2第二章 增强体材料.ppt

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1、20 十二月 2022江 苏 大 学1第第2 2章章 增强体材料增强体材料江苏大学江苏大学 材料科学与工程学院材料科学与工程学院20 十二月 2022江 苏 大 学2种类、性能、制备方法及应用种类、性能、制备方法及应用主要内容主要内容增强体的分类增强体的分类纤维类增强体纤维类增强体晶须类增强体晶须类增强体金属丝金属丝颗粒类增强体颗粒类增强体基本要求基本要求熟悉使用工况和成本熟悉使用工况和成本 了解增强体的种类、制备方法及应用领域了解增强体的种类、制备方法及应用领域掌握设计选择适当的增强体掌握设计选择适当的增强体20 十二月 2022江 苏 大 学3增强体增强体三要素之一三要素之一主要作用主要作

2、用主要类型主要类型选择原则选择原则纤维类增强体的力学性能比较纤维类增强体的力学性能比较碳纤维：碳纤维：7000MPa(T1000)1.8g/cm3 2%E石墨纤维：石墨纤维：7000MPa (P130)2.1g/cm3 1.5X10-6/K碳纤维的理论强度为碳纤维的理论强度为180GPa180GPa，目前世界上强度最高的碳纤维，目前世界上强度最高的碳纤维T1000T1000（日本东丽公司）的拉伸强度也仅是理论值的（日本东丽公司）的拉伸强度也仅是理论值的3.93.9，而国产碳纤维的拉伸强度则更低，所以提高碳纤维的拉伸强而国产碳纤维的拉伸强度则更低，所以提高碳纤维的拉伸强度有很大的潜力和空间。度有

3、很大的潜力和空间。20 十二月 2022江 苏 大 学4高的比强度、比模量、高导热性、高的比强度、比模量、高导热性、耐热性、耐磨性、低热膨胀性等，耐热性、耐磨性、低热膨胀性等，以便赋予金属基体某种所需的特以便赋予金属基体某种所需的特性和综合性能。性和综合性能。在金属基复合材料制备和使用过在金属基复合材料制备和使用过程中其组织结构和性能不发生明程中其组织结构和性能不发生明显的变化和退化，与金属基体有显的变化和退化，与金属基体有良好的化学相容性，不发生严重良好的化学相容性，不发生严重的界面反应。的界面反应。与金属有良好的浸润性，或通过与金属有良好的浸润性，或通过表面处理能与金属良好浸润，基表面处理

4、能与金属良好浸润，基体良好复合和分布均匀。此外，体良好复合和分布均匀。此外，增强物的成本也是应考虑的一个增强物的成本也是应考虑的一个重要因素。重要因素。能明显提高金属基能明显提高金属基体所需的某种特性体所需的某种特性 具有良好的化学稳定性具有良好的化学稳定性 有良好的浸润性有良好的浸润性 金属基复合材料的增强物金属基复合材料的增强物应具有以下基本特性应具有以下基本特性20 十二月 2022江 苏 大 学5（1 1 1 1）力学性能：杨氏模量和塑性强度；）力学性能：杨氏模量和塑性强度；）力学性能：杨氏模量和塑性强度；）力学性能：杨氏模量和塑性强度；（2 2 2 2）物理性能：密度和热扩散系数；）

5、物理性能：密度和热扩散系数；）物理性能：密度和热扩散系数；）物理性能：密度和热扩散系数；（3 3 3 3）几何特性：形貌和尺寸；）几何特性：形貌和尺寸；）几何特性：形貌和尺寸；）几何特性：形貌和尺寸；（4 4 4 4）物理化学相容性；）物理化学相容性；）物理化学相容性；）物理化学相容性；（5 5 5 5）成本因素。）成本因素。）成本因素。）成本因素。选择增强体的主要考虑因素有：选择增强体的主要考虑因素有：选择增强体的主要考虑因素有：选择增强体的主要考虑因素有：20 十二月 2022江 苏 大 学6 2.1.1 2.1.1 纤维类增强体纤维类增强体 纤维类增强物有连续长纤纤维类增强物有连续长纤

6、维和短纤维。维和短纤维。2.1.2 2.1.2 颗粒类增强体颗粒类增强体 颗颗粒粒增增强强体体分分外外加加和和内内生生两两种种，一一般般是是具具有有高高强强度度、高高模模量量、耐耐热热、耐耐磨磨性性好好、而而高高温的陶瓷、石墨等非金属颗粒。温的陶瓷、石墨等非金属颗粒。2.1.3 2.1.3 晶须类增强体晶须类增强体 晶晶须须是是在在人人工工条条件件下下生生长长出出来来的的细细小小单单晶晶。由由于于细细小小组组织织结结构构缺缺陷陷少少，具具有有很很高的强度和模量。高的强度和模量。2.1.4 2.1.4 其它增强体其它增强体 用用于于金金属属基基复复合合材材料料的的高高强强度度、高高模模量量金金属

7、属丝丝增增强强物物主主要要有有铁铁丝丝、高高强强度度钢钢丝丝、不锈钢丝和钨丝等。不锈钢丝和钨丝等。2.1 增强体的分类增强体的分类20 十二月 2022江 苏 大 学72.2 纤维类纤维类增强体增强体2.2.1 2.2.1 碳纤维碳纤维一种高强度、高模量材料，理论上大多数有机纤维都可被制成碳纤维。一种高强度、高模量材料，理论上大多数有机纤维都可被制成碳纤维。实际用作碳纤维原料的有机纤维主要有三种：实际用作碳纤维原料的有机纤维主要有三种：粘胶纤维；粘胶纤维；沥青纤维；沥青纤维；聚丙烯腈纤维。聚丙烯腈纤维。发展史发展史20世纪世纪60年代；年代；20世纪世纪80年代：年代：20世纪世纪90年代：年

8、代：20 十二月 2022江 苏 大 学82020世纪世纪8080年代以来，国外许多以年代以来，国外许多以PANPAN纤维为原料制造碳纤维的厂家在原料供纤维为原料制造碳纤维的厂家在原料供 应及碳纤维的生产、供销方面进行广泛合作与竞争，促进了应及碳纤维的生产、供销方面进行广泛合作与竞争，促进了PANPAN基基 碳纤维工业的长足发展。碳纤维工业的长足发展。19691969年，日本东丽公司研究成功特殊的单体共聚年，日本东丽公司研究成功特殊的单体共聚PANPAN基碳纤维，结合美基碳纤维，结合美 国联合碳化物公司国联合碳化物公司(Union Carbide)(Union Carbide)的碳化技术，生产

9、出高强的碳化技术，生产出高强 度、高模量碳纤维。度、高模量碳纤维。19591959年，日本的进藤昭男发明了用聚丙烯腈年，日本的进藤昭男发明了用聚丙烯腈(PAN)(PAN)原丝生产碳纤维的方法原丝生产碳纤维的方法;19621962年，日本东丽公司开始生产并研制用于生产碳纤维的专用优质原丝，年，日本东丽公司开始生产并研制用于生产碳纤维的专用优质原丝，并于并于19671967年成功生产年成功生产T300PANT300PANCFCF；英国考陶尔公司英国考陶尔公司(Courtaulds)(Courtaulds)利用这项技术开始生产高强度、高利用这项技术开始生产高强度、高模量模量PANPAN基碳纤维。基碳

10、纤维。英国皇家航空研究所的英国皇家航空研究所的WattWatt等人，对等人，对PANPAN纤维生产进行技术改进；纤维生产进行技术改进；美国、前苏联、法国、德国、印度、南斯拉夫、以色列、韩国也美国、前苏联、法国、德国、印度、南斯拉夫、以色列、韩国也都引进或开发了都引进或开发了PANPAN原丝及碳纤维的生产。其中，日本东丽公司的原丝及碳纤维的生产。其中，日本东丽公司的碳纤维研发与生产一直处于世界领先水平，碳纤维研发与生产一直处于世界领先水平，3000MPa3000MPa。2020世纪世纪9090年代后，由于年代后，由于PANPAN基碳纤维性能优越，应用领域日益扩展。目前世基碳纤维性能优越，应用领域

11、日益扩展。目前世 界界PANPAN基碳纤维已进入发展旺盛的成熟期，基碳纤维已进入发展旺盛的成熟期，IM7IM7和和IM8IM8的强度达到的强度达到 5300MPa5300MPa。20 十二月 2022江 苏 大 学92.2.1.1 2.2.1.1 碳纤维的分类碳纤维的分类 按力学性能按力学性能超高模量（超高模量（UHMUHM）碳纤维）碳纤维超高强度（超高强度（UHSUHS）碳纤维）碳纤维高强度（高强度（HSHS）碳纤维）碳纤维高模量（高模量（HMHM）碳纤维）碳纤维聚丙烯腈聚丙烯腈PAN PAN 碳纤维碳纤维粘胶碳纤维粘胶碳纤维沥青碳纤维沥青碳纤维24K24K以下为宇航级小丝束碳纤维以下为宇航

12、级小丝束碳纤维（1K1K为为10001000根单丝）根单丝）48K48K以上为工业级大丝束碳纤维以上为工业级大丝束碳纤维 按原材料分按原材料分 按用途分类按用途分类20 十二月 2022江 苏 大 学10各种材质碳纤维的主要性能表各种材质碳纤维的主要性能表2.2.1.2 2.2.1.2 主要性能主要性能20 十二月 2022江 苏 大 学11耐酸性能好，超过惰性金属黄金和铂金；耐酸性能好，超过惰性金属黄金和铂金；热膨胀系数小，导热系数大；热膨胀系数小，导热系数大；强度高，大于强度高，大于1600MPa1600MPa；高模量，大于高模量，大于230MPa230MPa；密度小，比强度高；密度小，比

13、强度高；耐超高温，耐超高温，20002000正常使用；正常使用；耐低温，在耐低温，在-180-180保持柔软；保持柔软；轴向抗剪切模量较低，延伸率小，耐冲击差，轴向抗剪切模量较低，延伸率小，耐冲击差，并且并且 后加工后加工 较为困难。较为困难。导电性能好（导电性能好（5 517m17m）；）；防原子辐射，能使中子减速；防原子辐射，能使中子减速；20 十二月 2022江 苏 大 学122.2.1.3 2.2.1.3 碳纤维的制造碳纤维的制造原材料原材料人造丝人造丝(粘胶纤维粘胶纤维)；聚丙烯腈聚丙烯腈(PAN)(PAN)纤维；纤维；沥青。沥青。(1)(1)拉丝：可用湿法、干法或者熔融状态三种任意

14、一种；拉丝：可用湿法、干法或者熔融状态三种任意一种；(2)(2)牵伸：在室温以上，通常是牵伸：在室温以上，通常是100100300300范围内进行；范围内进行；(3)(3)稳定：通过稳定：通过400400加热氧化的方法；加热氧化的方法；(4)(4)碳化：在碳化：在1000100020002000范围内进行；范围内进行；(5)(5)石墨化：在石墨化：在2000200030003000范围内进行。范围内进行。生生产产工工序序20 十二月 2022江 苏 大 学132.2.2 2.2.2 硼纤维硼纤维 硼纤维是一种将硼元素通过硼纤维是一种将硼元素通过高温化学气相沉积高温化学气相沉积在钨丝表在钨丝表面

15、制成的高性能增强纤维，具有很高的比强度和比模量，也面制成的高性能增强纤维，具有很高的比强度和比模量，也是制造金属基复合材料最早采用的高性能纤维。是制造金属基复合材料最早采用的高性能纤维。美国是世界上研究开发硼纤维最主要的国家，该纤维在上美国是世界上研究开发硼纤维最主要的国家，该纤维在上世纪世纪6060年代初是由美国空军材料研究室年代初是由美国空军材料研究室(AFML)(AFML)首先研究开发的，首先研究开发的，用于高性能用于高性能尖端飞机尖端飞机的制造，并受到美国国防部的高度重视，的制造，并受到美国国防部的高度重视，现已投入正式生产。现已投入正式生产。美国美国TEXTRON SYSTEMS(T

16、EXTRON SYSTEMS(泰克斯特郎系统公司泰克斯特郎系统公司)是世界上研制是世界上研制生产硼纤维及其复合材料最著名公司之一，硼纤维是该公司的生产硼纤维及其复合材料最著名公司之一，硼纤维是该公司的一种重要产品。一种重要产品。该公司用钨丝作为芯材，三氯化硼气体作为硼该公司用钨丝作为芯材，三氯化硼气体作为硼源，用源，用CVD(CVD(化学气相沉积化学气相沉积)工艺来制备连续单丝硼纤维。工艺来制备连续单丝硼纤维。此外，瑞士、英国、日本等国也开发出硼纤维。此外，瑞士、英国、日本等国也开发出硼纤维。20 十二月 2022江 苏 大 学142.2.2.1 2.2.2.1 硼纤维的制造硼纤维的制造硼纤维

17、直径大小可以通过调节载体硼纤维直径大小可以通过调节载体纤维经过沉积室的速度来调节，主要纤维经过沉积室的速度来调节，主要有有7575mm，100m100m和和140m140m三种规格。三种规格。制造方法制造方法最经济实用最经济实用化学气相沉积法化学气相沉积法(CVD(CVD法法)；乙硼烷热分解法；乙硼烷热分解法；硼熔融法。硼熔融法。通常以直径为通常以直径为12.512.5m的细钨丝的细钨丝为芯材，通过反应管电阻加热，为芯材，通过反应管电阻加热，化学混合的三氯化硼化学混合的三氯化硼(BCl(BCl3 3)和和氢气氢气(H(H2 2)在反应管的上部通入，在反应管的上部通入，加热加热13001300进

18、行反应，所生成进行反应，所生成的无定形硼沉积在芯材钨丝表的无定形硼沉积在芯材钨丝表面上，形成硼纤维。面上，形成硼纤维。2BCl3+3H2 2B+6HCl1300 该工艺可靠，保证可以制得该工艺可靠，保证可以制得 稳定、均质、高质量的硼纤维。稳定、均质、高质量的硼纤维。TEXTRON SYSTEMSTEXTRON SYSTEMS公司的硼纤维生产公司的硼纤维生产线每年具有生产线每年具有生产1575015750公斤硼纤维和公斤硼纤维和2250022500公斤硼环氧预浸带的能力。公斤硼环氧预浸带的能力。20 十二月 2022江 苏 大 学15独特的性能：抗压强度是其拉伸强度的独特的性能：抗压强度是其拉

19、伸强度的2 2倍（倍（6900MPa)6900MPa)。(钨丝直径钨丝直径12.712.7m m，纤维直径，纤维直径101101m)m)碳纤维的性能表碳纤维的性能表2.2.2.2 2.2.2.2 硼纤维的性能硼纤维的性能20 十二月 2022江 苏 大 学162.2.2.3 2.2.2.3 与其它纤维性能比较与其它纤维性能比较纤维和纤维和生产单位生产单位 规格规格m m 拉伸强度拉伸强度MPa MPa 弹性模量弹性模量GPa GPa 密度密度g/cmg/cm3 3 TEXTRONTEXTRON钨芯硼纤维钨芯硼纤维 100,140100,14036003600400 400 2.572.57TE

20、XTRON SCS-6TEXTRON SCS-6碳化硅纤维碳化硅纤维 140140345034503803803.03.0TEXTRON SCS-9TEXTRON SCS-9碳化硅纤维碳化硅纤维 140140345034503073072.82.8日本碳素日本碳素HI-NICALONHI-NICALON碳化硅纤维碳化硅纤维 1515280028002592592.74 2.74 日本日本UBE TYRANNOUBE TYRANNO碳化硅纤维碳化硅纤维 1010280028003000 3000 2002002.52.5日本东丽日本东丽T300T300碳纤维碳纤维 7 73530 3530 23

21、02301.761.76美国杜美国杜FPFP氧化铝纤维氧化铝纤维 2020138013803803803.93.9日本住友氧化铝纤维日本住友氧化铝纤维 1717150015002002003.23.220 十二月 2022江 苏 大 学172.2.3 2.2.3 碳化硅纤维碳化硅纤维以碳化硅为主要组分的一种陶瓷纤维；以碳化硅为主要组分的一种陶瓷纤维；具有良好的高温性能、高强度、高模量和化学稳定性。具有良好的高温性能、高强度、高模量和化学稳定性。碳化硅纤维碳化硅纤维碳化硅碳化硅20 十二月 2022江 苏 大 学18 2.2.3.1 2.2.3.1 碳化硅纤维的制备方法碳化硅纤维的制备方法 化学

22、气相沉积法化学气相沉积法 （CVDCVD法）法）活性炭纤维转化法活性炭纤维转化法挤压法挤压法有机硅聚合物的有机硅聚合物的熔融纺丝裂解转化法熔融纺丝裂解转化法（即先驱体转化法）（即先驱体转化法）20 十二月 2022江 苏 大 学19CVD CVD 法是最先制造法是最先制造SiCSiC纤维复合长单丝的方法纤维复合长单丝的方法;19721972年美国年美国AVCOAVCO公司利用硼纤维的制造技术，制得公司利用硼纤维的制造技术，制得直径在直径在100m100m以上的以上的 SiC/W SiC/W 或或 SiC/CSiC/C复合纤维。复合纤维。SiClSiCl4 4/烷烃烷烃/氢气等混合气体氢气等混合

23、气体反应室内反应室内沉积沉积加热加热12001200直径直径12.6m12.6m的钨丝上的钨丝上直径直径33m33m的碳丝上的碳丝上抗拉强度抗拉强度2.072.073.35GPa3.35GPa模量模量410GPa410GPa由于钨丝和由于钨丝和SiCSiC发发生反应生成生反应生成W2CW2C和和W5Si3W5Si3，在，在10001000以上时，纤维的以上时，纤维的强度急剧降低；强度急剧降低；C C丝可以避免上述情况的发生。丝可以避免上述情况的发生。20 十二月 2022江 苏 大 学20 将有机物加热变成无机物的过程，在远古的时代便已经利用了。将有机物加热变成无机物的过程，在远古的时代便已经

24、利用了。近年来发明的将聚丙烯腈等有机纤维高温碳化后制备碳纤维的近年来发明的将聚丙烯腈等有机纤维高温碳化后制备碳纤维的方法，在这个领域中已经形成了工业化生产，除此以外，利用方法，在这个领域中已经形成了工业化生产，除此以外，利用有机硅聚合物作先驱体可以制得的陶瓷纤维研究如下表：有机硅聚合物作先驱体可以制得的陶瓷纤维研究如下表：20 十二月 2022江 苏 大 学21先驱体转化法工艺流程图先驱体转化法工艺流程图20 十二月 2022江 苏 大 学22 活性碳纤维转化法的原理是：利用气态的活性碳纤维转化法的原理是：利用气态的SiOSiO与多与多孔炭反应转化生成孔炭反应转化生成SiCSiC纤维。纤维。该

25、方法包括活性炭纤维制备，在一定真空度下，于该方法包括活性炭纤维制备，在一定真空度下，于1200120013001300下与下与SiOSiO气体反应并在气体反应并在N N2 2下高温处理下高温处理（16001600）。）。获得的获得的SiCSiC纤维是由纤维是由-SiC-SiC 微晶构成，且含氧量低，微晶构成，且含氧量低，仅有仅有5.9%5.9%。纤维的抗拉强度达到纤维的抗拉强度达到1000MPa1000MPa以上。以上。由于纤维仍存在有微孔和因为由于纤维仍存在有微孔和因为SiOSiO与碳转化为与碳转化为SiCSiC时，时，会发生体积膨胀而造成微裂纹的产生导致强度低，会发生体积膨胀而造成微裂纹的

26、产生导致强度低，但可以作高温功能纤维使用。但可以作高温功能纤维使用。20 十二月 2022江 苏 大 学23 SiC SiC粉在聚合物粘接剂存在下的挤出细丝，形成的细丝再烧结固粉在聚合物粘接剂存在下的挤出细丝，形成的细丝再烧结固化。通常是将粒径在化。通常是将粒径在1.7m1.7m（亚微米）和烧结助剂和过量的（亚微米）和烧结助剂和过量的碳与适当的聚合物组成的混合物。其工艺流程如下：碳与适当的聚合物组成的混合物。其工艺流程如下：20 十二月 2022江 苏 大 学242.2.3.2 SiC2.2.3.2 SiC纤维的性能及其应用领域纤维的性能及其应用领域SiCSiC纤维具有抗拉强度和拉伸模量高，密

27、度低；纤维具有抗拉强度和拉伸模量高，密度低；耐热性好，在空气中可长期应用于耐热性好，在空气中可长期应用于1000100011001100使用；使用；与金属反应性小，浸润性好，在与金属反应性小，浸润性好，在10001000以下几乎不与金属发以下几乎不与金属发生反应；生反应；纤维具有半导体性且随组成不同，其电阻率在纤维具有半导体性且随组成不同，其电阻率在1010-1-1106106cm cm 之间可调；之间可调；以先驱体法制得以先驱体法制得SiCSiC纤维直径细，易编织成各种织物；纤维直径细，易编织成各种织物；耐腐蚀性能优异。耐腐蚀性能优异。20 十二月 2022江 苏 大 学252.2.4 2.

28、2.4 氧化铝纤维氧化铝纤维氧化铝于本世纪四十年代由美国氧化铝于本世纪四十年代由美国BWBW公司中央研究所首先研公司中央研究所首先研制成功，七十年代末开始用于民用工业。制成功，七十年代末开始用于民用工业。它以它以AlAl2 2O O3 3为主要成分为主要成分,有的还含有其它金属氧化物如有的还含有其它金属氧化物如SiOSiO2 2和和B B2 2O O3 3等成分等成分,具有具有长纤、短纤、晶须长纤、短纤、晶须等形式。等形式。优点优点：高强度、高模量、超常的耐热性和耐高温氧化性；：高强度、高模量、超常的耐热性和耐高温氧化性；与碳纤维和金属纤维相比与碳纤维和金属纤维相比,可以在更高温度下保持可以在

29、更高温度下保持很好的抗拉强度很好的抗拉强度;其表面活性好其表面活性好;同时还具有热导率小同时还具有热导率小,热膨胀系数低热膨胀系数低,抗热震性好等优点；生产工艺简单，成本抗热震性好等优点；生产工艺简单，成本低。低。应用领域应用领域：航空航天，军工，高性能运动器材，高温：航空航天，军工，高性能运动器材，高温绝缘材料。绝缘材料。20 十二月 2022江 苏 大 学26 1.1.淤浆法淤浆法3.3.卜内门法卜内门法5.5.基体纤维基体纤维浸渍溶液法浸渍溶液法 该法是以氧化铝粉末为主要原料该法是以氧化铝粉末为主要原料,同时加入分散剂、流变助剂、烧结助同时加入分散剂、流变助剂、烧结助剂剂,分散于水中分散

30、于水中,制成可纺浆料，经制成可纺浆料，经挤出成纤，干燥、烧结得到直径在挤出成纤，干燥、烧结得到直径在200um 200um 左右的氧化铝纤维。左右的氧化铝纤维。2.2.4.12.2.4.1氧化铝纤维制备氧化铝纤维制备 该法与溶胶该法与溶胶-凝胶法不同之处是凝胶法不同之处是先驱体不形成均匀溶胶，而是通过加先驱体不形成均匀溶胶，而是通过加入水溶性有机高分子来控制纺丝粘度入水溶性有机高分子来控制纺丝粘度以得到氧化铝纤维。由于前驱体分子以得到氧化铝纤维。由于前驱体分子本身并不形成类线性聚合物，难以得本身并不形成类线性聚合物，难以得到连续的氧化铝长纤维，故其产品一到连续的氧化铝长纤维，故其产品一般是短纤

31、维的形式。般是短纤维的形式。这是一种新型的成型方法这是一种新型的成型方法,一般以铝的一般以铝的醇盐或无机盐为原料醇盐或无机盐为原料,同时加入其它有同时加入其它有机酸催化剂机酸催化剂,溶于醇溶于醇/水中水中,得到混合得到混合均匀的溶液均匀的溶液,经醇解经醇解/水解和聚合反应水解和聚合反应得到溶胶得到溶胶,浓缩的溶胶达到一定粘度后浓缩的溶胶达到一定粘度后进行纺丝进行纺丝,得到凝胶纤维得到凝胶纤维,随后进行热随后进行热处理得到氧化铝纤维。处理得到氧化铝纤维。2.2.溶胶溶胶 -凝凝胶法胶法 日本住友化学公司的产品是以日本住友化学公司的产品是以AlAl2 2O O3 3为主为主要成分要成分,并含有并含

32、有B B2 2O O3 3、SiOSiO2 2的多晶纤维。采的多晶纤维。采用预聚合法用预聚合法,先是用烷基铝加水聚合成一先是用烷基铝加水聚合成一种聚铝氧烷聚合物，将其溶解在有机溶剂种聚铝氧烷聚合物，将其溶解在有机溶剂中中,加入硅酸酯或有机硅化合物加入硅酸酯或有机硅化合物,使混合使混合物浓缩成粘稠液物浓缩成粘稠液,干法纺丝成先驱纤维。干法纺丝成先驱纤维。再在再在600600空气中裂解成含有氧化铝和氧空气中裂解成含有氧化铝和氧化硅等组成的无机纤维，最后在化硅等组成的无机纤维，最后在10001000以以上烧结，得到微晶聚集态的连续氧化铝纤上烧结，得到微晶聚集态的连续氧化铝纤维，其直径维，其直径10m

33、10m左右。左右。4.4.预聚合法预聚合法 此法采用无机盐溶液浸渍基体纤此法采用无机盐溶液浸渍基体纤维维,经过烧结除去基体纤维而得到经过烧结除去基体纤维而得到陶瓷纤维。缺点是成本高。陶瓷纤维。缺点是成本高。20 十二月 2022江 苏 大 学27美国杜邦公司利用淤浆法生产的FP氧化铝纤维-Al-Al2 2O O3 3(直径小于直径小于0.5m)0.5m)浆料浆料粘结剂粘结剂羟基氯化铝和铝化镁羟基氯化铝和铝化镁成纤成纤干法干法干燥干燥烧结至烧结至18001800得到得到-Al-Al2 2O O3 3多晶纤维多晶纤维质量分数为质量分数为99.9%99.9%20 十二月 2022江 苏 大 学28溶

34、胶溶胶-凝胶法具有以下优点凝胶法具有以下优点:制品的均匀度高制品的均匀度高,尤其是多组分的制品尤其是多组分的制品,其均匀程度其均匀程度可达分子或原子水平可达分子或原子水平;制品纯度高制品纯度高,因为所用原料的纯度高因为所用原料的纯度高,而且溶剂在处而且溶剂在处理过程中容易被除去理过程中容易被除去;烧结温度比传统方法约低烧结温度比传统方法约低400400500;500;制备的氧化铝纤维直径小制备的氧化铝纤维直径小,因而拉伸强度有较大提高。因而拉伸强度有较大提高。工艺简单工艺简单,可设计性强可设计性强,产品多样化产品多样化,是一种很有发是一种很有发展前途的制备无机材料的方法。展前途的制备无机材料的

35、方法。20 十二月 2022江 苏 大 学29美国美国3M3M公司生产公司生产NextelNextel系列氧化铝纤维，系列氧化铝纤维，具代表性的品种是具代表性的品种是Nextel-312Nextel-312。主要成分：主要成分：6060AlAl2 2O O3 3，2424SiOSiO2 2，1414B B2 2O O3 3。制备方法：制备方法：在含有甲酸根离子和乙酸根离子的氧化铝溶在含有甲酸根离子和乙酸根离子的氧化铝溶 液中，加入作为硅组分的硅溶胶和作为氧化液中，加入作为硅组分的硅溶胶和作为氧化 硼组分的硼酸，制得混合溶胶，然后浓缩成硼组分的硼酸，制得混合溶胶，然后浓缩成 纺丝液，挤出纺丝，最

36、后在温度纺丝液，挤出纺丝，最后在温度10001000，一，一 定张力条件下烧结，得到连续氧化铝纤维。定张力条件下烧结，得到连续氧化铝纤维。性能：性能：使用温度高达使用温度高达14001400，抗拉强度达，抗拉强度达3100MPa3100MPa，弹，弹 性模量高达性模量高达380GPa380GPa。用途：用途：隔热材料隔热材料20 十二月 2022江 苏 大 学30 国外公司生产的高性能氧化铝纤维。国外公司生产的高性能氧化铝纤维。（1 1）美国杜邦公司采用淤浆法生产）美国杜邦公司采用淤浆法生产FPFP氧化铝纤维，氧化铝含量为氧化铝纤维，氧化铝含量为99.999.9。（2 2）日本）日本 Mits

37、ui MiningMitsui Mining公司也通过淤浆法制得氧化铝含量在公司也通过淤浆法制得氧化铝含量在9595以上的以上的 连续氧化铝纤维。连续氧化铝纤维。（3 3）美国）美国3m3m公司通过溶胶凝胶法生产公司通过溶胶凝胶法生产NextelNextel系列氧化铝纤维，其中较具系列氧化铝纤维，其中较具 代表性的品种是代表性的品种是Nextel312Nextel312。（4 4）日本住友化学公司采用预聚合法生产）日本住友化学公司采用预聚合法生产AltexAltex氧化铝纤维，其组分为氧化铝纤维，其组分为AlAl2 2O O3 3、SiOSiO2 2和和B B2 2O O3 3。（5 5）美国

38、）美国IciIci公司采用卜内门法生产商品名为公司采用卜内门法生产商品名为saffilsaffil的氧化铝短纤维，其使的氧化铝短纤维，其使 用温度可达用温度可达1200120016001600，已开始应用在工业烧结炉的衬里上。，已开始应用在工业烧结炉的衬里上。以上几种氧化铝纤维制备方法中。溶胶凝胶法工艺简单，烧结温度较以上几种氧化铝纤维制备方法中。溶胶凝胶法工艺简单，烧结温度较低且制得的纤维均匀性好，纯度高，可设计性强，产品多样，已成为生产氧低且制得的纤维均匀性好，纯度高，可设计性强，产品多样，已成为生产氧化铝纤维的主要方法。化铝纤维的主要方法。氧化铝纤维主要用于高温绝热材料（短纤维）和增强复

39、合材料（长纤维）氧化铝纤维主要用于高温绝热材料（短纤维）和增强复合材料（长纤维），可以编织成无纺布、编织带、绳索等各种形状的纤维制品。，可以编织成无纺布、编织带、绳索等各种形状的纤维制品。20 十二月 2022江 苏 大 学312.3 2.3 晶须及颗粒增强体晶须及颗粒增强体 晶须是在人工控制条件下以单晶形式生长成的一种纤维，是晶须是在人工控制条件下以单晶形式生长成的一种纤维，是高技术新型复合材料中的一种特殊成员；高技术新型复合材料中的一种特殊成员；（1）直径非常小，以致难容纳在大晶体中常出现的缺陷；直径非常小，以致难容纳在大晶体中常出现的缺陷；（2）原子高度有序，因而强度接近于完整晶体的理论

40、值；原子高度有序，因而强度接近于完整晶体的理论值；（3）具有优良的耐高温、高热、耐腐蚀性能，良好的机械强度、具有优良的耐高温、高热、耐腐蚀性能，良好的机械强度、电绝缘性、轻量、高强度、高弹性模量、高硬度等特性；电绝缘性、轻量、高强度、高弹性模量、高硬度等特性；（4）在电学、光学、磁学、铁磁性、介电性、传导性甚至超导在电学、光学、磁学、铁磁性、介电性、传导性甚至超导 性等方面皆发生显著变化。性等方面皆发生显著变化。20 十二月 2022江 苏 大 学322.3.1.12.3.1.1晶须增强体的分类晶须增强体的分类非金属晶须增强体非金属晶须增强体 非金属晶须增强体亦称陶瓷晶非金属晶须增强体亦称陶瓷

41、晶须增强体，它具有高强度、高须增强体，它具有高强度、高模量、耐高温等突出优点，被模量、耐高温等突出优点，被广泛用于复合材料的增强。其广泛用于复合材料的增强。其大致又可分为两类：非氧化物大致又可分为两类：非氧化物类和氧化物类。类和氧化物类。金属晶须增强体金属晶须增强体 金属晶须增强体一般是由金金属晶须增强体一般是由金属的固体、熔体或气体为原属的固体、熔体或气体为原料，采用熔融盐电解法或气料，采用熔融盐电解法或气相沉积法制得。相沉积法制得。晶须增强体的分类晶须增强体的分类 2.3.1 2.3.1晶须增强体的分类和物理性质晶须增强体的分类和物理性质20 十二月 2022江 苏 大 学33在火箭、导弹

42、、喷气发动机等方面有广泛的应用，特别是在火箭、导弹、喷气发动机等方面有广泛的应用，特别是用作导电复合材料和电磁波屏蔽材料。用作导电复合材料和电磁波屏蔽材料。金属晶须金属晶须由非金属材料及金属氧化物，如二氧化硅、氧化镁、氮由非金属材料及金属氧化物，如二氧化硅、氧化镁、氮化硅、碳化硅、碳化硼、氧化铍及氧化铝、石墨等制成化硅、碳化硅、碳化硼、氧化铍及氧化铝、石墨等制成的晶须。的晶须。非金属晶须非金属晶须20 十二月 2022江 苏 大 学34晶须是在受控条件下培殖生长的高纯度纤细单晶体，其晶晶须是在受控条件下培殖生长的高纯度纤细单晶体，其晶体结构近乎完整，不含有晶粒界、位错、空洞等晶体结构体结构近乎

43、完整，不含有晶粒界、位错、空洞等晶体结构缺陷，具有异乎寻常的力学等物理性能。缺陷，具有异乎寻常的力学等物理性能。2.3.1.22.3.1.2晶须增强体的物理性质晶须增强体的物理性质各种非金属晶须的直径比最细各种非金属晶须的直径比最细纤维纤维还微细还微细(小于小于10m)10m)，长度，长度由零点几毫米到数十毫米，最高由零点几毫米到数十毫米，最高模量模量可达可达100GPa100GPa数量级，最数量级，最高熔点可达高熔点可达35003500左右。左右。如用如用20203030氧化铝晶须增强金属，得到的复合材料强度氧化铝晶须增强金属，得到的复合材料强度在室温下比金属增加近在室温下比金属增加近303

44、0倍。作为增强体时，晶须用量多在倍。作为增强体时，晶须用量多在3535(体积体积)以下。以下。晶须的伸长率与玻璃纤维相当，弹性模量与硼纤维相当，兼晶须的伸长率与玻璃纤维相当，弹性模量与硼纤维相当，兼具这两种纤维的最佳性能；其性能还与直径相关，如图所示。具这两种纤维的最佳性能；其性能还与直径相关，如图所示。20 十二月 2022江 苏 大 学352.3.1.32.3.1.3晶须分散技术晶须分散技术 常用的晶须分散技术主要有球磨分散、超声分散、溶胶凝胶常用的晶须分散技术主要有球磨分散、超声分散、溶胶凝胶(sol(sol gel)gel)法分散以及分散介质选择、法分散以及分散介质选择、pHpH值的调

45、整等。值的调整等。由于晶须增强体具有较大的长径比，在由于晶须增强体具有较大的长径比，在730之间，导致晶须之间，导致晶须之间的相互纠结而形成集聚；同时，晶须之间的化学吸附也之间的相互纠结而形成集聚；同时，晶须之间的化学吸附也会导致晶须之间的集聚。会导致晶须之间的集聚。对于某些长径比较大、分枝较多的晶须，首先还需通过球磨对于某些长径比较大、分枝较多的晶须，首先还需通过球磨或高速捣碎的方式减少分枝和降低长径比。或高速捣碎的方式减少分枝和降低长径比。20 十二月 2022江 苏 大 学36 按晶须来源不同，可分为外加晶须增强和原位生长晶须增按晶须来源不同，可分为外加晶须增强和原位生长晶须增强两种。这

46、类复合材料具有高的强度和模量；横向力学性强两种。这类复合材料具有高的强度和模量；横向力学性能高，综合力学性能较好，具有良好的高温性能；还具有能高，综合力学性能较好，具有良好的高温性能；还具有导热、导电、耐磨损、热膨胀系数小、尺寸稳定性好、阻导热、导电、耐磨损、热膨胀系数小、尺寸稳定性好、阻尼性好等特点。尼性好等特点。晶须增强金属基复合材料使用的晶须有晶须增强金属基复合材料使用的晶须有SiSi3 3N N4 4、SiCSiC、A1A12 2O O3 3B B2 2O O3 3 、K K2 2O O6TiO6TiO2 2 、TiBTiB2 2 、TiCTiC、ZnO ZnO 等。对于不等。对于不同

47、的金属或合金基体种类，所适用的晶须类型是不同的。同的金属或合金基体种类，所适用的晶须类型是不同的。应保证获得良好的润湿性又不产生严重的界面反应损伤晶应保证获得良好的润湿性又不产生严重的界面反应损伤晶须须。晶须增强金属基复合材料的制备方法大体上可分为固态法晶须增强金属基复合材料的制备方法大体上可分为固态法(如粉末冶金法如粉末冶金法)和液相法和液相法(如压铸法如压铸法)。20 十二月 2022江 苏 大 学37 近年来颗粒增强金属基复合材料迅速发展，为适应不同的性近年来颗粒增强金属基复合材料迅速发展，为适应不同的性能需要可选用不同的颗粒作为增强物，主要选用的颗粒材料能需要可选用不同的颗粒作为增强物

48、，主要选用的颗粒材料是现有陶瓷颗粒，它们是是现有陶瓷颗粒，它们是A1A12 20 03 3、SiCSiC、SiSi3 3N N4 4、TiCTiC、B B4 4C C和石和石墨等颗粒。墨等颗粒。陶瓷颗粒性能好、成本低，易于批量比产。陶瓷颗粒性能好、成本低，易于批量比产。A1A12 20 03 3、SiCSiC、B B4 4C C、石墨等颗粒主要用于铝基、镁基复合材料，石墨等颗粒主要用于铝基、镁基复合材料，TiCTiC、TiBTiB2 2等颗等颗粒用于钛基复合材料。粒用于钛基复合材料。2.3.2 2.3.2 颗粒增强体颗粒增强体20 十二月 2022江 苏 大 学38其制造工艺流程如下图。其制造

49、工艺流程如下图。用做金属基复合材料增强物的金属丝主要有高强钢丝、不用做金属基复合材料增强物的金属丝主要有高强钢丝、不锈钢丝和难熔金属丝等连续丝或不连续丝。高强钢丝、不锈钢锈钢丝和难熔金属丝等连续丝或不连续丝。高强钢丝、不锈钢丝用来增强铝基复合材料，而钍钨丝等难熔金属丝则用来增强丝用来增强铝基复合材料，而钍钨丝等难熔金属丝则用来增强镍基耐热合金，提高耐热合金的高温性能。镍基耐热合金，提高耐热合金的高温性能。2.4 2.4 金属丝金属丝20 十二月 2022江 苏 大 学39金属丝制造工艺流程图金属丝制造工艺流程图20 十二月 2022江 苏 大 学40本章总结本章总结本章主要讲解了增强体的种类、性能、制备方法及应用。本章主要讲解了增强体的种类、性能、制备方法及应用。要求了解增强体的种类、制备方法及应用领域；熟悉要求了解增强体的种类、制备方法及应用领域；熟悉使用工况和成本；掌握设计选择适当的增强体。使用工况和成本；掌握设计选择适当的增强体。作业：作业：（1）在实际的工程应用中，选择增强体要注意哪些事项？）在实际的工程应用中，选择增强体要注意哪些事项？（2）国内外氧化铝纤维的制备技术及其应用现状。）国内外氧化铝纤维的制备技术及其应用现状。