧化铁、氧化铅、氧化铜、氧化
强度不如E玻纤，价格便宜。
有碱玻璃（A玻璃）纤维：含碱量高，强度低，对潮气侵蚀敏感，很少
用作增强材料。碱性氧化物含量大于12%。
特种玻璃纤维
20
玻璃纤维的化学组成：
化学组成主要为：二氧化硅、三氧化二硼、氧化钙、
三氧化二铝等。
玻璃纤维中加入氢化纳、氢化钾等碱性物质为助熔剂：
通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，从而降低玻璃的熔化温
5
13.0
1500
20
12.5
1210
90
12.7
860
1560
13.0
720
25
（4）耐磨性和耐折性差：
纤维表面吸附水分后能加速裂纹扩展，降低其耐磨性
和耐折性。
（5）热性能：导热系数小0.035W/(m.K)，
耐热性较高（软化点550~580℃）
热处理对强度的影响：300℃下经24h，强度下降20%；
层处理（增加硼纤维的辅助保护层，使其在高温下不与基材
反应）
11
三、碳化硅纤维（SiC）
碳化硅纤维具有优异的力学性能（如直径为
10~15μm的纤维，拉伸强度为2500~3000MPa，弹性模
量为180~200GPa，密度为2.55g/cm3）、耐热氧化性
500℃下经24h，强度下降70%；
600℃下经24h，强度下降80%；
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（6）电性能：
玻璃纤维的导电性主要取决于化学组成、温度和湿度。
无碱纤维的电绝缘性比有碱纤维优越，碱金属离子增加，
电绝缘性能变差；温度升高，电阻率下降；湿度增加电阻率下
降。
在玻璃纤维中加入大量的氧化铁、氧化铅、氧化铜、氧化
强度不如E玻纤，价格便宜。
有碱玻璃（A玻璃）纤维：含碱量高，强度低，对潮气侵蚀敏感，很少
用作增强材料。碱性氧化物含量大于12%。
特种玻璃纤维
20
玻璃纤维的化学组成：
化学组成主要为：二氧化硅、三氧化二硼、氧化钙、
三氧化二铝等。
玻璃纤维中加入氢化纳、氢化钾等碱性物质为助熔剂：
通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，从而降低玻璃的熔化温
5
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1210
90
12.7
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（4）耐磨性和耐折性差：
纤维表面吸附水分后能加速裂纹扩展，降低其耐磨性
和耐折性。
（5）热性能：导热系数小0.035W/(m.K)，
耐热性较高（软化点550~580℃）
热处理对强度的影响：300℃下经24h，强度下降20%；
层处理（增加硼纤维的辅助保护层，使其在高温下不与基材
反应）
11
三、碳化硅纤维（SiC）
碳化硅纤维具有优异的力学性能（如直径为
10~15μm的纤维，拉伸强度为2500~3000MPa，弹性模
量为180~200GPa，密度为2.55g/cm3）、耐热氧化性
复合材料学的基体材料和增强材料各论
设计人员可根据所需制品对力学及其它性能的要求， 对结构设计的同时对材料本身进行设计。
具体体现在两个方面
力学设计—— 给制品一定的 强度和刚度
功能设计——给 制品除力学性能 外的其他性能
3、工艺性能好 复合材料的工艺性能十分a、优电越绝，缘其性成能好型，方不法受
多种多样，成型条件机动灵活。电磁作用； 具1导的/体1热玻0到0系 璃～玻数 钢1璃/小 可1纤0， 耐0维0是瞬；增金时特强属高殊树材温类脂料。型基复合bc制、、材品可微料。制波特作穿性成透：不性带好静；电的
碳纤维II/环氧 1.45
1.5
1.4
1.03
0.97
碳纤维I/环氧
1.6
1.07
2.4
0.67
1.5
有机纤维/环氧 1.4
1.4
0.8
1.0
0.57
硼纤维/环氧
2.1
1.38
2.1
0.66
1.0
硼纤维/铝
2.65
1.0
2.0
0.38
0.57
由表1-2可见：FRC的密度约为钢的1/5，铝的1/2
比模量：高模量碳纤维/环氧复合材料为钢的5倍，
2007年6月8日， “阿特兰蒂斯”号 航天飞机在位于美 国佛罗里达州卡纳 维拉尔角的肯尼迪 航天中心发射升空， 飞往国际空间站。
美国全部用碳纤维复合材料制成一架八座商用飞机-里尔芳2100号，并试飞成功，这架飞机仅重567kg，它 以结构小巧重量轻而称奇于世。
采用大量先进复合材料制成的哥伦比亚号航天飞机。
无机非金属材料：具有性质稳定，抗腐蚀、 耐高温等优点。但质脆，经不起热冲击。
金属材料：力学性能好，耐高温。但密度 大，抗腐蚀性能差。
复合材料概论课件 王国荣 第三章 复合材料的增强材料
第三章 复合材料的增强材料
• 定义：复合材料中凡能提高基体材料力学性能的物质。
• 纤维：在复合材料中起增强作用，是主要承 力组分。可使复合材料的强度、刚度以及耐 热性、韧性得到较大幅度提高，且可减小收 缩。
• 例如：PS塑料中加入玻璃纤维后 拉伸强度可从600MPa提高到1000MPa, 弹性模量可从3GPa提高到8GPa， 热变形温度可从85℃提高到105 ℃， 使-40 ℃下的冲击强度提高10倍。
纤维种类
E-玻纤 S-玻纤 M-玻纤 棉纤维 铝合金
密度
2.54 2.44 2.89 1.5 2.7
拉伸强度 MPa 3500
4700
3700 300～400 40～460
弹性模量 GPa 72 87
118 10～12
72
3.2.1 物理性能
• 密度: 2.4～2.9； • 耐磨性和耐折性: 都很差； • 热性能: 导热率小0.035W/（m·K），隔热
表3-2 各种金属丝的性能
金属丝 W
密度 19.4
弹性模量 拉伸强度
GPa
MPa
407
4020
熔点 /K
3673
Mo
10.2
329
2160 2895
钢
7.74
196
4120 1673
不锈钢 7.8
196
3430 1673
Be
1.83
245
1270 1553
3.4 有机纤维（芳纶纤维）
➢芳纶纤维（Kevlar纤维)是芳香族聚酰胺类纤 维的总称。最常用的为Kevlar-49。
性好、价格低，但强度不如无碱GF； ➢ 有碱GF（A玻纤）: 碱金属含量>14%，强度低、耐湿热
• 定义：复合材料中凡能提高基体材料力学性能的物质。
• 纤维：在复合材料中起增强作用，是主要承 力组分。可使复合材料的强度、刚度以及耐 热性、韧性得到较大幅度提高，且可减小收 缩。
• 例如：PS塑料中加入玻璃纤维后 拉伸强度可从600MPa提高到1000MPa, 弹性模量可从3GPa提高到8GPa， 热变形温度可从85℃提高到105 ℃， 使-40 ℃下的冲击强度提高10倍。
纤维种类
E-玻纤 S-玻纤 M-玻纤 棉纤维 铝合金
密度
2.54 2.44 2.89 1.5 2.7
拉伸强度 MPa 3500
4700
3700 300～400 40～460
弹性模量 GPa 72 87
118 10～12
72
3.2.1 物理性能
• 密度: 2.4～2.9； • 耐磨性和耐折性: 都很差； • 热性能: 导热率小0.035W/（m·K），隔热
表3-2 各种金属丝的性能
金属丝 W
密度 19.4
弹性模量 拉伸强度
GPa
MPa
407
4020
熔点 /K
3673
Mo
10.2
329
2160 2895
钢
7.74
196
4120 1673
不锈钢 7.8
196
3430 1673
Be
1.83
245
1270 1553
3.4 有机纤维（芳纶纤维）
➢芳纶纤维（Kevlar纤维)是芳香族聚酰胺类纤 维的总称。最常用的为Kevlar-49。
性好、价格低，但强度不如无碱GF； ➢ 有碱GF（A玻纤）: 碱金属含量>14%，强度低、耐湿热
第三篇--复合材料的增强材料教学内容
拉丝
玻纤
1.3 玻璃纤维制备及制品
（1300℃） （102、204、408孔，d=1.5~2mm,玻璃液为1190℃） （d=3~20µ m）
（ 1000~3000m/min）
1.3 玻璃纤维制备及制品
玻璃纤维常用的术语、参数 （1）原纱 GF在制造过程中，单丝经集束后的单股纱。
（2）原纱粗细指标—纤维支数
1.3 玻璃纤维制备及制品
玻纤 纺织、加工 玻纤制品（布、带、毡）
玻璃纤维纱
玻璃纤维布
玻璃纤维带
1.3 玻璃纤维制备及制品
1.3 玻璃纤维制备及制品
工艺中的几个名词的定义： (1)玻璃纤维浸润剂 浸润剂：在拉制玻璃纤维的过程中，把在单根纤维表面涂覆的一种由黏
结组分、润滑组分和表面活性剂等配制而成的乳液。 浸润剂作用：使单丝集束，便于后续的并股、纺织等工序；防止原纱缠
1.4 玻璃纤维的性能
4).耐腐蚀性能
玻璃除了氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对酸、碱、盐以及有 机溶剂具有较好的耐腐蚀能力。玻纤表面积大，故比块状玻璃 耐腐蚀性差。
中碱玻纤耐酸，不耐水不耐碱； 无碱玻纤耐水，不耐酸不耐碱。 （化学介质温度升高，玻纤腐蚀加剧；温度上升10℃， 腐蚀速度提高50%~100% 。）
纤维种类
1
玻璃纤维
2
碳纤维
3
芳纶纤维
4
其它增强纤维
1.1 概述
▪ 玻璃纤维(GF)发展概况 17世纪 ,法国人发明制备玻璃纤维 1920年,美国人发明了坩锅法制备长纤维,GF开始用于复合材料 1960-1970年,池窑拉丝法成为制备GF的主要技术,GF得到广泛应用 至今,有30多个国家生产GF,品种达5000种,其年均增长3%-5%. 国内GF发展起始1950年,1958年后形成规模。1996年，我国GF总量17.2万 t, 居世界第五位.
第三篇复合材料增强材料演示文稿
纤维直径(μm)
13 12.5 12.7 13
平均拉伸强度(MPa)
1500 1210 360 720
② 化学组成对拉伸强度的影响
含碱量越高，强度越低。
无碱玻璃纤维比有碱玻璃纤维的拉伸强度高20%。
玻璃纤维 纤维直径(μm) 拉伸强度(MPa)
无碱
5.01
2000
有碱
4.70
1600
无碱玻璃纤维成型温度高、硬化速度快、结构键能大
第三十页，共90页。
玻璃钢使用的玻璃纤维直径5μm~20μm，其密度较 有机纤维大很多，但比一般金属密度要低。
纤维 名称
羊毛 蚕丝 棉花 人造丝
密度 1.28~ 1.30~ 1.50~ 1.50~ g/cm3 1.33 1.45 1.60 1.60
尼龙 1.14
玻璃纤维 碳纤维
无碱 有碱
1.4
2.6~ 2.4~ 2.7 2.6
玻璃纤维强度随着施加负荷时间的增长而降低
环境湿度较高时，尤其明显
原因：吸附在微裂纹中的水分，在外力作用下，使微 裂纹扩展速度加速。
第三十七页，共90页。
(2)玻璃纤维的弹性
玻璃纤维的延伸率：纤维在外力作用下直至拉断时的伸长百分率
玻璃纤维的弹性模量：在弹性范围内应力和应变关系的比例常数
影响玻璃纤纤维维种的类弹性模量的主弹要性因模素量：(M化P学a)组成
130 0.046~0.053 空气
81
0.058~0.062
水
0.034 0.7~1.3 0.0246
0.60
第四十页，共90页。
(2) 玻璃纤维的耐热性 玻璃纤维的耐热性较高，软化点为550℃~580℃，热膨 胀系数为4.8×10-6 ℃；200℃ ~250℃以下，玻璃纤维 强度不变
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1.3 玻璃纤维制备及制品
（5）玻璃砂的品种与规格
1）品种： 有捻砂和无砂捻
2）规 格：
纱的规格及纱的技术指标
主要有单丝直径、原纱支数、纱的公称支数、断裂 强度及捻度等
3）牌号表示法：
牌号无碱纱4-600/2
股数
单丝 直径
原纱 支数
1.3 玻璃纤维制备及制品
几种国产有捻玻璃纱的规格
1.3 玻璃纤维制备及制品
162
1.28
178
0.54
26
0.21
21
0.22
35
简要概述
☆纤维状材料具有较高的柔曲性. 1/(Mρ)=64/(Eπd4)
表示材料的柔曲性 直径越小，柔曲性越好；柔曲性越好，其可使纤维可以适 应复合材料的各种各样的工艺
☆纤维状材料增强体具有较大的长径比（L/d），可使得其 在复合材料中比其它几何形状的增强体更容易发挥固有的 强度
➢玻璃纤维的分类
按化学组成分： 有碱玻璃纤维（碱金属氧化物MxOy含量大于2%）；
中碱玻纤（ MxOy：6~12% ）；低碱玻纤（ MxOy： 2~6% ）；微碱玻纤（ MxOy：＜2% ）
按纤维使用特性：普通玻纤；电工玻纤（E玻纤）；高强玻纤（S玻
纤或R玻纤）；耐化学药品玻纤（C玻纤） ：
按产品特点分： 长度（定长玻纤，连续玻纤）； 直径（粗纤维
绕成卷时，纤维相互黏结；保护纤维，防止纺织时，纤维的表面磨损而降低 强度
浸润溶种类： A. 纺织型浸润剂。 主要用于玻璃纤维纺织和加工制品。
拉丝
玻纤
1.3 玻璃纤维制备及制品
（1300℃） （102、204、408孔，d=1.5~2mm,玻璃液为1190℃） （d=3~20µ m）
（ 1000~3000m/min）
1.3 玻璃纤维制备及制品
玻璃纤维常用的术语、参数 （1）原纱 GF在制造过程中，单丝经集束后的单股纱。
（2）原纱粗细指标—纤维支数
纤维种类
1
玻璃纤维பைடு நூலகம்
2
碳纤维
3
芳纶纤维
4
其它增强纤维
1.1 概述
▪ 玻璃纤维(GF)发展概况 17世纪 ,法国人发明制备玻璃纤维 1920年,美国人发明了坩锅法制备长纤维,GF开始用于复合材料 1960-1970年,池窑拉丝法成为制备GF的主要技术,GF得到广泛应用 至今,有30多个国家生产GF,品种达5000种,其年均增长3%-5%. 国内GF发展起始1950年,1958年后形成规模。1996年，我国GF总量17.2万 t, 居世界第五位.
1.2 玻璃纤维的结构与组成
➢ 玻璃纤维的结构
两种玻璃结构假说:
1.微晶结构假说:玻璃有 SiO2”微晶子”组成,其间有 硅酸块过冷液填充.
Si
O 2.网络结构假说,见图3-1.
Na ,Ca
GF无规网络模型 图3-1玻璃纤维结构示意图
大量资料表明,玻璃结 构是近程有序的.
1.2 玻璃纤维的结构与组成
1.2 玻璃纤维的结构与组成
➢玻璃纤维的组成 玻璃纤维是由SiO2及各种金属氧化物组成的硅酸盐类
混合物，属无定形离子结构物质。 SiO2：主要组分，形成基本骨架，有高的熔点 金属氧化物：（Al2O3 ，CaO ，MgO ，BeO ，Na2O,K2O，B2O3） 改善制备玻璃纤维的工艺条件(Na2O,K2O为助熔剂，降低熔点) 和性能(BeO，模量 ；B2O3，耐酸 )
2.42 2.23 2.80 2.75 3.43 4.20 4.10 2.20
拉伸模 量
100GPa 0.71
2.16 3.75 1.26 3.82 4.80 2.00 4.10 3.60
比强度 比模量
106N.m/k 106N.m/k
g
g
1.33
28
1.39
124
1.12
188
1.94
88
1.17
A.质量法 质量为1g的原纱的长度来表示 纤维支数（β）＝纤维长度（100m)/纤维质量（100m原纱质
量数） B.定长法 目前国际上统一使用的方法，通称“TEX”（公制号数） 指1000m长的原纱的克质量数。如：4“TEX”指1000m原纱质 量为 4克 （3）捻度：单位长度内纤维与纤维之间所加的转数，以捻/m为单 位。有Z捻（左捻）和S捻（右捻）。 （4）股数N 指由几根原纱合股组成。纱的合股数指以一根原纱为 一股，几根原纱合并起来的原纱根数即为合股纱的合股数N。玻璃 纱的公称支数为原纱支数除以股数。
d>30µm，初级纤维20µm <d<30µm ，中级纤维10µm <d<20µm ，高级纤维3µm <d<9µm ）；外观（连续 纤维，短切纤维，空心玻纤，玻璃粉）
1.3 玻璃纤维制备及制品
➢玻璃纤维的制备 坩埚拉丝法
玻璃球
d=15~18mm M≈10g
造球机
熔炼炉（1260℃）
玻璃原料（砂、 石灰石、硼酸）
池窑法
将玻璃配合料投入熔窑熔化后，直接拉 制成各种支数的玻纤 优点：效率高，生产能力高；
自动化控制，产品质量稳定； 节约原料，便于回收 池窑法与坩埚法最大的不同：原料直接加入窑内 窑炉的熔化面积大, 玻璃液面稳定, 澄清时间长, 池窑的温度波动小等特点,形成的玻璃液质量较好, 为纤维成型提供了良好的条件。
纤维材料的拉伸强度与模量大于相应的块状材料几个数量级
常用增强纤维与金属丝性能对比
密度 g/cm3
无碱玻璃纤维
2.55
高强度碳纤维（II） 1.74
高 模 量 碳 纤 维 （ I ） 2.00
Kevlar49
1.44
硼纤维
2.36
SiC纤维（钨芯） 2.69
钢丝
7.74
钨丝
19.40
钼丝
10.20
抗拉强 度 GPa 3.40
第三篇--复合材料的增强材料
简要概述
▪ 增强材料作用: 显著提高基体材料的机械性能,即赋予复 合材料的高强度和高模量等力学性能
☆增强材料主要类型:纤维状增强材料
材料物理形态
拉伸强度
块状石墨
689MPa
石墨纤维
1700~2800MPa
E-玻璃纤维
3450MPa
尼龙纤维
827MPa
硼纤维
3254MPa
1.3 玻璃纤维制备及制品
玻纤 纺织、加工 玻纤制品（布、带、毡）
玻璃纤维纱
玻璃纤维布
玻璃纤维带
1.3 玻璃纤维制备及制品
1.3 玻璃纤维制备及制品
工艺中的几个名词的定义： (1)玻璃纤维浸润剂 浸润剂：在拉制玻璃纤维的过程中，把在单根纤维表面涂覆的一种由黏
结组分、润滑组分和表面活性剂等配制而成的乳液。 浸润剂作用：使单丝集束，便于后续的并股、纺织等工序；防止原纱缠