第4章复合材料的增强体.

2. 碳纤维的制造工艺
碳纤维的制备过程包括：热稳定化处理、碳化处理及石墨化处理。 （1）聚丙烯腈（PAN）碳纤维 PAN 是一种主链为碳链的长链聚合物，链侧有腈基，原丝 分子链由CH2 =CHCN 构成。
PAN 碳纤维的制备过程：
第一步 预氧化 ，预氧化 的主要目的是使原丝中的链状PAN分 子环化脱氢, 转化为耐高温不熔化的网络状刚性分子。 第二步 碳化 ，碳化一般在高纯的惰性气体保护下预氧丝加热 至1200~1800℃以除去其中的非碳原子，生成含碳量在90%以 上的碳纤维。 第三步 石墨 温度为2000~3000 ℃。进一步完善石墨片层结 构和取向，提高碳纤维的弹性模量。
（2）强度和模量高 高强度碳纤维的拉伸强度可达7000Mpa ，模量可达400Gpa。 （3）线膨胀系数小，热导率高 平行于纤维方向为负值 （ -0.90~ -0.72）×10 -6/℃ 垂直于纤维方向为正值 （5.5~ 8.4）×10 -6 /℃ 比热一般为 7.12kJ/（kg. ℃ ）； 平行于纤维方向热导率为16.75 W /（m.K）。 垂直于纤维方向热导率为0.84 W /（m.K）。
纤维类增强体
玻璃纤维 碳纤维 氧化铝纤维 碳化硅纤维 硼纤维 有机纤维 碳化物 氧化物 氮化物 硼化物 碳化硅晶须 氧化铝晶须 高强度钢丝
增强体的分类 颗粒类增强体
晶须类增强体
金 属 丝
不锈钢丝 铍丝 钨丝
3.2
3.2.1
无机非金属纤维
玻璃纤维
玻璃纤维是一类重要复合材料增强体，早在1938年由美国欧 文斯-康宁公司生产。 1. 玻璃纤维的分类
以玻璃原料成分分类
（1） 无碱玻璃纤维（E纤维） 以钙铝硼硅酸盐组成的玻璃纤维，这种纤维强度较高，耐热 性和电性能优良，能抗大气侵蚀，化学稳定性好，但不耐酸。
（2）中碱玻璃纤维（C 纤维） 碱金属氧化物含量在2%～6% 之间，主要成分为钠硼硅酸盐。 强度不如E纤维高，但耐酸性好。
（3）有碱玻璃纤维（A纤维） 碱金属氧化物含量在10%以上，主要成分为钠钙硅酸盐。
第三章
3.1 概述
复合材料的增强体
增强体是指在复合材料中起着提高基体强度、模量、耐热、 耐磨等性能作用的重要组成部分。 增强体的性能要求： 1)、增强体应具有能明显提高基体某种所需特性的性能， 如高的比强度、比模量、高导热性、耐热性、耐磨性、低 膨胀性。 2)、增强体应具有良好的化学稳定性。 3)、增强体与基体有良好的润湿性，或通过表面处理能与基 体良好润湿性。
耐碱玻璃纤维 耐酸玻璃纤维
2 . 玻璃纤维的结构和成分 玻璃具有无定形结构，没有一般结晶材料的长程有序特征。
3-1
3-1
3. 玻璃纤维的制造
玻璃纤维的制造方法有十几种，最主要的是坩埚法和池窑法。 1） 坩埚法 将砂、石灰石和硼砂与玻璃原料干混后wk.baidu.com在大约 1260℃熔炼炉中熔融后拉丝而得。
3-2
应用
从20世纪40年代初玻璃钢问世至90年代后期，世界玻璃钢的年 总已达300万吨，产品种类超过4万种。
3.2.2 碳纤维 碳纤维是利用含碳量较高的有机纤维、沥青纤维经过严格控 制的热处理过程碳化而制成。 1. 碳纤维的分类 （1） 按采用的前驱体不同分类 人造丝基、聚丙烯腈、沥青基、酚醛基、粘胶基 （2） 按热处理温度和气氛介质分类 碳纤维 （800 ~1600℃；H2，N2） 石墨纤维 （2000 ~3600℃；H2 或Ar）
3. 碳纤维的结构
碳和石墨纤维层面主要是以碳原子共价键相结合，而层与层之 间是以范德华力相连接，因此碳和石墨纤维是各向异性材料。
碳纤维原丝
碳纤维
碳纤维原丝 生产线
碳纤维原丝 生产线
碳化车间
4. 碳纤维的性能特点
（1）密度小。 PAN 系碳纤维的密度在1.73~2.00 g/cm3之间。 沥青系碳纤维的密度在1.60~2.20 g/cm3之间。 密度增大，弹性模量也增大。
力学性能
为什么同组分玻璃纤 维的强度与块状玻璃 相比要强得多?
玻璃存在许多微小裂纹，裂纹的数量越多，对应材料的强度就会越低。玻璃 纤维，直径达到微米级，如此小的直径，裂纹很少、也很难出现，材料的缺 陷少，对应强度就高。
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。
（3）
按力学性能分类 超高模量型（UHM系列，弹性模量>400 Gpa）
高模量型（HM系列，弹性模量= 300-400 Gpa） 高性能级（HP） 超高强度型（UHT系列，抗拉强度>2.76Gpa） 高强度型（HT系列，抗拉强度=2.0-2.75Gpa） （4） 按用途分类
宇航级小丝束碳纤维（24K以下） 工业级大丝束碳纤维（24K以上） （1K为1000根单丝）
（2） 沥青基 碳纤维
沥青是一种带有烷基支链的稠芳碳氢化合物的混合物，其 含碳量高，价格低，是制造碳纤维的重要原料。 沥青基碳纤维的制造过程与PAN碳纤维制造过程相似。 （3） 粘胶（rayon） 碳纤维 粘胶（rayon）一种热固性聚合物。 粘胶（rayon）纤维制备过程： 第一步：稳定化处理，在空气和富氧气氛中加热到400℃以下。 第二步：在1500℃以下氮气氛中碳化处理。 第三步：在2500℃以上碳化处理。
强度低、耐老化性差，耐酸性也不如C纤维。 （4） 特种玻璃纤维 由纯镁铝硅三元组成的高强度纤维（S纤维） 由硅铝钙镁组成的耐腐蚀纤维 以单丝直径分类： 粗纤维 ：30μm 初级纤维 ：20μm
中级纤维 ：10～20μm
高级纤维 ：3～10μm
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
2） 池窑法
池窑法省去了制玻璃珠和二次熔融的过程，比坩埚法节 能50%左右，生产稳定，适用于大规模生产。
3-3
4. 玻璃纤维的性能与应用
物理性能: （1） 玻璃纤维的密度为 2.16- 4.31g/cm3，， 热膨胀系数为4-5*10-6 /K
（2）耐热性能较好，软化温度为550 -580℃
（3）一般为电绝缘性，随碱金属离子增多，电绝缘性变差。电 阻率随温度升高而下降。 （4）玻璃是优良的透光材料，但制成纤维后对光的反射折射较 强，因而其透光性远不如块状玻璃。