第三章__复合材料的增强体

改 性 的 丙 烯 纤
稳 定 纤
维
尺 寸
维
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碳纤维（以沥青为原料）
沥青 （相对分子质量500） 加热350℃ 平面缩合芳香环分子 （分子质量大于1000）
脱水缩合反应
数量超过40% 液晶连续相
从均质沥青中 分离出液晶
高分子量分子数量增多
表面张力作用
纺丝 沥青液晶纤维
碳化
碳纤维
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碳纤维
各种碳纤维的力学性能
原 料 抗拉强度（MPa） 686 2744 784 弹性模量 （GPa） 39 490 39 延伸率（%） 1.8 0.6 2.0
人造丝（低弹性模量丝） 人造丝（高弹性模量丝） 沥青（低弹性模量丝）
沥青（高弹性模量丝）
PAN（高强度丝） PAN（高弹性模量丝）
2450
3430 2450
343～490
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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。
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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。
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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
温和电绝缘性能好。缺点是脆性大，易折断，模量低， 不耐磨，长期放置强度会稍有下降。
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（1）外观和比重：表面光滑，密度2.16~4.30g/cm3。 （2）表面积大
（3）拉伸强度高：1500~4000MPa

原因：微裂纹理论：玻璃纤维高温成型时减少了玻璃溶液的不均
匀性，使微裂纹产生机会减少。玻璃纤维断面较小，随着表面积减 少，微裂纹存在概率也相应减少。
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分类：

纤维类（连续长纤维和短纤维） 颗粒类 晶须类 金属丝 片状物
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3.2 无机非金属纤维
一、碳纤维
是由碳元素组成的一种高性能增强纤维。最高强度可
达7000MPa，弹性模量可达900GPa，密度约为
1.8~2.1g/cm3，并具有低热膨胀、高导热、耐磨、耐高温、 耐腐蚀等性能。
特种玻璃纤维
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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 度和粘度，使玻璃熔液中气泡易排除。
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玻璃纤维的物理性能：
玻璃纤维拉伸强度高，防火，防霉，防蛀，耐高

纤维比表面增大其相应的耐腐蚀性降低。 侵蚀介质体积和温度：温度升高，化学稳定性降低；介 质体积越大，对纤维侵蚀越严重。
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影响因素：纤维直径大小（直径wenku.baidu.com，拉伸强度大），纤维长度
（长度增加拉伸强度下降），化学组成（含碱量增加，强度下降），
纤维存放时间，纤维成型方式等。
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玻璃纤维拉伸强度与直径的关系
纤维直径/μm 160 106.7 拉伸强度/MPa 175 297 纤维直径/μm 19.1 15.2 拉伸强度/MPa 942 1300
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。
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（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：
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制造技术的改进：

采用成本低廉、表面涂钨（或碳）的石英玻璃纤维芯材替代 钨丝和碳丝；

改进设备：采用辅助外部加热装置和射频加热装置实现反应 温度的均匀分布；

对硼纤维进行后处理：化学处理（消除表面缺陷）和表面涂 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）
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三、碳化硅纤维（SiC）
（rayon）基碳纤维、沥青（pitch）基碳纤维。
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碳纤维的制造
碳纤维是有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物
碳 。含碳95%左右的称为碳纤维；含碳量99%左右的
称为石墨纤维。 碳纤维主要的制备工艺是先驱体转换法，即将有机纤维 （原丝）经过稳定化处理后，再在惰性气氛的高温下热 解碳化，形成碳纤维。制备碳纤维的主要原材料有聚丙
碳纤维由高度取向的石墨片层组成，具有明显的各向异性，沿纤
维轴向性能高，沿横向性能差。
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碳纤维历史： 1960’s左右，在日本首先采用PAN原丝制成高性能碳 纤维。目前以美国和日本为首，已研制成许多品种的高 性能碳纤维。 碳纤维分类： 碳纤维是一个通用名称，表示一系列由不同原材料和工 艺方法制备的、主要由碳元素构成的纤维。根据原材料 的 不 同 可 分 为 聚 丙 烯 腈 （ PAN ） 基 碳 纤 维 、 黏 胶
有机化合物在惰性气氛中加热到 1000-2000 C 时，
非碳原子（氮、氢、氧等）将逐步被驱除，碳含量逐步
增加，固相间发生一系列脱氢、环化、交链和缩聚等化 学反应，形成由小的乱层石墨晶体组成的碳纤维。
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（3）石墨化热处理：
当温度升到 2000 3000C 时，非碳原子进一步排除， 反应形成的六角平面逐步增加，排列也较规则，取向度 显著提高，由二维乱层石墨结构向三维有序结构转化，




上海交通大学 北京化工大学 湖南大学 山西煤炭化学研究所 北京航空材料研究院 沈阳飞行设计研究所 全国特种合成纤维研究中心
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碳纤维
该领域的主要课题与研究热点 需要解决的课题：原丝质量、原始创新、自力更生、 精诚协作 优质原丝是生产高性能碳纤维的前提。高纯、高强、高取
向度

碳纤维的价格 （美元/kg）
年代 价格 1975 200 1980 80 1985 50 1990 21 1995 20 2000 17
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碳纤维
国内主要研究与生产单位

历史与现状
20世纪60年代起步
70年代中试 强度2.5GPa，与日本相差5年 75、85、95为攻克T300 （日 本已经淘汰） 年产数十吨 （美国A厂1800 吨，37440万美圆）
225 392
0.5～0.7
1.5 0.6
13
碳纤维
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镀 镍 碳 纤 维
15
碳短纤维
16
碳 纤 维 织 物
17
碳 纤 维 不 织 布
18
碳纤维轮毂
碳纤维管
19
碳纤维板
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碳纤维方向盘
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碳纤维自行车
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碳纤维
制备方法及相应的纤维小结

纤维素纤维：复杂应力，石墨化收得率低 沥青纤维：原料便宜，收得率高；杂质影响性能 PAN纤维：基础研究全面，工艺成熟
70.6
50.8 33.5 24.1
356
560 700 821
9.7
6.6 4.2 3.3
1670
2330 3500 3450
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玻璃纤维拉伸强度与长度的关系
纤维长度/mm 5 纤维直径/μm 13.0 拉伸强度/MPa 1500
20
90 1560
12.5
12.7 13.0
1210
860 720
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硼纤维
过高： BCl3的流量 芯线的温度 芯线拉卷速度 反应槽的长度 晶化使晶界变弱，
与芯线反应
析出速度
随着温度的 升高而增大
生成脆性层
过低：
硼之间的结合力 变弱
最佳温度范围

在硼纤维开发的初期，作为芯线大多是钨丝芯线（纤维为100μm时， 芯线为13μm，150μm时为约20μm），后来从成本上考虑，多使用 碳的芯线（约30μm）。一般市场上所出售的硼纤维直径为150μm， 实际应用中还可以再粗一些：例如300μm。
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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。
硼纤维的表面形貌和断口形貌
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硼纤维
H2+BCl3
H2
卷线轴 H2+HCl 反应区

芯线
预热区

将所需金属或非金属的化合物盐（主要为挥发性卤化物）气化， 与H2等气体一起加热，并使其与基体接触。由于热分解或还原反 应，就可以使金属或化合物在基体上析出。该过程称为化学气相 沉积。 将BCl3与作为载体的H2一起加热，并使其在钨丝或者碳丝上流过， 发生下述反应。2BCl3+3H2→2B+6HCl 则可在细丝上析出硼，以适当的速度拉卷细丝，则可以得到硼纤 维。
第三章
复合材料的增强体
3.1 增强体概念及分类

概念：
增强体是复合材料中能提高基体材料力学性
能的组元物质，是复合材料的重要组成部分，起
着提高基体的强度、韧性、模量、耐热、耐磨等 性能的作用。
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增强体具备的特性：

应能明显提高某种所需特性的性能； 具有良好的化学稳定性； 与基体有良好的润湿性
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（7）光学性能
玻璃纤维的透光性比玻璃差。
玻璃纤维可用于通信领域以传送光束或光学物象。
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玻璃纤维的化学性能：
玻璃纤维除对氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对所有
化学药品和有机溶剂都有良好的化学稳定性。
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影响玻璃纤维化学稳定性的因素：

玻璃纤维的化学成分：主要取决于二氧化硅及碱金属氧 化物的含量。二氧化硅含量多稳定性增强，碱金属氧化 物多则使稳定性降低。
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无碱玻璃纤维（E玻纤）：以钙铝硼硅酸盐组成，纤维强度高，耐热性 和电性能优良，抗大气侵蚀，化学稳定性较好（不耐酸）。碱性氧化 物含量小于1%。 中碱玻璃纤维：碱金属氧化物含量在11.5%~12.5%之间。耐酸性好， 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%。
预氧化是控制碳纤维质量的重要因素。防熔、防燃，耐热
梯形结构
碳化和石墨化工艺是制备高性能碳纤维的关键。高纯
氮气或氩气保护，脱氮交联，排除非碳元素，瞬时排出热解产物
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二、硼纤维（B）
硼纤维具有较低的密度（2.4~2.6g/cm3）、较高
的强度、很高的弹性模量和熔点（2000℃以上）及
较高的高温强度。
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
能、耐化学腐蚀性能。
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碳化硅纤维的应用：
喷气发动机涡轮叶片、飞机螺旋桨受力部件、 大口径军用步枪枪筒套管、坦克履带、火箭推进剂 传送系统、先进战斗机的垂直安定面、火箭发动机 外壳等。
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。
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制造碳纤维的5个阶段：

拉丝 牵引


稳定
碳化

石墨化
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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
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氧化铝长纤维制备：
熔融法：将Al2O3在坩埚中加热熔化（约 2400℃），熔融的氧化铝通过喷丝板，以一定的速率 拉出，冷却凝固形成直径为50~500μm的氧化铝连续 纤维。
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五、玻璃纤维
玻璃纤维是以玻璃球或废旧玻璃为原料经
高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制成，单
丝直径为几微米到几十微米。
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 铋或氧化钒，会使纤维具有半导体性能。在玻璃纤维表面涂覆 金属或石墨，可获得导电纤维。
混合成一定黏度的纺丝料进行干法纺丝，纺成的丝在
1000℃以上高温烧结成Al2O3纤维，为减少表面缺陷，
常在纤维表面途覆一层0.1μm的SiO2涂层。
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氧化铝长纤维制备：
先驱体法：将烷基铝或烷氧基铝与水进行水解缩 合为聚铝氧烷，再与有机聚合物混合制成浆液，用干 法纺丝后，在空气中逐步加热，形成α-Al2O3纤维。
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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%； 400℃下经24h，强度下降50%； 500℃下经24h，强度下降70%；