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第三章 复合材料的增强体 3.1 增强体概念及分类 概念： 增强体是复合材料中能提高基体材料力学性能的组元物质，是复合材料的重要组成部分，起着提高基体的强度、韧性、模量、耐热、耐磨等性能的作用。 增强体具备的特性： 应能明显提高某种所需特性的性能； 具有良好的化学稳定性； 与基体有良好的润湿性 分类： 纤维类（连续长纤维和短纤维） 颗粒类 晶须类 金属丝 片状物 3.2 无机非金属纤维 一、碳纤维 是由碳元素组成的一种高性能增强纤维。最高强度可达7000MPa，弹性模量可达900GPa，密度约为1.8~2.1g/cm3，并具有低热膨胀、高导热、耐磨、耐高温、耐腐蚀等性能。 制造碳纤维的5个阶段： 拉丝 牵引 稳定 碳化 石墨化 碳纤维（以PAN为原料）polyacrylonitrile 聚丙烯腈 碳纤维（以沥青为原料） 碳纤维 碳纤维 镀镍碳纤维 碳短纤维 碳纤维织物 碳纤维不织布 碳纤维 制备方法及相应的纤维小结 纤维素纤维：复杂应力，石墨化收得率低 沥青纤维：原料便宜，收得率高；杂质影响性能 PAN纤维：基础研究全面，工艺成熟 碳纤维 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 碳纤维 该领域的主要课题与研究热点 需要解决的课题：原丝质量、原始创新、自力更生、精诚协作 优质原丝是生产高性能碳纤维的前提。高纯、高强、高取向度 预氧化是控制碳纤维质量的重要因素。防熔、防燃，耐热梯形结构 碳化和石墨化工艺是制备高性能碳纤维的关键。高纯氮气或氩气保护，脱氮交联，排除非碳元素，瞬时排出热解产物 二、硼纤维（B） 硼纤维具有较低的密度（2.4~2.6g/cm3）、较高的强度、很高的弹性模量和熔点（2000℃以上）及较高的高温强度。 硼纤维 将所需金属或非金属的化合物盐（主要为挥发性卤化物）气化，与H2等气体一起加热，并使其与基体接触。由于热分解或还原反应，就可以使金属或化合物在基体上析出。该过程称为化学气相沉积。 将BCl3与作为载体的H2一起加热，并使其在钨丝或者碳丝上流过，发生下述反应。2BCl3+3H2→2B+6HCl 则可在细丝上析出硼，以适当的速度拉卷细丝，则可以得到硼纤维。 硼纤维 在硼纤维开发的初期，作为芯线大多是钨丝芯线（纤维为100μm时，芯线为13μm，150μm时为约20μm），后来从成本上考虑，多使用碳的芯线（约30μm）。一般市场上所出售的硼纤维直径为150μm，实际应用中还可以再粗一些：例如300μm。 制造技术的改进： 采用成本低廉、表面涂钨（或碳）的石英玻璃纤维芯材替代钨丝和碳丝； 改进设备：采用辅助外部加热装置和射频加热装置实现反应温度的均匀分布； 对硼纤维进行后处理：化学处理（消除表面缺陷）和表面涂层处理（增加硼纤维的辅助保护层，使其在高温下不与基材反应） 三、碳化硅纤维（SiC） 碳化硅纤维具有优异的力学性能（如直径为10~15μm的纤维，拉伸强度为2500~3000MPa，弹性模量为180~200GPa，密度为2.55g/cm3）、耐热氧化性能、耐化学腐蚀性能。 碳化硅纤维的应用： 喷气发动机涡轮叶片、飞机螺旋桨受力部件、大口径军用步枪枪筒套管、坦克履带、火箭推进剂传送系统、先进战斗机的垂直安定面、火箭发动机外壳等。 四、氧化铝纤维 氧化铝纤维具有优异的机械强度和耐热性能，抗拉伸强度大，弹性模量高，化学性质稳定，耐高温，多用于高温结构材料，也可用做高温绝缘滤波器材料。 氧化铝短纤维制备： 离心甩丝法：将熔融的氧化铝陶瓷熔体流落到高速旋转的离心辊上，甩成细纤维。 氧化铝长纤维制备： 烧结法：以Al2O3细粉与Al OH 3及少量Mg OH 2混合成一定黏度的纺丝料进行干法纺丝，纺成的丝在1000℃以上高温烧结成Al2O3纤维，为减少表面缺陷，常在纤维表面途覆一层0.1μm的SiO2涂层。 氧化铝长纤维制备： 先驱体法：将烷基铝或烷氧基铝与水进行水解缩合为聚铝氧烷，再与有机聚合物混合制成浆液，用干法纺丝后，在空气中逐步加热，形成α-Al2O3纤维。 氧化铝长纤维制备： 熔融法：将Al2O3在坩埚中加热熔化（约2400℃），熔融的氧化铝通过喷丝板，以一定的速率拉出，冷却凝固形成直径为50~500μm的氧化铝连续纤维。 玻璃纤维的化学组成： 化学组成主要为：二氧化硅、三氧化二硼、氧化钙、三氧化二铝等。 玻璃纤维中加入氢化纳、氢化钾等碱性物质为助熔剂：通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，从而降低玻璃的熔化温度和粘度，使玻璃熔液中气泡易排除。 玻璃纤维的物理性能： 玻璃纤维拉伸强度高，防火，防霉，防蛀，耐高温和电绝缘性能好。缺点是脆性大，易折断，模量低，不耐磨，长期放置强度会稍有下降。