复合材料

玻璃纤维的制造

1、原料：砂岩、石灰石、蜡石、硼酸及粘土等化工原料按比例计量、调配、混合后送入熔窑内制成玻璃液，玻璃也自熔窑中流出，制成直径1.8cm的玻璃球，作为拉丝的原料

2. 制造工艺以E玻璃纤维为例

原料：硅土、石灰石、粘土、萤石、硼酸和硫酸钠；主要成分：SiO2和 CaO；还有

AL2O3、MgO、B2O3、Na2O+K2O。

3. 玻璃纤维的整理剂：石蜡乳剂和聚醋酸乙烯酯粘合剂、润滑剂和反应基：

(1) 粘合剂：纤维不散乱而相互粘附在一起，提高长丝的强力；(2) 润滑剂：防止纤维间的磨损，降低CV与纺织加工设备上部件的摩擦系数；(3) 反应基：改善其与树脂的亲和作用。

玻璃纤维的性能

1. 力学性能(1) 拉伸强度：高，3-9微米的玻纤1500-4000MPa，较一般合纤高10倍，比合金钢高2倍。影响强力的因素：纤维直径和长度玻璃化学成分存放时间负荷时间玻纤的成型方法和成型条件

纤维的老化：主要取决于纤维对大气水分的化学稳定性。无碱玻纤老化非常慢，有碱玻纤较快

纤维的疲劳：玻璃纤维的强度随着施加负荷时间的增长而降低的情况。湿度增加，这种现象更明显。60-65%相对湿度，长期张力作用下都会有很大程度的疲劳

疲劳原因：吸附作用影响，即吸附于并渗透到纤维微裂纹中的水分，在外力作用下加速了微裂纹的扩展。

加工条件：玻璃硬化速度快，拉制的玻纤强度高。

(2) 弹性模量和延伸率：弹性模量与纤维直径大小、表面磨损程度无关，而取决于玻璃结构本身，约275.6cN/dtex，延伸率3%左右，表现为脆性。

(3) 耐磨性和耐扭折性：很差，摩擦和扭折易使纤维受伤断裂。表面吸附水分能加速纤维受摩擦和扭折时的微裂纹扩展，使耐磨和耐扭折性降低，可以对玻璃表面进行处理。

2. 热性能 (1)导热性：非常小，室温下，热导率为0.027W/(m.k)，200-300℃时，0.06-0.08，是一种耐高温的隔热材料，是优良的绝热材料

(2)耐热性：耐热性较高，软化温度550-850 ℃。热处理后强力下降一般钠钙玻纤加热到470 ℃强度变化不大；石英和高硅氧玻纤耐热到2000 ℃以上

3. 介电性能：同玻璃一样，在外电场的作用下，由于纤维内的离子产生迁移而导电。

介电性与化学组成、环境的温湿度有关。

4. 光学性能：具有优良的光学性能，可制作透明玻璃钢用于屋面采光材料，并可用作制造光导纤维管，是现代通讯中的重要材料。

5. 化学稳定性：与化学组成有关与温度的高低有关

主要成分是SiO2，其次是碱金属氧化物，一般情况是： SiO2含量多则化学稳定性高，碱金属氧化物多则降低。增加SiO2或Al2O3,或加入ZrO2及TiO2(耐酸)提高SiO2，或加入CaO, ZrO2及ZnO(耐碱）加入Al2O3、ZrO2、TiO2（耐水）Zr——锆

碳纤维复合材料的发展

碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳，它不属于有机纤维范畴，是一种非金属材料。从制作工艺考虑，与普通无机纤维有较大区别。

石墨纤维的结构类似石墨，具有金属光泽，导电性好，含杂质极少

碳纤维的分类

2. 根据碳纤维原料类型分：丙烯腈基碳纤维沥青基碳纤维纤维素基碳纤维

其他有机纤维基碳纤维：天然纤维、再生纤维、缩合多环芳香族等合成纤维

3.根据碳纤维的功能分：受力结构用碳纤维耐燃碳纤维活性碳纤维（吸附活性）导电用碳纤维耐磨用碳纤维

碳纤维的制造方法：气相法、有机纤维碳化法

使用有机纤维作原料在无氧条件下经高温处理而得到，原料受以下条件限制：聚合物不熔融；聚合物在热裂解中损失要小；在热裂解中产生的碳骨架，应尽可能容易再结合成石墨的结构单元。一般用：聚丙烯腈纤维、沥青、粘胶等

1. 工艺过程：聚丙烯腈预氧化炭化处理碳纤维石墨化处理石墨纤维石油沥青蒸馏处理熔融纺丝预氧化碳化处理石墨化处理

碳纤维的表示方法

碳纤维纱常用K表示其粗细程度或线密度大小。1K表示纱体中含有1000根碳纤维单丝。不同的生产厂家和产品牌号，单丝的直径略有区别。一般碳纤维纱常用的K值及相对应的tex值为3K 相当于219tex; 6K 相当于438tex；12K 相当于876tex

碳纤维的性能(1)碳纤维的化学性能与碳十分相似，在室温下呈惰性。除能被强氧化剂氧化外，一般的酸碱对碳纤维不起作用。(2)在空气中，当温度高于400℃时，碳纤维发生氧化反应，CO2和CO从纤维表面逸出。(3)在惰性气体中，碳纤维的耐热性十分突出，在1500℃以上的高温下其强度才开始降低。(4)碳纤维的应力-应变曲线为一直线，伸长较

小，断裂过程在瞬间完成，不产生屈服。(5)碳纤维轴向分子间的结合力比石墨大，因此其抗张强度和模量都明显高于石墨；碳纤维径向分子间的作用力较弱，抗压性能稍差，轴向抗压强度仅为抗张强度的10％-30％。(6)热膨胀系数的各向异性：平行于纤维方向是负值；垂直于纤维方向是正值。

Kevlar纤维的制造. 纺丝：采用干喷—湿法纺丝工艺纺丝速度可达2000m/min

工艺过程：各向异性的PPTA溶液通过喷丝孔抽伸时，靠近细孔壁时产生剪切，当成形丝凝结时，将保持高取向分子结构，形成较高的洁净度和较高的取向结构。凝固浴的温度为0 ℃ -5℃。中间空气层间隙可使高温纺丝喷丝头和低温凝固浴保持温差，同时在空气层中进行适宜的喷头拉伸，增加取向度

2.机械性能：1）强伸性能：比强度、比模量高,对温度不敏感

捻系数对强度的影响：开始随捻度增加，强度增加，并达到以最高值后，随后下降。最佳捻系数1.1。

自由长度：指纤维由于自身重量而断裂的长度，它等于强度/密度。是钢丝空气中的7倍，海水中的26倍

2）压缩性能：径向和轴向具有较低的压缩性能，是由它的高结晶度和高取向度决定

3）剪切性能：较低，因为它具有各向异性4）耐磨性能：较低，纤维之间或纤维与金属表面摩擦，纤维易原纤化5）疲劳性能：品种不同，耐疲劳性有区别

3. 热性能

具有良好的散热和绝热性能

在相同重量下，Kevlar纤维比玻璃纤维和石棉织物具有较好的热绝缘性

具有极好的热稳定性，500℃以上降解

抗燃性能好，不产生后燃烧，不帮助燃烧，427 ℃炭化

尺寸稳定性好，具有非常低的热收缩

凝胶纺丝法的基本步骤：第一部分：把超高分子量的聚合体溶解成半稀溶液，使它依次经过脱泡、过滤、计量、纺丝及凝固浴的冷凝，形成含有大量溶剂的凝胶丝条。第二部分：凝胶丝条经过超倍热拉伸，同时去除溶剂。拉伸之后，残留在纤维中的溶剂可以用萃取的方法去除，也可以在超倍拉伸之前萃取。

硼纤维制造：化学气相沉积法

热分解法得硼纤维：芯线为玻璃纤维或铝丝，硼纤维使用温度低（316-816°），硼纤维强度低，密度低