第四章第四章 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的高强度材料高强度材料称为增强材料增强材料。增强材料增强材料有时也称作增强体增强体、增强剂增强剂等。1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2一、纤维一、纤维 如，植物纤维棉花、麻类；动物纤维丝、毛；矿物纤维石棉。天然纤维 强度较低，现代复合材料的增强材料 用合成纤维。3纤维纤维在复合材料中起增强作用增强作用，是主要承承力组分力组分。纤维纤维不仅能使材料显示出较高的抗张强度较高的抗张强度和刚度刚度，而且能减少收缩减少收缩，提高热变形温度热变形温度和低温冲击强度低温冲击强度等。4复合材料的性能复合材料的性能在很大程度上取决于纤维的性纤维的性能能、含量含量及使用状态使用状态。如聚苯乙烯塑料聚苯乙烯塑料，加入玻璃纤维玻璃纤维后，拉伸强度拉伸强度可从600 MPa提高到1000 MPa，弹性模量弹性模量可从3000 MPa提高到8000 MPa，其热变形温度热变形温度可从85提高到105 ，使-40 以下的冲击强度冲击强度可提高10倍。5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6（一）（一） 有机纤维有机纤维芳纶芳纶纤维聚乙烯聚乙烯纤维尼龙尼龙纤维7、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聚芳酰胺纤维聚芳酰胺纤维。国外商品牌号叫凯芙拉凯芙拉( (Kevlar)Kevlar)纤维纤维，我国暂命名为芳纶纤维芳纶纤维，有时也称有机纤维有机纤维。 8芳纶纤维的历史芳纶纤维的历史很短，发展很快。1968午美国杜邦公司杜邦公司开始研制。1972年以B B纤维为名纤维为名发表了专利并提供产品。 1972年又研制了以PRD-49PRD-49命名的纤维。1973年正式登记的商品名称为ARAMIDARAMID纤维。9ARAMIDARAMID纤维纤维包括三种牌号的产品，并重改名称。PRD-49-IVPRD-49-IV改称为芳纶芳纶-29-29；PRD-49-IIIPRD-49-III改称为芳纶芳纶-49-49；B B纤维纤维改称为芳纶芳纶。10芳纶、芳纶 芳纶、芳纶-29-29、芳纶、芳纶-49-49这三种牌号纤维的用途各不相同。芳纶芳纶主要用于橡胶增强，制造轮胎、三角皮带、同步带等；芳纶芳纶-29-29主要用于绳索、电缆、涂漆织物、带和带状物，以及防弹背心等。芳纶芳纶-49-49用于航空、宇航、造船工业的复合材料制件。 11自1972年芳纶纤维芳纶纤维作为商品出售以来，产量逐年增加。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，使之广泛应用到军工军工和国民经济国民经济各个部门。12(1) (1) 芳纶纤维的性能特点芳纶纤维的性能特点A 、芳纶纤维的力学性能力学性能；、 芳纶纤维的热稳定性热稳定性；、芳纶纤维的化学性能化学性能。13A A 、芳纶纤维的力学性能芳纶纤维的力学性能芳纶纤维的特点是拉伸强度高拉伸强度高。单丝强度可达3773 MPa；254mm长的纤维束的拉伸强度为2744 MPa，大约为铝的5倍。芳纶纤维的冲击性能好冲击性能好，大约为石墨纤维的6倍，为硼纤维的3倍，为玻璃纤维0.8倍。14芳纶纤维芳纶纤维的弹性模量高弹性模量高，可达1.27 1.577 MPa，比玻璃纤维高一倍，为碳纤维0.8倍。芳纶纤维芳纶纤维的断裂伸长断裂伸长在3左右，接近玻璃纤维，高于其他纤维。15芳纶纤维芳纶纤维与碳纤维碳纤维混杂将能大大提高提高纤维复合材料的冲击性能冲击性能。芳纶纤维芳纶纤维的密度小密度小，比重为1.44 1.45，只有铝的一半。因此，它有高的比强度比强度与比模量比模量。16下表为芳纶纤维的基本性能17、 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有良好的热稳定性良好的热稳定性，耐火而不耐火而不熔熔，当温度达487 时尚不熔化不熔化，但开始碳化碳化。18因此，芳纶纤维芳纶纤维在高温作用下，不发生变形，直至分解。如，能长期在180下使用；在150下作用一周后强度强度、模量模量不会下降；即使在200下，一周后强度降低强度降低15，模量降低模量降低4；另外，在低温(-60)不发生脆化脆化亦不降解降解。19和碳纤维一样，芳纶纤维的热膨胀系数热膨胀系数具有各向异性各向异性的特点。如，芳纶纤维的纵向热膨胀系数纵向热膨胀系数在0 100时为-2 10 -6 / ；在100 200时为-4 10 6 /。横向热膨胀系数横向热膨胀系数为59 10 -6 /20、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耐介质耐介质性能，对中性化学药品的抵抗力抵抗力一般是很强的，但易受各种酸碱的侵蚀酸碱的侵蚀，尤其是强酸的侵蚀强酸的侵蚀；21芳纶纤维的耐水性耐水性也不好，这是由于在分子结构中存在着极性酰氨基极性酰氨基；湿度湿度对纤维的影响，类似于尼龙或聚酯。在低湿度低湿度(20相对湿度)下芳纶纤维的吸湿率为1，但在高湿度高湿度(85相对湿度)下，可达到7。22（）（） 芳纶纤维的结构芳纶纤维的结构芳纶纤维是对苯二甲酰与对苯二胺的聚合体，经溶解转为液晶纺丝而成。它的化学结构式如下：23从上述化学结构可知，芳纶纤维芳纶纤维材料的基体结构是长链状聚酰胺聚酰胺，即结构中含有酰氨键酰氨键，其中至少85的酰氨直接键合在芳香环上.24键合在芳香环上刚硬的直线状分子键在纤维轴纤维轴向向是高度定向的，各聚合物链是由氢键氢键作横向连结。这种在沿纤维方向的强共价键沿纤维方向的强共价键和横向弱的氢键横向弱的氢键，是造成芳纶纤维力学性能各向异性力学性能各向异性的原因，即纤维的纵向强度高纵向强度高，而横向强度低横向强度低。 25芳纶纤维的化学链主要由芳环芳环组成。这种芳环结构具有高的刚性高的刚性，并使聚合物链呈伸展伸展状态而不是折叠折叠状态，形成棒状棒状结构，因而纤维具有高的模量高的模量。 26芳纶纤维分子链是线性结构线性结构，这又使纤维能有效地利用空间有效地利用空间而具有高的填充效率高的填充效率的能力，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较高的强度较高的强度。27由于芳纶纤维芳纶纤维具有规整的晶体结构规整的晶体结构，因此，它具有化学稳定性化学稳定性、高温尺寸稳定性高温尺寸稳定性、不发不发生高温分解生高温分解以及在很高温度下不致热塑化不致热塑化等特点。28通过电镜对纤维观察表明，芳纶是一种沿轴沿轴向排列向排列的有规则的褶叠层结构褶叠层结构。这种褶叠层褶叠层结构的模型，可以很好地解释横横向强度低向强度低、压缩和剪切性能差压缩和剪切性能差及容易劈裂容易劈裂的现象。29(3) (3) 用用 途途目前，芳纶纤维的总产量43用于轮胎的轮胎的帘子线帘子线(芳纶-29)，31用于复合材料复合材料，17.5用于绳索类绳索类和防弹衣防弹衣，8.5用于其他其他。 30以树脂树脂作为基体基体，芳纶纤维芳纶纤维作为增强相增强相所形成的增强塑料增强塑料，简称KFRP，它在航空航天方面的应用，仅次于碳纤维碳纤维，成为必不可少的材料。31、聚乙烯纤维（聚乙烯纤维（Polyethylene, PEPolyethylene, PE ）聚乙烯纤维作为目前国际上最新的国际上最新的一种有机纤维，它具有以下四个特点：超轻超轻、高比强度高比强度、高比模量高比模量、成本较低。32通常情况下，聚乙烯纤维聚乙烯纤维的分子量分子量大于106，纤维的拉伸强度拉伸强度为3.5 GPa，弹性模量为116 GPa，延伸率延伸率为3.4%，密度密度为0.97 g / cm 3。可用于制做武器装甲、防弹背心、航天航空部件等。33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种优点优点。如：高比强度比强度、高比模量比模量以及耐冲击耐冲击、耐磨耐磨、自润滑自润滑、耐腐蚀耐腐蚀、耐紫外线耐紫外线、耐低温耐低温、电绝缘电绝缘等。34聚乙烯纤维 聚乙烯纤维的不足之处：(1)(1)熔点较低熔点较低（约135）(2) (2)高温容易蠕变高温容易蠕变。因此仅能在100以下使用。35（二）二） 无机纤维无机纤维1、玻璃玻璃纤维 2、 特种玻璃特种玻璃 纤维3、 碳碳纤维 4 、 硼硼纤维5 、氧化铝纤维 6、碳化硅碳化硅纤维7 、氮化硼氮化硼纤维 8、其他其他纤维36、玻璃纤维（玻璃纤维（Glass Glass FibreFibre, GF, GF或或GtGt ） 1.1 玻璃纤维玻璃纤维及其制品制品；1.2 玻璃纤维的结构结构及化学组成化学组成；1.3 玻璃纤维的物理性能物理性能；1.4 玻璃纤维的化学性能化学性能。371.1 1.1 玻璃纤维及其制品玻璃纤维及其制品 概概 述述随着玻璃钢玻璃钢工业的发展，玻璃纤维玻璃纤维工业也得到迅速发展。国外国外玻璃纤维的主要特点如下：38、普遍采用池窑拉丝池窑拉丝新技术；、大力发展多排多孔拉丝多排多孔拉丝工艺；、用于玻璃钢的纤维直径纤维直径逐渐向粗的方向向粗的方向发展，纤维直径为14-24um，甚至达27um；、大量生产无碱纤维无碱纤维；39、大力发展无纺织无纺织玻璃纤维织物，无捻粗纱无捻粗纱和短切纤维毡片短切纤维毡片所占比例增加；、重视纤维-树脂界面界面的研究，偶联剂的品偶联剂的品种种不断增加，玻璃纤维的前处理前处理受到普遍重视。 40我国玻璃纤维工业玻璃纤维工业诞生于1950年，当时只能生产绝缘材料用的初级纤维初级纤维。1958年以后，玻璃纤维工业玻璃纤维工业得到迅速发展。现在全国有大、小玻璃纤维厂家200多个，玻璃纤维年产量为5万吨，其中无碱纤维占20，中碱纤维占80，纤维直径多数为6-8um，正向粗纤维方向发展。41池窑拉丝工艺池窑拉丝工艺正在推广，重视纤维纤维- -树脂界树脂界面面的研究，新型偶联剂新型偶联剂不断出现，许多玻璃纤维厂使用前处理工艺前处理工艺，玻璃纤维工业的不断发展促进了我国复合材料及尖端科学技术的发展。42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纤维纤维特性特性等方面进行分类。 431 1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连续玻璃纤维连续玻璃纤维的分类。一般以不同的含碱量含碱量来区分：(1)无碱无碱玻璃纤维(2)中碱中碱玻璃纤维(3)有碱有碱玻璃纤维(4)特种特种玻璃纤维 44(1)(1)无碱玻璃纤维无碱玻璃纤维( (通称通称E E玻纤玻纤) )：是以钙铝硼硅酸盐钙铝硼硅酸盐组成的玻璃纤维，这种纤维强度较高强度较高，耐热性耐热性和电性能电性能优良，能抗大气侵抗大气侵蚀蚀，化学稳定性化学稳定性也好(但不耐酸不耐酸)。45无碱玻璃纤维无碱玻璃纤维最大的特点是电性能好电性能好，因此也把它称做电气玻璃电气玻璃。现在，国内外大多数都使用这种破璃纤维破璃纤维作为复合材料的原材料。目前，国内规定其碱金属氧化物含量碱金属氧化物含量不大于0.5，国外一般为1左右。46(2)中碱玻璃纤维它是指碱金属氧化物含量在11.5 12.5之间的玻璃纤维。国外没有这种玻璃纤维，它的主要特点是耐酸性耐酸性好，但强度强度不如E玻璃纤维高。它主要用于耐腐蚀领域耐腐蚀领域中，价格较便宜价格较便宜。47(3)(3) 有碱玻璃 有碱玻璃( (A A玻璃玻璃) )纤维纤维有碱玻璃有碱玻璃称A A玻璃玻璃，类似于窗玻璃及玻璃瓶的钠钙玻璃。此种玻璃由于含碱量高含碱量高，强度低强度低，对潮气侵蚀极为敏感，因而很少作为增强材料。 48(4)(4)特种玻璃