第三章 复合材料的增强体

第三章复合材料的增强体

1.被用于复合材料的增强体主要有高性能纤维，晶须，金属丝片装物和颗粒等。其中发展最快已经大批量生产和应用的增强纤维是碳纤维

2.作为复合材料的增强体应具有以下基本特性

①增强体应具有能明显提高基体某种所需特性的性能

②增强体应具有良好的化学稳定性

③与基体有良好的润湿性

3.增强体的分类

①纤维类增强体：纤维类增强体有连续长纤维和短纤维。增强体纤维主要包括无机纤维和有机纤维。无机纤维主要有碳纤维，氧化铝纤维，碳化硅纤维，硼纤维，氮化硼纤维，氮化硅纤维硅酸铝纤维及玻璃纤维等。有机纤维分为刚性分子链和柔性分子链两种

②颗粒类增强体：由于颗粒增强物成本低，制成的复合材料有各向同性，因此在复合材料中的应用发展非常迅速，尤其是在汽车工业中。

③晶须类增强体：晶须增强复合材料的性能基本上是各向同性的。将陶瓷薄片叠压起来形成的陶瓷复合材料具有很高的韧性。

4.碳纤维：一般将小于1500℃碳化处理成的称为碳纤维，将碳化处理后再经高温石墨化处理（2500℃）的碳纤维称为石墨纤维。碳纤维强度高，而石墨纤维模量高，以制取碳纤维的原丝分类，碳纤维可分为聚丙烯腈基碳纤维，黏胶基碳纤维，沥青基碳纤维和木质素纤维基碳纤维。以其性能分类，可分为高强度碳纤维，高模量碳纤维和中模量碳纤维。后者有耐火纤维，碳质纤维和石墨纤维等。

5.碳纤维的制造。只能以有机物为原料，采用间接法制造。制造方法可分为两种类型，即气相法和有机纤维碳化法。

①气相法：在惰性气氛中小分子有机物在高温沉积成纤维。用该法只能制取短纤维或晶须，不能制取连续长丝

②有机纤维碳化法：将有机纤维经过稳定话处理变成耐焰纤维然后再在惰性气氛中进行高温煅烧碳化使有机纤维失去部分碳和其他非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维。可制造连续长纤维。天然纤维，再生纤维，合成纤维均可制备碳纤维

6.目前为止，制作碳纤维的原料主要有三种：人造丝；聚苯烯腈纤维；沥青。无论用何种原丝纤维制造碳纤维，都要经过五个阶段：拉丝，牵引，稳定，碳化，石墨化。无论采用什么原材料制备碳纤维，均需经过上述五个阶段，即原丝预氧化，碳化以及石墨化，所产生的最终纤维其基本成分为碳。

黏胶纤维是一种纤维素纤维，最早用来生产脱黏纤维的原丝

1.用沥青为原料制造碳纤维，比用聚苯烯腈和黏胶纤维制备碳纤维有更丰富的原料来源，且属于综合利用，可降低成本。制备碳纤维的沥青主要有石油沥青，煤焦沥青和聚氯乙烯沥青。

2.碳纤维的力学性能影响碳纤维的弹性模量的主要因素是晶粒的取向度，而热处理条件的张力是影响这种取向的主要因素。碳纤维的拉伸强度，弹性模量与材料的固有弹性模量，纤维的轴向取向度，结晶厚度，碳化处理的反应速度常数的关系如下。碳纤维的力学性能除了取决于纤维的结构之外，与纤维的直径，纤维性能测试试样的标距长短都有关系

3.先驱体法制备碳化硅纤维的主要工艺流程为聚碳硅烷合成，聚碳硅烷纺丝，不熔化处理，烧结等阶段。

4.以氧化铝为主要纤维组分的陶瓷纤维称为氧化铝纤维。一般将含氧化铝大于70%的纤维称为氧化铝纤维，而将氧化铝含量小于70%，其余为二氧化硅和少量杂质的纤维称为硅酸铝纤维。

5.氧化铝连续纤维的制备方法有烧结法，先驱体法和熔融纺丝法

6.氧化铝纤维作为增强材料，具有优异的机械强度和耐热性能，直到1370%其强度仍下降不大。氧化铝纤维的强度和其他性能主要取决于其微观结构。如气孔，瑕疵及晶粒的大小等对纤维的性能有显著的影响，而纤维的微观结构主要取决于纤维的制备方法和工艺过程。

7.玻璃纤维是目前使用量最大的一种增强纤维。国外玻璃纤维的特点是普遍采用池窑拉丝技术，大力发展多排多孔拉丝工艺，用于玻璃钢的纤维直径逐渐变粗，其直径为14-24微米，重视纤维-熟知界面研究，发展多种偶联剂，加强玻璃纤维的

8.微晶结构假说认为，玻璃是由硅酸块或者二氧化硅的微晶子组成，在微晶子之间由硅酸块过冷溶液填充。

9.网络结构假说认为，玻璃是由二氧化硅的四面体，铝氧三面体或硼氧三面体相互连成不规则三维网络，网络间的空隙由Na,K,Ca,Mg等阳离子所填充。二氧化硅四面体的三维网状结构是决定玻璃性能的基础，填充的阳离子称为网络改性物

10.影响玻璃纤维强度的因素玻璃纤维的拉伸强度随着直径的变细而增加拉伸强度随着长度的增加显著下降纤维强度与玻璃化学成分关系密切

11.硼酸铝晶须的制备方法熔融法气相法内熔剂法外熔剂法