06第三章(3)复合材料的增强体 没看(精品).ppt

5.1 5.1 概述概述 5.2 5.2 碳化硅纤维的制备碳化硅纤维的制备 5.3 5.3 碳化硅纤维的结构碳化硅纤维的结构 5.4 5.4 碳化硅纤维的性能碳化硅纤维的性能 5.5 5.5 碳化硅纤维的应用碳化硅纤维的应用 5 5 碳化硅纤维碳化硅纤维1碳碳化化硅硅纤纤维维具具有有很很高高的的比比强强度度、比比刚刚度度，耐耐腐腐蚀蚀、抗抗热震、热膨胀系数小、热传导系数大热震、热膨胀系数小、热传导系数大等优点。等优点。碳碳化化硅硅纤纤维维还还具具有有良良好好的的抗抗氧氧化化和和高高温温性性能能（其其室室温温性能可保持到性能可保持到12001200 C C）碳化硅纤维成本下降的潜力很大。碳化硅纤维成本下降的潜力很大。适合于制备树脂、金属及陶瓷基复合材料。适合于制备树脂、金属及陶瓷基复合材料。5.1 5.1 概概 述述25.2 5.2 碳化硅纤维的制备碳化硅纤维的制备碳化硅纤维的制备方法有碳化硅纤维的制备方法有 先驱体转化法先驱体转化法 和和 CVDCVD法法 两种。两种。（1 1）先驱体转化法）先驱体转化法：19751975年年由由日日本本的的关关岛岛教教授授首首先先研研制制成成功功，有有NicalonNicalon 和和TyrannoTyranno两两种种商商品品。纤纤维维呈呈束束状状，每每束束500500根根左左右右，每每根根纤纤维维 10 10 mm 左左右右。先先驱驱体体转转化化法法制制备备碳碳化化硅硅纤纤维维工工艺艺流流程程：聚碳硅烷合成、聚碳硅烷纺丝、不熔化处理、烧结聚碳硅烷合成、聚碳硅烷纺丝、不熔化处理、烧结等阶段。等阶段。3（2 2）CVDCVD法法：将将基基体体丝丝连连续续通通过过玻玻璃璃管管状状反反应应器器，并并在在加加热热到到1200 1200 13001300 C C的的同同时时通通入入适适量量的的氯氯硅硅烷烷与与氢氢气气的的混混合合反反应应气气体体，反反应应气气体体在在热热丝丝上上发发生生热热解解反反应应生生成成SiCSiC并并沉沉积积在热丝上形成带有芯（丝）材的连续在热丝上形成带有芯（丝）材的连续SiCSiC纤维。纤维。CH3 SiCl3+H2 CH3 SiCl3+H2 SiCSiC +HClHCl +4芯材芯材：制制备备SiCSiC纤纤维维所所采采用用的的基基体体丝丝有有连连续续碳碳丝丝（直直径径33m33m左左右右）和和钨钨丝丝（直直径径12m12m左左右右），制制备备的的单单丝丝直直径径为为100 100 140 140 微米微米。表面涂层处理表面涂层处理：为为了了缓缓解解SiCSiC沉沉积积所所形形成成的的表表面面损损伤伤敏敏感感性性和和改改善善复复合合材材料料的的界界面面状状况况，在在制制备备SiCSiC纤纤维维的的同同时时可可对对纤纤维维表表面面进进行行不同的涂层处理。不同的涂层处理。55.3 5.3 碳化硅纤维的结构碳化硅纤维的结构研究表明碳化硅纤维中含有研究表明碳化硅纤维中含有 SiCSiC微晶及少量石墨微晶微晶及少量石墨微晶和和 石英微晶，这些石英微晶，这些微晶大小约为微晶大小约为5 5纳米左右纳米左右，因此可，因此可以认为以认为 碳化硅纤维是由碳化硅纤维是由 SiCSiC微晶、少量石墨微晶和微晶、少量石墨微晶和 石英微晶组成的均匀分散体石英微晶组成的均匀分散体。65.4 5.4 碳化硅纤维的性能碳化硅纤维的性能（1 1）力学性能）力学性能：优异力学性能优异力学性能（均匀分散的微晶凝聚力大均匀分散的微晶凝聚力大）表表3.8 3.8 各种各种SiCSiC纤维的性能比较纤维的性能比较纤维密度（g/cm3）弹性模量（GPa）拉伸强度 （MPa）比模量(GPa/g/cm3)比强度(MPa/g/cm3)NicalonCVD-W芯CVD-C芯Tyranno晶须2.63.43.02.43.22504004002807002500360036002400 2000096.2117.6133.3116.7218.8961.51058.81200.01000.06250.07（2 2）物理化学性能）物理化学性能耐氧化性耐氧化性：优优异异的的耐耐氧氧化化性性能能，在在10001000度度以以下下力力学学性性能能基基本本没没有有变变化，化，13001300度以上由于度以上由于 SiCSiC微晶长大而力学性能下降。微晶长大而力学性能下降。耐腐蚀性耐腐蚀性：具有良好的耐化学腐蚀性具有良好的耐化学腐蚀性。与与金金属属反反应应：10001000度度以以下下与与金金属属几几乎乎不不反反应应，但但有有良良好好的浸润性，有益于与金属复合。的浸润性，有益于与金属复合。85.5 5.5 碳化硅纤维的应用碳化硅纤维的应用主要应用于航空航天领域。主要应用于航空航天领域。（请参阅教科书相关的内容）（请参阅教科书相关的内容）9氧氧化化铝铝纤纤维维的的制制备备及及其其结结构构:制制备备方方法法较较多多，制制备备的的晶晶型有型有 -、-、-Al-Al2 2OO3 3。杜杜邦邦法法（DuDu PontPont）：又又称称泥泥浆浆法法，可可获获得得高高纯纯和和致致密密的氧化铝纤维，制备的纤维是多晶结构；的氧化铝纤维，制备的纤维是多晶结构；拉拉晶晶法法（TypoTypo）：采采用用制制造造单单晶晶的的方方法法制制备备氧氧化化铝铝纤纤维维，是单晶结构；是单晶结构；6 6 氧化铝纤维氧化铝纤维10住住友友法法：日日本本住住友友公公司司使使用用的的、通通过过先先驱驱体体转转化化法法制制备备的的氧氧化化铝铝纤纤维维，其其结结构构为为粒粒径径为为5 5纳纳米米的的超超微微粒粒子子聚聚集集而成，属于一种凝聚结构。而成，属于一种凝聚结构。溶溶胶胶-凝凝胶胶法法（3M3M）：美美国国3M3M公公司司采采用用该该方方法法制制备备了了氧化铝纤维，其结构为多晶混合结构。氧化铝纤维，其结构为多晶混合结构。ICIICI法法：英英国国ICIICI公公司司采采用用的的独独特特的的制制备备方方法法，化化学学成成分分为为-Al2O3-Al2O3。11氧化铝纤维的性能及应用氧化铝纤维的性能及应用：氧化铝纤维是多晶纤维，具有很好的氧化铝纤维是多晶纤维，具有很好的 机机械性能械性能 以及以及 出类拔萃的耐热性和抗氧化性出类拔萃的耐热性和抗氧化性 以及以及 优异的电绝缘性优异的电绝缘性。纤 维比 重(g/cm3)直 径(m)拉伸强度(MPa)拉伸模量(GPa)最高使用温度（C）化学组成Du Pont法3.92014003001100-Al2O3Tyco法3.9925024004602000单晶 -Al2O3住友法3.2926002501300-Al2O3+SiO2三M法2.51117501501300-Al2O3ICI法3.4310001001600-、-Al2O3+SiO2表表3.9 3.9 各种氧化铝纤维的性能各种氧化铝纤维的性能 氧氧化化铝铝纤纤维维的的缺缺点点是是 密密度度大大、脆脆性性大大，主主要要用用于于增增强强聚聚合合物物及及金金属属基基体体复复合合材料，增强陶瓷基体复合材料尚需进一步开发。材料，增强陶瓷基体复合材料尚需进一步开发。12制制备备方方法法：先先获获得得具具有有纺纺丝丝功功能能的的聚聚氮氮硅硅烷烷，再再经经过过不不熔熔化化处处理理、12001200度度左左右右的的高高温温热热处处理理，从从而而获获得得直直径径为为10151015微米、性能优异的氮化硅纤维。微米、性能优异的氮化硅纤维。性性能能特特点点：力力学学性性能能类类似似于于碳碳化化硅硅，拉拉伸伸强强度度约约为为1.53.0GPa1.53.0GPa，弹弹性性模模量量约约为为120260GPa120260GPa，耐耐化化学学腐腐蚀蚀，电绝缘性能优异电绝缘性能优异应用领域应用领域：航空航天领域制造高温部件最好的侯选材料：航空航天领域制造高温部件最好的侯选材料7 7 氮化硅纤维氮化硅纤维138 8 金属丝金属丝 用作复合材料增强体的金属丝有用作复合材料增强体的金属丝有高强钢丝高强钢丝、不锈钢丝不锈钢丝和和难熔金属丝（如钨、钼等）难熔金属丝（如钨、钼等）。高强钢丝和不锈钢丝主要用来。高强钢丝和不锈钢丝主要用来增强铝基复合材料，也可用来增强水泥基复合材料。增强铝基复合材料，也可用来增强水泥基复合材料。钨丝增强镍基耐热合金钨丝增强镍基耐热合金是比较成功的金属基复合材料。是比较成功的金属基复合材料。用钨丝增强镍基合金可以使高温持久强度提高一倍以上，高用钨丝增强镍基合金可以使高温持久强度提高一倍以上，高温蠕变性能也明显提高温蠕变性能也明显提高。14金属丝金属丝直径，微直径，微米米密度，密度，g/cm3g/cm3弹性模量，弹性模量，GPaGPa拉伸强度，拉伸强度，MPaMPa熔点，熔点，K KWW131319.419.44074074020402036733673MoMo252510.210.23293292160216028952895钢丝钢丝13137.747.741961964120412016731673不锈钢不锈钢丝丝80807.87.81961963430343016731673表表3.10 3.10 各种金属丝的性能各种金属丝的性能159 9 有机纤维有机纤维 9.1 9.1 芳纶纤维（芳纶纤维（Kevlar Kevlar fibrefibre，凯芙拉纤维），凯芙拉纤维）9.2 9.2 聚乙烯纤维（聚乙烯纤维（PolythylenePolythylene，PEPE）9.4 9.4 聚对亚苯基苯并二恶唑纤维（聚对亚苯基苯并二恶唑纤维（PBOPBO纤维）纤维）169.1 9.1 芳纶纤维（芳纶纤维（Kevlar Kevlar fibrefibre，凯芙拉纤维），凯芙拉纤维）化学结构化学结构：长长链链状状聚聚酰酰胺胺，其其中中至至少少85%85%的的酰酰胺胺直直接接键键合合在在芳芳香香环环上上。刚刚硬硬的的直直线线状状分分子子链链在在纤纤维维轴轴向向上上高高度度定定向向，由由氢氢键键作作横横向向连连接接（在在沿沿纤纤维维方方向向的的强强共共价价键键和和横横向向弱弱的的氢氢键键是是纤纤维维性性能能各各向向异异性性的的原原因因），使使它它具具有有轴轴向向强强度度及及刚刚度度高高而而横横向强度低的特点。向强度低的特点。17图图 3.5 Kevlar 3.5 Kevlar 纤维的结构示意图纤维的结构示意图 18纤纤维维模模量量：分分子子链链主主要要由由芳芳环环组组成成，具具有有高高的的刚刚度度，且且使使聚聚合合物物链链呈呈伸伸展展态态而而不不是是折折叠叠状状态态，形形成成棒棒状状结结构构，因因而而纤维具有高的模量纤维具有高的模量。纤纤维维强强度度：分分子子链链是是线线性性的的，能能有有效效地地利利用用空空间间而而具具有有高高的的填填充充能能力力，在在单单位位体体积积内内可可容容纳纳很很多多聚聚合合物物。这这种种高高密密度聚合物具有较高的强度。度聚合物具有较高的强度。化学稳定性化学稳定性：很好（芳环结构）：很好（芳环结构）19性能优点性能优点：强度高、弹性模量高、韧性好和比重小：强度高、弹性模量高、韧性好和比重小性能缺点性能缺点：横向强度低，压缩强度和剪切性能低、易劈裂：横向强度低，压缩强度和剪切性能低、易劈裂应应用用：常与碳纤维混杂，提高复合材料的冲击韧性。：常与碳纤维混杂，提高复合材料的冲击韧性。20纤维特性纤维特性：CH2CH2CH2n CH2n，纤维的拉伸强度为，纤维的拉伸强度为 3.5GPa,3.5GPa,伸伸长率为长率为3.4%3.4%，弹性模量，弹性模量116GPa116GPa，密度为密度为0.97 g/cm30.97 g/cm3。性性能能优优点点：聚聚乙乙烯烯纤纤维维是是目目前前国国际际上上最最新新的的超超强强、高高比比强强度度、高高比比模模量量纤纤维维，成成本本也也比比较较低低；同同时时具具有有耐耐冲冲击击、耐耐磨磨、耐耐腐蚀、耐紫外线、耐低温、自润滑、电绝缘等优点。腐蚀、耐紫外线、耐低温、自润滑、电绝缘等优点。性性能能缺缺点点：熔熔点点较较低低（约约135 135 C C）、容容易易高高温温蠕蠕变变，使使用用温温度在度在100 100 C C以下以下。9.2 9.2 聚乙烯纤维（聚乙烯纤维（PolythylenePolythylene，PEPE）21制备方法制备方法：聚聚对对亚亚苯苯基基苯苯并并二二恶恶唑唑纤纤维维，又又称称PBOPBO纤纤维维。属属于于杂杂环环类类纤纤维维。制制法法是是将将对对苯苯二二甲甲酸酸和和二二氨氨基基间间苯苯二二酚酚进进行行低低温温溶溶液液缩缩聚聚，再再溶溶于于浓浓磷磷酸酸或或浓浓硫硫酸酸中中配配成成液液晶晶溶溶液液，并并进进行行干干喷喷湿湿纺纺而而得得到到初初纺纺丝丝，再再在在张张力力下下进进行行高高温温热处理而得到纤维。热处理而得到纤维。9.3 9.3 聚对亚苯基苯并二恶唑纤维（聚对亚苯基苯并二恶唑纤维（PBOPBO纤维）纤维）22性能特点性能特点：采采用用上上述述方方法法制制备备的的PBOPBO纤纤维维室室温温拉拉伸伸强强度度可可达达4.8-6.2 4.8-6.2 GPaGPa、弹弹性性模模量量可可达达150-340GPa150-340GPa，具具有有高高强强度度、高高模模量量、耐耐高高温温及及环环境境稳稳定定性性好好等等优优点点。但但其其比比重重仅仅为为1.56 1.56 g/cm3g/cm3，分分解解温温度度为为 670670 C C，延延伸伸率率为为2.4%2.4%，吸吸湿湿率率 1%1%，蠕蠕变变小小，耐耐磨磨性性极极好好，高高温温下下不不熔熔融融，抗抗燃燃性性和和耐耐侯性好。侯性好。2310 10 各种纤维性能比较各种纤维性能比较（1 1）比强度、比模量）比强度、比模量（2 2）热稳定性）热稳定性（3 3）性价比）性价比 24（1 1）比强度、比模量）比强度、比模量：碳纤维比强度和比模量都很高：碳纤维比强度和比模量都很高 图图3.7 3.7 各种纤维的比强度、比模量比较各种纤维的比强度、比模量比较25（2 2）热稳定性）热稳定性：材料熔点越高，热稳定性越好；材料熔点越高，热稳定性越好；在没有空气和氧气时，碳纤维具有最好的耐高温性能在没有空气和氧气时，碳纤维具有最好的耐高温性能26（4 4）性价比）性价比：碳纤维具有很高的性能碳纤维具有很高的性能/价格比价格比。表表3.11 3.11 各种纤维的性能价格比各种纤维的性能价格比2711 11 晶晶 须须 11.1 11.1 概述概述 11.2 11.2 晶须的制备晶须的制备 11.3 11.3 晶须的性能晶须的性能2811.1 11.1 概述概述晶晶须须指指具具有有一一定定长长径径比比的的单单晶晶纤纤维维材材料料，其其直直径径为为0.10.1到到几几个个微微米米,长长度度为为数数十十到到数数千千微微米米。但但具具有有实实用用价值的晶须直径约为价值的晶须直径约为1-101-10微米微米,长径比在长径比在5 5100100之间之间晶晶须须是是含含缺缺陷陷很很少少的的单单晶晶纤纤维维，其其拉拉伸伸强强度度接接近近其其纯晶体的理论强度纯晶体的理论强度。29 图图3.8 ZnO晶须微观形貌晶须微观形貌 图图3.9 SiC晶须微观形貌晶须微观形貌 30晶须的种类晶须的种类：碳化物晶须：碳化物晶须：SiCSiC、TiCTiC、ZrCZrC、WCWC、B4CB4C氮化物晶须：氮化物晶须：Si3N4Si3N4、TiNTiN、BNBN、AlNAlN氧化物晶须：氧化物晶须：MgOMgO、ZnOZnO、BeOBeO、Al2O3Al2O3、TiO2 TiO2 金属金属 晶须：晶须：NiNi、FeFe、CuCu、SiSi、AgAg、TiTi硼化物晶须：硼化物晶须：TiB2TiB2、ZrB2ZrB2、TaB2TaB2无机盐晶须：无机盐晶须：K2Ti 6O13K2Ti 6O13（钛酸钾）、（钛酸钾）、9Al2O3.2B2O39Al2O3.2B2O3（硼酸铝）（硼酸铝）3111.2 11.2 晶须的制备晶须的制备晶须的制备方法：晶须的制备方法：化学气相沉积（化学气相沉积（CVDCVD）法）法溶胶溶胶-凝胶法凝胶法气液固（气液固（VLSVLS）法）法液相生长法液相生长法固相生长法固相生长法原位生长法原位生长法32制制备备陶陶瓷瓷晶晶须须经经常常采采用用CVDCVD法法。即即通通过过气气体体原原料料在在高高温温下下与与有有机机硅硅化化合合物物反反应应，并并沉沉积积在在衬衬底底上上而而长长成成晶晶须须。例如例如CVD CVD 法制备法制备 SiCSiC 晶须的基本反应式为：晶须的基本反应式为：CH3 SiCl3CH3 SiCl3（g g）+H2+H2 SiCSiC +HClHCl（g g）33气液固（气液固（VLSVLS）法制备法制备 SiCSiC 晶须的过程晶须的过程：在在高高温温将将触触媒媒固固体体颗颗粒粒（3030 mm）熔熔化化成成液液态态触触媒媒球球，通通入入气气相相源源(H2(H2、CH4CH4、SiOSiO)，气气相相中中的的碳碳、硅硅原原子子被被液液球球吸吸收收溶溶解解形形成成过过饱饱和和的的碳碳硅硅溶溶液液，以以 SiCSiC 的的形形式式沉沉积积在在支支撑撑衬衬底底上上。沉沉积积不不断断进进行行，晶晶须须不不断断生生长长，触触媒媒球球被被生生长长着着的的晶晶须须抬抬起起，继继续续吸吸收、溶解和沉积。收、溶解和沉积。3411.3 11.3 晶须的性能晶须的性能晶晶须须不不仅仅具具有有优优异异的的力力学学性性能能，而而且且许许多多晶晶须须具具有有各各种种特殊性能，特殊性能，可用来制备各种性能优异的功能复合材料可用来制备各种性能优异的功能复合材料。晶晶须须的的成成本本较较高高，影影响响其其应应用用。目目前前已已开开发发出出许许多多低低成成本晶须，如本晶须，如K2Ti 6O13K2Ti 6O13等。等。另另外外晶晶须须在在基基体体材材料料中中的的分分散散工工艺艺也也是是目目前前需需要要解解决决的的问题之一。问题之一。35表表3.12 晶须的力学性能一览表晶须的力学性能一览表 3612 12 颗粒增强物颗粒增强物刚刚性性颗颗粒粒增增强强体体具具有有高高强强度度、高高模模量量、耐耐热热、耐耐磨磨、耐耐高高温温，加加入入到到基基体体材材料料中中起起提提高高耐耐磨磨、耐耐热热、强强度度、模模量量和和韧韧性性的的作用。其成本低，易于批量生产。作用。其成本低，易于批量生产。另另外外，还还有有一一种种颗颗粒粒增增强强体体称称为为延延性性颗颗粒粒增增强强体体（Ductile Ductile Particle Particle ReinforcementReinforcement），主主要要为为金金属属颗颗粒粒，一一般般是是加加入入到到陶陶瓷瓷基基体体和和玻玻璃璃陶陶瓷瓷基基体体中中起起到到增增韧韧作作用用。如如Al2O3Al2O3中中加加入入AlAl、NiNi，WCWC中中加加入入CoCo等等。金金属属颗颗粒粒的的加加入入使使材材料料的的韧韧性性显著提高，但高温力学性能有所下降。显著提高，但高温力学性能有所下降。37颗粒名称密 度，g/cm3熔 点，C热膨胀系数，10-6/C导热系数，W/m/K硬 度，kg/mm2弯曲强度，MPa弹性模量，GPaSiC3.2127004.02700400500B4C2.5224505.733000300500260460TiC4.9233007.42600500Al2O320509Si3N43.221002.53.2HRA89939003303Al2O3.2SiO23.1718504.232501200TiB24.52980表表3.13 颗粒的力学性能一览表颗粒的力学性能一览表38