無機復(fù)合材料第二章——增強材料(編輯修改稿)
2025-09-12 00:59 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 (4)、碳纖維表面處理 為了提高碳纖維與基體的濕潤性，或為了控制不利于復(fù)合材料性能的界面反應(yīng)，或為了提高復(fù)合材料的性能（如層間剪切強度），往往需要對碳纖維表面進行表面處理。表面處理的方法有： ? 涂覆與基體樹脂具有相容性的樹脂漿料： 如羥端基的丁二烯 /丙烯酸共聚物，聚縮水甘油醚或脂環(huán)族環(huán)氧化合物等，含量 ～2wt％。 ? 表面沉積涂覆碳化物： 如 SiC、 B4C、 Cr3C等。 ? 表面化學(xué)處理： 如酸處理、氨處理、氧處理等。 ? 電解處理； ? 等離子處理： 如可經(jīng)氬、氧、氮、烴類氣體等離子處理。 ? 表面涂覆 TiB或 Na： 如 Al基復(fù)合材料。 由于碳纖維的表面能低，不容易與金屬基體（如與 Al和 Al合金）浸潤，需要進行表面處理，以提高與 Al和 Al合金的濕潤性。大多采用涂覆 TiB或 Na，稱為 TiB法和液 Na法。 碳纖維表面涂覆 TiB或 Na： ● PAN基碳纖維 日本東麗（ TORAY)公司生產(chǎn)的 PAN基碳纖維的型號與性能 從表 中可以 看出日本東麗公司在提高產(chǎn)量的同時，不斷推出新產(chǎn)品，由 70年代初的 T200、 T300和 M40發(fā)展到當(dāng)前的 4大系列十幾個品種，特別是 T800、 T1000高強度產(chǎn)品代表當(dāng)今世界的發(fā)展水平。 (5)、碳纖維的性能 ● PAN基碳纖維性能 美國阿莫科（ AMOCO）公司 PAN基 碳纖維產(chǎn)品牌號及性能 ● 瀝青基碳纖維的性能 日本三菱化成公司 Pitch－ CF產(chǎn)品牌號及性能 美國 Amoco公司 Pitch－ CF產(chǎn)品牌號及性能 (6)、碳纖維的結(jié)構(gòu) 碳纖維的性能是與其微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。碳纖維微觀結(jié)構(gòu)主要為亂層結(jié)構(gòu)，碳原子層排列方向與原絲軸向平行，并與原絲及炭化工藝有關(guān)。如人造絲基碳纖維，除纖維表面碳層排列稍整齊外，基本為亂層結(jié)構(gòu)，石墨微晶尺寸??； PAN基碳原子層排列相對整齊，但石墨微晶尺寸相對較大；而經(jīng)石墨化處理后的瀝青基碳纖維，碳原子層排列整齊，接近理想石墨的結(jié)構(gòu)。 有關(guān) PAN基和瀝青基碳纖維的詳細工藝和結(jié)構(gòu)，請自行參見有關(guān)參考書和參考資料。 硼纖維（ Boron fiber） (1)、引言 ? 硼纖維是 1959年由美國 AVCO公司開發(fā)的一種最早應(yīng)用于 MMC的高強、高模的陶瓷纖維。 ? 硼纖維的密度為 ～ g/cm3，與玻璃纖維相當(dāng)，比 CVDSiC纖維低 30％。其拉伸強度為 ～ ,而模量則達 400GPa,為玻璃纖維的 4～ 6倍，是目前比模量和比強度最高的陶瓷增強纖維，遠高于其他金屬材料。 ? 早在上世紀 69年代， B纖維增強鋁用于航天飛機的主艙中，使航天飛機減重達 145Kg 。 ? 但硼纖維耐高溫氧化性差，在與某些金屬（如鈦及鈦合金）復(fù)合時會產(chǎn)生界面反應(yīng)，影響復(fù)合材料的性能。 硼纖維增強鋁基復(fù)合材料用于航天飛機主艙體龍骨桁架和支柱 (2)、硼纖維的結(jié)構(gòu) B纖維是采用 CVD法，在 W芯上沉積制成 的 。從中心至外徑，分別為 W芯、界面相 WB2及 B的沉積層。 B纖維表面呈魚鱗或玉米粒狀。 經(jīng) X衍射分析，沉積 B為無定形的非晶結(jié)構(gòu)，但也有人認為是微晶結(jié)構(gòu)。具有 ?－菱形晶系，晶粒尺寸為 500nm左右。 硼纖維的斷面形貌 硼纖維的表面形貌 B是經(jīng) BCl3氣體與 H2氣體經(jīng)高溫氣相反應(yīng)生成： 2BCl3（ g） ＋ 3H2（ g） → 2B（ s） ＋ 6HCl（ g） 反應(yīng)最高溫度約 1350℃ 。反應(yīng)生成 B沉積在 W芯上。 (3)、硼纖維的制備 制備原理（ 以 W芯 B纖維為例 ）： B纖維是采用 CVD（ Chemical Vapor Deposition）法，B沉積在 W芯或 C芯上。因此分為 W芯與 C芯 B纖維。 制備工藝流程： 經(jīng)清洗處理的 W絲（清洗室），進入 CVD反應(yīng)室；反應(yīng)氣體 BCl3和 H2按一定比例通入反應(yīng)室；在反應(yīng)室兩端 W絲接通可變的直流電源，通電加熱至 CVD反應(yīng)溫度；反應(yīng)氣體反應(yīng)的同時 W絲不斷從兩端放絲、收絲， B不斷沉積在 W芯上。 實際上， B纖維制備設(shè)備有豎式和臥式兩種，下圖為北京航空材料研究院設(shè)計制造的臥式 CVDB纖維試驗裝置，除清洗室外，有兩個反應(yīng)室和 B纖維表面處理涂覆室。 制備工藝參數(shù)： ? W芯（絲）的表面質(zhì)量 —— W絲表面缺陷會引起纖維表面缺陷 ? H2和 BCl3氣體的混合比 —— 影響沉積速度 ? 反應(yīng)氣體的流量、流速 —— 影響沉積速度 ? 反應(yīng)溫度； W芯 B纖維，反應(yīng)溫度在 1100～ 1350℃ 之間，并隨反應(yīng)室 W絲長度變化而變化。溫度過低，沉積速度慢，不均勻；溫度過高，沉積 B形成粗大節(jié)瘤狀表面，嚴重降低纖維強度。 ? W絲通過沉積室速度 —— 控制 B纖維直徑，約 5m/min。 ? 反應(yīng)氣體的利用率僅～ 2％，因此未反應(yīng)氣體的回收很重要，需要經(jīng) 80 ℃ 冷凝回收。并且還需將反應(yīng)生成的 HCl氣體分離。因此，B纖維的生產(chǎn)成本極高，價格昂貴，約數(shù)百美元 /kg。這不利于 B纖維的推廣應(yīng)用。 (4)、硼纖維的性能： ? C芯 B纖維是 1969年美國空軍研究所開發(fā)的，用 C纖維做芯， B沉積到一定厚度時，沉積造成的應(yīng)力應(yīng)變會引起 C纖維的斷裂。一般需要在 C纖維表面預(yù)先沉積 PG（熱解石墨， pyrolytic graphite） ? C芯 B纖維的反應(yīng)平均溫度和沉積速度都也略高于 W芯。 ? B纖維制備中，工藝參量控制不當(dāng)，在纖維的沉積因節(jié)瘤狀生長造成表面出現(xiàn)表面裂紋，或在靠近 W芯的界面出現(xiàn)空隙，從而影響 B纖維的強度。一般B纖維的強度是平均值，纖維所含缺陷越多，強度值越分散。如何提高 B纖維的性能穩(wěn)定性，是 B纖維最需解決的問題。 ? 氧化法 氧化法主要用于未涂層的 B纖維，作用是除去纖維的表面缺陷，提高纖維的強度。 (5)、硼纖維的表面處理 硼纖維耐高溫氧化性差，在與某些金屬（如鈦及鈦合金）復(fù)合時會產(chǎn)生界面反應(yīng)，影響復(fù)合材料的性能。因此，一般硼纖維需進行表面涂層處理， 以改善 B纖維的抗氧化性，同時也 還起優(yōu)化界面的作用 。 ? SiC涂層 采用 CVD方法，反應(yīng)氣體為 CH3SiCl3(三氯硅烷 )，裂解后得 SiC沉積于 B纖維表面，厚度約
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