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第七章 复合材料增强剂 (Reinforcement) 纤维及其织物、晶须、颗粒 一、复合材料增强剂的特点（图7–1） 1、具有很低的比重； 2、组成这些化合物的元素都处 在元素周期表中的第二、第三周期； 3、它们大多数都是以结合力很 强的共价键结合； 4、具有很高的比强度、比刚度 和高温稳定性。 图 7–1 不同复合材料增强剂的强度和模量 脆性纤维的抗张强度统计分析 （ Weibull 模数分析） 碳纤维、SiC 纤维等高性能增强剂均为脆性材料，其强度遵循正态分布 规律。使用Weibull模数分析可较准确地分析其强度分布规律(图7-2、-3)。 Weibull 函数: Ps = 1- Pr = exp {- v [ ( ( - (u) / (0] m} 式中： Ps和 Pr分别为体积为 v 的试样在负载为 ( 的条件下的保留几 率和断裂几率； (u 为 Pr =0时的应力负荷（一般设定 (u 为某一可能达到的最小值或 零）； (0 为分散参数，m 则为Weibull 模数。 Ps（i）=1-i/(N+1)，Ps（i）为在 I 阶断裂负载时的保留几率，N为试样总 数，那么： ln ln ( 1 / Ps ) = m ln ( + K ， K = - m ln (0 + ln V0 ln ( - ln ln ( 1 / Ps )的直线斜率 即为 Weibull 模数 m 。 图7–2 SiC纤维室温拉伸强度分布 图7-3 SiC纤维Weibull 模数分析图 表7 – 1 不同标距的SiC纤维的Weibull 模数 脆性材料的Weibull 模数 在一定程度上反映了材料的可靠性(表7-1)。 二、纤维 1、无机纤维 1-1、玻璃纤维（Glass Fiber） 玻璃纤维是由各种金属氧化物的硅酸盐经 熔融后以快的速度抽丝而成（图7 - 4）。质地 柔软，可纺织成各种玻璃布、带等。伸长率和 热膨胀系数小，耐腐蚀，耐高温性能较好，价 格便宜，品种多。缺点是不耐磨、易折断，易 受机械损伤。 玻璃纤维价格便宜，品种多，适于编织各 种玻璃布。玻璃纤维的成分、直径、编织结构 直接影响着复合材料的机械、物理、化学和电 性能（表7-2）。 图7-4 玻璃纤维制备工艺示意图 表 7 – 2 玻 璃 纤 维 品 种 性 能 一 览 表 纤维类别 性能 有碱 A 化学 C 低介电 D 无碱 E 高强度 S 粗纤维 R 高模量 M 拉伸强度，GPa 3.1 3.1 2.5 3.4 4.58 4.4 3.5 弹性模量，GPa 73 74 55 71 85 86 110 延伸率，% 3.6 3.37 4.6 5.2 密度，g/cm3 2.46 2.46 2.14 2.5 2.5 2.55 2.89 1-2、碳纤维 碳纤维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。碳纤维比重小，比 强度、比模量大（表7-2），耐热性和耐腐蚀性好，成本低，批生产量大， 是一类极为重要的高性能增强剂。 碳纤维主要的制备工艺是先驱体转换法，即将有机纤维（原丝）经过稳 定化处理后，再在惰性气氛的高温下热解碳化，形成碳纤维（图7 – 5）。 制备碳纤维的主要原材料有人造丝（粘胶纤维）、聚丙烯腈（PAN）纤 维和沥青（Pitch）等。经过五个阶段： 1）拉丝：湿法、干法或熔融纺丝法。 2）牵伸：通常在100 ( 300 (C范围内进行，控制着最终纤维的模量。3）稳定：在400 (C加热氧化。显著地降低热失重，保证高度石墨和 取得更好的性能。 4）碳化：在1000(2000 (C 范围内进行。 5）石墨化：在2000 ( 3000(C范围内进行。 图7 – 5 碳纤维制备工艺流程示意图 PAN基碳纤维制备工艺流程： PAN原丝(200(300(C (1150(惰气 (碳纤维( 2100(C石墨化( 石墨纤维 空气中预氧化， 中碳化1 h， 低模 惰气中1分钟， 高模高强 施张力使纤维 施张力约 高强 施张力约 伸长约10% 。 0.5N/束。