复合材料增强体

（2）按单丝直径分 粗 纤 维 （ 30μ m ， 无 捻 粗 纱 ） ， 初 级 纤 维 （20μ m），中纤维（10～20μ m，短切纤维毡）， 细 纤 维 （ 3 ～ 9μ m ， 纺 织 纤 维 ） ， 超 细 纤 维 （<4μ m）。纤维粗细表示方法： 重量法：1克原纱的长度（米）称为支数，如40支 纱。 定长法：1000米长原纱的克数，单位tex，如4tex。 （3）按纤维外观分 连续纤维（包括有捻、无捻粗纱，纺织纤维等）， 短切纤维，空心玻璃纤维等。 （4）按纤维特性分 高强、高弹、低介电、耐高温、耐酸、耐碱、普 通玻璃纤维。
K2 O
Fe2O3 F
<0.5
1.5
0.5
4.0
0.2
0.3 0.3


2.1.3 玻璃纤维的制造方法 1．制造原丝 （1）连续纤维。 1）坩埚拉丝。玻璃原料—池窑熔化—成球—铂坩埚再 熔化—拉丝 2）池窑拉丝。玻璃原料—池窑熔化—铂漏板拉丝 （2）短纤维。 喷吹法或离心甩丝法。 2．玻璃纤维纱的制造 玻璃纤维纱分为无捻纱及有捻纱两种。无捻纱用增强型 浸润剂，原纱直接并股、络纱而成；有捻纱用纺织型浸 润剂，原纱经过退绕、加捻、并股、络纱而成。 3．玻璃纤维布的制造 使用有梭织机、箭杆织机、箭带织机、喷气织机通过经、 纬纱交织成布。
2.2.2 碳纤维的特点及分类
1．特点 低密度、高强度、高模量、耐高温、抗化学腐 蚀、低电阻、高导热、低热膨胀、耐辐射、柔 顺、可编织等，但性脆、抗冲击性和高温抗氧 化性差。 2．分类 （1）按碳纤维的性能分：普通碳纤维、高强度 碳纤维、高模量和中模量碳纤维。 （2）按制造原料分：PAN（聚丙烯腈）基碳纤 维、粘胶基碳纤维、沥青碳纤维等。 （3）按碳纤维的功能分：受力结构用碳纤维、 耐焰碳纤维、活性碳纤维、导电用碳纤维、润 滑用碳纤维、耐磨用碳纤维。
图2-4 不同性能沥青基碳纤维和石墨纤 维生产工艺示意图
图2-5 炭化温度对碳纤维强度的影响
图2-6 碳纤维结构的微纤模型
图2-7 皮芯结构的碳纤维三维结构模型
2.2.6 碳纤维的物理性能和化学性能 碳纤维除了被氧化外，对一般酸、碱是惰性的， 400℃以上出现明显氧化；不接触空气、氧气时， 耐高温，高于1500℃强度才开始下降；耐低温， 在液氮温度下不脆化；耐油、抗辐射和放射， 减速中子，吸附有害气体。 密度1.5～2.0g/cm3； 热膨胀系数平行于纤维方向为-0.72～-0.90×106℃-1，垂直于纤维方向为32～22×10-6℃-1；比 热0.712kJ/(kg· ℃)； 热导率平行方向0.04Cal/(s· ℃)，垂直方向 cm· 0.002Cal/(s· ℃)； cm· 25℃下电阻率，高模量纤维775μΩ·cm，高强度 纤维1500μΩ·cm。
表2-1 国内外常用玻璃纤维的成分
国内 成分 无碱1 无碱2 中碱5 号 号 号 SiO2 Al2O3 B2O3 CaO MgO Na2O 54.1 15.0 9.0 16.5 4.5 <0.5 54.5 13.8 9.0 16.2 4.0 <0.2 9.5 4.2 11.5 67.5 6.6 A 72.0 2.5 0.5 9.0 0.9 12.5 C 65.0 4.0 5.0 14.0 3.0 8.5 0.5 D 73.0 4.0 23.0 4.0 4.0 4.0 国外 E 55.2 14.8 7.3 18.7 3.3 0.3 10.0 9.0 6.0 S 65.0 25.0 R 60.0 25.0
碳纤维及其带、毡、布
2.2.3 聚丙烯腈碳纤维 有机纤维碳化法。聚丙烯腈纤维由丙烯腈（CH2=CHCN）聚 合而成。 1．喷丝 湿法、干法或熔融法，形成先驱丝。 2．预氧化处理 将PAN先驱丝在氧化气氛中200～400℃预氧化处理，使链状 PAN分子发生交联、环化、氧化、脱氢等化学反应，放出 H2O、HCN、NH3和H2等分解产物，以承受更高的碳化温度、 提高碳化得率。预氧化处理要使先驱丝保持牵扯引状态，使 先驱丝拉长。 3．碳化 在高纯氮气中慢速加温到1200～1800℃，在高温下除去非碳 （H、O、N）元素，生成碳含量95%的碳纤维。 4 ．石墨处处理 在氩气保护下，快速加热到2000～3000℃，使碳变成石墨结 构，石墨的六角形平面与纤维轴平等，以提高弹性模量。层 内E=1000GPa，层间E=35GPa。
表2-2 玻璃纤维的物理性能
性能 A 拉伸强度（原纱）/GPa 拉伸弹性模量/GPa 3.1 73 C 3.1 74 2.46 玻璃纤维 D 2.5 55 2.14 E 3.4 71 S 4.58 85 R 4.4 86
延伸率/%
密度/(g· -3) cm
3.6
2.46
3.37
2.55
4.6
2.5
2.1.5 玻璃纤维的表面处理
拉丝时需要涂一层浸润剂，其作用： （1）粘附纤维，防止纤维散乱。 （2）防止纤维相互摩擦。 （3）防止纤维粘结成一体。 （4）便于纺织加工。 纺织型——石蜡乳液，含石蜡、凡士林、硬脂酸等矿物 脂类，影响树脂浸润，浸胶前须除去。 增强型——聚醋酸乙烯酯，影响不大，不须除去。用于 无捻粗纱、无捻粗纱织物、短切纤维和短切纤维毡。 偶联剂具有两种不同性质的官能团，一端亲树脂，另一 端亲玻璃纤维，形成玻璃纤维/偶联剂/树脂的界面层， 最常用硅烷偶联剂。 表面处理方法三种：前处理、后处理和迁移法。
（1）拉伸强度，3～9μ m纤维达1500～4000MPa，
比一般合成纤维高10倍，比合金钢高2倍 。 （2）高强度的原因，块玻璃强度仅40～100MPa， 纤维高强的主要原因是产生微裂纹的几率大减少。

（3）影响强度的因素 A．纤维直径，纤维越细，强度越高。 B．纤维长度，纤维越长，强度越低。 C．化学组成，碱金属氧化物含量越高，强度越低。 D．存放时间，纤维老化，强度下降，与碱含量、 湿度有关。 E．施加负荷，纤维疲劳，与碱含量、湿度有关。 （4）弹性 延伸率：一般3%左右，较有机纤维低。 弹性模量：一般70GPa，高模量纤维达130GPa。 与铝相似，仅为钢的1/3。
3. 其它物理性能 （1）耐磨性和耐折性，耐磨性和耐折性都很差， 容易受伤或断裂，需表面处理。 （2）热学性能 导热性能：玻璃导热系数0.6～1.1kCal/m· h， ℃· 玻璃纤维只有0.03kCal/m· h。优良的绝热材料。 ℃· 耐热性：耐热性好，普通纤维470℃以下对强度影 响不大，石英和高硅氧玻璃纤维可达1000℃。 （3）电性能，电绝缘性能好，可得到半导体或导 电材料。 （4）光学性能，透光性能远不如块玻璃，光学纤 维用于现代通讯。
8
2～3
0.0005 3.85 0.006 0.0009 1019 0.0039 6.11
4
1.541 0.0015 6.2 0.0093
4. 玻璃纤维的化学性能
玻璃纤维除了对氢氟酸、浓碱和浓磷酸以外，对其它化 学药品和有机溶剂具有良好的化学稳定性。 （1）侵蚀介质对玻璃纤维的腐蚀机理 水、普通酸和碱主要通过溶解表面的金属离子，破坏硅 酸盐。 氢氟酸、浓碱和浓磷酸直接破坏玻璃网络骨架。 （2）影响化学稳定性的因素 化学组成，耐碱性均较差。 纤维表面状况，纤维直径越小，表面积越大，化学稳定 性越差。 侵蚀介质温度越高，侵蚀越严重。
5.2
2.55
比强度/（MN· -1） kg
比模量/（MN· -1） kg
1.3
30 1.520
1.3
30
1.2
26
1.3
28 1.548
1.8
34 1.523 0.0072 5.6
ຫໍສະໝຸດ Baidu
1.7
34
线膨胀系数/（10-6K-1）
折光系数 介电损耗正切：106Hz 介电常数：1010Hz 106Hz 功率因数：1010Hz 106Hz 体积电阻率/（μ Ω · m） 1014
2 复合材料增强体
2.1 玻璃纤维增强体
玻璃纤维：含各种金属氧化物硅酸盐经熔融后 拉丝而成的无机纤维。 2.1.1 玻璃纤维的发展历史 出现于20世纪30年代，50年代杜邦公司发明硅 烷偶联剂，1958年开始池窑拉丝。 2010年，全球连续玻璃纤维产能达到460万吨左 右，我国突破250万吨大关。其中，巨石、泰山、 重庆国际等三大玻纤巨头玻纤总量达到145万吨 左右，其中出口量达到67万吨。
图2-1 坩埚拉丝生产玻璃纤维的工艺过程
图2-2 池窑拉丝法制备玻璃纤维工艺过 程
玻璃纤维生 产线示意图
2.1.4 玻璃纤维的物理性能
1. 外观和密度
表面光滑不利于与树脂的粘结，直径1.5～30μ m， 大多4～14μ m。 密度2.16～4.30g/cm3，与铝合金相似。
2. 力学性能
5. 加捻玻璃纤维布 （1）平纹布，编织紧密，交织点多，表面平整，但强度较 低，气泡不易排除。 （2）斜纹布，较致密，柔性好，铺覆性较好，强度较大。 （3）缎纹布，质地柔软，铺覆性好，强度较大，与模具接 触好。 （4）纱罗和席纹布 纱罗特点每一根纬纱处有两根经纱绞合的织物，稳定性好； 席纹指两根或多根经纱在两根或多根纬纱的上下进行交织的 织物。 6. 玻璃带 7. 单向织物 8. 三向织物 9. 组合增强体 将短切原丝毡、连续原丝毡、无捻粗纱织物和无捻粗纱等， 按一定顺序组合起来的增强体。
图2-3 PAN碳纤维生产主要过程
2.2.4 沥青基碳纤维 沥青基碳纤维是自由取向结构，具有中等强度和模量。 其制造工艺过程与聚丙烯腈基相似，分为：熔融纺丝、 氧化、碳化、石墨化。 2.2.5 碳纤维的结构 碳纤维由原纤组成，原纤是宽度约20nm、长为几百纳米 的细长条带结构，原纤之间存在空隙，空隙与原纤的长 轴方向大体沿纤维轴向平行排列，并呈一定角度（约 8°），它决定碳纤维的弹性模量。 原纤由许多碳纤维的二级结构单元石墨微晶组成，石墨 微晶由几张至几十张石墨层片叠合而成。 高模量碳纤维以石墨层面的优先取向平行于纤维轴的方 式组成的螺旋层晶体。对于PAN基碳纤维，石墨层片与 层片间距d减小，石墨微晶结晶的取向度Z°减小，碳纤 维的弹性模量升高。
玻璃纤维织物
2.2 碳纤维增强体
碳纤维：将有机纤维（如聚丙烯腈纤维、粘胶 纤维、沥青纤维等）在惰性气体中经高温碳化 处理制成的含碳量在95%以上的无机纤维。 2.2.1 碳纤维的发展历史 1959年美国联合碳化物公司通过热解人造丝制 造出碳纤维Thornel-25。碳纤维直径7～10μ 。 1962年日本碳素公司实现了聚丙烯腈基碳纤维 的工业化。
2.1.2 玻璃纤维的特点及分类 1．特点：成本低、不燃烧、耐热、耐化 学腐蚀、拉伸强度高、断裂伸长度小、绉 热性和绝缘性好。 2．分类 （1）按玻璃化学组成分 无碱玻璃纤维（E纤维），R2O<1%。 低碱玻璃纤维，R2O=2～6%。 中碱玻璃纤维，R2O=6～12%。 特种玻璃纤维，高强、高弹、耐腐蚀、高 硅氧、石英玻璃纤维等。
2.1.6 玻璃纤维制品的性能与应用 1．玻璃纤维无捻粗纱 单丝直径13～23μm，分为多股无捻粗纱和直接无捻粗纱。 可直接用于缠绕成型、拉挤成型，也可切短后用于喷射 成型、预成型坏、SMC和模压预浸料工艺。 2．无捻粗纱方格布 3．玻璃纤维毡片 （1）短切原丝毡：10～12μm玻璃纤维切成50mm左右长， 撒上聚酯粉末加热熔化粘结而成。 （2）连续原丝毡：11～20μm玻璃纤维随机铺在网带上， 撒上聚酯粉末加热熔化粘结而成。 （3）表面毡：具有纤维分散均匀，表面平整，手感柔 顺，透气性好，树脂浸透速度快等特点。 （4）针刺毡。 4．缝合毡 用缝合机将短切纤维或长玻璃纤维缝合成毡，不用粘结 剂。