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1、复合材料增强体第一页，讲稿共一百一十七页哦22.2 复合材料的增强材料复合材料的增强材料在复合材料中，粘结在基体内以改进其机械性能在复合材料中，粘结在基体内以改进其机械性能的的高强度材料高强度材料称为称为增强材料增强材料增强材料增强材料。增强材料增强材料有时也称作有时也称作增强体增强体增强体增强体、增强剂增强剂增强剂增强剂等。等。第二页，讲稿共一百一十七页哦3增强材料共分为三类：增强材料共分为三类：纤维及其织物纤维及其织物晶须晶须颗粒颗粒第三页，讲稿共一百一十七页哦4一、纤维一、纤维 如，植物纤维棉花、麻类；如，植物纤维棉花、麻类；动物纤维丝、毛；动物纤维丝、毛；矿物纤维石棉。矿物纤维石棉。天
2、然纤维天然纤维 强度较低，强度较低，现代复合材料的增强材料现代复合材料的增强材料 用合成纤维。用合成纤维。第四页，讲稿共一百一十七页哦5纤维纤维在复合材料中起在复合材料中起增强作用增强作用增强作用增强作用，是主要，是主要承力组承力组承力组承力组分分分分。纤维纤维纤维纤维不仅能使材料显示出不仅能使材料显示出较高的抗张强度较高的抗张强度较高的抗张强度较高的抗张强度和和刚刚刚刚度度度度，而且能，而且能减少收缩减少收缩减少收缩减少收缩，提高，提高热变形温度热变形温度和和低温冲击低温冲击低温冲击低温冲击强度强度强度强度等。等。第五页，讲稿共一百一十七页哦6复合材料的性能复合材料的性能在很大程度上取决于在
3、很大程度上取决于纤维的性能纤维的性能、含量含量含量含量及及使用状态使用状态使用状态使用状态。如如聚苯乙烯塑料聚苯乙烯塑料聚苯乙烯塑料聚苯乙烯塑料，加入，加入玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维后，后，拉伸强度拉伸强度拉伸强度拉伸强度可从可从600 600 MPaMPa提高到提高到1000 1000 MPaMPa，弹性模量弹性模量弹性模量弹性模量可从可从3000 3000 MPaMPa提高到提高到8000 8000 MPaMPa，其，其热变形温度热变形温度可从可从8585提高到提高到105105 ，使，使-40 40 以下的以下的冲击强度冲击强度冲击强度冲击强度可提高可提高1010倍。倍。第六页，讲
4、稿共一百一十七页哦7 纤维纤维可分为可分为有机纤维有机纤维和和无机纤维无机纤维第七页，讲稿共一百一十七页哦8（一）（一）有机纤维有机纤维 芳纶芳纶纤维纤维 聚乙烯聚乙烯纤维纤维 尼龙尼龙纤维纤维第八页，讲稿共一百一十七页哦9、芳纶纤维、芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维是指日前巳工业化生产并广泛应用的是指日前巳工业化生产并广泛应用的聚芳酰胺纤维聚芳酰胺纤维聚芳酰胺纤维聚芳酰胺纤维。国外商品牌号叫国外商品牌号叫凯芙拉凯芙拉凯芙拉凯芙拉(Kevlar)纤维纤维，我国暂，我国暂命名为命名为芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维，有时也称，有时也称有机纤维有机纤维有机纤维有机纤维。第九页，讲稿共一百一
5、十七页哦10芳纶纤维的历史芳纶纤维的历史芳纶纤维的历史芳纶纤维的历史很短，发展很快。很短，发展很快。1968午美国午美国杜邦公司杜邦公司杜邦公司杜邦公司开始研制。开始研制。1972年以年以B B纤维为名纤维为名发表了专利并提供产品。发表了专利并提供产品。1972年又研制了以年又研制了以PRD-49PRD-49命名的纤维。命名的纤维。1973年正式登记的商品名称为年正式登记的商品名称为ARAMIDARAMID纤维。纤维。第十页，讲稿共一百一十七页哦11ARAMID纤维纤维包括三种牌号的产品，并重改包括三种牌号的产品，并重改名称。名称。PRD-49-IVPRD-49-IV改称为改称为芳纶芳纶-29
6、；PRD-49-IIIPRD-49-III改称为改称为芳纶芳纶芳纶芳纶-49-49；B纤维纤维纤维纤维改称为改称为芳纶芳纶芳纶芳纶。第十一页，讲稿共一百一十七页哦12芳纶、芳纶芳纶、芳纶芳纶、芳纶芳纶、芳纶-29-29、芳纶、芳纶、芳纶、芳纶-49-49这三种牌号纤维的用这三种牌号纤维的用途各不相同。途各不相同。芳纶芳纶芳纶芳纶主要用于主要用于橡胶增强橡胶增强，制造轮胎制造轮胎、三角皮带三角皮带、同步带同步带等；等；芳纶芳纶芳纶芳纶-29-29主要用于主要用于绳索绳索、电缆电缆、涂漆织物涂漆织物、带带和和带状物带状物，以及，以及防弹背心防弹背心等。等。芳纶芳纶芳纶芳纶-49-49用于用于航空航
7、空、宇航宇航、造船工业造船工业的复合材的复合材料制件。料制件。第十二页，讲稿共一百一十七页哦13自自1972年年芳纶纤维芳纶纤维作为商品出售以来，作为商品出售以来，产量逐产量逐年增加年增加。其原因是由于该其原因是由于该纤维具有独特的功能纤维具有独特的功能，使之广泛，使之广泛应用到应用到军工军工军工军工和和国民经济国民经济国民经济国民经济各个部门。各个部门。第十三页，讲稿共一百一十七页哦14(1)芳纶纤维的性能特点芳纶纤维的性能特点A、芳纶纤维的、芳纶纤维的力学性能力学性能；、芳纶纤维的芳纶纤维的热稳定性热稳定性；、芳纶纤维的、芳纶纤维的化学性能化学性能。第十四页，讲稿共一百一十七页哦15A、芳
8、纶纤维的力学性能、芳纶纤维的力学性能芳纶纤维的特点芳纶纤维的特点是是拉伸强度高拉伸强度高拉伸强度高拉伸强度高。单丝强度可达。单丝强度可达3773 MPa；254mm长的纤维束的拉伸强度为长的纤维束的拉伸强度为2744 MPa，大约为铝的，大约为铝的5倍。倍。芳纶纤维的芳纶纤维的冲击性能好冲击性能好冲击性能好冲击性能好，大约为石墨纤维的，大约为石墨纤维的6倍，为硼纤维的倍，为硼纤维的3倍，为玻璃纤维倍，为玻璃纤维0.8倍。倍。第十五页，讲稿共一百一十七页哦16芳纶纤维芳纶纤维的的弹性模量高弹性模量高弹性模量高弹性模量高，可达，可达1.27 1.577 MPa，比，比玻璃纤维玻璃纤维高一倍，为高一
9、倍，为碳纤维碳纤维0.8倍。倍。芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维的的断裂伸长断裂伸长断裂伸长断裂伸长在在3左右，接近左右，接近玻璃纤维玻璃纤维，高于其他纤维。高于其他纤维。第十六页，讲稿共一百一十七页哦17芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维与与碳纤维碳纤维碳纤维碳纤维混杂将能大大混杂将能大大提高提高提高提高纤维复合材料纤维复合材料的的冲击性能冲击性能冲击性能冲击性能。芳纶纤维芳纶纤维的的密度小密度小密度小密度小，比重为，比重为1.44 1.45，只有铝的，只有铝的一半。因此，它有高的一半。因此，它有高的比强度比强度比强度比强度与与比模量比模量。第十七页，讲稿共一百一十七页哦18下表为芳纶纤维的基
10、本性能下表为芳纶纤维的基本性能第十八页，讲稿共一百一十七页哦19、芳纶纤维的热稳定性芳纶纤维的热稳定性芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维有有良好的热稳定性良好的热稳定性良好的热稳定性良好的热稳定性，耐火而不熔耐火而不熔耐火而不熔耐火而不熔，当温度达当温度达487 时尚时尚不熔化不熔化不熔化不熔化，但开始，但开始碳化碳化碳化碳化。第十九页，讲稿共一百一十七页哦20因此，因此，芳纶纤维芳纶纤维在高温作用下，不发生变形，在高温作用下，不发生变形，直至分解。直至分解。如，能长期在如，能长期在180下使用；在下使用；在150下作用一周下作用一周后后强度强度、模量模量不会下降；即使在不会下降；即使在200下
11、，一周后下，一周后强度强度强度强度降低降低降低降低15，模量降低模量降低模量降低模量降低4；另外，在低温另外，在低温(-60)不发生不发生脆化脆化脆化脆化亦不亦不降解降解降解降解。第二十页，讲稿共一百一十七页哦21和碳纤维一样，芳纶纤维的和碳纤维一样，芳纶纤维的热膨胀系数热膨胀系数热膨胀系数热膨胀系数具有具有各向各向各向各向异性异性异性异性的特点。的特点。如，芳纶纤维的如，芳纶纤维的纵向热膨胀系数纵向热膨胀系数纵向热膨胀系数纵向热膨胀系数在在0 100时为时为-2 10-6/；在；在100 200时为时为-4 10 6/。横向横向横向横向热膨胀系数热膨胀系数热膨胀系数热膨胀系数为为59 10-
12、6/第二十一页，讲稿共一百一十七页哦22、芳纶纤维的化学性能、芳纶纤维的化学性能芳纶纤维芳纶纤维具有良好的具有良好的耐介质耐介质耐介质耐介质性能，对性能，对中性中性化学药品化学药品的的抵抗力抵抗力一般是很强的，但易受各种一般是很强的，但易受各种酸酸酸酸碱的侵蚀碱的侵蚀碱的侵蚀碱的侵蚀，尤其是，尤其是强酸的侵蚀强酸的侵蚀强酸的侵蚀强酸的侵蚀；第二十二页，讲稿共一百一十七页哦23芳纶纤维的芳纶纤维的耐水性耐水性也不好，这是由于在分子结也不好，这是由于在分子结构中存在着构中存在着极性酰氨基极性酰氨基极性酰氨基极性酰氨基；湿度湿度湿度湿度对纤维的影响，类似于对纤维的影响，类似于尼龙或聚酯尼龙或聚酯。在
13、。在低低低低湿度湿度湿度湿度(20相对湿度相对湿度)下芳纶纤维的吸湿率为下芳纶纤维的吸湿率为1，但在但在高湿度高湿度高湿度高湿度(85相对湿度相对湿度)下，可达到下，可达到7。第二十三页，讲稿共一百一十七页哦24（）（）芳纶纤维的结构芳纶纤维的结构芳纶纤维是芳纶纤维是对苯二甲酰对苯二甲酰与与对苯二胺对苯二胺的聚合体，经的聚合体，经溶解转为溶解转为液晶液晶纺丝而成。它的化学结构式如下：纺丝而成。它的化学结构式如下：第二十四页，讲稿共一百一十七页哦25 从上述化学结构可知，从上述化学结构可知，芳纶纤维芳纶纤维材料的材料的基体结基体结构构是长链状是长链状聚酰胺聚酰胺聚酰胺聚酰胺，即结构中含有，即结构
14、中含有酰氨键酰氨键酰氨键酰氨键，其中至少，其中至少85的酰氨直接键合在芳香环上的酰氨直接键合在芳香环上.第二十五页，讲稿共一百一十七页哦26键合在芳香环上键合在芳香环上刚硬的直线状分子键在刚硬的直线状分子键在纤维轴向纤维轴向纤维轴向纤维轴向是是高度定向高度定向的，各的，各聚合物链聚合物链是由是由氢键氢键氢键氢键作横向连结。作横向连结。这种在这种在沿纤维方向的强共价键沿纤维方向的强共价键沿纤维方向的强共价键沿纤维方向的强共价键和和横向弱的氢键横向弱的氢键横向弱的氢键横向弱的氢键，是造，是造成芳纶纤维成芳纶纤维力学性能各向异性力学性能各向异性力学性能各向异性力学性能各向异性的原因，即纤维的的原因，
15、即纤维的纵向强纵向强纵向强纵向强度高度高度高度高，而，而横向强度低横向强度低横向强度低横向强度低。第二十六页，讲稿共一百一十七页哦27芳纶纤维的芳纶纤维的化学链化学链主要由主要由芳环芳环芳环芳环组成。这种组成。这种芳环结芳环结构构具有具有高的刚性高的刚性高的刚性高的刚性，并使，并使聚合物链聚合物链呈呈伸展伸展伸展伸展状态而不是状态而不是折折折折叠叠叠叠状态，形成状态，形成棒状棒状结构，因而纤维具有结构，因而纤维具有高的模量高的模量高的模量高的模量。第二十七页，讲稿共一百一十七页哦28芳纶纤维芳纶纤维分子链分子链是是线性结构线性结构，这又使纤维能，这又使纤维能有有有有效地利用空间效地利用空间效地
16、利用空间效地利用空间而具有而具有高的填充效率高的填充效率高的填充效率高的填充效率的能力，在单位体积的能力，在单位体积内可容纳很多聚合物。这种高密度的聚合物具有内可容纳很多聚合物。这种高密度的聚合物具有较高的较高的较高的较高的强度强度强度强度。第二十八页，讲稿共一百一十七页哦29由于由于芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维具有具有规整的晶体结构规整的晶体结构规整的晶体结构规整的晶体结构，因此，它，因此，它具有具有化学稳定性化学稳定性化学稳定性化学稳定性、高温尺寸稳定性高温尺寸稳定性高温尺寸稳定性高温尺寸稳定性、不发生高温分不发生高温分解解以及在很高温度下以及在很高温度下不致热塑化不致热塑化不致热塑化
17、不致热塑化等特点。等特点。第二十九页，讲稿共一百一十七页哦30通过电镜对纤维观察表明，芳纶是一种通过电镜对纤维观察表明，芳纶是一种沿轴向排沿轴向排沿轴向排沿轴向排列列列列的有规则的的有规则的褶叠层结构褶叠层结构褶叠层结构褶叠层结构。这种这种褶叠层褶叠层结构的模型，可以很好地解释结构的模型，可以很好地解释横向横向强度低强度低、压缩和剪切性能差压缩和剪切性能差压缩和剪切性能差压缩和剪切性能差及及容易劈裂容易劈裂容易劈裂容易劈裂的现象。的现象。第三十页，讲稿共一百一十七页哦31(3)用用 途途目前，芳纶纤维的总产量目前，芳纶纤维的总产量43用于用于轮胎的帘子轮胎的帘子线线(芳纶芳纶-29)，31用于
18、用于复合材料复合材料，17.5用于用于绳绳绳绳索类索类索类索类和和防弹衣防弹衣，8.5用于用于其他其他其他其他。第三十一页，讲稿共一百一十七页哦32以以树脂树脂树脂树脂作为作为基体基体基体基体，芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维作为作为增强相增强相增强相增强相所形成的所形成的增强塑料增强塑料增强塑料增强塑料，简称，简称KFRP，它在，它在航空航天方面航空航天方面的应用，的应用，仅次于仅次于碳纤维碳纤维碳纤维碳纤维，成为必不可少的材料。，成为必不可少的材料。第三十二页，讲稿共一百一十七页哦33、聚乙烯纤维（、聚乙烯纤维（Polyethylene,PE）聚乙烯纤维作为目前聚乙烯纤维作为目前国际上最新
19、的国际上最新的国际上最新的国际上最新的一种有机纤维，一种有机纤维，它具有以下四个特点：它具有以下四个特点：超轻超轻超轻超轻、高比强度高比强度、高比模量高比模量高比模量高比模量、成本较低成本较低。第三十三页，讲稿共一百一十七页哦34通常情况下，通常情况下，聚乙烯纤维聚乙烯纤维聚乙烯纤维聚乙烯纤维的的分子量分子量大于大于106，纤，纤维的维的拉伸强度拉伸强度为为3.5 GPa，弹性模量弹性模量为为116 GPa，延伸延伸延伸延伸率率率率为为3.4%，密度密度密度密度为为0.97 g/cm 3。可用于制做。可用于制做武器装武器装甲甲、防弹背心防弹背心、航天航空部件航天航空部件等。等。第三十四页，讲稿
20、共一百一十七页哦35相比于其它各种纤维材料，相比于其它各种纤维材料，聚乙烯纤维聚乙烯纤维具有许多具有许多种种优点优点优点优点。如：高如：高比强度比强度比强度比强度、高、高比模量比模量比模量比模量以及以及耐冲击耐冲击耐冲击耐冲击、耐磨耐磨耐磨耐磨、自自润滑润滑、耐腐蚀耐腐蚀耐腐蚀耐腐蚀、耐紫外线耐紫外线耐紫外线耐紫外线、耐低温耐低温耐低温耐低温、电绝缘电绝缘电绝缘电绝缘等。等。第三十五页，讲稿共一百一十七页哦36聚乙烯纤维聚乙烯纤维的不足之处：的不足之处：(1)熔点较低熔点较低（约（约135）(2)高温容易蠕变高温容易蠕变。因此仅能在因此仅能在100以下使用。以下使用。第三十六页，讲稿共一百一十
21、七页哦37（二）（二）无机纤维无机纤维1、玻璃玻璃纤维纤维 2、碳碳纤维纤维 3、氧化铝氧化铝纤维纤维 4、碳化硅碳化硅纤维纤维5、氮化硼氮化硼纤维纤维 6、其他其他纤维纤维第三十七页，讲稿共一百一十七页哦38、玻璃纤维（、玻璃纤维（Glass Fibre,GF或或Gt）1.1 玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维及其及其制品制品制品制品；1.2 玻璃纤维的玻璃纤维的结构结构结构结构及及化学组成化学组成化学组成化学组成；1.3 玻璃纤维的玻璃纤维的物理性能物理性能物理性能物理性能；1.4 玻璃纤维的玻璃纤维的化学性能化学性能化学性能化学性能。第三十八页，讲稿共一百一十七页哦391.1 玻璃纤维及其
22、制品玻璃纤维及其制品 概概 述述随着随着玻璃钢玻璃钢玻璃钢玻璃钢工业的发展，工业的发展，玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维工业也得工业也得到迅速发展。到迅速发展。国外国外国外国外玻璃纤维的主要特点如下：玻璃纤维的主要特点如下：第三十九页，讲稿共一百一十七页哦40、普遍采用、普遍采用池窑拉丝池窑拉丝池窑拉丝池窑拉丝新技术；新技术；、大力发展、大力发展多排多孔拉丝多排多孔拉丝多排多孔拉丝多排多孔拉丝工艺；工艺；、用于玻璃钢的、用于玻璃钢的纤维直径纤维直径纤维直径纤维直径逐渐逐渐向粗的方向向粗的方向发展，发展，纤维直径为纤维直径为14-24um，甚至达，甚至达27um；、大量生产、大量生产无碱纤维无碱
23、纤维无碱纤维无碱纤维；第四十页，讲稿共一百一十七页哦41、大力发展、大力发展无纺织无纺织无纺织无纺织玻璃纤维织物玻璃纤维织物，无捻粗纱无捻粗纱和和短短短短切纤维毡片切纤维毡片切纤维毡片切纤维毡片所占比例增加；所占比例增加；、重视纤维、重视纤维-树脂树脂界面界面界面界面的研究，的研究，偶联剂的品种偶联剂的品种偶联剂的品种偶联剂的品种不不断增加，玻璃纤维的断增加，玻璃纤维的前处理前处理受到普遍重视。受到普遍重视。第四十一页，讲稿共一百一十七页哦42我国我国玻璃纤维工业玻璃纤维工业玻璃纤维工业玻璃纤维工业诞生于诞生于1950年，当时只能生产年，当时只能生产绝缘材料用绝缘材料用的的初级纤维初级纤维初级
24、纤维初级纤维。1958年以后，年以后，玻璃纤维工业玻璃纤维工业得到迅速发展。现在得到迅速发展。现在全国有大、小全国有大、小玻璃纤维厂家玻璃纤维厂家200多个，玻璃纤维多个，玻璃纤维年产量年产量为为5万吨，其中万吨，其中无碱纤维无碱纤维占占20，中碱纤维中碱纤维占占80，纤维直径纤维直径多数为多数为6-8um，正向粗纤维方向发展。，正向粗纤维方向发展。第四十二页，讲稿共一百一十七页哦43池窑拉丝工艺池窑拉丝工艺池窑拉丝工艺池窑拉丝工艺正在推广，重视正在推广，重视纤维纤维纤维纤维-树脂界面树脂界面树脂界面树脂界面的的研究，研究，新型偶联剂新型偶联剂新型偶联剂新型偶联剂不断出现，许多玻璃纤维厂使用不
25、断出现，许多玻璃纤维厂使用前前前前处理工艺处理工艺处理工艺处理工艺，玻璃纤维工业的不断发展玻璃纤维工业的不断发展促进了我国复合促进了我国复合材料及尖端科学技术的发展。材料及尖端科学技术的发展。第四十三页，讲稿共一百一十七页哦44玻璃纤维的分类玻璃纤维的分类玻璃纤维的分类方法很多。通常从玻璃玻璃纤维的分类方法很多。通常从玻璃原料成分原料成分、单丝直径单丝直径、纤维外观纤维外观及及纤维特性纤维特性等方面进行分类。等方面进行分类。第四十四页，讲稿共一百一十七页哦451以玻璃原料成分分类以玻璃原料成分分类这种分类方法主要用于这种分类方法主要用于连续玻璃纤维连续玻璃纤维连续玻璃纤维连续玻璃纤维的分类。一
26、般以的分类。一般以不同的不同的含碱量含碱量来区分：来区分：(1)无碱无碱无碱无碱玻璃纤维玻璃纤维(2)中碱中碱中碱中碱玻璃纤维玻璃纤维 (3)有碱有碱玻璃纤维玻璃纤维(4)特种特种特种特种玻璃纤维玻璃纤维第四十五页，讲稿共一百一十七页哦46(1)无碱玻璃纤维无碱玻璃纤维(通称通称E玻纤玻纤)：是以是以钙铝硼硅酸盐钙铝硼硅酸盐钙铝硼硅酸盐钙铝硼硅酸盐组成的玻璃纤维，这种纤维组成的玻璃纤维，这种纤维强强强强度较高度较高度较高度较高，耐热性耐热性耐热性耐热性和和电性能电性能电性能电性能优良，能优良，能抗大气侵蚀抗大气侵蚀抗大气侵蚀抗大气侵蚀，化学稳化学稳化学稳化学稳定性定性定性定性也好也好(但但不耐
27、酸不耐酸不耐酸不耐酸)。第四十六页，讲稿共一百一十七页哦47无碱玻璃纤维无碱玻璃纤维无碱玻璃纤维无碱玻璃纤维最大的特点是最大的特点是电性能好电性能好电性能好电性能好，因此也，因此也把它称做把它称做电气玻璃电气玻璃电气玻璃电气玻璃。现在，国内外大多数都使用这种现在，国内外大多数都使用这种破璃纤维破璃纤维破璃纤维破璃纤维作为复作为复合材料的合材料的原材料原材料。目前，国内规定其目前，国内规定其碱金属氧化物含量碱金属氧化物含量碱金属氧化物含量碱金属氧化物含量不大于不大于0.5，国外一般为国外一般为1左右。左右。第四十七页，讲稿共一百一十七页哦48(2)中碱玻璃纤维中碱玻璃纤维它是指碱金属氧化物含量在
28、它是指碱金属氧化物含量在11.5 12.5之间的玻璃纤维。之间的玻璃纤维。国外没有这种玻璃纤维，它的主要特点是国外没有这种玻璃纤维，它的主要特点是耐酸耐酸耐酸耐酸性性性性好，但好，但强度强度强度强度不如不如E玻璃纤维高。它主要用于玻璃纤维高。它主要用于耐腐耐腐耐腐耐腐蚀领域蚀领域蚀领域蚀领域中，中，价格较便宜价格较便宜。第四十八页，讲稿共一百一十七页哦49(3)有碱玻璃有碱玻璃(A玻璃玻璃)纤维纤维有碱玻璃有碱玻璃称称A A玻璃玻璃玻璃玻璃，类似于窗玻璃及玻璃瓶的，类似于窗玻璃及玻璃瓶的钠钠钙玻璃钙玻璃。此种玻璃由于此种玻璃由于含碱量高含碱量高含碱量高含碱量高，强度低强度低强度低强度低，对，对
29、潮气潮气侵蚀极侵蚀极为为敏感敏感，因而很少作为增强材料。，因而很少作为增强材料。第四十九页，讲稿共一百一十七页哦50(4)特种玻璃纤维特种玻璃纤维如由纯如由纯镁铝硅镁铝硅镁铝硅镁铝硅三元组成的三元组成的高强玻璃纤维高强玻璃纤维高强玻璃纤维高强玻璃纤维，镁铝硅镁铝硅系系高强高弹玻璃纤维高强高弹玻璃纤维，硅铝钙镁系硅铝钙镁系硅铝钙镁系硅铝钙镁系耐化学介质腐蚀耐化学介质腐蚀耐化学介质腐蚀耐化学介质腐蚀玻玻璃纤维，含璃纤维，含铅铅纤维，纤维，高硅氧高硅氧纤维，纤维，石英石英石英石英纤维等。纤维等。第五十页，讲稿共一百一十七页哦51 2以单丝直径分类以单丝直径分类玻璃纤维玻璃纤维单丝单丝呈呈圆柱形圆柱形
30、圆柱形圆柱形，以其，以其直径的不同直径的不同直径的不同直径的不同可以分为以可以分为以下几种：下几种：粗粗纤维：纤维：30 um；初级初级初级初级纤维：纤维：20 um;中级中级纤维：纤维：10 20 um；高级高级高级高级纤维：纤维：3 10um(亦称亦称纺织纺织纺织纺织纤维纤维)。对于对于单丝直径单丝直径小于小于4 um的玻璃纤维称为的玻璃纤维称为超细纤维超细纤维。第五十一页，讲稿共一百一十七页哦52单丝直径单丝直径单丝直径单丝直径不同，不仅使纤维的不同，不仅使纤维的性能性能性能性能有差异，而有差异，而且影响到纤维的且影响到纤维的生产工艺生产工艺生产工艺生产工艺、产量产量产量产量和和成本成本
31、成本成本。一般一般5 10 um的纤维作为的纤维作为纺织制品纺织制品纺织制品纺织制品使用，使用，10 14 um的纤维一般做的纤维一般做无捻粗纱无捻粗纱无捻粗纱无捻粗纱、无纺布无纺布无纺布无纺布、短切纤维毡短切纤维毡等较为适宜。等较为适宜。第五十二页，讲稿共一百一十七页哦533以纤维外观分类以纤维外观分类 有有连续纤维连续纤维连续纤维连续纤维，其中有，其中有无捻粗纱无捻粗纱无捻粗纱无捻粗纱及有及有捻粗纱捻粗纱捻粗纱捻粗纱(用用于纺织于纺织)、短切纤维短切纤维短切纤维短切纤维、空心玻璃纤维空心玻璃纤维空心玻璃纤维空心玻璃纤维、玻璃粉玻璃粉玻璃粉玻璃粉及及磨磨细纤维细纤维等。等。第五十三页，讲稿共
32、一百一十七页哦544以纤维特性分类以纤维特性分类根据根据纤维本身纤维本身纤维本身纤维本身具有具有的的的的性能性能性能性能可分为：可分为：高强高强高强高强玻璃纤维、玻璃纤维、高模量高模量高模量高模量玻璃纤维、玻璃纤维、耐碱耐碱耐碱耐碱玻璃纤维、玻璃纤维、耐酸耐酸耐酸耐酸玻璃纤维、玻璃纤维、普普通通玻璃纤维玻璃纤维(指指无碱无碱及及中碱中碱中碱中碱玻璃纤维玻璃纤维)。第五十四页，讲稿共一百一十七页哦551.2 玻璃纤维的结构及化学组成玻璃纤维的结构及化学组成玻璃纤维的结构玻璃纤维的结构玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维的的拉伸强度拉伸强度比比块状玻璃块状玻璃块状玻璃块状玻璃高许多倍，但经研高许多倍，
33、但经研究证明，究证明，玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维的的结构结构结构结构与与玻璃玻璃玻璃玻璃相同。相同。关于玻璃结构的假说到目前为止，比较能够反映实际关于玻璃结构的假说到目前为止，比较能够反映实际情况的是情况的是“微晶结构假说微晶结构假说”和和“网络结构假说网络结构假说网络结构假说网络结构假说”。第五十五页，讲稿共一百一十七页哦56微晶结构假说的要点微晶结构假说的要点玻璃是由玻璃是由硅酸块硅酸块或或二氧化硅二氧化硅的的“微晶子微晶子”组成，在组成，在“微晶子微晶子”之间由之间由硅酸块过冷溶液硅酸块过冷溶液所填充。所填充。第五十六页，讲稿共一百一十七页哦57网络结构假说的要点网络结构假说的要点
34、玻璃是由玻璃是由二氧化硅的四面体二氧化硅的四面体二氧化硅的四面体二氧化硅的四面体、铝氧三面体铝氧三面体铝氧三面体铝氧三面体或或硼氧三硼氧三硼氧三硼氧三面体面体面体面体相互连成不规则相互连成不规则三维网络三维网络；网络间的；网络间的空隙空隙空隙空隙由由Na、K、Ca、Mg等等阳离子所填充阳离子所填充阳离子所填充阳离子所填充。二氧化硅四面体的二氧化硅四面体的三维网状结构三维网状结构三维网状结构三维网状结构是决定是决定玻璃性能玻璃性能玻璃性能玻璃性能的基础，填充的的基础，填充的Na、Ca等阳离子称为等阳离子称为网络改性物网络改性物网络改性物网络改性物。第五十七页，讲稿共一百一十七页哦58大量资料证明
35、，大量资料证明，玻璃结构玻璃结构玻璃结构玻璃结构是是近似有序近似有序近似有序近似有序的。主要是的。主要是因为在因为在玻璃结构中玻璃结构中存在存在一定数量和大小一定数量和大小比较比较有规则排有规则排有规则排有规则排列的区域列的区域列的区域列的区域，这种规则性是由，这种规则性是由一定数目的多面体一定数目的多面体遵循遵循类似类似晶体结构的规则排列晶体结构的规则排列晶体结构的规则排列晶体结构的规则排列造成的。造成的。第五十八页，讲稿共一百一十七页哦59但是，但是，玻璃结构玻璃结构玻璃结构玻璃结构的这种的这种有序区域有序区域有序区域有序区域不像晶体结构那不像晶体结构那样有严格的周期性，样有严格的周期性，
36、微观上是不均匀微观上是不均匀的，的，宏观上却又宏观上却又是均匀的是均匀的，反映到玻璃的，反映到玻璃的性能性能上是上是各向同性的各向同性的。第五十九页，讲稿共一百一十七页哦60 玻璃纤维的化学组成玻璃纤维的化学组成玻璃纤维的玻璃纤维的化学组成化学组成化学组成化学组成主要是主要是二氧化硅二氧化硅二氧化硅二氧化硅、三氧化二三氧化二三氧化二三氧化二硼硼硼硼、氧化钙氧化钙、三氧化二铝三氧化二铝三氧化二铝三氧化二铝等。等。玻璃纤维的玻璃纤维的化学组成化学组成化学组成化学组成对玻璃纤维的对玻璃纤维的性质和生产性质和生产工艺工艺起决定性作用，以起决定性作用，以二氧化硅二氧化硅二氧化硅二氧化硅为主的称为为主的称
37、为硅酸盐硅酸盐硅酸盐硅酸盐破璃破璃破璃破璃，以，以三氧化二硼三氧化二硼三氧化二硼三氧化二硼为主的称为为主的称为硼酸盐玻璃硼酸盐玻璃硼酸盐玻璃硼酸盐玻璃。第六十页，讲稿共一百一十七页哦61氧化钠氧化钠、氧化钾氧化钾氧化钾氧化钾等碱性氧化物为等碱性氧化物为助熔氧化物助熔氧化物助熔氧化物助熔氧化物，它可，它可以降低玻璃的以降低玻璃的熔化温度熔化温度熔化温度熔化温度和和粘度粘度粘度粘度，使玻璃熔液中的气泡容，使玻璃熔液中的气泡容易排除。易排除。助熔氧化物助熔氧化物助熔氧化物助熔氧化物主要通过主要通过破坏玻璃骨架破坏玻璃骨架破坏玻璃骨架破坏玻璃骨架，使，使结构疏松结构疏松结构疏松结构疏松，从而达到助熔的
38、目的。从而达到助熔的目的。因此因此氧化钠和氢化钾的含量越高氧化钠和氢化钾的含量越高，玻璃纤维的，玻璃纤维的强强强强度度度度、电绝缘性能电绝缘性能和和化学稳定性化学稳定性都会相应的降低。都会相应的降低。第六十一页，讲稿共一百一十七页哦62加入加入氧化钙氧化钙氧化钙氧化钙、三氧化二铝三氧化二铝三氧化二铝三氧化二铝等，能在一定条件下等，能在一定条件下构成玻璃网络的一部分构成玻璃网络的一部分构成玻璃网络的一部分构成玻璃网络的一部分，改善玻璃的某些性质和工艺，改善玻璃的某些性质和工艺性能。性能。例如，用例如，用氧化钙氧化钙氧化钙氧化钙取代取代二氧化硅二氧化硅二氧化硅二氧化硅可可降低拉丝温度降低拉丝温度；
39、加入三加入三氧化二铝氧化二铝氧化二铝氧化二铝可可提高耐水性。提高耐水性。第六十二页，讲稿共一百一十七页哦63总之，玻璃纤维总之，玻璃纤维化学成分的制定，化学成分的制定，一方面要一方面要满满足玻璃纤维物理和化学性能的要求足玻璃纤维物理和化学性能的要求，具有良好的，具有良好的化化学稳定性学稳定性；另一方面要；另一方面要满足制造工艺的要求满足制造工艺的要求满足制造工艺的要求满足制造工艺的要求，如合适，如合适的的成型温度成型温度成型温度成型温度、硬化速度硬化速度硬化速度硬化速度及及粘度范围粘度范围粘度范围粘度范围。第六十三页，讲稿共一百一十七页哦641.3 玻璃纤维的化学性能玻璃纤维的化学性能玻璃纤维
40、玻璃纤维除对除对氢氟酸氢氟酸氢氟酸氢氟酸、浓碱浓碱浓碱浓碱、浓磷酸浓磷酸浓磷酸浓磷酸外，对外，对所有化学药品所有化学药品和和有机溶剂有机溶剂有机溶剂有机溶剂都有都有良好的化学稳定良好的化学稳定性性。第六十四页，讲稿共一百一十七页哦65化学稳定性化学稳定性在很大程度上在很大程度上决定了决定了不同纤不同纤不同纤不同纤维的使用范围维的使用范围维的使用范围维的使用范围。玻璃纤维的玻璃纤维的性能性能性能性能一般认为与一般认为与水、湿度水、湿度有有关。关。第六十五页，讲稿共一百一十七页哦66玻璃纤维在玻璃纤维在相对湿度相对湿度相对湿度相对湿度8080以上的环境中存放，强度以上的环境中存放，强度有所下降；有
41、所下降；玻璃纤维在玻璃纤维在l00l00相对湿度相对湿度相对湿度相对湿度下，强度保持率在下，强度保持率在50左右。左右。第六十六页，讲稿共一百一十七页哦67但是，但是，玻璃纤维单纤玻璃纤维单纤玻璃纤维单纤玻璃纤维单纤即使即使与水接触与水接触与水接触与水接触，强度也不强度也不强度也不强度也不发生变化发生变化发生变化发生变化；只有在只有在含碱玻璃纤维含碱玻璃纤维含碱玻璃纤维含碱玻璃纤维中，由于玻璃纤维中所含中，由于玻璃纤维中所含的的碱分溶出碱分溶出，强度强度强度强度才会才会下降下降下降下降。第六十七页，讲稿共一百一十七页哦682、碳纤维、碳纤维2.1 概概 述述碳纤维碳纤维碳纤维碳纤维（Carbo
42、n Fibre,CF或或Cf）的开发历史可追）的开发历史可追溯到溯到19世纪末期世纪末期，美国科学家爱迪生发明的白炽灯灯，美国科学家爱迪生发明的白炽灯灯丝，而真正作为丝，而真正作为有使用价值有使用价值并规模生产的碳纤维，则并规模生产的碳纤维，则出现在出现在二十世纪二十世纪50年代末期年代末期。第六十八页，讲稿共一百一十七页哦691959年美国联合碳化公司年美国联合碳化公司(Union Carbide Corporation，UCC)以粘胶纤维以粘胶纤维(Viscose firber)为原丝制成商品名为为原丝制成商品名为“Hyfil Thornel”的的纤维素基碳纤维纤维素基碳纤维(Rayon-
43、based carbon firber)。1962年日本年日本炭素公司炭素公司实现低模量实现低模量聚丙烯脂基碳纤维聚丙烯脂基碳纤维聚丙烯脂基碳纤维聚丙烯脂基碳纤维(Polyacry lontrile-based carbon firber，PANCF)的工业化的工业化生产生产;第六十九页，讲稿共一百一十七页哦701963年英国年英国航空材料研究所航空材料研究所(Royal Aircraft Establishment，RAE)开发出高模量开发出高模量聚丙烯脂基碳纤维聚丙烯脂基碳纤维聚丙烯脂基碳纤维聚丙烯脂基碳纤维；1965年日本群马大学试制成功年日本群马大学试制成功以沥青或木质素为以沥青或木质
44、素为原料原料的的通用型碳纤维通用型碳纤维；1970年日本昊羽化学公司实现年日本昊羽化学公司实现沥青基碳纤维沥青基碳纤维沥青基碳纤维沥青基碳纤维Pitch-based carbon fiber的工业规模生产；的工业规模生产；第七十页，讲稿共一百一十七页哦711968年美国金刚砂公司研制出商品名为年美国金刚砂公司研制出商品名为“Kynol”的的酚醛纤维酚醛纤维酚醛纤维酚醛纤维Phenolic fibers;1980年以年以酚醛纤维为原丝酚醛纤维为原丝的的活性碳纤维活性碳纤维活性碳纤维活性碳纤维(Fibrous activated carbon)投放市场。投放市场。第七十一页，讲稿共一百一十七页哦7
45、21988年，世界年，世界碳纤维碳纤维碳纤维碳纤维总生产能力为总生产能力为10054吨吨/年，其年，其中中聚丙烯腈基碳纤维聚丙烯腈基碳纤维为为7840吨，占总量的吨，占总量的78。日本。日本是最大的聚丙烯腈基碳纤维生产国，生产能力约是最大的聚丙烯腈基碳纤维生产国，生产能力约3400吨吨/年，占总量的年，占总量的43。美国的碳纤维主要用于美国的碳纤维主要用于航空航天航空航天领域，欧洲在航空领域，欧洲在航空航天、体育用品和工业方面的需求比较均衡，而日本则以航天、体育用品和工业方面的需求比较均衡，而日本则以体育器材体育器材为主。为主。第七十二页，讲稿共一百一十七页哦73 碳纤维碳纤维碳纤维碳纤维是由
46、是由有机纤维有机纤维经经固相反应固相反应转变而成的转变而成的纤维纤维状聚合物碳状聚合物碳，是一种非金属材料。，是一种非金属材料。碳纤维碳纤维碳纤维碳纤维不属于不属于有机纤维有机纤维范畴，但范畴，但从制备方法上从制备方法上看，看，它又不同于它又不同于普通无机纤维普通无机纤维。第七十三页，讲稿共一百一十七页哦74碳纤维性能碳纤维性能碳纤维具有碳纤维具有重量轻重量轻、比强度大比强度大、模量高模量高、耐热耐热耐热耐热性高性高性高性高；化学稳定性化学稳定性好，除硝酸等少数强酸外，几乎好，除硝酸等少数强酸外，几乎对所有药品均稳定；另外，碳纤维对对所有药品均稳定；另外，碳纤维对碱碱也稳定。也稳定。第七十四页
47、，讲稿共一百一十七页哦75碳纤维制品碳纤维制品碳纤维制品碳纤维制品具有非常优良的具有非常优良的X射线透过性射线透过性，阻止中阻止中子透过性子透过性，还可，还可赋予塑料赋予塑料以以导电性导电性导电性导电性和和导热性导热性导热性导热性。以碳纤维为增强剂的复合材料以碳纤维为增强剂的复合材料具有具有比钢强、比铝比钢强、比铝轻轻的特性，是一种目前最受重视的高性能材料之一。的特性，是一种目前最受重视的高性能材料之一。它在航空航天、军事、工业、体育器材等许多方面有它在航空航天、军事、工业、体育器材等许多方面有着广泛的用途。着广泛的用途。第七十五页，讲稿共一百一十七页哦76 32碳纤维的分类碳纤维的分类当前，
48、国内外巳商品化的当前，国内外巳商品化的碳纤维种类碳纤维种类很多，一很多，一般可以根据般可以根据原丝的类型原丝的类型原丝的类型原丝的类型、碳纤维的性能碳纤维的性能碳纤维的性能碳纤维的性能和和碳纤维的碳纤维的用途用途等三种方法进行分类。等三种方法进行分类。第七十六页，讲稿共一百一十七页哦771根据碳纤维的性能分类根据碳纤维的性能分类(1)高性能碳纤维高性能碳纤维在高性能碳纤维中，有在高性能碳纤维中，有高强度高强度高强度高强度碳纤维、碳纤维、高模量高模量高模量高模量碳碳纤维、纤维、中模量中模量中模量中模量碳纤维等。碳纤维等。(2)(2)低性能碳纤维低性能碳纤维低性能碳纤维低性能碳纤维这类碳纤维中，有
49、这类碳纤维中，有耐火耐火耐火耐火纤维、纤维、碳质碳质碳质碳质纤维、纤维、石墨石墨纤维纤维等。等。第七十七页，讲稿共一百一十七页哦782根据原丝类型分类根据原丝类型分类(1)聚丙烯腈基聚丙烯腈基聚丙烯腈基聚丙烯腈基纤维；纤维；(2)粘胶基粘胶基碳纤维；碳纤维；(3)沥青基沥青基沥青基沥青基碳纤维；碳纤维；(4)木质素纤维基木质素纤维基木质素纤维基木质素纤维基碳纤维；碳纤维；(5)其他其他有机纤维基有机纤维基有机纤维基有机纤维基(各种天然纤维、再生纤各种天然纤维、再生纤维、缩合多环芳香族合成纤维维、缩合多环芳香族合成纤维)碳纤维。碳纤维。第七十八页，讲稿共一百一十七页哦793根据碳纤维功能分类根据
50、碳纤维功能分类(1)受力结构用受力结构用受力结构用受力结构用碳纤维碳纤维(2)耐焰耐焰碳纤维碳纤维(3)活性活性碳纤维碳纤维(吸附活性吸附活性)(4)导电用导电用碳纤维碳纤维(5)润滑用润滑用碳纤维碳纤维(6)耐磨用耐磨用耐磨用耐磨用碳纤维碳纤维第七十九页，讲稿共一百一十七页哦80 33碳纤维的制造碳纤维的制造碳纤维碳纤维碳纤维碳纤维是一种是一种以碳为主要成分以碳为主要成分的纤维状材料。它不的纤维状材料。它不同于同于有机纤维有机纤维或或无机纤维无机纤维，不能用，不能用熔融法或溶液法熔融法或溶液法直接直接纺丝，只能纺丝，只能以有机物为原料以有机物为原料，采用，采用间接方法间接方法间接方法间接方法