第三章 纤维增强改性

2、涤纶（PET）纤维



短切纤维束与玻璃纤维混合可以提高脆性树脂基 体的抗冲击强度； 相对于其他非玻璃增强成分而言，涤纶纤维的成 本较低； 对模具表面的磨蚀作用也比玻璃纤维小 ； 与其它有机纤维相比，具有最高的比模量与比强 度，故又称超高强度聚乙烯(ＵＨＳＰＥ)或超高模 量聚乙烯(ＵＨＭＰＥ)纤维 具有耐磨、耐冲击、耐化学药品、不吸水、密度 小等优点； 原料聚乙烯易得，大规模使用后可大大降低其生 产成本。
无碱玻璃纤维纱
短切玻璃纤维
玻璃纤维布
二、碳纤维
碳纤维是纤维状的炭材料，其化学组成中碳元素占总质量 的90％以上（几乎是纯碳），碳原子间的结合方式为石墨 状，形成石墨晶格结构（“乱层石墨结构” ）。 1、碳纤维的类型 （1）按照原料分：纤维素基（人造丝基）、聚丙烯腈 （PAN）基、沥青基。 （2）按照制造条件和方法分类：碳纤维（800－600℃）、 石墨纤维（2000－3000℃）、活性碳纤维、气相生长碳 纤维。 （3）按性能分类：通用级（GP）、高性能（HP）。通用 级碳纤维的拉伸强度一般低于1400MP a，拉伸模量小于 140GPa.。高性能级碳纤维通常又可分为中强型（MT）、 高强型（HT）、超高强型（UHT）、中模量型（IM）、 高模量型（HM）、超高模量型（UHM）等。
2、热变形温度 添加增强纤维后，热变形温度总有不同程 度的提高； 同样的玻纤含量，非结晶性塑料的热变形 温度提高幅度较小，而结晶性塑料会有很 大幅度的提高；
3、热膨胀系数 随着增强纤维含量的增加，复合材料的热 膨胀系数变得更小； 不仅纤维增强聚合物的模塑收缩率低，并 且成型后的制品尺寸稳定性好； 纤维增强聚合物的热膨胀系数还与基体聚 合物的结晶性、纤维的取向情况有关
拉丝工艺示意图
2、玻璃纤维的分类和性能
(1)按玻璃的组成、特性与用途分类 ①A玻璃（高碱）；②C玻璃（中碱）；③D玻璃（低碱）；④E 玻璃（无碱） ；⑤E－CR玻璃（耐腐蚀）；⑥R玻璃和S玻 璃（高模量高强度）。 (2)按玻璃纤维（单丝）的直径粗细分类 ①初级（＞20μm ）； ②中级（10－20μm）； ③高级（３－９μm ）； ④超级（＜3μm） (3) 按玻璃纤维长度分类 ①连续玻璃纤维（连续长纤维 ）； ②短切玻璃纤维（通常3－ 2Baidu Nhomakorabeamm，也有更长）； ③磨碎纤维（研磨纤维，0.8－ 1.6mm ）。 (4)按玻璃纤维的交织结构划分 ①短切原丝毡（25－50mm随机铺放） ；②连续原丝毡（如 GMT用） ；③玻璃纤维布（如铺叠成型用）
1、 连续长纤维单轴取向时的拉伸性能
2、短切纤维单轴取向时的拉伸性能
3、短切纤维无规取向时的拉伸性能
当纤维沿单轴取向又与拉力同向时，e＝1， 当纤维呈平面内无规取向时e＝0.33。
4、弯曲性能
PA-66／GF复合材料弯曲模 量和玻纤含量的关系
基体改性对玻纤 增强聚丙烯弯曲 性能的影响
5、韧性或冲击强度
第三节
增强材料的表面处理
一、纤维表面处理应遵循的基本原则 1、极性相似原则 2、界面酸碱匹配原则 3、形成界面化学键原则
4、引入可塑界面层原则－实现整体增韧，且 不会出现树脂相和橡胶相并存的现象
二、各类纤维的表面处理
1、玻璃纤维的表面处理 （1）硅烷偶联剂处理 （2）表面接枝处理 （3）酸碱刻蚀处理 2、碳纤维的表面处理 （1）氧化处理法：气相氧化法；液相氧化法； 阳极氧化法；等离子体氧化法 （2）表面涂层改性 （3）表面电聚合改性
六、陶瓷纤维




由金属氧化物、金属碳化物、金属氮化物或 其它化合物组成的多晶体耐火纤维，在此硅 和硼也被视为金属； 主要品种：包括氧化铝纤维、碳化硅纤维、 硅铝纤维以及其他金属氧化物－硅纤维； 质轻、高强度、高硬度、高模量、耐高温； 两个显著缺陷：成本高、固有的脆性（复合 过程中会导致纤维断裂）


在纤维增强聚合物复合材料中，冲击能量的分 散通常是通过纤维与界面的脱粘、纤维拔出、 纤维与基体的摩擦及基体的变形来实现。为了 同时获得较高的拉伸强度与冲击强度，需要使 纤维增强聚合物复合材料中有适度的界面结合 强度。 复合材料的韧性或冲击强度还与基体材料、纤 维长度及增韧剂有关。
6、蠕变与疲劳 加入增强纤维可以大大降低聚合物的蠕变和 应力松驰的程度； 纤维增强热固性聚合物的抗蠕变性比纤维增 强热塑性聚合物要好得多 ； 长纤维增强聚合物复合材料的耐蠕变性比短 纤维增强复合材料要好得多（尤其在高温 下） ； 增强纤维的加入还可提高基体聚合物的耐疲 劳性；
九、植物纤维
1、纤维素的分子结构
2、具有反应活性的基团对于热、力学、化学等环境作用 极其敏感，使纤维素很容易降解。 3、纤维素具有吸水性，吸湿率可达8－12%。吸水的纤 维素加工性能很差。 4、植物纤维最突出的优点是资源丰富、价格低廉、具有 生物降解性和可再生性；对设备的磨耗小； 5、耐热性差（反应在加工过程与制品使用）。
八、导电性TRF纤维
Ti-Si-C-O纤维（简称TRF） 是最新开发的一种在力学性能和功能化方 面最优异的增强纤维； 高强度、低密度、耐高温、有导电性、结 节强度大、对金属及塑料反应性小、湿润 性好等一系列优异特性。 抗电磁波干扰（通过调节电导率，实现对 一定波长电磁波的吸收或透过）。
四、纤维增强聚合物复合材料的 其它性能
1、磨损性 复合材料中使用纤维可以提高表面硬度和 聚合物的耐磨损性; 碳纤维、芳纶纤维、UHMWPE纤维能降低 摩擦系数，再配合添加硅油、硅酮或PTFE 粉末等会有更好的效果； 使纤维沿着与滑移运动相垂直的方向取向 将有利于提高复合材料的耐磨损性；
3、超高分子量聚乙烯纤维(ＵＨＭＷＰＥ)



四、硼纤维


比强度及比弹性模量极高，因而作为轻质 高强结构材料，特别引人注目； 价格比碳纤维高得多 ；
五、石棉纤维




天然的多结晶质无机纤维； 温石棉（适合TP）：水合氧化镁硅酸盐类 化合物，单纤维是管状的，内部具有毛细 管结构（其内径约为0.01μ，外径约为 0.03μ，当十万根石棉纤维集成一束时，其 直径约为20μ）； 与采用玻璃纤维增强相比，石棉增强聚合 物的制品变形小，耐燃性增加，对成型机 械的磨损较小，并且价格低廉； 石棉增强聚合物制品的电气性能、着色性 较差。
3、界面相


一个多层结构的过渡区域：包含了基体聚合物 与增强纤维的部分原始接触面及相互扩散层， 基体聚合物与增强纤维表面的反应产物等。 增强纤维－基体聚合物界面必须有适当的界面 结合力，并由此产生复合效果和界面强度，从 而能促使负荷从基体聚合物传递到增强纤维。
三、纤维增强聚合物复合材料的力 学强度
七、金属纤维





包括不锈钢纤维、铜纤维、铝纤维、镀镍的玻璃 纤维或碳纤维（主要用在要求导电或电磁屏蔽的 复合材料中）； 易形成导电网络（较大的长径比和接触面积）； （通常体积含量为3～10%，即具有良好的导电 性与电磁屏蔽性能） 对电导率的影响规律与填充炭黑的情形相似 ； 添加量一定时,纤维直径越小、长径比越大，导电 性越好； 复合的过程中，要尽量避免纤维断裂，注射时宜 降低螺杆转速和背压，提高机筒和模具温度，有 时为提高分散的均匀性，还需加入适当的加工助 剂等。
6、成型加工性能



第二节
一、玻璃纤维
增强纤维
1、有关玻璃纤维的几个概念 单丝：由坩埚漏板一个漏孔中拉成的丝 原丝及股：由漏板漏孔拉成的单丝经集 束轮汇成之一束即成原丝或称股。 纱：原丝经退绕加捻而成基本单纱、 合股后称合股纱。 捻度：指每一米玻璃纤维原丝经过多少 转的加捻次数，以捻／米表示。 无捻粗纱：浸有强化型浸润剂的原丝成 股后不经加捻而合股者。 支数：一克原丝的长度（以米计），称为该原 丝的支数。



按纤维的排列 单向、双向与三向纤维
按纤维的长度
连续、长、短与磨碎纤维 按纤维的材料组成 玻璃、碳、芳纶、金属 （如GFRP 、GFRTP、CFRP、CFRTP）
（3）按复合方式划分
预混复合、浸渍复合、层叠复合、骨架复合
二、纤维增强聚合物复合材料中的 基本单元
纤维增强聚合物复合材料的三种基本单元： 增强相（纤维） 基体相 1、纤维 2、聚合物 界面相
2、基体相 作用：是将应力传递和分配到各根纤维上 以及将各孤立的纤维粘接在一起并使其按 要求取向。同时基体也使纤维作为一个整 体来抵抗负荷下的破坏和变形。
纤维增强聚合物复合材 料中的基体在断纤维界 面周围传递应力的结果， 使得复合作用的原理在 即使纤维全部断开后仍 然在起作用。因此，可 用大量短纤维来代替贯 穿整个材料的长纤维作 增强材料。
第三章 纤维增强改性 聚合物复合材料
第一节 第二节 第三节 第四节 纤维增强改性聚合物的基本原理 增强纤维 增强材料的表面处理 纤维增强聚合物复合材料的制造
第一节 纤维增强改性 聚合物的基本原理
一．增强改性及其类型 1、增强改性 增强改性是在聚合物基体中加入增强材料以 改进聚合物性能，特别是力学性能的一种 改性方法.
3、界面相
连续纤维 （单轴取向） ／聚合物复 合材料理想 模型
1、纤维




一类长度（纵向尺寸）与横（径）向尺寸比值（通 常称为纤维的长径比L／D）很大）（至少为10：1 至100：1）的材料。 纤维临界长度 Lc：指以基体包裹纤维的复合物在 顺纤维轴向拉伸，当从基体传到纤维上的应力刚能 使纤维断裂时纤维的应有长度。通常Lc／D在100－ 200的范围。 为使纤维能够发挥较好的增强作用，必须使纤维 （直径为D）的长度超过临界长度 Lc。（加工过 程中纤维的断裂应予以重视） 纤维的取向方式：单轴取向、交叉定向、无规取向
2、使用纤维增强聚合物的主要目的 （1）提高比强度与比模量（比强度是指材料 的强度与相对密度之比值） （2）提高减震(阻尼）特性 （3）提高抗疲劳性 （4）提高过载安全性 （5）提高耐热性 （6）降低成型收缩率与线膨胀系数
3、纤维增强聚合物基复合材料的类型
（1）按基体材料划分 纤维增强塑料（树脂基）（FRP，FRTP） 纤维增强弹性体（橡胶基） （2）按增强材料划分
2、碳纤维的性能 与玻璃纤维比较，碳纤维具有： 高弹性模量、在湿态条件下的力学性能保 持率好； 较低的蠕变性和热膨胀系数； 更低的密度； 优异的导热与导电性； 自润滑性与耐磨性； 良好的耐化学腐蚀性、
三、有机聚合物纤维
1、芳纶（芳香族聚酰胺）


耐高温的合成纤维，长期连续使用温度为－200－200℃， 最高使用温度达240℃,Ｔｇ>300℃,分解温度为500℃； 高阻尼特性和低磨耗性； 各向异性小； 在与聚合物的混炼过程中也不像玻璃纤维和碳纤维那样易于 脆性断裂。
• 结晶性聚合物在其玻璃化温度Tg以上的热膨 胀系数明显高于Tg 以下时的热膨胀系数； • 纤维取向的结果，会使顺料流方向的线膨胀 系数较小，而垂直于料流方向的线膨胀系数 较大；
4、电性能 具有导电性的纤维：碳纤维（石墨纤维）、金属纤 维 8 导静电用途：体积电阻率＜10 Ω· cm（最好＜ 106Ω· cm） 0 电磁屏蔽用途：体积电阻率＜10 Ω· cm以下,（最 好＜10-1Ω· cm） 电磁屏蔽性能S(dB)的计算（经验公式）: S(dB) = 50 + 10lg(1/ρf) + 1.7t(f/ρ)1/2 为了有利于导电通道的形成，在加工与成型过程中 除应确保纤维的良好分散外，还应使纤维保持尽可 能高的长径比；
5、耐化学药品性

添加玻璃纤维增强成分有利于提高基体聚合物在化学试剂 （包括水）的作用下保持原有性能的能力； 加入增强纤维，可以提高许多聚合物（尤其是非晶态聚合 物如聚碳酸酯）的耐环境应力开裂能力。 纤维含量越高，复合物的熔融粘度越高，流动性越差； 工艺技术上，既要能使玻璃纤维在制品中得到均匀分散， 获得良好的制品外观，又要尽可能使玻璃纤维在成型过程 中少受损伤； 熔料流动时的纤维取向，易造成制品物理机械性能的各向 异性； 纤维的取向易产生和流动方向成垂直方向的收缩率差，对 薄壁大面积制品尤其应注意； 对FRTP，若加工过程中处理不当，制品的熔接缝处强度 会显著降低。