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1、第二章 增強材料(Reinforcements, reinforcing materials,增強材料概述 定義、分類、結構類型、選擇增強材料的原則 幾類常用的增強材料 纖維、晶須、顆粒 制備方法、特性、應用 增強材料的表面處理 方法、原理、應用,主要內容,一、增強材料概述,增強材料，或增強體 reinforcements 結合在基體內、用以改進其力學等綜合性能的高強度材料，稱為增強材料，也稱為增強體、增強相、增強劑等。 增強材料就象樹木中的纖維、混凝土中的鋼筋一樣，是復合材料的重要組成部分，并起到非常重要的作用,1、定義,2、分類,3、增強材料的結構類型,在復合材料中，增強材料可以以連續(xù)相、

2、或分散相的形式存在于基體中，既可以是零維、一維、二維、三維，甚至是多維。所以復合增強的結構類型可以分為,分散狀增強結構（Dispersed reinforcing structure） 單向增強結構（Unidirectional reinforcing structure） 層狀增強結構（Layered or laminated reinforcing structure） 網絡狀增強結構（Network reinforcing structure,分散狀增強結構,B4C原位增強ZrCN陶瓷基復合材料,含有原位生成的短纖維、晶須、顆粒XDMMC的顯微組織結構,這種結構也稱為不連續(xù)增強復合材料的

3、結構，即增強材料（相）在基體中呈分散狀，主要是短纖維、顆粒、晶須。這種結構是不連續(xù)增強MMC、原位MMC、CMC等主要結構。值得注意的是納米功能復合材料的結構方式也多為分散狀結構,單向增強結構,這種結構是指增強材料一維平行排列分布在基體中，PMC、MMC、CMC中較為常見結構,鎢纖維（絲）單向增強高溫合金顯微組織,層狀增強結構,增強材料以織物（布、氈）方式增強，或雙向正交、或鋪層（多向）方式分布在復合材料基體中，是PMC、C/C常用的結構，如層壓板、迭層板等。在CMC中，也可以纖維按層狀，在基體中原位形成分散狀的增強相,SiCf/Al2O3原位生成陶瓷基復合材料,噴涂法制備的Al2O3與高溫合

4、金復合的層狀復合材料,蒙脫土/聚丙烯酰胺納米層狀復合材料 （龍斌，清華大學碩士學位論文，2007年,網絡狀增強結構分為三維、多維網絡狀結構，三維結構也有稱為三向，或三向正交增強結構。一般通過編織方式將纖維或將預浸料編織成三維或多維預制體。比較典型的是三維正交C/C復合材料，按纖維的方向分為L、T、N三個方向經編織成三維立體結構，但各個方向的纖維含量可以相同或不同。在C/C復合材料中，也可以在層狀結構的基礎上采用Z向針刺的方法形成三維結構,網絡狀增強結構,三維正交增強結構,增強體的基本特性強度、彈性模量、密度、熱膨脹系數等； 增強材料與基體材料的物理相容性浸潤性、彈性匹配（彈性模量）、熱匹配（熱

5、膨脹系數）、互溶性等； 增強材料與基體材料的化學相容性化學反應、極性、化學位等； 增強材料的形狀、尺寸 性能/價格比,4、增強材料的選擇原則,對結構復合材料而言，首先考慮的是增強材料的強度、模量和密度。 其與基體物理及化學相容性主要反映界面作用和影響,二、纖 維（fiber,直徑細到幾微米或幾十微米，而長度比直徑大許多倍的材料。 其長徑比（aspect ratio)一般大于1000。 作為增強材料使用時，纖維一般都具有高模量、高強度。 大多數是有機高分子纖維，也有無機纖維和金屬纖維,重點介紹： 有機纖維：Kevlar纖維 無機纖維：玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、SiC纖維、Al2O3纖維,1、芳綸

6、纖維（芳香族聚酰胺纖維，Aromatic Polyamide fiber, Kevlar, KF,芳綸纖維全稱為“聚對苯二甲酰對苯二胺”，是一種新型高科技合成纖維，具有超高強度、高模量、耐高溫、耐酸堿、質量輕等優(yōu)良性能。 芳綸纖維是重要的國防軍工材料，可用于防彈衣、頭盔使用，也可作為航空航天、機電、建筑、汽車、體育用品等使用,這種纖維的出現是科學發(fā)現中偶然性的一個事例， 1968年，美國杜邦公司（Dupont）一位研究人員在實驗時偶然發(fā)現全芳香族聚酰胺樹脂溶解于硫酸類，其分子完全不會分散，分子間又形成一定規(guī)則配列，經紡絲成為一種全新耐熱、高強度和模量的有機纖維。 經過熱處理和改善原料的結構后，

7、可得到提高了綜合性能的不同牌號的芳綸纖維。 1973年正式以Kevlar作為其商品名。 芳綸纖維從一開始就被蒙上神秘的面紗。 我國將Kevlar纖維命名為芳綸纖維。1972年開始研制，1981年和1985年分別研制出芳綸14和芳綸1414,1）芳綸纖維的發(fā)現,2）芳綸纖維的制造工藝,原料：對苯二胺與對苯二甲酰胺縮聚而成,工藝流程,Kevlar纖維的結構,3）芳綸纖維的性能,高強度抗拉強度高達3.4GPa，模量為59190GPa 強度是石棉纖維的211倍；是高強度石墨的1.6倍；是玻璃纖維的3倍；是相同重量下鋼纖維的5倍。 低密度僅為1.44 g/cm3，幾乎只有石棉密度的一半，低于碳纖維。 熱

8、穩(wěn)定性在熱試驗中(TGA)非常穩(wěn)定,直至600才有明顯的重量喪失；在427下不分解，在190低溫下不變脆；強度長期在150下幾乎不變，在高溫下不易變形，尺寸穩(wěn)定，特別是其柔韌性好，抗沖擊。 化學穩(wěn)定性耐酸、堿,Kevlar纖維是屬于一種液態(tài)結晶性棒狀高分子,它具有非常好的熱穩(wěn)定性、抗火性、抗化學性、絕緣性、高強度及高模量,4）芳綸纖維的應用,2、玻璃纖維（glass fiber,是復合材料中應用最早和最為廣泛的無機纖維； 玻璃纖維是19世紀末美國康寧（Corning Corp.)公司研發(fā)成功的； 直至20世紀40年代開發(fā)出“玻璃鋼”（玻璃纖維增強塑料，GFRP）后才得到大量使用,1）玻璃纖維和

9、玻璃鋼的出現,無捻玻璃纖維,2）玻璃纖維的定義和分類,定義,玻璃纖維是以石英砂、石灰石、白云石、石蠟等并配以純堿、硼酸等為原料，經熔融后通過細的噴絲孔拉制成的無機連續(xù)纖維。主要成分是SiO2及金屬氧化物，但原料的組成以及工藝過程對玻璃纖維的性能有較大的影響,分類,按成分可分為無堿、中堿、高堿玻璃纖維及特種玻璃纖維； 按形態(tài)可分為連續(xù)纖維、定長纖維及玻璃棉； 類型代號：E良好的電絕緣性；C耐化學腐蝕；A高堿金屬氧化物含量；D高介電性能；S高機械強度；M高彈性模量；AR耐堿,3）玻璃纖維的制造工藝,玻璃球法（也稱為坩堝拉絲法） ： 先將玻璃原料（砂、石灰石、硼酸等）混勻后，裝入熔煉爐，在1260左

10、右熔融，流入造球機制成玻璃球；然后將合格的玻璃球再放入坩堝中熔化拉絲制成玻璃纖維,直接熔融法也稱為池窯拉絲法： 直接將熔煉爐中熔化的玻璃直接流入拉絲篩網中拉絲,4）玻璃纖維的特性和應用,典型性能： 密度：2.42.8 g/cm3 抗拉強度：34.6 GPa（為高強度鋼的23倍） 彈性模量：70110 GPa（與鋁和鈦合金模量相當） 比強度為：12.518.4106 cm（為高強度鋼的610倍） 比模量為：2.84.0107 cm（略高于高強度鋼） 不燃、不腐、耐熱、高拉伸強度、小斷裂延伸率、化學穩(wěn)定性好、電絕緣性能好；但不耐磨、脆而易折。 可加工成紗、布、帶、氈等形狀； 可作為有機高聚物基或無

11、機非金屬材料（如水泥）復合材料的增強材料,特性,碳纖維屬于高新技術產品，它不僅具有炭素材料的特性，如質量輕，強度高，耐熱，耐腐蝕，還具有金屬材料的某些特性，具有良好的導電和導熱性，在各類復合材料（PMC、MMC、CMC和C/C）中得到廣泛應用。 碳纖維增強復合材料廣泛應用于航空航天、軍事、交通運輸、機械制造、電子工業(yè)、體育用品、建筑材料（修補）、生物材料、醫(yī)療器具等各行各業(yè)。 碳纖維的大量和廣泛應用與其價格的不斷降低有關。隨著碳纖維的生產規(guī)模的擴大、其價格由原來的數千元/kg，降至數百元/kg。 碳纖維與玻璃纖維一樣，可以進行編織成各種碳纖維布，或制成碳纖維氈使用,3、碳纖維（Carbon f

12、iber,1)、引言,2)、碳纖維分類,最早使用的是人造絲炭化而成的碳纖維，性能較差，強度、模量均低，目前基本淘汰。 1959年日本首先發(fā)明了用聚丙烯腈纖維(PANF)制取碳纖維(CF)的方法，在60年代的開發(fā)期，對PAN原絲組成及紡絲條件作了系統研究，制得了質量穩(wěn)定的高性能CF，使PANCF在70年代得到高速發(fā)展，80年代由PAN原絲制取CF的技術更加完善，強度與模量均有明顯提高，并發(fā)展出不同性能的系列產品。 我國于60年代初開始研究PAN基碳纖維，1975年由國家統一組織，協同攻關取得較大進展。近10年來，各原絲研制單位在原水平上都有進展。蘭州化纖廠將原絲生產能力擴至82t/a，吉化公司吉

13、林碳纖維材料廠現有82t/a的原絲生產能力，榆次化纖廠建成了380t/a的原絲生產線，我國的原絲生產能力已達到600t/a。 但就我國目前碳纖維的質量和產量與國外先進國家水平相比，仍有很大差距，就整體水平而言，目前仍處于中試階段，或工業(yè)模擬裝置，還沒真正達到工業(yè)規(guī)模的生產，年產量約為100噸左右。除生產規(guī)模小，產量低之外，產品品種也比較單一，性能（強度、模量、密度）均低于國外同類產品（主要為T300）。關鍵性產品所需碳纖維仍嚴重依賴進口。生產廠家主要是吉林炭素廠,PAN基碳纖維,PAN基碳纖維，每根碳纖維直徑510m,因此制備成碳纖維束。根據束的根數，分為小絲束（每束48K，如1K、7K、12

14、K），大絲束（每束48K ）。大絲束PAN基的價格比小絲束的低30以上。 小絲束PAN碳纖維的主要生產廠家：日本東麗、東邦、三菱等公司，占世界產量75以上。還有美國阿莫科公司（AMOCO ）。 大絲束PAN碳纖維的生產廠家主要為：美國福塔菲爾（FORTAFIL）、卓爾泰克(ZOLTEK)、阿爾迪拉（ALDILA）和德國愛斯奇愛爾（SGL）等公司，占世界產量90以上。大絲束PAN碳纖維發(fā)展很迅速，年產量已超過小絲束，達3萬噸以上,與PANCF相比，瀝青基碳纖維（PitchCF)發(fā)展較為緩慢。 1963年日本大谷杉郎以瀝青為原料成功地研制了碳纖維， 1970年日本吳羽化學公司在此基礎上建成每月10

15、t規(guī)模通用級碳纖維， 1976年美國聯合炭化物公司從中間相瀝青得到高性能碳纖維，建成230t規(guī)模裝置，但由于技術難度大，其后再沒有新的企業(yè)參與開發(fā)。 1985年日本在這方面有了新的突破性進展，三菱化成于1987年9月建成年產500t高性能瀝青基碳纖維裝置，這標志著瀝青基碳纖維已處于向工業(yè)化過渡的新階段,瀝青基碳纖維,發(fā)展歷史,瀝青基碳纖維根據前驅體是石油瀝青與煤瀝青分為石油瀝青碳纖維與煤瀝青碳纖維。煤瀝青碳纖維雖價格低、模量更高、但強度更低。目前應用主要是石油瀝青碳纖維。 瀝青碳纖維主要應用在宇航領域制作高模量、不變形，要求模量達620850GPa，強度稍低，約36003800MPa。另外，也

16、用于各種軸輥、船桅、艙體以及橋梁、建筑物修補等，模量約350550GPa，強度20003000MPa,種類和用途,瀝青基碳纖維,3)、碳纖維的制備PAN碳纖維,空氣氧化法制備PAN基碳纖維流程示意圖,瀝青基碳纖維流程示意圖,碳纖維的制備瀝青碳纖維,瀝青基碳纖維的制造工藝,4)、碳纖維表面處理,為了提高碳纖維與基體的濕潤性，或為了控制不利于復合材料性能的界面反應，或為了提高復合材料的性能（如層間剪切強度），往往需要對碳纖維表面進行表面處理。表面處理的方法有,涂覆與基體樹脂具有相容性的樹脂漿料：如羥端基的丁二烯/丙烯酸共聚物，聚縮水甘油醚或脂環(huán)族環(huán)氧化合物等，含量0.42wt。 表面沉積涂覆碳化物

17、：如SiC、B4C、Cr3C等。 表面化學處理：如酸處理、氨處理、氧處理等。 電解處理； 等離子處理：如可經氬、氧、氮、烴類氣體等離子處理。 表面涂覆Ti-B或Na：如Al基復合材料,由于碳纖維的表面能低，不容易與金屬基體（如與Al和Al合金）浸潤，需要進行表面處理，以提高與Al和Al合金的濕潤性。大多采用涂覆Ti-B或Na，稱為Ti-B法和液Na法,碳纖維表面涂覆Ti-B或Na,PAN基碳纖維 日本東麗（TORAY)公司生產的PAN基碳纖維的型號與性能,從表中可以看出日本東麗公司在提高產量的同時，不斷推出新產品，由70年代初的T200、T300和M40發(fā)展到當前的4大系列十幾個品種，特別是T

18、800、T1000高強度產品代表當今世界的發(fā)展水平,5)、碳纖維的性能,PAN基碳纖維性能 美國阿莫科（AMOCO）公司PAN基碳纖維產品牌號及性能,瀝青基碳纖維的性能 日本三菱化成公司PitchCF產品牌號及性能,美國Amoco公司PitchCF產品牌號及性能,6)、碳纖維的結構,碳纖維的性能是與其微觀結構有關。碳纖維微觀結構主要為亂層結構，碳原子層排列方向與原絲軸向平行，并與原絲及炭化工藝有關。如人造絲基碳纖維，除纖維表面碳層排列稍整齊外，基本為亂層結構，石墨微晶尺寸??； PAN基碳原子層排列相對整齊，但石墨微晶尺寸相對較大；而經石墨化處理后的瀝青基碳纖維，碳原子層排列整齊，接近理想石墨的

19、結構,有關PAN基和瀝青基碳纖維的詳細工藝和結構，請自行參見有關參考書和參考資料,4、硼纖維（Boron fiber,1)、引言,硼纖維是1959年由美國AVCO公司開發(fā)的一種最早應用于MMC的高強、高模的陶瓷纖維。 硼纖維的密度為2.42.6 g/cm3，與玻璃纖維相當，比CVD-SiC纖維低30。其拉伸強度為3.45.2GPa,而模量則達400GPa,為玻璃纖維的46倍，是目前比模量和比強度最高的陶瓷增強纖維，遠高于其他金屬材料。 早在上世紀69年代， B纖維增強鋁用于航天飛機的主艙中，使航天飛機減重達145Kg 。 但硼纖維耐高溫氧化性差，在與某些金屬（如鈦及鈦合金）復合時會產生界面反應

20、，影響復合材料的性能,2)、硼纖維的結構,B纖維是采用CVD法，在W芯上沉積制成的。從中心至外徑，分別為W芯、界面相WB2及B的沉積層。B纖維表面呈魚鱗或玉米粒狀,經X-衍射分析，沉積B為無定形的非晶結構，但也有人認為是微晶結構。具有菱形晶系，晶粒尺寸為500nm左右,硼纖維的斷面形貌,硼纖維的表面形貌,B是經BCl3氣體與H2氣體經高溫氣相反應生成： 2BCl3（g）3H2（g） 2B（s）6HCl（g） 反應最高溫度約1350。反應生成B沉積在W芯上,3)、硼纖維的制備,制備原理（ 以W芯B纖維為例,B纖維是采用CVD（Chemical Vapor Deposition）法，B沉積在W芯或

21、C芯上。因此分為W芯與C芯B纖維,制備工藝流程,經清洗處理的W絲（清洗室），進入CVD反應室；反應氣體BCl3和H2按一定比例通入反應室；在反應室兩端W絲接通可變的直流電源，通電加熱至CVD反應溫度；反應氣體反應的同時W絲不斷從兩端放絲、收絲，B不斷沉積在W芯上,實際上，B纖維制備設備有豎式和臥式兩種，下圖為北京航空材料研究院設計制造的臥式CVDB纖維試驗裝置，除清洗室外，有兩個反應室和B纖維表面處理涂覆室,制備工藝參數,W芯（絲）的表面質量W絲表面缺陷會引起纖維表面缺陷 H2和BCl3氣體的混合比影響沉積速度 反應氣體的流量、流速影響沉積速度 反應溫度； W芯B纖維，反應溫度在1100135

22、0之間，并隨反應室W絲長度變化而變化。溫度過低，沉積速度慢，不均勻；溫度過高，沉積B形成粗大節(jié)瘤狀表面，嚴重降低纖維強度。 W絲通過沉積室速度控制B纖維直徑，約5m/min。 反應氣體的利用率僅2，因此未反應氣體的回收很重要，需要經-80 冷凝回收。并且還需將反應生成的HCl氣體分離。因此，B纖維的生產成本極高，價格昂貴，約數百美元/kg。這不利于B纖維的推廣應用,4)、硼纖維的性能,C芯B纖維是1969年美國空軍研究所開發(fā)的，用C纖維做芯，B沉積到一定厚度時，沉積造成的應力應變會引起C纖維的斷裂。一般需要在C纖維表面預先沉積PG（熱解石墨，pyrolytic graphite） C芯B纖維的

23、反應平均溫度和沉積速度都也略高于W芯。 B纖維制備中，工藝參量控制不當，在纖維的沉積因節(jié)瘤狀生長造成表面出現表面裂紋，或在靠近W芯的界面出現空隙，從而影響B(tài)纖維的強度。一般B纖維的強度是平均值，纖維所含缺陷越多，強度值越分散。如何提高B纖維的性能穩(wěn)定性，是B纖維最需解決的問題,氧化法 氧化法主要用于未涂層的B纖維，作用是除去纖維的表面缺陷，提高纖維的強度,5)、硼纖維的表面處理,硼纖維耐高溫氧化性差，在與某些金屬（如鈦及鈦合金）復合時會產生界面反應，影響復合材料的性能。因此，一般硼纖維需進行表面涂層處理，以改善B纖維的抗氧化性，同時也還起優(yōu)化界面的作用,SiC涂層 采用CVD方法，反應氣體為C

24、H3SiCl3(三氯硅烷)，裂解后得SiC沉積于B纖維表面，厚度約23 m 。涂SiC的B纖維商品名為：Borsic（硼矽克,B4C涂層 B纖維B4C涂層是上世紀70年代初開發(fā)的，也是采用CVD法沉積涂層，一般層厚為57 m ，主要用于B纖維增強Ti復合材料,SiC長纖維PMC、MMC和CMC常用的陶瓷纖維，主要有兩種不同方法制備。 CVD(化學氣相沉積)法 1973年美國AVCO公司采用鎢芯或碳芯采用CVD法制備出SiC纖維，商品名SCS-2、SCS-6、 SCS-8等。該方法生產的碳化硅纖維的密度為3.5 g/cm3，性能高強、高模，抗拉強度為2.23.9GPa，模量為415 GPa，但直

25、徑也較粗，為100、140m，柔軟性也差。 紡絲法 1975年日本東北大學矢島圣使教授研究與開發(fā)了利用有機聚碳硅烷紡絲，然后燒結制備SiC纖維的方法。后由日本炭素公司生產的這種SiC纖維的商品名為Nicolon（尼可綸），也稱為紡絲SiC纖維，其價格較之CVDSiC纖維要便宜。因不含芯材，其密度僅為2.55 g/cm3，抗拉強度為2.53.0GPa，模量為250GPa，其單絲直徑為1015 m，柔軟性好，可以編織,5、SiC纖維（Silicon carbide fiber,1)、SiC纖維的制備,CVD(化學氣相沉積)法（SCS纖維,工藝控制參量主要是反應沉積溫度和反應氣流量。 反應沉積溫度最

26、高為1300 。CVDSiC纖維的表面往往時有富碳層，厚度約1 m 。 CVDSiC纖維的強度也是一個平均值。 使用C芯時，同樣要預先在C芯表面涂覆裂解石墨（PG,CVDSiC纖維的系列化產品,SCS-2：表面有1m 的富碳層，主要用于Al、Mg合金基。 SCS-6：主要用于Ti合金基，表面有3m 的富碳層，但外層含SiC較高。 SCS-8：主要針對SCS-2用于Al合金基復合材料的橫向強度不足而研發(fā)的，使用SCS-8后，可明顯提高復合材料的垂直纖維方向的性能。這種纖維的表面有一層約6 m SiC和外表面1 m 的富碳層,針對不同的CVDSiC纖維產品已系列化，主要區(qū)別在于纖維的表層結構不同,

27、紡絲法（Nicalon纖維,Nicalon纖維制備中的關鍵環(huán)節(jié)： 聚碳硅烷的合成 熔融紡絲 不熔化處理 高溫燒成,2)、SiC纖維的性能,高抗張強度、高模量、低密度 高抗熱性，在氧化氣氛中也可使用 優(yōu)越的耐腐蝕性能 與金屬的相容性好，不反應、浸潤性良好 具有半導體特性，高溫下電導率可以被控制。 Nicalon纖維因其具有可編織性，價格又遠比CVD-SiC纖維便宜，因此在PMC、MMC和CMC中獲得廣泛應用,Al2O3纖維類型與其制備工藝有關。按結構分，主要有三類： 單晶型（Tyco法），如早期使用的-Al2O3單晶藍寶石纖維（直徑0.25mm,長約10cm，稱為Tyco單晶纖維），價格昂貴，現

28、已不使用。 多晶型，Dupont生產的FP纖維，屬 -Al2O3多晶纖維。 混合型，有美國ICI公司Saffil短纖維，含 -Al2O3 /SiO2；美國3M公司的Nextel系列纖維，含Al2O3/SiO2/B2O3；日本住友公司的Sumica纖維，含Al2O3/ SiO2,6、Al2O3纖維（Alumina fiber,1)、Al2O3纖維的類型及特點,2)、FP-Al2O3纖維,FP-Al2O3纖維由Dupont公司在上世紀80年代初研制開發(fā)的連續(xù)長含99 以上-Al2O3多晶纖維束，單絲直徑為20 m ，一束FP纖維約含有210根單絲。 FP纖維的制備方法獨特，完全不同于B纖維和SiC

29、纖維（包括紡絲SiC纖維），是采用漿體紡絲燒結成FP纖維。直至今天，其他國家還沒有開發(fā)出能含99以上-Al2O3的Al2O3纖維。 FP-Al2O3纖維主要用于金屬基復合材料，如Al、Mg基復合材料。也可用于聚合物基復合材料，如環(huán)氧（EP）樹脂或聚酰亞胺（PI）樹脂基復合材料。還可用于玻璃和陶瓷的補強,FP-Al2O3纖維的制備工藝,主要分為三個步驟： 1.紡絲漿料的準備： 通過三種原料配比的控制，得到泥漿混合液，然后除水來控制漿料的粘度，以保證漿料的可紡性。 2.紡絲：采用干法紡絲 3.纖維的燒成： 燒結過程分為兩部分，首先為低溫焙燒，以控制纖維的收縮量。然后經高溫火焰焙燒，以獲得高致密性的

30、FP纖維。紡絲添加物在燒結過程中完全去除，以保證獲得基本純凈的-Al2O3多晶纖維,FP-Al2O3纖維的表面處理,為了提高FP-Al2O3纖維的強度，以及與金屬基體的潤濕性，往往在FP纖維的表面上涂覆一層厚度僅0.5m 的SiO2涂層。這樣就獲得了SiO2涂覆的FP -Al2O3纖維。經SiO2涂覆的FP -Al2O3纖維要比未涂覆的強度提高了約50,FP-Al2O3纖維的性能,FP-Al2O3纖維的高溫性能,FP-Al2O3纖維與其它纖維（B、SiC）高溫性能的比較,混合型Al2O3纖維及其性能,Saffil短纖維：美國ICI公司采用紡絲法經高溫燒結的，但與FP纖維不同的是，所制備的纖維為

31、短纖維，商品名：Saffil。主要組成含9697-Al2O334SiO2，密度3.33.5 g/cm3 ，直徑3 m ，長1300mm。這種短纖維是短纖維增強金屬基復合材料的主要增強材料。 Nextel系列纖維，由美國3M公司生產，是采用Sol-gel（溶膠-凝膠）法制備的，含62 - Al2O324SiO214B2O3,密度3.1 3.25 g/cm3，直徑1017 m 。 Sumica纖維，由日本住友公司采用有機鋁化物或有機鋁化物與一種或多種含硅化合物的混合物，經紡絲，然后燒結成的混合纖維，含有85 - Al2O315SiO2 ,密度2.73. g/cm3 。直徑約1012 m,混合型Al

32、2O3纖維的性能,Si(CN)纖維：含55Si、22N、15C和8O，密度2.4 g/cm3 ，強度1800MPa，模量220GPa，最高使用溫度1400。 Si3N4纖維：強度24502480MPa，模量200250GPa，最高使用溫度1200。 B4C纖維：密度2.7 g/cm3 ，強度2400MPa，模量400GPa。 這些纖維的性能缺乏競爭性，在文獻中出現很少，應用更少,7、其它陶瓷纖維（Ceramic fiber,在新型增強材料的研究與開發(fā)過程中，實際上科研人員還研究和開發(fā)了許多無機陶瓷纖維，例如,在金屬基復合材料中，也使用部分金屬纖維，如W絲、Mo絲、不銹鋼絲等。但總體而言，這些金

33、屬纖維的密度大，比強度、比模量不占優(yōu)勢，除高溫合金基復合材料外，應用較少,8)、金屬纖維（Metallic fiber,金屬纖維的制造工藝,金屬纖維的性能,顆粒增強材料是用以改善基體材料性能的顆粒狀材料。 分為延性顆粒、剛性顆粒和相變增韌顆粒增強體三種。 延性顆粒增強體主要是一些高熔點的金屬顆粒，如Ni、Co、W等，通過在裂紋尖端的橋聯、塑性變形等作用達到增強增韌的目的。 剛性顆粒主要是一些高強、高硬的陶瓷顆粒，如Al2O3、Si3N4、SiC、TiC、TiN等，通過顆粒釘扎、裂紋偏轉、彌散強化等機理來增強。 相變增韌顆粒主要是以ZrO2為代表，通過t-ZrO2（四方相，tetragonal）

34、向m-ZrO2（單斜相，monoclinic）的相變，來增韌,三、顆粒增強材料（Particle/Particulate reinforcements,1)、概述,一般復合材料中的顆粒增強材料的粒徑為幾微米至幾十微米，含量約為體積分數570 。 顆粒增強的復合材料因其原料價格低、制備工藝簡單，已廣泛應用于PMC（用作填料）、MMC和CMC中。 值得注意的是，采用納米級的顆粒制成的功能復合材料正成為復合材料的研究熱點。 本節(jié)主要介紹有關Al2O3、SiC、B4C、ZrO2等陶瓷顆粒增強材料的形貌、性能、表面處理等,1)、概述,2)、常用的顆粒增強材料的形貌,3)、常用的顆粒增強材料的性能,4)、

35、顆粒增強材料的表面處理,為了改善增強顆粒材料與基體的濕潤性，在進行復合制備前，往往對顆粒進行表面處理。在MMC中顆粒材料的表面處理方法有,金屬表面涂層 顆粒材料表面熱處理 超聲波處理,顆粒材料表面熱處理和超聲波處理，主要是改善增強顆粒表面的狀況，如干燥、除去表面所吸附的水分和氣體等，從而提高分散特性。 金屬表面涂層則是改變顆粒表面的組成，提高增強顆粒的表面能，間接改善顆粒與金屬基體的濕潤性。 根據濕潤方程,為了改善固態(tài)材料與液態(tài)材料的濕潤性，提高固態(tài)材料的sg和降低液態(tài)材料的lg，均可以降低濕潤角，從而提高固、液材料的浸潤性，提高了增強材料與基體的結合力,晶須是微細的高純度的單晶體，是目前的復

36、合材料中應用的強度最高的一種增強材料，最接近材料的理論強度。晶須的直徑很小，只有亞微米和微米數量級，長度10102 m。 晶須材料的發(fā)現也是偶然的。1948年美國貝爾電話公司在排除經常出現的電話線路短路原因時，發(fā)現在蓄電池極板表面產生有針狀結晶物。進一步研究發(fā)現其晶體結構與金屬極板材料相同，但強度遠高于極板材料，因其形狀象鯨魚的胡須，因此把這種針狀結晶材料稱之為晶須（Whisker）。 目前應用的晶須分為陶瓷晶須和金屬晶須兩大類。在復合材料中主要應用陶瓷晶須，如SiCw、Al2O3w, B4Cw、TiCw碳化物、氧化物陶瓷晶須等。使用最多的是SiCw。 陶瓷晶須除超高強度外，還具有密度低、耐高

37、溫、高模量以及化學穩(wěn)定性,四、晶須增強材料（Whisker reinforcements,1)、概述,典型的SiC晶須形貌（日本東海碳素公司,2)、晶須的基本性能,其中有代表性的是SiCw的制備方法，以下作簡要介紹,3)、晶須的制備方法,化學氣相沉積（CVD）法 溶膠凝膠 （Sol-gel）法 氣固液（VLS）法 液相生長法 固相生長法 原位生長法等,4)、SiC晶須的制備方法,固相法,固相法制備SiCw的典型方法是利用稻殼產生的SiO2和碳黑之間的反應生成SiCw。 SiO23C SiC 2CO 工藝過程：在700下將稻殼焦化并得到SiO2和自由炭，在15001600下Ar或N2保護下，Si

38、O2與碳黑反應生成SiCw和部分殘余自由炭，然后在在800 將自由炭去除，可得較純的SiCw。但這種方法還會得到部分顆粒狀的SiC，需要通過濕法篩分來將SiCw和SiCp分離。一般這種方法生產 SiCw長徑比約為50,4)、SiC晶須的制備方法,VLS （Vapour-Liguid-Solid）法,該方法由美國Los Alamos國家實驗室在1964年開發(fā)的。 V即反應氣體供給（Vapor feed gasses）， L即為液態(tài)觸媒(Liquid catalyst)， S即為固態(tài)晶須生長( Solid crystalline wiskers,5)、SiCw制備及使用中的問題,SiCw的長徑比控制； SiCw中混雜有顆粒狀的SiC，兩者的分離； SiCw的表面清潔度（C、微晶Si和催化劑殘留）和直晶率； SiCw的結團及分散均勻； SiCw的價格； SiCw的致癌性等,本章小結,增強材料概述定義、分類、結構類型、選擇增強材料的原則 纖維增強材料Kevlar纖維、玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、SiC纖維、Al2O3纖維 顆粒增強材料延性顆粒、剛性顆粒、相變增韌顆粒 晶須增強材料特性、分類、SiC晶須的制備方法

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