第三章复合材料的增强材料.doc

第三章复合材料的增强材料3-1玻璃纤维三、玻璃纤维的制备1、圳圳拉丝法（MM法）2、池窑拉丝法（DM法）-•步法3、玻璃纤维制品的加工4、玻璃纤维纱的规格玻璃纤维纱可分无捻纱及冇捻纱二种玻纤支数有两种表示方法：① 「定质量法：使用质量为1克的原纱长度來表示纤维支数=纤维长度（通常用100m测量）纤维质量（100m原纱克质量数）② 定长法：通称“TEX",是指2000m长的原纱的克质量③ 捻度：是指单位长度内纤维与纤维2间所加的转数，以捻/m为单位玻纤规格：无碱纱一4-300/2 4一直径；300 —支数；2—股数四、 玻璃纤维的表面处理1、 浸润剂在拉丝工艺中，当玻璃液从漏板拉出单丝厉，把浸润剂涂在玻璃纤维表面上玻璃纤维一个突岀的弱点是较脆而不耐序，玻纤之间的摩擦系数较大而且刚拉出的纤维难免 不受到空气中水蒸气的侵蚀,使其强度下降因此,纤维刚拉出之后，立即被覆一层保护薄膜一一浸润剂, 具有重要的意义浸润剂的作用：使多根单丝集中成股，增加原纱的耐磨性和提高拉伸强度；保护纤维免受大气 和水分的侵蚀作用2、 玻璃纤维表面处理玻璃钢的性能不仅与所用的增强材料、树脂冇关，还与增强材料和树脂的界面结合好坏冇关。

表面处理就是在玻纤衣面被覆表血处理剂，使玻纤与树脂牢尚的粘结在一起，以达到提高玻璃钢性能 的目的表而处理剂也叫"偶联剂〃玻璃纤维表面处理剂的种类繁多，归纳起来可分为有机侈、有机硅和钛酸酣三大类3、 玻璃纤维表面处理方法主要采用三种方法：后处理法、前处理法和迁移法1）后处理法（普通处理法）：凡使用纺织型润湿剂制得的玻纤及织物，在制作玻璃钢前■原则 上都采用此法进行农面处理此法分二步：先除去玻纤表面的纺织型润湿剂，然后经表面处理剂溶液没渍、水洗、烘干等工 艺,使玻纤表面被覆上一层处理剂除去纺织型润湿剂的方法主要有洗涤法和热处理法两种特点：处理的各道工序都需要专门的设备，初期投资较大，玻纤强度损失大，但处理效果好， 比较稳定2）前处理法：这种方法就是适当改变浸湿剂的配方配方（增强型浸润剂），使Z能满足拉丝、 退并、纺织各道工序的要求，乂不妨碍树脂对玻纤的浸润和粘结3）迁移法（潜处理法）：迁移法是将化学处理剂直接加入到树脂胶液中，在浸胶的同时将处 理剂施于玻纤上，从而在树脂固化过程中产生偶联作用五、 玻璃纤维的应用1、 无碱玻璃纤维：用作电绝缘材料，通常叫做“E玻璃”电绝缘性能高利耐热性好（软化点>800°C）等 特性。

还具有强度高、弹性模量高、比重小和良好的耐水性等性质，是较为理想的增强材料热固性和热槊性玻璃钢，増强橡胶制品，制成高温过滤布等2、 小碱玻璃纤维：耐酸性比无碱玻纤好,但机械强度较低适用于做酸性过滤材料，槊料地板革•，机械强 度要求不高的中、低档玻璃钢等成本较低，在我国占玻纤用量的60%左右3、 高硅氧纤维和石英玻璃纤维高硅氧玻璃纤维是用SiO2-B2O3-Na2O玻纤一在500°C〜600°C热处理分相一HCI浸泡一富SiO2 多孔玻纤-*700°C〜900°C烧结其SiO2含量一般为$96%石英玻璃纤维的SiO2含量$>99%耐高温性能比高硅氧纤维高，长期使用温度可达1200°C 增强酚醛树脂，用于导弹、火箭耐烧蚀部件，高级保温隔热材料4、 高强玻璃纤维（S玻璃）是高性能复材的增强材料之一，用量大、发展快美国年用最己在5000吨左右主要以 SiO2-AI2O3-MgO 或 SiO2-Al2O3-CaO-MgO 为基础,引入一些 TiO2、ZrO2、B2O3 等单丝拉伸强度达 4GP, 弹性模量达80GPao主要用于髙性能玻璃钢、髙压容器、火箭发动机壳体、火箭筒壳体、水雷外壳和防弹衣5、 高模量玻璃纤维大多是 SiO2-AI2O3-MgO 玻璃，并掺入 BeO、Y2O3、ZrO2、Ti02、CeO2 等。

弹性模量达 95Gpa主要用作高性能玻璃钢等与环氧、酚醛等复介，在航天工业中是一种重要的结构材料，在体 育器材方面作撑竿跳杆、跳水板等6、 特种电性能玻璃纤维电绝缘咐辐射玻纤：原子能反应堆中的绝缘材料具有热中子俘获面积小、半衰期短、绝缘电 阻高、力学性能好、耐水性较好的优点可在高温和高辐射条件下使用低介电玻纤：用于制造电子元件及雷达罩半导体玻纤:用于人小型高压防晕材料7、 金屈玻璃纤维（镀锌、铝、铜、银、银）对电磁波有良好的反射性能，是电子对抗的重耍材料，也可用于抗静电材料和电磁屏蔽材料 容重轻、留空时间长，无源干扰材料8、 空心玻璃纤维可制造无源干扰材料，是高性能复合材料的増强材料，主要用于航空工业和深水水容器3-2碳纤维碳纤维是由有机纤维经高温碳化而成品碳纤维的含量一般在90%以ho碳纤维貝有一般碳材料的特性， 如耐高温性、导电、导热及耐腐蚀等碳纤维的微晶结构沿纤维轴向有择优収向，从而沿纤维方向冇很高 的抗张强度和杨氏模量山于碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷及碳素等基体复介作结构材料一、碳纤维的分类1. 按碳纤维的性能分类高性能碳纤维：高强度碳纤维（HS）超高强碳纤维（VHS）高模量碳纤维（HM）超高模量碳纤维（VHM）中模量碳纤维（MM）低性能碳纤维：耐火碳纤维碳质纤维2. 按原丝类型分类聚丙烯悄基碳纤维（PAN）粘胶基碳纤维沥青棊碳纤维其它冇机纤维基碳纤维3. 按碳纤维的功能分类受力结构用碳纤维耐焰碳纤维导电用碳纤维润滑丿1J碳纤耐磨用碳纤维4. 按碳纤维的外观分类短纤维长纤维双向织物三向织物碳纤维的特点：碳纤维具冇-•般碳材料的特性；碳纤维比重小；碳纤维彳j很高的比强度和比模鼠；二、 碳纤维的制备碳纤维是一种以碳为主要成分的纤维状材料。

它只能以冇机物为原料，采用间接法來制造 制造的方法可分为：气相法有机纤维碳化法气相法是在惰性气氛中将小分子有机物在高温下裂解并沉积成纤维，用这种方法只能制造晶须或短 纤维，不能制造连续的长纤维大部分碳纤维的制备包括以下三个步骤：(1) 稳定化处理一一预氧化：的是防止纤维在以后的热处理过程中熔化2) 碳化：在惰性气氛中热解，除去人部分非碳元素，如氮、氮、氧等形成碳纤维素3) 石墨化处理：提高碳纤维的结晶程度、提高碳纤维的强度和模量1. 聚丙烯腊碳纤维(PAN纤维)优点是碳纤维收率高、工艺简单、成木低、性能好其制备工艺流程为：碳化是在高纯氮气保护F进行的一边将非硕原子以挥发物方式除去，同时使预氧化纤维向碳化纤维结构转 变2. 粘胶基碳纤维粘胶基纤维是一种纤维素纤维粘胶纤维在2下热解时，在200°C〜320°C间急剧分解，失重达80%, 因此碳纤维的收率很低慢速加热可稍稍提高收率，但不经济粘胶纤维的热处理过程可分为：(1) 室温〜150°C下脱去吸附水，150〜240°C下纤维素环的脱水,240-400°C下通过自山基反应放出出0、 CO和CO?等，400°C以上放出H2o(2) 碳化：在氮气中加热至1000°C左右(3) 石墨化：在Ar气氛中，处于应力加热至2800°C左右。

粘胶棊碳纤维的导电率低、灰份少、防热隔 热及耐烧蚀性能好3 •沥青基碳纤维以沥青为原料制造碳纤维，冇着丰富的原料來源，且属于综合利用，可以降低成木制造碳纤维的沥青主要冇：石油沥青、煤焦油沥青、聚氯乙稀沥青沥青可分为两类：一类是各向同性沥青，可用來制造低模量碳纤维；另一类是含有液晶中间和的各 向异性沥青，适宜制造高模量的碳纤维制备工艺包括：沥青调制、熔融纺丝、不熔化处理、碳化及石墨化技术难度在于前三步三、 碳纤维的结构碳纤维是过渡碳的一种，存在着微品和无序非品碳两相结构微品结构类似于石墨微品，但微品层 而在C轴方向无相位关系，只有二维有序，屈丁-乱层结构微晶大小受热处理温度、条件及原纤维质量的 影响① 碳纤维的乱层结构：石墨层片 石墨微晶 原纤维 交叉的条带状结构碳纤维② 碳纤维的皮层结构碳纤维由外皮层和芯子两部份组成，中间是连续的过渡区•般皮层占15%,芯子占40%皮层 的微晶较大、排列较有序山皮层到芯子，微晶减小，排列逐渐紊乱，结构不均匀性愈來愈显著这种不 均匀的结构称为碳纤维的皮层结构碳纤维中的缺陷一是原丝带來的缺陷，二是碳化过程中产生的缺陷四、 碳纤维的性能1•力学性能决定碳纤维力学性能的主要是微品的取向度，而取向度乂决定于热处理温度、热处理时间和热处理 时间的张力。

E= E0（l-a）-lo= K[（l-a） ]-1其中E°为材料的固有弹性模量a为纤维的轴向収向度（无曲线度a=0） d为结晶厚度一般：高强度碳纤维Oht=0.010〜0.014E高模量碳纤维oht=0.004〜0.0063E五、 碳纤维的表面处理目的：提鬲碳纤维与基体的结介强度方法冇：（1） 表而淸洁法：将碳纤维在含有少量空气或氧气（＜2%）的惰性气体中加热一定的时间，从而达 到清除吸附水，净化其表面的目的2） 气相氧化法：反应温度控制在350〜600°CZ间，介质一般为空气、CO?气氧化处理后碳纤维的 衣而积变人，活化官能团増多（衣而会产生轻基、竣基）等，所制的复合材料的剪切强度提高3） 液相氧化法：一般液相氧化的效果比气相氧化好，条件适当时，纤维的强度仅略有降低液相 氧化介质有60%HNO3、40%H2SO4. 15%次氯酸等氧化处理后需以加清洗、干燥等工序液相氧化处理 靠増大表面积及表面粗糙度來提鬲复介材料的剪切强度4） 衣而涂层法：采用物理、化学等方法将某种聚合物、衣而处理剂、金属或陶瓷等涂覆在碳纤维 的表面，减弱碳纤维表面的缺陷，改善表而结合状态，从而提高复合材料的性能六、碳纤维的应川碳纤维有很好的抗蠕变性、耐疲劳性，何卓越的热物理性能和优良的阻尼特性。

高性能碳纤维有 较高的比强度和比刚度这些优良性能使得碳纤维在许多应用领域小成为通用材料1）航天、航空工业主耍是利用其优界的隔热、耐烧蚀、耐腐蚀、热膨胀系数小及力学性能高等特性70年 代初军川E机开始应用碳纤维复合材料，80年代末军用E机采用复合材料的用量已达到30%~55%o美国上 碳纤维最大的消费国，主要用于航天、航空工业C/C复合材料是很好的烧蚀材料C/高温橡胶复合材料是良好的隔热材料，用于火箭助推器2）体育器械、娱乐用品工业这是碳纤维复合材料第二个用量很人的领域由丁•碳纤维的髙比强度和比强度，外加良好 的阻尼作川和良好的疲劳性能，因此可川来制造各种运动器具，如高尔夫球棒、钓鱼杆、撐竿跳竿、网球 拍、网球拍、自行车架和赛车等⑶汽车、机械工业采用碳纤维复合材料來减轻交通运输工具的重量而不降低其强度如汽车传动轴、保险 挡板、车身等碳纤维增强热塑性工程塑料的尺寸稳定性好力学性能高，并有自润滑性能，可做齿轮、 轴承及精密仪器的零部件、各种纺织机械部件等2）体育器械、娱乐用品丁•业这是碳纤维复合材料第二个用量很人的领域由于碳纤维的高比强度和比强度，外加良好 的阻尼作用和良好的疲劳性能，因此叮用來制造各种运动器具，如高尔夫球棒、钓角杆、撐竿跳竿、网球 拍、网球拍、自行车架和赛车等。

3）汽车、机械工业采用碳纤维复合材料來减轻交通运输工貝的巫量而不降低其强度如汽车传动轴、保险 挡板、车身等碳纤维增强热塑性工程教料的尺寸稳定性好力学性能高，并有自润滑性能,可做齿轮、 轴承及椿密仪器的零部件、各种纺织机械部件等3-3冇机纤维纤维的制备PPTA熔。