第3章___复合材料的增强材料讲解

颗粒在复合材料中的增强作用 特殊功能:耐磨、减磨、抗电弧冲击等。 (1) 陶瓷 / 铝复合材料中的陶瓷颗粒 ,SiC/ 钢复合 材料中的SiC颗粒:提高耐磨性能。 (2) 石墨 / 铝复合材料中的石墨颗粒 : 自润滑性能 和减磨作用。 (3) 受电弓滑板用铜基或铝基 / 石墨复合材料 : 石 墨粒子的作用是减磨和抗电弧冲击。
以纤维直径分类： 粗纤维（30μm）；初级纤维（20μm）；中级 纤维（10~20μm）；高级纤维（3~10μm）。 对于单丝直径小于4μm的玻璃纤维称为超细纤 维。 直径不同，性能不同，生产工艺不同、成本不 同。 玻璃钢的纤维直径有细向粗方向发展，国外一 般 为 14~24μ m ， 甚 至 达 到 27μ m ， 国 内 为 6~8μ m。
玻璃纤维的弹性模量 玻璃纤维的弹性模量约为7×104MPa，与铝相 当，只有钢的1/3。 玻璃纤维的弹性模量主要与化学组成和结构有 关，与纤维的直径无关。加入BeO，MgO能提 高玻璃纤维的弹性模量；含BeO的高弹剥离纤 维（M）的弹性模量比无碱玻璃纤维（E）提 高60%左右。
玻璃纤维的延伸率 玻璃纤维的应力 - 应变基本上是一条直线，没 有塑性变形阶段。 玻璃纤维的延伸率很小，且与直径有关。直径 9~10μm纤维的延伸率最大只有2%左右，5μm 的纤维延伸率约在3%。 玻璃纤维的耐磨和耐折性 玻璃纤维的耐磨性和耐折性都很差。
玻璃纤维的导热性 玻璃导热系数为0.6~1.1千卡/米.度.时，而玻璃纤 维的导热系数是 0.03 千卡 / 米 . 度 . 时，远低于玻璃 的导热系数。玻璃纤维是一种良好的绝热材料。 一般材料的导热系数随温度而变化，但玻璃纤维 的导热系数与温度的关系不大。 玻璃纤维的热膨胀系数 玻璃纤维的热膨胀系数为4.8×10-6℃。
纤维在复合材料中起的增强作用 承载，提高材料的抗拉强度和刚度。 减少收缩。 提高热变形温度和低温冲击性能等。 聚苯乙烯塑料+玻璃纤维: (1)抗拉强度可以从600MPa提高到1000MPa; (2)弹性模量从3000MPa提高到8000MPa; (3)热变形温度从85℃提高到105℃; (4)-40℃的冲击韧性提高10倍。
玻璃纤维的耐热性 耐热性较高，软化点为550~580℃。 是无机纤维，不会燃烧。 将在某一极限温度之前，纤维的强度基本不变。 但超过这极限温度，冷却下来，强度则明显下 降。加热温度越高，强度下降就越多。 300℃下24小时加热，强度下降20%； 400℃下24小时加热，强度下降50%； 500℃下24小时加热，强度下降70%； 600℃下24小时加热，强度下降80%。
增强材料种类很多，有纤维材料、也有颗粒材 料；有金属(钨丝)，也有非金属（陶瓷、玻璃 纤维、硼纤维、碳纤维、碳颗粒等）。 选用什么样的增强材料取决于零件的使用要求， 以及增强材料要达到的目的。
3.1
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玻璃纤维
玻璃纤维
玻璃纤维
玻璃纤维的分类 以玻璃原料成分分类，这种分类方法主要用于 连续玻璃纤维的分类。一般以不同的含碱量来 区分。 以纤维直径分类 以纤维外观分类 以纤维特性分类
玻璃纤维的物理性能 玻璃纤维密度为 2.16~4.30 ，与铝合金相当。 一般无碱玻璃纤维的比重比有碱纤维要大。 玻璃纤维的表面积大，表面处理效果对复合材 料的性能影响很大。 玻璃纤维具有许多优良的性能： 强度高，防火、防霉、防蛀，耐高温，绝缘性 能好。 玻璃纤维的缺点： 脆性大，不耐腐蚀，对人的皮肤有刺激性。
以纤维外观分类 连续纤维、短切纤维、空心玻璃纤维、磨细纤维 和玻璃粉等。 以纤维特性分类 高强玻璃纤维、高模量玻璃纤维、耐高温玻璃纤 维、耐碱玻璃纤维、耐酸玻璃纤维和普通玻璃纤 维（指无碱或中碱玻璃纤维）。
玻璃纤维的结构及化学组成 玻璃的结构一般称为非晶态，是一种近程有序 结构。 玻璃纤维与普通玻璃结构相同，但抗拉强度高 许多倍。为什么？ 玻璃纤维的化学组成主要是： SiO2 、 B2O3 、 CaO 、 Al2O3 。可以调整，以满足不同使用性 能和工艺性能的要求。以SiO2为主的玻璃称为 硅酸盐玻璃，以B2O3为主的玻璃称为硼酸盐玻 璃。组成物不同对玻璃纤维的性质和生产工艺 起到决定性的影响。
玻璃纤维 以原料成分分类： 无碱玻璃纤维（ E 玻纤）：强度较高、耐热性 和电性能好，抗大气腐蚀，化学稳定性好（但 不耐酸）。碱金属氧化物含量 ≤0.5%（国内规 定），国外一般为1.0%左右。增强纤维中E玻 纤约占总量20%左右。 中碱玻璃纤维：碱金属氧化物含量 11.5%~12.5%，耐酸性好，强度比 E玻低，价 格低，主要用于耐腐蚀领域。约占玻纤增强材 料的80%左右。 有碱玻璃纤维（A玻纤） ：含碱量高，强度低， 对潮气侵蚀敏感，很少作为增强材料。 特种玻璃纤维：用于特定的场合。
玻璃纤维的强度 φ 5~8μ m玻纤的拉伸强度高达 1000~3000MPa，而一般玻璃抗拉强度是 40~120MPa。 强度随直径变细而增加 ，长度增加而下降。 化学组分：含碱量越高，强度越低。 纤维的老化：无碱玻纤存放2年后强度基本不 变，有碱玻纤强度不断下降，开始比较迅速， 以后逐步缓慢，存放2年后强度下降33%。 纤维的疲劳：吸附水，使强度下降。
玻璃纤维的化学性能 玻璃是一种非常好的耐腐蚀材料，纤维的耐腐蚀 性能远不如玻璃。因为玻璃纤维的比表面积大。 玻璃纤维除对氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对其他 所有的化学物品和有机溶剂具有良好的化学稳定 性。
影响玻璃纤维化学性能的因素： 组分的影响 中碱玻璃纤维耐酸性较好，对水的稳定性较差； 无碱玻璃纤维耐酸性较差，但对水的稳定性却 较好。中碱玻璃纤维和无碱玻璃纤维的耐碱性 程度相接近。 表面状态和温度的影响 纤维比表面积大，耐腐蚀性能明显差。纤维越 细，化学稳定性越差。温度越高，纤维的耐蚀 性越差。
玻璃纤维的电性能 主要取决于化学组成、温度和湿度： 无碱玻璃纤维的电绝缘性能比有碱纤维优越得 多——无碱纤维中碱金属离子少的缘故。 玻璃纤维的电阻率随温度升高而下降。 在玻璃纤维中加热氧化铁、氧化铅、氧化铜、 氧化铋和氧化钒，会使纤维具有半导体特性。 在玻璃纤维上涂敷金属或石墨，能获得导电纤 维。