【正文】 1 第四章 復(fù)合材料的增強(qiáng)材料 在復(fù)合材料中，粘結(jié)在基體內(nèi)以改進(jìn)其機(jī)械性能的 高強(qiáng)度材料 稱為 增強(qiáng)材料 。 增強(qiáng)材料 有時(shí)也稱作 增強(qiáng)體 、 增強(qiáng)劑 等。 2 增強(qiáng)材料共分為三類： ① 纖維及其織物 ② 晶須 ③ 顆粒 3 一、纖維 如 ， 植物纖維－－－棉花 、 麻類； 動(dòng)物纖維－－－絲 、 毛； 礦物纖維－－－石棉 。 天然纖維 強(qiáng)度較低 ， 現(xiàn)代復(fù)合材料的增強(qiáng)材料 用合成纖維 。 4 纖維 在復(fù)合材料中起 增強(qiáng)作用 ，是主要 承力組分 。 纖維 不僅能使材料顯示出 較高的抗張強(qiáng)度和 剛度 ，而且能 減少收縮 ，提高 熱變形溫度 和低溫沖擊強(qiáng)度 等。 5 復(fù)合材料的性能 在很大程度上取決于 纖維的性能 、 含量 及 使用狀態(tài) 。 如 聚苯乙烯塑料 ，加入 玻璃纖維 后， 拉伸強(qiáng)度可從 600 MPa提高到 1000 MPa， 彈性模量 可從 3000 MPa提高到 8000 MPa， 其 熱變形溫度 可從 85℃ 提高到 105℃ ， 使 40 ℃ 以下的 沖擊強(qiáng)度 可提高 10倍。 6 纖維 可分為 有機(jī)纖維 和 無機(jī)纖維 7 （一） 有機(jī)纖維 芳綸 纖維 聚乙烯 纖維 尼龍 纖維 8 １、芳綸纖維 芳綸纖維 是指日前巳工業(yè)化生產(chǎn)并廣泛應(yīng)用的 聚芳酰胺纖維 。 國外商品牌號(hào)叫 凱芙拉 (Kevlar)纖維 ，我國暫命名為 芳綸纖維 ，有時(shí)也稱 有機(jī)纖維 。 9 芳綸纖維的歷史 很短，發(fā)展很快。 1968午美國 杜邦公司 開始研制。 1972年以 B纖維為名 發(fā)表了專利并提供產(chǎn)品。 1972年又研制了以 PRD49命名的纖維。 1973年正式登記的商品名稱為 ARAMID纖維。 10 ARAMID纖維 包括三種牌號(hào)的產(chǎn)品，并重改名稱。 PRD49IV改稱為 芳綸 29； PRD49III改稱為 芳綸 49； B纖維 改稱為 芳綸 。 11 芳綸、芳綸 2芳綸 49這三種牌號(hào)纖維的用途各不相同。 芳綸 主要用于 橡膠增強(qiáng) ， 制造輪胎 、 三角皮帶 、 同步帶 等； 芳綸 29主要用于 繩索 、 電纜 、 涂漆織物 、帶 和 帶狀物 ，以及 防彈背心 等。 芳綸 49用于 航空 、 宇航 、 造船工業(yè) 的復(fù)合材料制件。 12 自 1972年 芳綸纖維 作為商品出售以來， 產(chǎn)量逐年增加 。 其原因是由于該 纖維具有獨(dú)特的功能 ，使之廣泛應(yīng)用到 軍工 和 國民經(jīng)濟(jì) 各個(gè)部門。 13 (1) 芳綸纖維的性能特點(diǎn) A 、 芳綸纖維的 力學(xué)性能 ； Ｂ、 芳綸纖維的 熱穩(wěn)定性 ； Ｃ、芳綸纖維的 化學(xué)性能 。 14 A 、 芳綸纖維的力學(xué)性能 芳綸纖維的特點(diǎn) 是 拉伸強(qiáng)度高 。單絲強(qiáng)度可達(dá) 3773 MPa； 254mm長的纖維束的拉伸強(qiáng)度為 2744 MPa， 大約為鋁的 5倍。 芳綸纖維的 沖擊性能好 ，大約為石墨纖維的 6倍，為硼纖維的 3倍，為玻璃纖維 。 15 芳綸纖維 的 彈性模量高 ，可達(dá) ~ MPa， 比 玻璃纖維 高一倍，為 碳纖維 。 芳綸纖維 的 斷裂伸長 在 3％左右，接近 玻璃纖維 ，高于其他纖維。 16 芳綸纖維 與 碳纖維 混雜將能大大 提高 纖維復(fù)合材料的 沖擊性能 。 芳綸纖維 的 密度小 ，比重為 ~ ，只有鋁的一半。因此，它有高的 比強(qiáng)度 與 比模量 。 17 下表為芳綸纖維的基本性能 18 Ｂ、 芳綸纖維的熱穩(wěn)定性 芳綸纖維 有 良好的熱穩(wěn)定性 ， 耐火而不熔 ，當(dāng)溫度達(dá) 487 ℃ 時(shí)尚 不熔化 ，但開始 碳化 。 19 因此， 芳綸纖維 在高溫作用下，不發(fā)生變形，直至分解。 如，能長期在 180℃ 下使用；在 150℃ 下作用一周后 強(qiáng)度 、 模量 不會(huì)下降；即使在 200℃ 下，一周后 強(qiáng)度降低 15％， 模量降低 4％； 另外，在低溫 (60℃ )不發(fā)生 脆化 亦不 降解 。 20 和碳纖維一樣，芳綸纖維的 熱膨脹系數(shù) 具有各向異性 的特點(diǎn)。 如，芳綸纖維的 縱向熱膨脹系數(shù) 在 0 ~ 100℃時(shí)為 2 10 6 /℃ ； 在 100 ~ 200℃ 時(shí)為 4 10 –6 /℃ 。 橫向熱膨脹系數(shù) 為 59 10 6 /℃ 21 Ｃ、芳綸纖維的化學(xué)性能 芳綸纖維 具有良好的 耐介質(zhì) 性能，對(duì) 中性化學(xué)藥品 的 抵抗力 一般是很強(qiáng)的，但易受各種 酸堿的侵蝕 ，尤其是 強(qiáng)酸的侵蝕 ； 22 芳綸纖維的 耐水性 也不好，這是由于在分子結(jié)構(gòu)中存在著 極性酰氨基 ； 濕度 對(duì)纖維的影響，類似于 尼龍或聚酯 。在低濕度 (20％相對(duì)濕度 )下芳綸纖維的吸濕率為 1％，但在 高濕度 (85％相對(duì)濕度 )下，可達(dá)到 7％。 23 （２） 芳綸纖維的結(jié)構(gòu) 芳綸纖維是 對(duì)苯二甲酰 與 對(duì)苯二胺 的聚合體，經(jīng)溶解轉(zhuǎn)為 液晶 紡絲而成。它的化學(xué)結(jié)構(gòu)式如下： 24 從上述化學(xué)結(jié)構(gòu)可知， 芳綸纖維 材料的 基體結(jié)構(gòu) 是長鏈狀 聚酰胺 ，即結(jié)構(gòu)中含有 酰氨鍵 ，其中至少 85％的酰氨直接鍵合在芳香環(huán)上 . 25 鍵合在芳香環(huán)上 剛硬的直線狀分子鍵在 纖維軸向 是 高度定向 的，各 聚合物鏈 是由 氫鍵 作橫向連結(jié)。 這種在 沿纖維方向的強(qiáng)共價(jià)鍵 和 橫向弱的氫鍵 ，是造成芳綸纖維 力學(xué)性能各向異性 的原因，即纖維的 縱向強(qiáng)度高 ，而 橫向強(qiáng)度低 。 26 芳綸纖維的 化學(xué)鏈 主要由 芳環(huán) 組成。這種 芳環(huán)結(jié)構(gòu) 具有 高的剛性 ，并使 聚合物鏈 呈 伸展 狀態(tài)而不是 折疊 狀態(tài)，形成 棒狀 結(jié)構(gòu)，因而纖維具有高的模量 。 27 芳綸纖維 分子鏈 是 線性結(jié)構(gòu) ，這又使纖維能有效地利用空間 而具有 高的填充效率 的能力，在單位體積內(nèi)可容納很多聚合物。這種高密度的聚合物具有 較高的強(qiáng)度 。 28 由于 芳綸纖維 具有 規(guī)整的晶體結(jié)構(gòu) ，因此，它具有 化學(xué)穩(wěn)定性 、 高溫尺寸穩(wěn)定性 、 不發(fā)生高溫分解 以及在很高溫度下 不致熱塑化 等特點(diǎn)。 29 通過電鏡對(duì)纖維觀察表明，芳綸是一種 沿軸向排列 的有規(guī)則的 褶疊層結(jié)構(gòu) 。 這種 褶疊層 結(jié)構(gòu)的模型，可以很好地解釋 橫向強(qiáng)度低 、 壓縮和剪切性能差 及 容易劈裂 的現(xiàn)象。 30 (3) 用 途 目前，芳綸纖維的總產(chǎn)量 43％用于 輪胎的簾子線 (芳綸 29)， 31％用于 復(fù)合材料 ， ％用于 繩索類 和 防彈衣 ， ％用于 其他 。 31 以 樹脂 作為 基體 ， 芳綸纖維 作為 增強(qiáng)相 所形成的 增強(qiáng)塑料 ，簡稱 KFRP， 它在 航空航天方面的應(yīng)用，僅次于 碳纖維 ，成為必不可少的材料。 32 ２、 聚乙烯纖維（ Polyethylene, PE） 聚乙烯纖維作為目前 國際上最新的 一種有機(jī)纖維，它具有以下四個(gè)特點(diǎn)： 超輕 、 高比強(qiáng)度 、 高比模量 、 成本較低 。 33 通常情況下， 聚乙烯纖維 的 分子量 大于 106，纖維的 拉伸強(qiáng)度 為 GPa， 彈性模量 為 116 GPa，延伸率 為 %， 密度 為 g / cm 3。可用于制做 武器裝甲 、 防彈背心 、 航天航空部件 等。 34 相比于其它各種纖維材料， 聚乙烯纖維 具有許多種 優(yōu)點(diǎn) 。 如：高 比強(qiáng)度 、高 比模量 以及 耐沖擊 、 耐磨 、自潤滑 、 耐腐蝕 、 耐紫外線 、 耐低溫 、 電絕緣 等。 35 聚乙烯纖維 的不足之處： (1)熔點(diǎn)較低 （約 135℃ ） (2)高溫容易蠕變 。 因此僅能在 100℃ 以下使用。 36 （ 二） 無機(jī)纖維 玻璃 纖維 特種玻璃 纖維 碳 纖維 4 、 硼 纖維 5 、 氧化鋁 纖維 碳化硅 纖維 7 、 氮化硼 纖維 其他 纖維 37 １、 玻璃纖維（ Glass Fibre, GF或 Gt） 玻璃纖維 及其 制品 ； 玻璃纖維的 結(jié)構(gòu) 及 化學(xué)組成 ； 玻璃纖維的 物理性能 ； 玻璃纖維的 化學(xué)性能 。 38 玻璃纖維及其制品 ① 概 述 隨著 玻璃鋼 工業(yè)的發(fā)展， 玻璃纖維 工業(yè)也得到迅速發(fā)展。 國外 玻璃纖維的主要特點(diǎn)如下： 39 Ａ、普遍采用 池窯拉絲 新技術(shù)； Ｂ、大力發(fā)展 多排多孔拉絲 工藝； Ｃ、用于玻璃鋼的 纖維直徑 逐漸 向粗的方向 發(fā)展，纖維直徑為 1424um， 甚至達(dá) 27um； Ｄ、大量生產(chǎn) 無堿纖維 ； 40 Ｅ、大力發(fā)展 無紡織 玻璃纖維織物 ， 無捻粗紗和 短切纖維氈片 所占比例增加； Ｆ、重視纖維 樹脂 界面 的研究， 偶聯(lián)劑的品種 不斷增加，玻璃纖維的 前處理 受到普遍重視。 41 我國 玻璃纖維工業(yè) 誕生于 1950年，當(dāng)時(shí)只能生產(chǎn) 絕緣材料用 的 初級(jí)纖維 。 1958年以后， 玻璃纖維工業(yè) 得到迅速發(fā)展?，F(xiàn)在全國有大、小 玻璃纖維廠家 200多個(gè)，玻璃纖維 年產(chǎn)量 為 5萬噸，其中 無堿纖維 占 20％， 中堿纖維 占 80％， 纖維直徑 多數(shù)為 68um， 正向粗纖維方向發(fā)展。 42 池窯拉絲工藝 正在推廣，重視 纖維 樹脂界面 的研究， 新型偶聯(lián)劑 不斷出現(xiàn)，許多玻璃纖維廠使用 前處理工藝 ， 玻璃纖維工業(yè)的不斷發(fā)展 促進(jìn)了我國復(fù)合材料及尖端科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。 43 ②玻璃纖維的分類 玻璃纖維的分類方法很多。通常從玻璃 原料成分 、 單絲直徑 、 纖維外觀 及 纖維特性 等方面進(jìn)行分類 。 44 1． 以玻璃原料成分分類 這種分類方法主要用于 連續(xù)玻璃纖維 的分類。一般以不同的 含堿量 來區(qū)分： (1)無堿 玻璃纖維 (2)中堿 玻璃纖維 (3)有堿 玻璃纖維 (4)特種 玻璃纖維 45 (1)無堿玻璃纖維 (通稱 E玻纖 )： 是以 鈣鋁硼硅酸鹽 組成的玻璃纖維，這種纖維 強(qiáng)度較高 ， 耐熱性 和 電性能 優(yōu)良，能 抗大氣侵蝕 ， 化學(xué)穩(wěn)定性 也好 (但 不耐酸 )。 46 無堿玻璃纖維 最大的特點(diǎn)是 電性能好 ，因此也把它稱做 電氣玻璃 。 現(xiàn)在，國內(nèi)外大多數(shù)都使用這種 Ｅ破璃纖維作為復(fù)合材料的 原材料 。 目前，國內(nèi)規(guī)定其 堿金屬氧化物含量 不大于％， 國外一般為 1％左右。 47 (2)中堿玻璃纖維 它是指堿金屬氧化物含量在 ％ ~ ％之間的玻璃纖維。 國外沒有這種玻璃纖維，它的主要特點(diǎn)是耐酸性 好，但 強(qiáng)度 不如 E玻璃纖維高。它主要用于 耐腐蝕領(lǐng)域 中， 價(jià)格較便宜 。 48 (3) 有堿玻璃 (A玻璃 )纖維 有堿玻璃 稱 A玻璃 ，類似于窗玻璃及玻璃瓶的 鈉鈣玻璃 。 此種玻璃由于 含堿量高 ， 強(qiáng)度低 ，對(duì) 潮氣 侵蝕極為 敏感 ，因而很少作為增強(qiáng)材料 。 49 (4)特種玻璃纖維 如由純 鎂鋁硅 三元組成的 高強(qiáng)玻璃纖維 ， 鎂鋁硅系 高強(qiáng)高彈玻璃纖維 ， 硅鋁鈣鎂系 耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕 玻璃纖維，含 鉛 纖維， 高硅氧 纖維， 石英纖維等。 50 2．以單絲直徑分類 玻璃纖維 單絲 呈 圓柱形 ，以其 直徑的不同 可以分為以下幾種： 粗 纖維： 30 um； 初級(jí) 纖維： 20 um。 中級(jí) 纖維： 10 ~ 20 um ； 高級(jí) 纖維： 3 ~ 10um (亦稱 紡織 纖維 )。 對(duì)于 單絲直徑 小于 4 um的玻璃纖維稱為 超細(xì)纖維 。 51 單絲直徑 不同，不僅使纖維的 性能 有差異，而且影響到纖維的 生產(chǎn)工藝 、 產(chǎn)量 和 成本 。 一般 5 ~ 10 um的纖維作為 紡織制品 使用，10 ~ 14 um的纖維一般做 無捻粗紗 、 無紡布 、短切纖維氈 等較為適宜。 52 3．以纖維外觀分類 有 連續(xù)纖維 ，其中有 無捻粗紗 及有 捻粗紗(用于紡織 )、 短切纖維 、 空心玻璃纖維 、 玻璃粉 及 磨細(xì)纖維 等。 53 4．以纖維特性分類 根據(jù) 纖維本身 具有 的 性能 可分為： 高強(qiáng) 玻璃纖維、 高模量 玻璃纖維、 耐堿 玻璃纖維、 耐酸 玻璃纖維、 普通 玻璃纖維 (指 無堿 及 中堿 玻璃纖維 )。