复合材料的增强体有机纤维.ppt

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1、增增强材料共分材料共分为三三类：纤维及其及其织物物晶晶须颗粒粒分分分分为为有机有机有机有机纤维纤维和和和和无机无机无机无机纤维纤维要点回顾要点回顾1（一）一）无机无机纤维1、玻璃玻璃纤维2、特种玻璃特种玻璃纤维3、碳碳纤维4、硼硼纤维5、氧化氧化铝纤维6、碳化硅碳化硅纤维7、氮化硼氮化硼纤维8、其他其他纤维2 4.1 4.1 概述概述 4.2 4.2 硼纤维的制造硼纤维的制造 4.3 4.3 硼纤维的组织结构硼纤维的组织结构 4.4 4.4 硼纤维的性能硼纤维的性能 4.5 4.5 硼纤维的应用硼纤维的应用 4.硼纤维硼纤维34.1 4.1 概述概述硼硼：是是一一种种脆脆性性材材料料，原原子子

2、序序数数为为5 5，相相对对原原子子量量10.810.8，熔点，熔点20002000o oC C以上，电的半导体。以上，电的半导体。硼很难直接制成纤维硼很难直接制成纤维硼很难直接制成纤维硼很难直接制成纤维。4硼纤维硼纤维：通通过过化化学学气气相相沉沉积积（chemicalvapordeposition，CVD）的的方方法，在超细的异质芯材上获得表面为硼的复合纤维。法，在超细的异质芯材上获得表面为硼的复合纤维。芯材芯材：有有钨钨丝丝、碳碳丝丝、涂涂钨钨及及涂涂碳碳的的石石英英玻玻璃璃纤纤维维。硼硼纤纤维维是是高高强强度和高模量的无机纤维度和高模量的无机纤维，其模量比玻璃纤维约高，其模量比玻璃纤维

3、约高57倍倍。5硼纤维研制历史硼纤维研制历史19561956年年最最早早制制成成，19591959年年美美国国TELLYTELLY首首先先发发表表了了用用化化学学气气相相沉沉积积法法制制造造高高性性能能硼硼纤纤维维的的论论文文，并并受受到到了了美美国国空空军军材材料料实实验验室室的的高高度度重重视视，积积极极推推进进硼硼纤纤维维及及其其复复合合材材料料的的研研制制。19661966年年应应用用于于航航天天工工业业，是是应应航航天天领领域域对对材材料料日日益益严严苛苛的的要要求求而而发发展展起起来来的的，是是制制造造金属复合材料最早采用的高性能纤维。金属复合材料最早采用的高性能纤维。硼纤维的制备

4、问题硼纤维的制备问题：现现在在硼硼纤纤维维通通用用的的制制备备方方法法CVDCVD法法，这这种种制制备备法法硼硼纤纤维维生生产产率率低低，且且须须对对表表面面进进行行特特殊殊处处理理（防防止止表表面面氧氧化及机械损伤）。化及机械损伤）。64.2 4.2 硼纤维的制造硼纤维的制造制备工艺制备工艺：CVDCVD法法制制备备硼硼纤纤维维，是是以以氢氢气气为为还还原原剂剂，从从三三卤卤化化硼硼中中还原出硼并沉积在炙热的芯材上，所需温度约为还原出硼并沉积在炙热的芯材上，所需温度约为1160oC。2BX3+3H22B+6HX 上式中，上式中，X X为卤素原为卤素原子（子（Cl、Br、I）。）。硼纤维的直径

5、有硼纤维的直径有100m、140m、200m几种。几种。74.3 4.3 硼纤维的组织结构硼纤维的组织结构硼硼纤纤维维的的组组织织和和结结构构受受其其制制备备的的工工艺艺参参数数影影响响很很大大，由由此此产产生生的的一一些些结结构构缺缺陷陷和和组组织织不不规规则则性性都都可可降降低低纤纤维维的的力学性能。因此，硼纤维制备过程中的工艺参数很关键力学性能。因此，硼纤维制备过程中的工艺参数很关键8（1 1）硼纤维的形貌）硼纤维的形貌：硼硼纤纤维维是是由由一一些些边边界界分分开开的的、不不规规则则的的 小小结结节节 构构成成“玉玉米米棒棒”结结构构，因因此此表表面面粗粗燥燥。小小结结节节是是硼硼在在沉

6、沉积积过过程程中中成成核核并并逐逐渐渐长长大大的的，直直径径为为37微微米米，高高13微微米米，节节间沟深间沟深0.250.75微米。微米。图图3.4 硼纤维的表面形貌和断口形硼纤维的表面形貌和断口形貌貌9（2 2）硼纤维的结构）硼纤维的结构硼硼纤纤维维的的无无定定形形结结构构实实际际上上是是晶晶粒粒直直径径为为2 2纳纳米米的的微微晶晶结结构构（主主要要是是菱菱形形六六面面体体），菱菱形形六六面面体体的的晶晶胞胞结结构的基本单元是一组由构的基本单元是一组由1212个原子构成的二十面体。个原子构成的二十面体。在在钨钨丝丝表表面面形形成成沉沉积积的的硼硼时时往往往往在在界界面面上上有有硼硼化化钨

7、钨化化合合物的形成，这主要是硼在钨丝表面扩散形成的。物的形成，这主要是硼在钨丝表面扩散形成的。10（3 3）硼纤维的残余应力）硼纤维的残余应力：采用采用CVDCVD法制备硼纤维事，存在着法制备硼纤维事，存在着较大的残余应力较大的残余应力。使用钨芯时，钨芯为压缩应力，硼覆盖层为周向拉伸应力使用钨芯时，钨芯为压缩应力，硼覆盖层为周向拉伸应力（硼化钨的形成产生体积膨胀）；（硼化钨的形成产生体积膨胀）；碳丝芯材时，碳与硼不反应，但热膨胀不匹配，在碳芯中碳丝芯材时，碳与硼不反应，但热膨胀不匹配，在碳芯中形成很大的拉伸残余应力，覆盖层中外部为压缩应力（硼形成很大的拉伸残余应力，覆盖层中外部为压缩应力（硼纤

8、维被拉出后冷淬形成的）。纤维被拉出后冷淬形成的）。硼覆盖层中的这种压缩应力有利于阻止裂纹在外表面扩展硼覆盖层中的这种压缩应力有利于阻止裂纹在外表面扩展11（4 4）硼纤维的结构缺陷）硼纤维的结构缺陷：包包括括表表面面缺缺陷陷和和芯芯材材与与覆覆盖盖层层之之间间的的界界面面缺缺陷陷。对对硼硼纤纤维维表表面面进进行行化化学学处处理理，表表面面缺缺陷陷被被腐腐蚀蚀掉掉，硼硼纤纤维维的的性性能能将将有所提高。有所提高。（5 5）硼纤维的表面涂层）硼纤维的表面涂层：由由于于硼硼的的表表面面能能高高，所所以以在在制制备备复复合合材材料料时时硼硼纤纤维维容容易易被被基基体体材材料料所所浸浸润润，但但同同时时

9、也也容容易易与与多多数数金金属属（如如铝铝、镁镁、钛钛等等）强强烈烈反反应应。因因此此硼硼纤纤维维表表面面必必须须进进行行涂涂层层制制备备，包包括：括：BNBN、SiCSiC、B B4 4C C等。等。124.4 4.4 硼纤维的性能硼纤维的性能化学稳定性化学稳定性：室室温温下下硼硼纤纤维维的的化化学学稳稳定定性性好好，但但表表面面具具有有活活性性，不不需需要要处处理理就就可可与与树树脂脂复复合合，其其复复合合材材料料具具有有较较高高的的层层间间剪剪切切强强度度。但但在在高高温温下下易易与与大大多多数数金金属属反反应应，需需要要在在纤纤维维表面沉积保护涂层，如表面沉积保护涂层，如BNBN、Si

10、CSiC和和B B4 4C C等。等。13抗氧化和高温性能抗氧化和高温性能：硼硼纤纤维维的的这这两两种种性性能能较较差差，在在400400 C C时时可可保保持持室室温温强强度度的的80%80%；在在高高于于500500 C C的的氧氧化化气气氛氛中中几几分分钟钟其其强度就迅速下降；在强度就迅速下降；在650650 C C时将失去所有的性能。时将失去所有的性能。模模量量：比比S玻璃纤维高玻璃纤维高45倍。倍。制造成本制造成本：较高，下降的潜力也不大。较高，下降的潜力也不大。14表表3.6直径直径为为100微米微米钨钨芯硼芯硼纤维纤维的性能的性能性能性能数数值值性能性能数数值值密度，密度，g/c

11、m32.6杨杨氏模量，氏模量，GPa420拉伸拉伸强强度，度，GPa3.14.1剪切模量，剪切模量，GPa165179泊松比泊松比0.21热热膨膨胀胀系数，系数，10-6/C4.685.0纤维纤维直径，微米直径，微米处处理状理状态态平均拉伸平均拉伸强强度，度，GPa142未未处处理理3.8406未未处处理理2.1382表面化学抛光表面化学抛光4.6382热处热处理理+化学抛光化学抛光5.7表表3.7 改进的特大直径钨芯硼纤维的性能改进的特大直径钨芯硼纤维的性能154.5 4.5 硼纤维的应用硼纤维的应用硼纤维主要用于硼纤维主要用于聚合物基和铝基聚合物基和铝基复合材料。复合材料。由由于于 卓卓越

12、越的的性性能能 和和 昂昂贵贵的的价价格格，硼硼纤纤维维增增强强复复合合材材料料主主要用于航空航天、军事领域。要用于航空航天、军事领域。应应用用实实例例：轰轰炸炸机机、战战斗斗机机的的水水平平尾尾翼翼。硼硼纤纤维维增增强强铝铝基基时时一一般般带带有有碳碳化化硅硅涂涂层层，以以避避免免硼硼纤纤维维与与铝铝、镁镁等等基基体体之之间间产产生生有有害害的的界界面面反反应应；硼硼纤纤维维增增强强钛钛时时一一般般带带有有B4CB4C涂涂层，基体常用层，基体常用Ti-6Al-4VTi-6Al-4V合金。合金。165.5.氧化铝纤维氧化铝纤维以以氧化氧化氧化氧化铝铝为主要主要纤维组分分的陶瓷的陶瓷纤维统称称为

13、氧化氧化铝纤维(AluminiaFibre,AF或或(Al2O3)f)。17通常情况下，将通常情况下，将氧化氧化铝含量大于含量大于70的的纤维相称相称为氧化氧化铝纤维；将将氧化氧化铝含量小于含量小于70，其余，其余为二氧化二氧化硅和少量硅和少量杂质的的纤维称称为硅酸硅酸铝纤维。18氧化氧化铝纤维的特点的特点(1)耐耐耐耐热热性好性好性好性好，在空气中加，在空气中加热到到1250还保保持室温持室温强度的度的90%，碳碳纤维通常在通常在400以上就以上就氧化燃氧化燃烧。19(2)不被熔融金属侵不被熔融金属侵不被熔融金属侵不被熔融金属侵蚀蚀，可与金属很好地复合。，可与金属很好地复合。(3)表面活性好

14、表面活性好表面活性好表面活性好，不需要，不需要进行表面行表面处理，即能理，即能与与树脂和金属复合。脂和金属复合。(4)具有极佳的具有极佳的耐化学腐耐化学腐耐化学腐耐化学腐蚀蚀和和抗氧化性抗氧化性抗氧化性抗氧化性，尤其，尤其在高温条件在高温条件这些性能更些性能更为突出突出。20(5)用氧化用氧化铝增增强的复合材料的复合材料具有具有优良的良的抗抗抗抗压压性能性能性能性能，压缩强度比度比GFRP高，是高，是GFRP的三倍以上，的三倍以上，耐疲耐疲劳强度高，度高，经107次次重复交重复交变加加载后，后，强度不度不低于静低于静强度的度的70。21(6)电气气绝缘、电波透波透过性好性好。与玻璃与玻璃钢相比

15、，它的介相比，它的介电常数和常数和损耗耗值小，且随小，且随频率的率的变化小，化小，电波透波透过性更好。性更好。22氧化氧化铝纤维的分的分类及制造方法及制造方法氧化氧化铝纤维按照按照纤维的的长短可分短可分为连续氧化氧化铝纤维和氧化和氧化铝短短纤维两种。氧化两种。氧化铝纤维的制的制备方法方法较多，制多，制备的晶型有的晶型有-Al2O3、-Al2O3、-Al2O323连续氧化氧化铝纤维的制的制备方法主要有如下几种方法主要有如下几种拉晶法（拉晶法（Typo）：）：采用制造采用制造单晶的方法制晶的方法制备氧氧化化铝纤维，是，是单晶晶结构；构；溶液溶液纺丝法：法：日本住友公司使用的、通日本住友公司使用的、

16、通过先先驱体体转化法制化法制备的氧化的氧化铝纤维，其，其结构构为粒径粒径为5纳米的超微粒子聚集而成，属于一种凝聚米的超微粒子聚集而成，属于一种凝聚结构。构。溶胶溶胶-凝胶法（凝胶法（3M）：）：美国美国3M公司采用公司采用该方法方法制制备了氧化了氧化铝纤维，其，其结构构为多晶混合多晶混合结构。构。24混合液混合液纺丝法：法：将金属氧化物与聚合物溶液混将金属氧化物与聚合物溶液混合成一定黏度的溶液，用合成一定黏度的溶液，用挤压纺丝的方法从的方法从纺丝孔孔直接直接挤出出纤维，再以高温，再以高温烧结形成；形成；基体基体纤维浸浸渍溶液法：溶液法：用无机用无机铝盐溶液浸溶液浸渍有有机基体机基体纤维，然后高

17、温，然后高温烧结除去基体除去基体纤维而得到陶而得到陶瓷瓷纤维。溶液多。溶液多为水溶液，基体水溶液，基体纤维多多为亲水性良水性良好的黏胶好的黏胶纤维。采用此法可以得到。采用此法可以得到强度度较高的高的连续纤维。与混合液法相比工。与混合液法相比工艺简单，容易推广。，容易推广。25氧化氧化铝短短纤维的制的制备方法主要有两种方法主要有两种熔熔喷法：法：将氧化将氧化铝和氧化硅按照一定比例混合和氧化硅按照一定比例混合均匀后，在均匀后，在电炉中高温熔融，以炉中高温熔融，以压缩空气或高温水空气或高温水蒸气将熔体吹成蒸气将熔体吹成细流，冷却后即成流，冷却后即成为氧化氧化铝短短纤维；离心甩离心甩丝法：法：将熔融的

18、液流落在高速旋将熔融的液流落在高速旋转的离的离心心辊的表面，由于离心力的拉伸作用，使得熔体分的表面，由于离心力的拉伸作用，使得熔体分散，散，经二次或三次离心而制得二次或三次离心而制得纤维。此法工。此法工艺产量量大，但大，但设备比比较复复杂。26氧化氧化铝纤维的的应用用针对氧化氧化铝纤维特点，氧化特点，氧化铝纤维适合于制适合于制造既需要造既需要轻质轻质高高高高强强又需要又需要耐耐耐耐热热的的结构件。构件。用它制作用它制作雷达天雷达天线罩罩，其，其刚性性比玻璃比玻璃钢高，高，透透电波波性能好，性能好，耐高温耐高温。27若用若用氧化氧化铝纤维的复合材料的复合材料制制导弹导弹壳体壳体壳体壳体，则有有可

19、能不开天可能不开天线窗，将天窗，将天线装在装在弹内。内。目前，目前，氧化氧化氧化氧化铝纤维铝纤维的的用途的的用途的的用途的的用途正正处于于开开发阶段段，不久的将来将在不久的将来将在航空航空、航天航天、卫星星、交通交通和和能源能源等等部部门得到广泛得到广泛应用。用。28氧化氧化铝纤维不足之不足之处是是密度比密度比较大大，约为3.20g/cm3，是是纤维中最大的一种。中最大的一种。296.6.碳化硅纤维碳化硅纤维碳化硅碳化硅纤维（SiliconCarbideFibre，SF或或SiCf）是以）是以碳和硅碳和硅为主要主要组分分的一种的一种陶瓷陶瓷纤维。306.1碳化硅碳化硅纤维的性能的性能SiC纤维

20、是是高高强度、高模量度、高模量纤维，有良，有良好的好的耐化学腐耐化学腐蚀性性、耐高温耐高温和和耐耐辐射性能射性能。31(1)力学性能力学性能优异力学性能（均匀分散的微晶凝聚力异力学性能（均匀分散的微晶凝聚力大）大）以在日本碳公司以在日本碳公司进行中行中试生生产，产品名品名称称尼卡尼卡纶为代表，其主要性能如下表所示：代表，其主要性能如下表所示：32尼卡尼卡纶的一般性的一般性质从表中可看出，从表中可看出，尼卡尼卡尼卡尼卡纶纶的的强度与度与韧性接近于性接近于硼硼纤维。33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)Nicalon

21、CVD-W芯CVD-C芯Tyranno晶须2.63.43.02.43.22504004002807002500360036002400 2000096.2117.6133.3116.7218.8961.51058.81200.01000.06250.0表表各种各种SiC纤维的力学性能比的力学性能比较34(2)热性能性能碳化硅碳化硅碳化硅碳化硅纤维纤维具有具有优良的良的耐耐耐耐热热性能性能性能性能，在在1000以下以下，其力学性能（，其力学性能（拉伸拉伸强度度和和弹性模量性模量）基本）基本上不上不变，可，可长期使用。期使用。当当温度超温度超过1300时，由于由于SiC微晶微晶长大大其性能才开始下

22、降。因此，相比于碳其性能才开始下降。因此，相比于碳纤维和硼和硼纤维，碳化硅碳化硅碳化硅碳化硅纤维纤维具有更好的具有更好的高温高温高温高温稳稳定性定性定性定性，是一种，是一种较好的耐高温材料好的耐高温材料。35(3)耐化学性能耐化学性能碳化硅碳化硅碳化硅碳化硅纤维纤维具有良好的具有良好的耐化学性能耐化学性能耐化学性能耐化学性能，在，在80下耐下耐强酸酸(HCl、H2SO4、HNO3)；用用30NaOH浸浸蚀20小小时后，后，纤维仅失重失重1以下，其力学性能仍不以下，其力学性能仍不变。碳化硅碳化硅碳化硅碳化硅纤维纤维与全属在与全属在1000以下也不以下也不发生反生反应，而且有很好的浸，而且有很好的

23、浸润性，有益于金属的复合。性，有益于金属的复合。36(4)耐耐辐照和吸波性能照和吸波性能碳化硅碳化硅碳化硅碳化硅纤维纤维在通量在通量为3.21010中子中子/秒的秒的快快快快中子中子中子中子辐照照1.5小小时或以能量或以能量为105中子伏特中子伏特，200纳秒的秒的强脉冲脉冲 射射线照射下，碳化硅照射下，碳化硅纤维强强度度度度均无明均无明显降低。降低。37此外，此外，SiC纤维还具有具有半半导体性能体性能，与与金属相容性金属相容性好，常用于金属基和陶瓷好，常用于金属基和陶瓷基复合材料。基复合材料。386.2碳化硅碳化硅纤维的制造方法的制造方法A、化学气相沉化学气相沉积法（法（CVD法）法）B、

24、烧结法法(先先驱体体转化法化法)39化学气相沉化学气相沉积法：法：将基体将基体丝连续通通过玻璃管状反玻璃管状反应器，并在加器，并在加热到到12001300 C的同的同时通入适通入适量的量的氯硅硅烷与与氢气的混合反气的混合反应气体，反气体，反应气体在气体在热丝上上发生生热解反解反应生成生成SiC并沉并沉积在在热丝上形上形成成带有芯（有芯（丝）材的）材的连续SiC纤维。生。生产的碳化的碳化硅硅纤维是直径是直径为95-140um的的单丝。CH3SiCl3+H2SiC+HCl+烧结烧结法法：1975年由日本的关年由日本的关岛教授首先研制成功。教授首先研制成功。纤维呈束状，每束呈束状，每束500根左右，

25、每根根左右，每根纤维10um左右。先左右。先驱体体转化法制化法制备碳化硅碳化硅纤维工工艺流程：流程：聚碳硅聚碳硅烷合成、聚碳硅合成、聚碳硅烷纺丝、不熔化、不熔化处理、理、烧结等等阶段。段。40碳化硅碳化硅碳化硅碳化硅纤维纤维的主要生的主要生产国是美、日两国。国是美、日两国。美国美国Texton公司是公司是碳化硅碳化硅碳化硅碳化硅单丝单丝的主要生的主要生产厂。厂。碳化硅碳化硅纤维的的系列系列产品品是是SCS2，SCS6等，并研究等，并研究发展展碳化硅碳化硅纤维增增强铝、钛基复合材料基复合材料。41日本碳公司日本碳公司是利用是利用烧结烧结法法法法生生产碳化硅碳化硅纤维的的主要厂家，系列商品名主要厂

26、家，系列商品名为Nicalon纤维和和Tyranno纤维。80年代末，日本又年代末，日本又发展了展了含含含含TiTi碳化硅碳化硅碳化硅碳化硅纤维纤维。碳化硅碳化硅碳化硅碳化硅纤维纤维虽有其性能特点，但有其性能特点，但价格昂价格昂价格昂价格昂贵贵，应用用尚未广泛。尚未广泛。426.3碳化硅碳化硅纤维的的结构构研究表明碳化硅研究表明碳化硅纤维中含有中含有SiC微晶微晶及少量石墨微晶和及少量石墨微晶和石英微晶，石英微晶，这些些微晶微晶大大小小约为5纳米米左右，因此可以左右，因此可以认为碳化硅碳化硅纤维是是由由SiC微晶、少量石墨微晶和微晶、少量石墨微晶和石英微石英微晶晶组成的均匀分散体成的均匀分散体

27、。436.4碳化硅碳化硅纤维的的应用用由于碳化硅由于碳化硅纤维具有具有耐高温耐高温、耐腐耐腐蚀、耐耐辐射射的的三耐性能三耐性能，是一种耐，是一种耐热的的理想材料。适合于制理想材料。适合于制备树脂、金属及陶脂、金属及陶瓷基复合材料。瓷基复合材料。44用用碳化硅碳化硅碳化硅碳化硅纤维纤维编织成双向和三向成双向和三向织织物物物物，巳，巳用于高温的用于高温的传送送带、过滤材料，如汽材料，如汽车的的废气气过滤器等。器等。碳化硅复合材料碳化硅复合材料碳化硅复合材料碳化硅复合材料已已应用于用于喷气气发动机机涡轮叶片叶片、飞机螺旋机螺旋桨等受力部件。等受力部件。45在在军事上，事上，碳化硅碳化硅碳化硅碳化硅纤

28、维纤维用于大口径用于大口径军用步用步枪金属基复合金属基复合枪筒套管筒套管，M-1作作战坦克履坦克履带、火箭、火箭推推进剂传送系送系统，先，先进战术战斗机的斗机的垂直安定面垂直安定面，导弹尾部，火箭尾部，火箭发动机机外壳外壳，鱼雷壳体雷壳体等。等。467、氮化硼、氮化硼纤维氮化硼氮化硼氮化硼氮化硼纤维纤维是是20世世纪60年代年代发展起来的无机展起来的无机纤维，该纤维具有具有优良的良的机械性能机械性能机械性能机械性能、耐耐耐耐热热性能性能性能性能、抗氧化性能抗氧化性能抗氧化性能抗氧化性能、耐腐耐腐耐腐耐腐蚀蚀性能性能性能性能以及独特的以及独特的电电性能性能性能性能等，等，可用作可用作金属基金属基

29、、陶瓷基陶瓷基、聚合物基聚合物基复合材料的增复合材料的增强材料材料.47氮化硼的氮化硼的氮化硼的氮化硼的结结构构构构类似于石墨，而似于石墨，而氮化硼的耐氧氮化硼的耐氧氮化硼的耐氧氮化硼的耐氧化性能化性能化性能化性能比石墨比石墨优越。越。石墨石墨石墨石墨纤维纤维在空气中在空气中400时氧化性能开始降低，氧化性能开始降低，而而氮化硼氮化硼氮化硼氮化硼纤维纤维在在850的空气中的空气中才开始氧化。才开始氧化。48石墨石墨石墨石墨纤维纤维被氧化被氧化时产生气体，生气体，不形成表面的不形成表面的保保护层；而；而氮化硼氮化硼氮化硼氮化硼纤维纤维在氧化在氧化过程中程中具有增重具有增重现象象。这是因是因为形成

30、氧化硼保形成氧化硼保护层，可以防止深度，可以防止深度氧化。氧化。在惰性或在惰性或还原性气氛中，原性气氛中，氮化硼氮化硼氮化硼氮化硼纤维纤维直到直到2500纤维的性能是的性能是稳定的。定的。49氮化硼氮化硼氮化硼氮化硼纤维纤维的的强强度度度度和和模量模量模量模量接近于接近于玻璃玻璃纤维，但是它的但是它的多晶性多晶性多晶性多晶性质质使它具有使它具有较好的好的耐腐耐腐耐腐耐腐蚀蚀性能性能性能性能。它的密度它的密度为1.42.0g/cm3，用其制用其制备的复合的复合材料具有材料具有轻质轻质高高高高强强的特点。的特点。50氮化硼氮化硼氮化硼氮化硼纤维纤维具有具有优异的异的电电性能性能性能性能，直到，直到

31、2000纤维还具有极好的具有极好的电绝缘电绝缘性能性能性能性能；氮化硼氮化硼纤维还具有很具有很低的介低的介低的介低的介电损电损耗耗耗耗和和介介介介电电常常常常数数数数，是，是耐耐烧蚀天天线窗窗的理想材料。的理想材料。518、其他其他纤维陶瓷陶瓷纤维具有具有陶瓷化学成分的陶瓷化学成分的陶瓷化学成分的陶瓷化学成分的纤维纤维称称为陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷纤维纤维，如氧化如氧化锆、氧化、氧化铍、氧化、氧化镁、氧化、氧化钛和硼化和硼化钛等等纤维。52陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷纤维纤维的特点的特点的特点的特点是可是可耐耐12601790的高温的高温（在惰性和氧化性气氛中）、（在惰性和氧化性气氛中）、耐磨耐腐耐磨耐腐耐磨耐腐

32、耐磨耐腐蚀蚀性性性性好和好和良良良良好的物理机械性能好的物理机械性能好的物理机械性能好的物理机械性能，特，特别适合于适合于陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料。陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷纤维纤维的缺点的缺点的缺点的缺点是是对对裂裂裂裂纹纹等缺陷敏感，脆性大等缺陷敏感，脆性大等缺陷敏感，脆性大等缺陷敏感，脆性大。53金属和金属和钢纤维金属和金属和钢的特点是的特点是导电性性和和导热性性好，好，塑性塑性和和抗冲抗冲击性性好。好。钢纤维常用于常用于混凝土基复合材料混凝土基复合材料。54 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、

33、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。55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 KWW131319.419.4407407402040

34、2036733673MoMo252510.210.23293292160216028952895钢丝钢丝13137.747.741961964120412016731673不锈钢不锈钢丝丝80807.87.81961963430343016731673表表 各种金属丝的性能各种金属丝的性能56（一）一）无机无机纤维1、玻璃玻璃纤维2、特种玻璃特种玻璃纤维3、碳碳纤维4、硼硼纤维5、氧化氧化铝纤维6、碳化硅碳化硅纤维7、氮化硼氮化硼纤维8、其他其他纤维要点回顾要点回顾57有机有机纤维芳芳纶纤维聚乙聚乙烯纤维58、芳、芳纶纤维芳芳芳芳纶纤维纶纤维(aramid-fiber)是指目前已工是指目前已工

35、业化化生生产并广泛并广泛应用的用的聚芳聚芳聚芳聚芳酰酰胺胺胺胺纤维纤维。由芳香族聚。由芳香族聚酰胺胺树脂脂纺成的成的纤维，国外称，国外称为芳芳酰胺胺纤维。国外商品牌号叫国外商品牌号叫凯凯芙拉芙拉芙拉芙拉(Kevlar)Kevlar)纤维纤维，我，我国国暂命名命名为芳芳芳芳纶纤维纶纤维。59芳芳芳芳纶纤维纶纤维的的的的历历史史史史很短，很短，发展很快。展很快。1968午美国午美国杜邦公司杜邦公司杜邦公司杜邦公司开始研制。开始研制。1972年以年以B B纤维为纤维为名名名名发表了表了专利并提供利并提供产品。品。1972年又研制了以年又研制了以PRD-49PRD-49命名的命名的纤维。1973年正式

36、登年正式登记的商品名称的商品名称为ARAMIDARAMID纤维。一种人工合成的一种人工合成的长链聚聚酰胺胺纤维，其中至少，其中至少85%的的酰胺胺键直接与直接与两个两个苯苯环基基团连接。接。60ARAMIDARAMID纤维纤维包括三种牌号的包括三种牌号的产品，并品，并重改名称。重改名称。PRD-49-IVPRD-49-IV改称改称为芳芳芳芳纶纶-29-29；PRD-49-IIIPRD-49-III改称改称为芳芳芳芳纶纶-49-49；B B纤维纤维改称改称为芳芳芳芳纶纶。61芳芳芳芳纶纶、芳、芳、芳、芳纶纶-29-29、芳、芳、芳、芳纶纶-49-49这三种牌号三种牌号纤维的用途各不相同。的用途各

37、不相同。芳芳芳芳纶纶主要用于主要用于橡胶增橡胶增强，制造制造轮胎胎、三角三角皮皮带、同步同步带等；等；芳芳芳芳纶纶-29-29主要用于主要用于绳索索、电缆、涂漆涂漆织物物、带和和带状物状物，以及，以及防防弹背心背心等。等。芳芳芳芳纶纶-49-49用于用于航空航空、宇航宇航、造船工造船工业的复的复合材料制件。合材料制件。62自自1972年年芳芳芳芳纶纤维纶纤维作作为商品出售以来，商品出售以来，产量量逐年增加逐年增加。其原因是由于其原因是由于该纤维纤维具有独特的功能具有独特的功能具有独特的功能具有独特的功能，使之，使之广泛广泛应用到用到军军工工工工和和国民国民国民国民经济经济各个部各个部门。63

38、芳酰胺纤维的分类芳酰胺纤维的分类 包括：全芳族聚酰胺纤维(Aramid)和杂环芳族聚酰胺纤维。主要实用品种:聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)，美国杜邦；聚对苯甲酰胺(PBA)，美国杜邦；对位芳酰胺共聚纤维(Technora),日本帝人公司聚对芳酰胺苯并咪唑(CBM)和APMOC纤维，俄罗斯。64PPTA纤维的制备过程：对苯二甲酰氯(TDC)或对苯二甲酸 原料 对苯二胺(PPD)单体 强极性溶剂(如含有LiCI或CaCl2增溶剂 的N-甲基吡咯烷酮即NMP体系)制备方法：低温溶液缩聚法或直接缩聚反应。PPTA纤维制备65PPTA的合成的合成 PPTA的原料为对苯二甲酰氯对苯二甲酰氯或对苯二胺对苯

39、二胺、强极性的酰强极性的酰胺类溶剂胺类溶剂(二甲基乙酰胺或六甲基磷酸胺)。选用强极性的酰胺类溶剂，是为了将开始生成的聚合物留在溶液中。合成后，生成聚对苯二甲酰对苯二胺PPTA。反应式图如下：PTA聚合物经过纺丝和热处理，制得聚合物经过纺丝和热处理，制得PPTA纤维。纤维。6667纺丝纺丝 纺丝液由纺丝液由浓硫酸浓硫酸(浓度为浓度为100100)与与聚对苯二甲酰对苯聚对苯二甲酰对苯二胺二胺(PPTA)(PPTA)组成，配成的液晶溶液称为明胶。配比为组成，配成的液晶溶液称为明胶。配比为PPTA/PPTA/硫酸硫酸=20/100=20/100，PPTAPPTA在浓硫酸中形成向列型液晶态，在浓硫酸中形

40、成向列型液晶态，聚合物呈一维取向有序排列。聚合物呈一维取向有序排列。纺丝有湿纺、干喷和干喷纺丝有湿纺、干喷和干喷湿纺三种方法湿纺三种方法。湿纺湿纺是将明胶经针孔挤出，进入冷凝液体中快速冷却，是将明胶经针孔挤出，进入冷凝液体中快速冷却，最后在惰性气体中热处理；最后在惰性气体中热处理；干喷干喷是将明胶由喷丝嘴喷出，经过一段空气快速拉伸是将明胶由喷丝嘴喷出，经过一段空气快速拉伸使分子取向，最后进行热处理；使分子取向，最后进行热处理；干喷干喷湿纺湿纺工艺是最常用的方法。工艺是最常用的方法。68纺丝时，在剪切力作用下，PPTA极易沿作用力方向取向。采取干喷湿纺法液晶纺丝工艺，可抑制纤维中产生卷曲或折叠链

41、，使分子链沿纤维的轴向进一步高度取向，形成几乎为100的次晶结构。干喷干喷-湿纺工艺的过程是：湿纺工艺的过程是：041cm10069（1）芳芳纶纤维的的结构构芳芳纶纤维是是对苯二甲苯二甲酰与与对苯二胺苯二胺的聚合体，的聚合体，经溶解溶解转为液晶液晶纺丝而成。它的化学而成。它的化学结构式如下：构式如下：70从上述化学从上述化学结构可知，构可知，芳芳芳芳纶纤维纶纤维材料的材料的基体基体结构构是是长链状状聚聚聚聚酰酰胺胺胺胺，即，即结构中含有构中含有酰酰氨氨氨氨键键，其，其中至少中至少85的的酰氨直接氨直接键合在芳香合在芳香环上上.71键合在芳香合在芳香环上上刚硬的直硬的直线状分子状分子键在在纤维轴

42、纤维轴向向向向是是高度定向高度定向的，各的，各聚合物聚合物链是由是由氢键氢键作横向作横向连结。这种在种在沿沿沿沿纤维纤维方向的方向的方向的方向的强强共价共价共价共价键键和和横向弱的横向弱的横向弱的横向弱的氢键氢键，是造成芳是造成芳纶纤维力学性能各向异性力学性能各向异性力学性能各向异性力学性能各向异性的原因，即的原因，即纤维的的纵纵向向向向强强度高度高度高度高，而，而横向横向横向横向强强度低度低度低度低。72芳芳纶纤维的的化学化学链主要由主要由芳芳芳芳环环组成。成。这种种芳芳环结构构具有具有高的高的高的高的刚刚性性性性，并使，并使聚合物聚合物链呈呈伸展伸展伸展伸展状状态而不是而不是折叠折叠折叠折

43、叠状状态，形成，形成棒状棒状棒状棒状结构，因而构，因而纤维具有具有高的模量高的模量高的模量高的模量。73芳芳纶纤维分子分子链是是线线性性性性结结构构构构，这又使又使纤维能能有效地利用空有效地利用空有效地利用空有效地利用空间间而具有而具有高的填充效率高的填充效率高的填充效率高的填充效率的能力，在的能力，在单位体位体积内可容内可容纳很多聚合物。很多聚合物。这种高密度的聚种高密度的聚合物具有合物具有较较高的高的高的高的强强度度度度。74由于由于芳芳芳芳纶纤维纶纤维具有具有规规整的晶体整的晶体整的晶体整的晶体结结构构构构，因此，因此，它具有它具有化学化学化学化学稳稳定性定性定性定性、高温尺寸高温尺寸高

44、温尺寸高温尺寸稳稳定性定性定性定性、不不不不发发生生生生高温分解高温分解高温分解高温分解以及在很高温度下以及在很高温度下不致不致不致不致热热塑化塑化塑化塑化等特点。等特点。75通通过电镜对纤维观察表明，芳察表明，芳纶是一种是一种沿沿沿沿轴轴向排列向排列向排列向排列的有的有规则的的褶叠褶叠褶叠褶叠层结层结构构构构。这种种褶叠褶叠褶叠褶叠层层结构的模型，可以很好地解构的模型，可以很好地解释横横横横向向向向强强度低度低度低度低、压缩压缩和剪切性能差和剪切性能差和剪切性能差和剪切性能差及及容易劈裂容易劈裂容易劈裂容易劈裂的的现象。象。7677(2)芳芳纶纤维的性能特点的性能特点A、芳芳纶纤维的的力学性

45、能力学性能；、芳芳纶纤维的的热稳定性定性；、芳、芳纶纤维的的化学性能化学性能。78A、芳芳纶纤维的力学性能的力学性能芳芳纶纤维的特点的特点是是拉伸拉伸拉伸拉伸强强度高度高度高度高。单丝强度度可达可达3773MPa；254mm长的的纤维束的拉伸束的拉伸强度度为2744MPa，大大约为铝的的5倍。倍。芳芳纶纤维的的冲冲冲冲击击性能好性能好性能好性能好，大，大约为石墨石墨纤维的的6倍，倍，为硼硼纤维的的3倍，倍，为玻璃玻璃纤维0.8倍。倍。79芳芳芳芳纶纤维纶纤维的的弹弹性模量高性模量高性模量高性模量高，可达，可达1.271.577MPa，比比玻璃玻璃纤维高一倍，高一倍，为碳碳纤维0.8倍。倍。芳芳

46、芳芳纶纤维纶纤维的的断裂伸断裂伸断裂伸断裂伸长长在在3左右，接近左右，接近玻璃玻璃纤维，高于其他，高于其他纤维。80芳芳芳芳纶纤维纶纤维与与碳碳碳碳纤维纤维混混杂将能大大将能大大提高提高提高提高纤维复复合材料的合材料的冲冲冲冲击击性能性能性能性能。芳芳芳芳纶纤维纶纤维的的密度小密度小密度小密度小，比重，比重为1.441.45，只有，只有铝的一半。因此，它有高的的一半。因此，它有高的比比比比强强度度度度与与比模量比模量比模量比模量。81下表下表为芳芳纶纤维的基本性能的基本性能82、芳芳纶纤维的的热稳定性定性芳芳芳芳纶纤维纶纤维有有良好的良好的良好的良好的热稳热稳定性定性定性定性，耐火而不耐火而不

47、耐火而不耐火而不熔熔熔熔，当温度达，当温度达487时尚尚不熔化不熔化不熔化不熔化，但开始，但开始碳化碳化碳化碳化。83因此，因此，芳芳芳芳纶纤维纶纤维在高温作用下，不在高温作用下，不发生生变形，形，直至分解。直至分解。如，能如，能长期在期在180下使用；在下使用；在150下作用下作用一周后一周后强强度度度度、模量模量模量模量不会下降；即使在不会下降；即使在200下，一下，一周后周后强强度降低度降低度降低度降低15，模量降低模量降低模量降低模量降低4；另外，在低温另外，在低温(-60)不不发生生脆化脆化脆化脆化亦不亦不降解降解降解降解。84和碳和碳纤维一一样，芳，芳纶纤维的的热热膨膨膨膨胀胀系数

48、系数系数系数具有具有各向异性各向异性各向异性各向异性的特点。的特点。如，芳如，芳纶纤维的的纵纵向向向向热热膨膨膨膨胀胀系数系数系数系数在在0100时为-2 10-6/；在在100200时为-4 106/。横向横向横向横向热热膨膨膨膨胀胀系数系数系数系数为59 10-6/85、芳、芳纶纤维的化学性能的化学性能芳芳芳芳纶纤维纶纤维具有良好的具有良好的耐介耐介耐介耐介质质性能，性能，对中中性化学性化学药品品的的抵抗力抵抗力抵抗力抵抗力一般是很一般是很强的，但易受的，但易受各种各种酸碱的侵酸碱的侵酸碱的侵酸碱的侵蚀蚀，尤其是，尤其是强强酸的侵酸的侵酸的侵酸的侵蚀蚀；86芳芳纶纤维的的耐水性耐水性耐水性

49、耐水性也不好，也不好，这是由于在分子是由于在分子结构中存在着构中存在着极性极性极性极性酰酰氨基氨基氨基氨基；耐光性差，暴露于可；耐光性差，暴露于可见光和紫外光和紫外线时会会产生光致降解，使其力学性能生光致降解，使其力学性能下降和下降和颜色色变化化湿度湿度湿度湿度对纤维的影响，的影响，类似于似于尼尼龙或聚或聚酯。在。在低湿度低湿度低湿度低湿度(20相相对湿度湿度)下芳下芳纶纤维的吸湿率的吸湿率为1，但在，但在高湿度高湿度高湿度高湿度(85相相对湿度湿度)下，可达到下，可达到7。87(3)用用途途目前，芳目前，芳纶纤维的的总产量量43用于用于轮轮胎的胎的胎的胎的帘子帘子帘子帘子线线(芳芳纶-29)

50、，31用于用于复合材料复合材料复合材料复合材料，17.5用于用于绳绳索索索索类类和和防防防防弹弹衣衣衣衣，8.5用于用于其他其他其他其他。88芳纶在复合材料中的应用与展望芳纶在复合材料中的应用与展望 芳纶可应用于先进复合材料、防弹制品、缆绳、建材、传送带、特种防护服装、体育运动器材和电子设备。在先进复合材料中，芳纶用于航空航天领域和战略导弹芳纶用于航空航天领域和战略导弹的结构材料、耐热隔热功能材料、制造飞机部件。也可与其的结构材料、耐热隔热功能材料、制造飞机部件。也可与其他高级纤维一道制作混杂复合材料。他高级纤维一道制作混杂复合材料。芳纶应用于航空航天领域耐热隔热的功能材料，如芳纶如芳纶短切纤