《纤维增强材料》.ppt

纤维增强材料,.,1 玻璃纤维,玻璃纤维（GF:Glass Fiber）， GF于1893年在美国研制成功，并于1938年在美国实现工业化自从1946年GF/环氧树脂复合材料成功的应用于固体火箭发动机的壳体，由于军事工业的需求，GF及其复合材料在50年代以后得到了迅猛发展，目前有30多个国家生产GF，品种有40005000种 我国于1958年开始生产GF，发展速度很快，目前产量居世界第5位但产品等级比较低，对某些高性能的GF目前还不能自主生产玻璃纤维单丝,玻璃纤维单丝的扫描电镜照片,.,玻璃纤维卷,.,短切玻璃纤维,.,玻璃纤维绳,.,玻璃纤维带,.,玻璃纤维布,.,一、玻璃纤维的组成 玻璃的组成： 普通玻璃： SiO2、CaO、Na2O 钾玻璃： SiO2、CaO、K2O 硼酸盐玻璃： SiO2、B2O3（热稳定性好，机械强度高，耐腐蚀） 一般SiO2含量高就叫硅酸盐玻璃， B2O3含量高就叫硼酸盐玻璃,1.1 GF的组成,,,硅酸盐玻璃,.,1.2 GF的分类,有碱GF：碱性氧化物（ K2O，Na2O）含量大于12: A-GF,无碱GF：碱性氧化物含量小于2: E-GF,GF,,,,,一、按含碱量分,,中碱GF：碱性氧化物含量612,,低碱GF：碱性氧化物含量 26,注意：碱性氧化物（助熔氧化物）越多，玻璃纤维的熔点越低，越容易制备，但纤维的强度降低，易吸潮,,耐酸腐蚀价格便宜,强度高，耐热性能好，电气性能好，在复合材料中应用多,性能差，一般不用于增强材料,.,1.2 GF的分类,高强GF：Strenghth GF（S-GF）,高模GF：Moduls GF (M-GF),GF,,,,,二、按纤维特性分,,低介GF：Dielectirc GF (D-GF),,耐腐蚀GF：Corrosion GF (C-GF),注意：GF纤维的特性是由纤维的组成和结构决定的。

耐碱GF：Alkali-resistance GF (AR-GF),4GPa,100GPa,<4.0,Tan<0.003,.,,玻 璃 纤 维 品 种 性 能 一 览 表,.,1.2 GF的分类,粗纤维：直径大于30m,高级纤维：直径39m,GF,,,,,三、按纤维直径,,初级纤维：直径2030m,,中级纤维：直径1020m,注意：一般直径小于4m叫超细纤维 纤维直径越小，拉伸强度越高,.,1.3 GF的性能,1. 外观与密度 玻璃纤维是光滑的圆柱体，横断面几乎是完整的圆形 玻璃纤维的密度为2.42.7g/cm3 一般有碱GF：2.4-2.6g/cm3 无碱GF：2.6-2.7g/cm3 密度比金属小很大，与铝密度相近,一、物理性能,.,一、物理性能,2. 玻璃纤维的拉伸强度 玻璃纤维的主要特点是拉伸强度高，一般25GPa，而一般块状玻璃的拉伸强度为0.04-0.1GPa主要原因： （1）微裂纹理论玻璃和玻璃纤维存在数量不一，尺寸不同的微裂纹，受外力时，微裂纹处易产生应力集中，首先产生破坏GF由于经过高温熔融，均化减少了微裂纹产生的几率而且GF断面少，故微裂纹存在的几率少。

（2）“冻结”高温结构理论 玻璃纤维成型过程中，由于冷却速度快，熔态的玻璃结构被冻结起来从而使GF中结晶、多晶转变及微观分层较块状玻璃少很多，因此强度高一、物理性能,（3）分子取向假说 在GF成型过程中，由于拉丝机的牵引作用，使GF分子产生定向排列，从而提高了GF的强度影响GF拉伸强度的因素： （1）纤维长度与直径 直径：4m 7m 11m 33.8GPa 1.72.1GPa 1.1-1.2GPa 长度：5mm 20mm 90mm 1.5GPa 1.2GPa 0.86GPa,一、物理性能,纤维直径越粗，长度越长，拉伸强度越低影响GF拉伸强度的因素： （2）存放时间和负荷时间 随着存放时间的延长，GF的强度下降玻纤的老化现象） 这是由于水对纤维浸蚀的结果 随着负荷时间的增加，GF的强度下降当环境湿度 高时更明显,一、物理性能,,,.,影响GF拉伸强度的因素： （3）化学组成,一、物理性能,纤维的强度与玻璃的化学成分关系密切通常含碱量越高，强度越低 高强度玻璃纤维强度明显地高于无碱玻璃纤维3. 玻璃纤维的弹性模量 玻璃纤维的弹性模量大约70GPa，与铝相当，只有普通钢的三分之一，致使复合材料的刚度较低。

加入BeO、MgO能提高玻璃纤维的弹性模量 玻璃纤维是弹性材料，其应力应变曲线是一条直线断裂伸长率3左右一、物理性能,.,4. 玻璃纤维的耐磨性和耐扭折性 玻璃纤维的耐磨性与耐折性都很差玻璃纤维的一大缺点 水份在摩擦和扭折时，在微裂纹中扩展引起的 必须做适当的表面处理如用阳离子活性剂处理表面后耐磨性提高200倍一、物理性能,.,5. 玻璃纤维的热性能 导热性玻璃纤维的导热性差，常温下导热系数： 0.720 W/m. 且随温度变化小，是优良的隔热材料，但受潮时导热系数增大 耐热性玻璃纤维的耐热性较高，软化点：550-850一般含碱量 越少，软化温度越高EGF软化点：845 ，AGF：550 热处理引起强度下降热处理温度越高，时间越长，强度下降越多,一、物理性能,,,,原因：热处理后微裂纹增多，强度下降,热处理后在纤维表面形成微晶,.,5. 玻璃纤维的电性能与光性能 玻璃纤维的导电性主要取决于化学组成碱金属离子最容易迁移，因此玻璃纤维成分中碱金属离子越多，其电绝缘性越差一、物理性能,,,玻璃是优良的透光材料，其透光率在95以上，但制成玻纤后其透光 性大大下降但具有一定的透光性。

玻纤的透光率一般在1860之间,透明的玻璃纤维复合材料以做各种采光材料， 制成导光管成为光导纤维等,.,玻纤的化学稳定性是指它对水、水蒸气、酸、碱、化学试剂等的抵抗能力，它在很大程度上决定了纤维的使用范围二、化学性能,玻璃具有很好的化学稳定性，耐酸碱、耐有机溶剂玻纤的化学稳定性较好，但比玻璃差很多 因为玻纤的比表面积比玻璃大很多，如1g,2mm厚的玻璃的表面积5.1cm2，拉成5m的玻纤，其表面积为3100cm2，是玻璃的608倍二、化学性能,影响GF化学性能的因素： （1）纤维直径对化学稳定性的影响 直径越细，比表面积越大，化学稳定性越差 （2）温度对化学稳定性的影响 实验表明：温度愈高，介质对玻纤破坏的速度愈快 在10100之间，每提高10，腐蚀性提高50%； 在100以上时，随温度提高，腐蚀速度更快二、化学性能,影响GF化学性能的因素： （3）化学成分对化学稳定性的影响,提高SiO2、Al2O3的含量，和加入ZrO2、TiO2能提高 耐酸性 提高SiO2含量，并加入ZrO2，CaO，MgO能提高耐碱性 提高SiO2、 Al2O3的含量， 加入ZrO2、TiO2耐水性增加玻纤的化学稳定性主要取决于其成分中的二氧化硅及碱金属氧化物的含量。

前者加强其稳定性，后者则相反因为碱金属硅酸盐在水的作用下发生水解，碱金属氧化物含量越高，耐水性越差碳纤维（CF：Carbon Fiber），是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳含碳量95%左右的称为碳纤维；含碳量99%左右的称为石墨纤维2.碳纤维,碳纤维最突出的优点是： 强度高、模量高、密度小；（“轻而强” “轻而硬”） 耐高温，可在2000使用，3000非氧化气氛中不熔不软； 热膨胀系数小，约等于零； 具有吸收雷达波特性； 热导率高，导电性好； 耐酸，能耐浓盐酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮等介质浸蚀； 摩擦系数小并具润滑性；,.,.,.,.,一、国外CF的发展历程,碳纤维是在上世纪50年代末期发展起来 美苏军事竞赛最激烈的时期，特点是“太空竞赛”、“超常规武器” 碳纤维的出现解决了很多尖端武器的技术难点： 载人飞船的推力结构，用CF复材后使重心前移，解决了飞船的稳定性 导弹稳定裙用CF复材后使重心前移，解决了弹体的稳定性，提高了命中精度 导弹的鼻锥采用C/C复合材料，烧蚀率低且均匀，提高了命中率 宇宙飞行器天线的最佳材料，耐温度骤变 制造隐身武器的最佳材料,.,一、国外CF的发展历程,1. 1879年，爱迪生将棉纤维、竹纤维碳化后做灯丝。

1959年，美国UCC（Union Carbide Corperation，联合碳化物公司）以人造丝为原料制造了碳纤维粘胶基CF 1962年，日本大阪技术研究所的进腾昭男博士，以聚丙烯腈（Polyacryonitirle, PAN）为原料制备了碳纤维PAN基CF 1964年，英国皇家研究院的Watt等人改进了PAN-CF的制备工艺，得到高强高模CF 1965年，日本群马大学的大谷杉朗以石油化工的副产品沥青为原料制备了碳纤维沥青基CF,强度低，力学性能差，碳收率低,价格便宜，产品性能较低，原料调制复杂,工艺简单，性能好，占CF产量的90,.,一、国外CF的发展历程,一、国外CF的发展历程,PANCF起源于日本，日本也是世界上最大的CF生产国，产量占全世界的60左右美、英、德、法、印度、以色列、南斯拉夫、韩国、中国都可以生产CF PANCF产量31565t/a，其中小丝束占73.4%，大丝束占26.6% 小丝束（Small tow）：1K, 3K, 6K, 12K, 24K航空级（Aerospace） 大丝束（Large tow）；48K, 60K, 120K, 360K, 480K工业级（Commercial） 目前，小丝束CF由日本东丽、东邦、三菱公司垄断（占75.5%） 大丝束CF由美国福塔菲尔公司（Fortafil ）、卓尔泰克（Zohek）等 公司垄断，福塔菲尔公司（占41.7%）,.,一、国外CF的发展历程,一、国外CF的发展历程,,日本碳纤维主要型号和性能,.,二、国内CF的发展历程,由于碳纤维在军事工业中的巨大应用价值，国外对碳纤维的制备技术对我国一直施行高度的技术封锁，碳纤维，95依赖进口 。

我国从20世纪60年代末70年代初开始研制碳纤维并在1975年列入了国家重点攻关项目 1976中科院山西煤炭化学所建成一条粘胶基碳纤维生产线，产量2t/a 性能基本达到T200水平（高强型） “六五”期间提出研制高强型（相当于T300），至今未成功 80年代，吉林化工厂（碳素厂）从日本引进一套T300生产线年产量300t/a，但实际产量100t/a国内主要研究与生产单位 上海交通大学 北京化工大学 湖南大学 山西煤炭化学研究所 北京航空材料研究院 沈阳飞行设计研究所 全国特种合成纤维研究中心,二、国内CF的发展历程,.,2.2 碳纤维的结构与性能,碳单质,金刚石,石墨,无色坚硬晶体,黑色柔软光滑无定形,,,,,,,四面体结晶,,片层,,一. 碳纤维的结构,.,金刚石微观结构,.,石墨微观结构,.,碳纤维微观结构,碳纤维微观结构：乱层石墨结构,碳的乱层石墨结构与石墨晶体有相似之处：两者的层平面部是由六元芳环组成 乱层石墨结构有杂原子和缺陷存在 乱层石墨结构的层与层之间碳原于没有规则的固定位置，缺乏三维有序 层间距（3.36-3.44）较石墨晶体大,.,碳纤维微观结构,.,碳纤维微观结构,石墨结构,乱层石墨结构,.,碳纤维微观结构,碳单质,一级结构,石墨片层,有微晶组成原纤维 （直径50nm，长度数百纳米）,,,,,,,二级结构,,三级结构,石墨微晶 （几个或几十个石墨片层）,,.,二. 碳纤维的性能,密度低 力学性能极高 断裂伸长率低 导电性好（半导体，石墨纤维是导体） 耐腐蚀性极好 耐辐射性极好 耐疲劳性好 热性能极好,,耐高温性,,惰性气氛超好,氧化性气氛400,导热性很好，各向异性,热膨胀系数很小，各向异性,.,主链由芳香环和酰胺基构成的线性大分子，且至少85%的酰胺直接键合在芳香环上的聚合物叫芳香族聚酰胺，。