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1、第二章增第二章增强材料材料第1页，共68页，编辑于2022年，星期三 增强材料概述 纤维类增强体 晶须类增强体 颗粒类增强体 增强材料的表面处理主要内容种类、性能、制备方法及应用种类、性能、制备方法及应用2第2页，共68页，编辑于2022年，星期三基本要求基本要求熟悉使用工况熟悉使用工况了解增强体的种类、制备方法及应用领域了解增强体的种类、制备方法及应用领域掌握设计选择适当的增强体掌握设计选择适当的增强体本章要求3第3页，共68页，编辑于2022年，星期三 在复合材料中，凡是能提高基体材料力学在复合材料中，凡是能提高基体材料力学性能的物质，均称为性能的物质，均称为增强材料增强材料。2.1 增强
2、材料概述4第4页，共68页，编辑于2022年，星期三2.1.1 增强材料的外观形状增强材料的外观形状 纤维状：纤维状：增强作用最明显增强作用最明显纤维状纤维状颗粒状颗粒状层状层状片状片状填充状填充状2.1 增强材料概述5第5页，共68页，编辑于2022年，星期三2.1.2 增强材料的作用增强材料的作用v承受外界施加载荷承受外界施加载荷，提高基体的力学性能。，提高基体的力学性能。v显示功能显示功能：可提高耐热性，降低收缩率，以及：可提高耐热性，降低收缩率，以及赋予一些功能性（如磁学、电学等功能）赋予一些功能性（如磁学、电学等功能）2.1 增强材料概述6第6页，共68页，编辑于2022年，星期三2
3、.1.3 增强材料应具备的基本特性增强材料应具备的基本特性增强体应具有能明显提高基体某种所需特性的性能如高的比强度、比模量、高热导率、耐热性、耐磨性、低热膨胀性等，以便赋予基体某种所需的特性和综合性能增强体应具有良好的化学稳定性与基体有良好的润湿性，或通过表面处理后能与基体良好地润湿，以保证增强体与基体良好地复合和分布均匀2.1 增强材料概述7第7页，共68页，编辑于2022年，星期三比强度：材料的强度与其密度之比。比模量：材料的弹性模量与其密度之比。强度：材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力成为强度。如抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度。拉伸强度：=/弹性模量：材料在弹性变形阶段，其
4、应力和应变成正比例关系，其比例系数成为弹性模量，是物体发生弹性变形难易程度的表征。=（)/=/8第8页，共68页，编辑于2022年，星期三例题：已知某氧化铝纤维增强铝基复合材料，密度为./，形状为圆柱形，直径，长度，于万能试验机测试其拉伸强度，断裂是拉力，断裂是长度为.。计算：拉伸强度，断裂时变形量，弹性模量，比强度，比模量。9第9页，共68页，编辑于2022年，星期三（1 1 1 1）力学性能：杨氏模量和塑性强度；）力学性能：杨氏模量和塑性强度；）力学性能：杨氏模量和塑性强度；）力学性能：杨氏模量和塑性强度；（2 2 2 2）物理性能：密度和热扩散系数；）物理性能：密度和热扩散系数；）物理性
5、能：密度和热扩散系数；）物理性能：密度和热扩散系数；（3 3 3 3）几何特性：形貌和尺寸；）几何特性：形貌和尺寸；）几何特性：形貌和尺寸；）几何特性：形貌和尺寸；（4 4 4 4）物理化学相容性；）物理化学相容性；）物理化学相容性；）物理化学相容性；（5 5 5 5）成本因素。）成本因素。）成本因素。）成本因素。2.1.4 选择增强体的主要考虑因素选择增强体的主要考虑因素2.1 增强材料概述10第10页，共68页，编辑于2022年，星期三v 纤维类增强体纤维类增强体v 颗粒类增强体颗粒类增强体v 晶须类增强体晶须类增强体v 其它增强体其它增强体 2.1.5 增强体的分类增强体的分类2.1 增
6、强材料概述11第11页，共68页，编辑于2022年，星期三2.2 纤维v定义：一般指细而长的材料，通常情况下，聚合物经一定的机械加工（牵引、拉伸、定型等）后形成细而柔软的细丝，形成纤维。v特性：纤维具有弹性模量大，受力时形变小，强度高等特点，有很高的结晶能力。12第12页，共68页，编辑于2022年，星期三2.2 纤维有关有关术语术语单丝单丝拉丝机上拉丝漏板每个孔中拉出的丝。拉丝机上拉丝漏板每个孔中拉出的丝。原纱原纱指多根单丝从漏板拉出汇集而成的单丝束，也称为纤维束丝。指多根单丝从漏板拉出汇集而成的单丝束，也称为纤维束丝。细度细度单丝的直径，一般用微米表示，一般越细，抗拉强度越高。单丝的直径，
7、一般用微米表示，一般越细，抗拉强度越高。13第13页，共68页，编辑于2022年，星期三2.2 纤维短切纤维短切纤维也称短纤维，将原丝或粗纱切断成也称短纤维，将原丝或粗纱切断成35150mm的纤维。的纤维。长径比长径比短纤维长度与直径之比。短纤维长度与直径之比。短纤维毡短纤维毡有不规则的短纤维随意交叉重叠铺成毡状薄片，由树脂有不规则的短纤维随意交叉重叠铺成毡状薄片，由树脂 粘结而成粘结而成 连续纤维毡连续纤维毡由纤维本身的卷缠而形成并由少量粘合剂粘合在一起。由纤维本身的卷缠而形成并由少量粘合剂粘合在一起。纤维织物纤维织物是利用天然的高分子物质或合成的高分子物质，经化学工是利用天然的高分子物质或
8、合成的高分子物质，经化学工艺加工而取得的纺织纤维总称。艺加工而取得的纺织纤维总称。14第14页，共68页，编辑于2022年，星期三2.2 纤维工业上常用的表示方法及单位：工业上常用的表示方法及单位：直径直径1重量法重量法2定长法定长法315第15页，共68页，编辑于2022年，星期三2.2 纤维直径v 用标准计量器具（如千分尺、激光测微器）实际用标准计量器具（如千分尺、激光测微器）实际检测出来的单丝名义直径，一般用检测出来的单丝名义直径，一般用mmmm表示。表示。v 细度：细度：mm16第16页，共68页，编辑于2022年，星期三2.2 纤维定重法v 用一克重的原纱长度来表示，称为支数。用一克
9、重的原纱长度来表示，称为支数。v 单位为支，如单位为支，如8080支，支，6060支等。支等。支数越大，纤维纱线越细。纤维支数纤维支数纤维支数纤维支数纤维长度纤维重量纤维长度纤维重量例如：例如：40支纱，就是指一克重的原纱长支纱，就是指一克重的原纱长40m。17第17页，共68页，编辑于2022年，星期三2.2 纤维定长法v 指指10001000米长的原纱的克数重量。米长的原纱的克数重量。v 单位为单位为TexTex，如，如1Tex1Tex，500Tex500Tex 等。等。例如：例如：4 4“TexTex”就是指就是指10001000米原纱重米原纱重4 4克克号数越小，纤维纱线越细。目前国际
10、统一使用的方法18第18页，共68页，编辑于2022年，星期三天然纤维天然纤维化学纤维化学纤维人造纤维人造纤维合成纤维合成纤维2.2 纤维纤维类增强体的分类纤维类增强体的分类19第19页，共68页，编辑于2022年，星期三2.2 纤维v天然纤维：天然纤维：是自然界存在的，可以直接取得的纤维，根据来源可以分为织物纤维和动物纤维两类。v化学纤维：化学纤维：是指经过化学处理加工而制成的纤维，分为人造纤维和合成纤维两类。v人造纤维（再生纤维）：人造纤维（再生纤维）：是用含有天然纤维或动物蛋白纤维的物质，经过化学加工后制成的纺织纤维。v合成纤维：合成纤维：不是用天然纤维素或含蛋白质的物质作原料，而是用石
11、油、天然气、煤等为原料，先合成单位，再聚合而制成的纺织纤维。20第20页，共68页，编辑于2022年，星期三v纤维类增强体纤维类增强体 连续长纤维连续长纤维：单丝：单丝：硼纤维、碳化硅纤维硼纤维、碳化硅纤维 束丝束丝 ：碳纤维、氧化铝、碳纤维、氧化铝、碳化硅、氮化硅纤维碳化硅、氮化硅纤维 短纤维：短纤维：硅酸铝、氧化铝、碳纤维硅酸铝、氧化铝、碳纤维 无机纤维：无机纤维：碳纤维、氧化铝、碳化硅、氮化硅、硅酸铝、碳纤维、氧化铝、碳化硅、氮化硅、硅酸铝、氮化氮化硼、玻璃纤维硼、玻璃纤维 有机纤维：有机纤维：刚性分子链：刚性分子链：芳酰胺、聚芳脂和聚苯并唑芳酰胺、聚芳脂和聚苯并唑 柔性分子链：柔性分子
12、链：聚乙烯和聚乙烯醇聚乙烯和聚乙烯醇2.2 纤维21第21页，共68页，编辑于2022年，星期三2.2 纤维2.2.1 有机纤维有机纤维v 由有机聚合物制成的纤维或利用天然聚合物经化学处由有机聚合物制成的纤维或利用天然聚合物经化学处理而制成的纤维。理而制成的纤维。芳纶纤维芳纶纤维 聚乙烯纤聚乙烯纤维维 22第22页，共68页，编辑于2022年，星期三2.2 纤维芳纶纤维芳纶纤维 芳香族酰胺纤维具有极高的比强度和比模量，有“人造钢丝”之称，但使用温度只能在204以下。23第23页，共68页，编辑于2022年，星期三2.2 纤维聚乙烯纤聚乙烯纤维维 由线形聚乙烯纺制成的合成纤维，又称乙纶。1975
13、年荷兰首研制，目前国际上最新的超轻，高比强度，高比模量纤维，成本低。不足之处：只能在100以下使用。24第24页，共68页，编辑于2022年，星期三25第25页，共68页，编辑于2022年，星期三2.2.2 无机纤维无机纤维玻璃纤维玻璃纤维 各种金属氧化物的硅酸盐类，经熔融后快速抽丝制成。各种金属氧化物的硅酸盐类，经熔融后快速抽丝制成。2.2 纤维（1）组成：）组成：l SiO2。玻璃的主要组分，在玻璃中形成基本骨架。玻璃的主要组分，在玻璃中形成基本骨架。l 金属氧化物。金属氧化物。Al2O3、CaO、MgO、Na2O(K2O)等，可改善制备等，可改善制备玻璃纤维的工艺条件及使玻璃纤维具有一定
14、特性。玻璃纤维的工艺条件及使玻璃纤维具有一定特性。26第26页，共68页，编辑于2022年，星期三2.2 纤维化学组成化学组成纤维使用特性纤维使用特性产品特点产品特点玻璃纤维分类玻璃纤维分类玻璃纤维分类玻璃纤维分类 纤维长度纤维长度纤维直径纤维直径 纤维外观纤维外观（2）分类：）分类：27第27页，共68页，编辑于2022年，星期三按化学组成分：按化学组成分：有碱玻璃纤维（碱金属氧化物的含量大于有碱玻璃纤维（碱金属氧化物的含量大于12%）：）：易熔易抽丝，易熔易抽丝，成本低，耐海水腐蚀性好成本低，耐海水腐蚀性好中碱玻璃纤维（碱金属氧化物的含量中碱玻璃纤维（碱金属氧化物的含量6%12%）低碱玻璃
15、纤维（碱金属氧化物的含量低碱玻璃纤维（碱金属氧化物的含量2%6%）微碱玻璃纤维（又称：无碱玻璃纤维，碱金属氧化物微碱玻璃纤维（又称：无碱玻璃纤维，碱金属氧化物的含量小于的含量小于2%）：）：用于电器及军工产品用于电器及军工产品民民用用建建筑筑2.2 纤维28第28页，共68页，编辑于2022年，星期三 按纤维使用特性分按纤维使用特性分：普通玻璃纤维（普通玻璃纤维（A-GFA-GF）电工用玻璃纤维（电工用玻璃纤维（E-GFE-GF）：碱金属氧化物含量）：碱金属氧化物含量1%1%。高强型玻璃纤维（高强型玻璃纤维（S S或或R R玻璃纤维）：碱金属氧化物含玻璃纤维）：碱金属氧化物含 量量0.3%0.
16、3%。高模量型玻璃纤维（高模量型玻璃纤维（M-GFM-GF）：碱金属氧化物含量接近）：碱金属氧化物含量接近0 0。耐化学药品玻璃纤维（耐化学药品玻璃纤维（C-GFC-GF）耐碱玻璃纤维（耐碱玻璃纤维（AR-GFAR-GF）低介玻璃纤维（低介玻璃纤维（D-GFD-GF）：电绝缘性透波性好，雷达罩）：电绝缘性透波性好，雷达罩高硅氧玻璃纤维：高硅氧玻璃纤维：SiOSiO2 2含量含量95%95%，用作耐烧蚀材料。，用作耐烧蚀材料。石英玻璃纤维：石英玻璃纤维：SiOSiO2 2含量含量99%99%。2.2 纤维29第29页，共68页，编辑于2022年，星期三按产品特点分按产品特点分：（1 1）按纤维的
17、长短）按纤维的长短定长纤维和连续纤维定长纤维和连续纤维（2 2）按纤维直径的大小）按纤维直径的大小粗纤维（单丝直径：粗纤维（单丝直径：30m30m）初级纤维（单丝直径：初级纤维（单丝直径：20m20m）中级纤维（单丝直径：中级纤维（单丝直径：1020m1020m ）高级纤维（单丝直径：高级纤维（单丝直径：39m39m ）超细纤维（单丝直径：小于超细纤维（单丝直径：小于4m4m ）（3 3）按纤维外观）按纤维外观连续纤维、短切纤维、空心玻璃纤维、磨细纤维和玻璃粉连续纤维、短切纤维、空心玻璃纤维、磨细纤维和玻璃粉2.2 纤维纤维越细、缺陷越少、强度越高中空玻璃纤维玻璃粉短切纤维毡30第30页，共6
18、8页，编辑于2022年，星期三 坩埚拉丝法（玻璃球法）和池窑拉丝法（直接熔融法）A:A:坩埚拉丝法：坩埚拉丝法：由由制球制球和和拉丝拉丝两部分组成两部分组成 将砂、石灰石、硼酸等玻璃原料按一定的比例干混后，装入1260的熔炼炉中熔融，熔融的玻璃流经造球机制成直径为1518mm(10g)的玻璃球。2.2 纤维（3）制备）制备31第31页，共68页，编辑于2022年，星期三拉丝拉丝 玻璃球经热水清洗、去污和挑选后在铂金（或陶土）坩埚中加热熔融（1300）。借自重由坩埚底部的漏丝板流出（温度：1190），在迅速冷却的过程中，借助高速（10003000m/min)转动，拉制成直径很细（320m）的GF
19、。2.2 纤维32第32页，共68页，编辑于2022年，星期三B B：池窑法：池窑法：将玻璃配合料投入熔窑熔化后直接拉制成各种支数的连续玻璃纤维，是一种新的工艺方法。优点：省去制球工艺，简化工艺流程，效率高。池窑容量大，生产能力高。对窑温、液压、流量和漏丝板温度可实现自动化控制，所得产品质量稳定。适用多孔大漏板生产粗玻璃纤维。废产品易于回炉。2.2 纤维33第33页，共68页，编辑于2022年，星期三（4）结构）结构 玻璃纤维玻璃纤维的拉伸强度拉伸强度比块状玻璃块状玻璃高许多倍，但经研究证明，玻璃纤维的结构与玻璃玻璃相同。2.2 纤维34第34页，共68页，编辑于2022年，星期三（5 5）性
20、质）性质2.2 纤维 玻璃纤维具有一系列优良性能，玻璃纤维具有一系列优良性能，伸长率和热膨胀系数小；伸长率和热膨胀系数小；伸长率和热膨胀系数小；伸长率和热膨胀系数小；除氢氟酸和热浓强碱外，能耐许多介质的腐蚀；不燃烧，除氢氟酸和热浓强碱外，能耐许多介质的腐蚀；不燃烧，除氢氟酸和热浓强碱外，能耐许多介质的腐蚀；不燃烧，除氢氟酸和热浓强碱外，能耐许多介质的腐蚀；不燃烧，耐高温性能好；防霉、防蛀、耐高温性能好；防霉、防蛀、耐高温性能好；防霉、防蛀、耐高温性能好；防霉、防蛀、和和电绝缘性能好电绝缘性能好电绝缘性能好电绝缘性能好等，同时价等，同时价格便宜，品种多。格便宜，品种多。玻璃纤维的玻璃纤维的缺点缺
21、点缺点缺点是具有是具有不耐磨、脆性、容易受机械损不耐磨、脆性、容易受机械损不耐磨、脆性、容易受机械损不耐磨、脆性、容易受机械损伤伤伤伤，对人的皮肤有刺激性等，对人的皮肤有刺激性等。35第35页，共68页，编辑于2022年，星期三a：外观和比重外观和比重一般一般天然或人造的有机纤维天然或人造的有机纤维天然或人造的有机纤维天然或人造的有机纤维，其表面都有较深的，其表面都有较深的皱纹皱纹皱纹皱纹；而对于而对于玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维来说，其来说，其表面表面呈呈光滑的圆柱光滑的圆柱光滑的圆柱光滑的圆柱，其，其横断面横断面几乎几乎都是都是完整的圆形完整的圆形完整的圆形完整的圆形。2.2 纤维36
22、第36页，共68页，编辑于2022年，星期三玻璃纤维直径玻璃纤维直径玻璃纤维直径玻璃纤维直径从从1.51.525 um25 um，大多数为大多数为4 414 14 umum。玻璃纤维的密度玻璃纤维的密度玻璃纤维的密度玻璃纤维的密度为为2.162.164.30 4.30 g gcmcm3 3，其比重较有机纤维大很多，其比重较有机纤维大很多，但比一般的金属比重要低，与铝相比几乎一样。所以在航空工业上用但比一般的金属比重要低，与铝相比几乎一样。所以在航空工业上用复复复复合材料合材料合材料合材料代替代替铝钛合金铝钛合金铝钛合金铝钛合金就成为可能。就成为可能。此外，一般情况下，此外，一般情况下，无碱玻璃
23、纤维的比重无碱玻璃纤维的比重无碱玻璃纤维的比重无碱玻璃纤维的比重大于大于有碱纤维有碱纤维有碱纤维有碱纤维。2.2 纤维37第37页，共68页，编辑于2022年，星期三b:表面积大表面积大由于玻璃纤维的由于玻璃纤维的表面积大表面积大，使得纤维，使得纤维表面处理的效果表面处理的效果对对性能的影响性能的影响很大。很大。2.2 纤维38第38页，共68页，编辑于2022年，星期三c:玻璃纤维的力学性能玻璃纤维的力学性能玻璃纤维的最大特点是拉伸强度高拉伸强度高。一般玻璃制品玻璃制品的拉伸强度只有40 100 MPa，而直径3 9 um的玻璃纤维玻璃纤维拉伸强度则高达1500 4000 MPa，较一般合成
24、纤维高约10倍，比合金钢还高2倍。2.2 纤维几种纤维材料和金属材料的强度几种纤维材料和金属材料的强度39第39页，共68页，编辑于2022年，星期三 d：玻璃纤维的耐磨性与耐折性：玻璃纤维的耐磨性与耐折性玻璃纤维的玻璃纤维的耐磨性耐磨性耐磨性耐磨性是指纤维是指纤维抵抗抵抗磨擦磨擦磨擦磨擦的能力的能力；玻璃纤维的玻璃纤维的耐折性耐折性是指纤维是指纤维抵抗抵抗折断折断折断折断的能力的能力。玻璃纤维这玻璃纤维这两个性能都很差两个性能都很差两个性能都很差两个性能都很差，经过揉搓摩擦容易受伤或，经过揉搓摩擦容易受伤或断裂，这是玻纤的严重缺点。断裂，这是玻纤的严重缺点。2.2 纤维40第40页，共68页
25、，编辑于2022年，星期三e：玻璃纤维的热性能：玻璃纤维的热性能导热系数导热系数导热系数导热系数是指通过是指通过单位传热面积单位传热面积1m2，温度梯度温度梯度为为1度度/m，时间时间为为1小时小时所通过的热量所通过的热量。玻璃玻璃玻璃玻璃的的导热系数导热系数为为0.6 1.10.6 1.1千卡千卡/米米度度时，但拉制成时，但拉制成玻璃玻璃玻璃玻璃纤维纤维纤维纤维后，其导热系数只有后，其导热系数只有0.030.03千卡米千卡米度度时。时。2.2 纤维41第41页，共68页，编辑于2022年，星期三温度的变化温度的变化温度的变化温度的变化对玻璃纤维的对玻璃纤维的导热系数影响不大导热系数影响不大导
26、热系数影响不大导热系数影响不大。例如，当玻璃纤维的使用温度升高到例如，当玻璃纤维的使用温度升高到200300 ，其其导热系数只升高导热系数只升高10。因此，因此，玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维是一种是一种优良的绝热材料优良的绝热材料。当。当玻璃纤维玻璃纤维受潮受潮时，时，导热系数增大导热系数增大，隔热性能降低隔热性能降低。42第42页，共68页，编辑于2022年，星期三：玻璃纤维的耐热性：玻璃纤维的耐热性玻璃纤维玻璃纤维耐热性较高耐热性较高耐热性较高耐热性较高，软化点为，软化点为550 580，其，其热膨胀系数热膨胀系数为为4.8 106/。玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维是一种是一种无机纤
27、维无机纤维无机纤维无机纤维，不会引起燃烧。将玻璃，不会引起燃烧。将玻璃纤维加温，直到纤维加温，直到某一强度界限某一强度界限以前，强度基本不变。以前，强度基本不变。2.2 纤维43第43页，共68页，编辑于2022年，星期三：玻璃纤维的电性能：玻璃纤维的电性能玻璃纤维的玻璃纤维的导电性导电性导电性导电性主要取决于主要取决于化学组成化学组成化学组成化学组成、温度温度温度温度和和湿度湿度湿度湿度。l无碱无碱无碱无碱纤维的纤维的电绝缘性能电绝缘性能比比有碱有碱纤维优越得多。纤维优越得多。l玻璃纤维的玻璃纤维的电阻率电阻率随着随着温度的升高温度的升高而而下降下降下降下降。l湿度湿度湿度湿度增加，增加，电
28、阻率电阻率电阻率电阻率下降。下降。2.2 纤维44第44页，共68页，编辑于2022年，星期三：玻璃纤维的化学性能：玻璃纤维的化学性能玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维除对除对氢氟酸氢氟酸、浓碱浓碱浓碱浓碱、浓磷酸浓磷酸外，对外，对所有所有化学药品化学药品和和有机溶剂有机溶剂都有都有良好的化学稳定性良好的化学稳定性。化学稳定性化学稳定性化学稳定性化学稳定性在在很大程度上很大程度上决定了决定了不同纤维的使用不同纤维的使用不同纤维的使用不同纤维的使用范围范围范围范围。2.2 纤维45第45页，共68页，编辑于2022年，星期三（2）碳纤维碳纤维定义：由有机纤维如粘胶纤维（人造丝、再生纤维素）、聚丙烯
29、腈纤维或沥青纤维在保护气氛（N2或Ar）下热处理碳化成为含碳量9099%的纤维。2.2 纤维46第46页，共68页，编辑于2022年，星期三碳纤维的发展碳纤维的发展50年代年代 60年代年代80年代年代现在现在发展过程发展过程发展过程发展过程碳纤维18世纪世纪中期中期 47第47页，共68页，编辑于2022年，星期三18世纪中期世纪中期v1879年爱迪生用天然竹子和纤维素制成了最初年爱迪生用天然竹子和纤维素制成了最初的商业化碳纤维，并将它用作电灯丝。的商业化碳纤维，并将它用作电灯丝。48第48页，共68页，编辑于2022年，星期三五十年代五十年代v19501950年由美国空军首先研制成功人造丝
30、基碳纤维，年由美国空军首先研制成功人造丝基碳纤维，19591959年年由由美国联合碳化物公司美国联合碳化物公司（UCCUCC）实现了工业化。）实现了工业化。49第49页，共68页，编辑于2022年，星期三六十年代六十年代v19611961年日本进藤昭男发明聚丙烯腈（年日本进藤昭男发明聚丙烯腈（PANPAN）基碳纤维。）基碳纤维。v19641964年英国瓦特（年英国瓦特（Watt W.Watt W.）在预氧化过程中对纤维施加张力，）在预氧化过程中对纤维施加张力，开发了高性能碳纤维的生产技术。开发了高性能碳纤维的生产技术。v19691969年英国考陶尔（年英国考陶尔（CourtaulasCourt
31、aulas）、日本东丽等公司实现了）、日本东丽等公司实现了工业化生产。工业化生产。50第50页，共68页，编辑于2022年，星期三八十年代八十年代v世界碳纤维需求量自世界碳纤维需求量自7070年代末至年代末至8080年代末为高速增长期，平均每年年代末为高速增长期，平均每年增长增长30%30%以上，主要用于航天、航空及军用。以上，主要用于航天、航空及军用。51第51页，共68页，编辑于2022年，星期三现在现在v日本和美国是主要生产国，日本的生产能力和产日本和美国是主要生产国，日本的生产能力和产量占世界总产量的量占世界总产量的60%，美国，美国30%。而美国。而美国又是世界上最大的又是世界上最大
32、的PAN基碳纤维消费国，约占基碳纤维消费国，约占世界总消费量的世界总消费量的1/3，其次是日本和欧洲。，其次是日本和欧洲。v四大碳纤维公司：东邦（日本）、东丽（日本）、四大碳纤维公司：东邦（日本）、东丽（日本）、三菱（日本）和卓尔泰克（三菱（日本）和卓尔泰克（Zoltek美国）。美国）。52第52页，共68页，编辑于2022年，星期三碳纤维的分类碳纤维的分类碳纤维碳纤维按先驱体纤维原料类型分按先驱体纤维原料类型分沥青基碳纤维沥青基碳纤维粘胶基碳纤维粘胶基碳纤维气相生长碳纤维气相生长碳纤维碳纤维碳纤维石墨纤维石墨纤维氧化纤维氧化纤维聚丙烯腈基碳纤维聚丙烯腈基碳纤维制造方法不同制造方法不同活性纤维
33、活性纤维气相生长碳纤维气相生长碳纤维日本最近发明，把铁或其它金属的超微粒子象播种一日本最近发明，把铁或其它金属的超微粒子象播种一样撒在陶瓷基板上样撒在陶瓷基板上,放入电炉里放入电炉里,再向电炉吹进苯的碳再向电炉吹进苯的碳化氢气体化氢气体,加热到加热到1000100020002000。则气体中的碳以金属。则气体中的碳以金属粒子为核心生成细长的碳纤维粒子为核心生成细长的碳纤维,称为称为“气相生成碳纤维气相生成碳纤维”。只须一次加热，较之经多次热处理。只须一次加热，较之经多次热处理PANPAN基基CFCF，成本，成本将大大降低。将大大降低。活性炭纤维是采用天然或人造纤活性炭纤维是采用天然或人造纤维经
34、高温、催化等特殊工艺制作维经高温、催化等特殊工艺制作而成的超越于颗粒活性炭的高效而成的超越于颗粒活性炭的高效吸附材料，含有高度发达的微孔吸附材料，含有高度发达的微孔结构。结构。53第53页，共68页，编辑于2022年，星期三按纤维力学性能分按纤维力学性能分按应用领域分按应用领域分商品级碳纤维商品级碳纤维宇航级碳纤维宇航级碳纤维通用级碳纤维通用级碳纤维高性能碳纤维高性能碳纤维碳纤维碳纤维碳纤维的分类碳纤维的分类高性能碳纤维（高性能碳纤维（HPHP）包括：中强型、高强型、超高强型、中包括：中强型、高强型、超高强型、中模型、高模型、超高模型。模型、高模型、超高模型。54第54页，共68页，编辑于20
35、22年，星期三碳纤维用途碳纤维用途55第55页，共68页，编辑于2022年，星期三碳纤维用途碳纤维用途56第56页，共68页，编辑于2022年，星期三飞鸽碳纤维跑车飞鸽碳纤维跑车 碳纤维隔热隔音防火瓦碳纤维隔热隔音防火瓦红双喜碳纤维羽毛球拍红双喜碳纤维羽毛球拍 碳纤维电热管碳纤维电热管碳纤维用途碳纤维用途57第57页，共68页，编辑于2022年，星期三碳纤维用途碳纤维用途58第58页，共68页，编辑于2022年，星期三碳纤维用途碳纤维用途59第59页，共68页，编辑于2022年，星期三概述：概述：碳纤维不能由碳元素按一般合成纤维的生产方法制造。而是以含碳纤维不能由碳元素按一般合成纤维的生产方法
36、制造。而是以含碳量高的有机纤维作为先驱纤维，在碳量高的有机纤维作为先驱纤维，在N N2 2、ArAr气氛保护和施加张力牵气氛保护和施加张力牵伸下，通过加热（碳化）去除大部分非碳元素，得到碳的石墨晶伸下，通过加热（碳化）去除大部分非碳元素，得到碳的石墨晶体结构为主体的纤维材料。体结构为主体的纤维材料。碳纤维制法碳纤维制法60第60页，共68页，编辑于2022年，星期三PANPANCFCF的制造生产工艺流程：的制造生产工艺流程：碳纤维制法碳纤维制法20003000300150061第61页，共68页，编辑于2022年，星期三上浆与表面处理上浆与表面处理碳纤维表面活性低，必须进行表面处理（氧化、上浆
37、）以提高碳纤维表面活性低，必须进行表面处理（氧化、上浆）以提高纤维表面活性，从而提高复合材料性能。纤维表面活性，从而提高复合材料性能。上浆是制备碳纤维的最后一道工序，其功能是保护碳纤维，上浆是制备碳纤维的最后一道工序，其功能是保护碳纤维，防止损伤与起毛，作为碳纤维与树脂的偶联剂。防止损伤与起毛，作为碳纤维与树脂的偶联剂。碳纤维制法碳纤维制法62第62页，共68页，编辑于2022年，星期三1 1）力学性能）力学性能较高的比强度、很高的比模量。较高的比强度、很高的比模量。I I型碳纤维（经型碳纤维（经25002500高温处理高模量碳纤维或石墨纤维）：模高温处理高模量碳纤维或石墨纤维）：模量最高，强
38、度较低，断裂伸长率最小，密度最大。量最高，强度较低，断裂伸长率最小，密度最大。IIII型碳纤维（在型碳纤维（在1300130017001700内处理高强度碳纤维）：模量内处理高强度碳纤维）：模量介中，强度最高，断裂伸长率最大，密度最小。介中，强度最高，断裂伸长率最大，密度最小。与玻璃纤维相比：前者模量高，后者强度高与玻璃纤维相比：前者模量高，后者强度高碳纤维的脆性很大，冲击性能差。碳纤维的脆性很大，冲击性能差。碳纤维性能碳纤维性能63第63页，共68页，编辑于2022年，星期三2 2）物理性能）物理性能（1 1）热性能）热性能耐高低温性能好：隔绝空气下，耐高低温性能好：隔绝空气下，200020
39、00仍有强度，液氮下也不脆仍有强度，液氮下也不脆断断导热性能好：随温度升高有减少的趋势。导热性能好：随温度升高有减少的趋势。尺寸稳定性好，耐疲劳性能好。尺寸稳定性好，耐疲劳性能好。（2 2）与树脂粘结性能差）与树脂粘结性能差碳纤维的表面活性低，碳纤维的表面活性低，与基体材料的粘结力比与基体材料的粘结力比GFGF差。差。碳纤维复合材料的碳纤维复合材料的层间剪切强度较低层间剪切强度较低。碳纤维性能碳纤维性能64第64页，共68页，编辑于2022年，星期三3 3）化学性能）化学性能（1 1）氧化性）氧化性空气中，空气中，200200290290开始氧化，开始氧化，400400明显氧化，氧化物以明显氧
40、化，氧化物以COCO、COCO2 2的形式散失。的形式散失。CFCF空气下的耐热性比空气下的耐热性比GFGF差。差。（2 2）耐腐蚀性）耐腐蚀性除了能被强氧化剂（浓硝酸、次氯酸、重铬酸盐）氧化外，一般的除了能被强氧化剂（浓硝酸、次氯酸、重铬酸盐）氧化外，一般的酸碱对它的作用很小，酸碱对它的作用很小，比比GFGF具有更好的耐腐蚀性。具有更好的耐腐蚀性。不像不像GFGF在湿空气中会发生水解反应，在湿空气中会发生水解反应，耐水性比耐水性比GFGF好。好。还具有耐油、抗辐射等特性。还具有耐油、抗辐射等特性。碳纤维性能碳纤维性能65第65页，共68页，编辑于2022年，星期三4 4）其他性能）其他性能:
41、导电性好，比电阻：导电性好，比电阻：755u.cm755u.cm。碳纤维性能碳纤维性能碳纤维与玻璃纤维性能比较 性能 玻璃纤维 碳纤维密度（g/cm3）2.52.6 1.75(高强)1.92.0（高模）模量（GPa）70 220250 390460强度（GPa）4.0（高强2#）2.5（3.53）1.42.1断裂伸长率（%）2.6 1.0 0.5电阻率（.cm）10111018 755*10-6导热系数（W/m.K）0.034 6.5 66第66页，共68页，编辑于2022年，星期三其他增强纤维其他增强纤维（）（）硼纤维（BF）成本高，直径大，质硬、不能编制导致成型性差，已被碳纤维取代。（）碳
42、化硅纤维用烷基硅烷，在钨丝或碳丝上气相沉积碳化硅67第67页，共68页，编辑于2022年，星期三（）陶瓷纤维（）陶瓷纤维（）陶瓷纤维（）陶瓷纤维 具有具有陶瓷化学成分的纤维陶瓷化学成分的纤维陶瓷化学成分的纤维陶瓷化学成分的纤维称为称为陶瓷纤维陶瓷纤维陶瓷纤维陶瓷纤维，如氧化锆、氧化铍、氧化镁、，如氧化锆、氧化铍、氧化镁、氧化钛和硼化钛等纤维。氧化钛和硼化钛等纤维。陶瓷纤维的特点陶瓷纤维的特点陶瓷纤维的特点陶瓷纤维的特点是可是可耐耐12601790的高温的高温（在惰性和氧化性气氛（在惰性和氧化性气氛中）、中）、耐磨耐腐蚀性耐磨耐腐蚀性耐磨耐腐蚀性耐磨耐腐蚀性好和好和良好的物理机械性能良好的物理机械性能良好的物理机械性能良好的物理机械性能，特别适合于，特别适合于陶瓷基复合陶瓷基复合材料材料。陶瓷纤维的缺点陶瓷纤维的缺点陶瓷纤维的缺点陶瓷纤维的缺点是是对裂纹等缺陷敏感，脆性大对裂纹等缺陷敏感，脆性大对裂纹等缺陷敏感，脆性大对裂纹等缺陷敏感，脆性大。其他增强纤维其他增强纤维68第68页，共68页，编辑于2022年，星期三