Transcript 碳纤维、硼纤维
常用的复合材料 一、纤维增强复合材料 1．常用增强纤维 主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、Kevlar有机 物纤维等。 玻璃纤维布 玻璃纤维绳 玻璃纤维绳 纳 米 碳 管 纤 维 玻璃纤维纸 碳 纤 维 绳 （1）玻璃纤维 按玻璃纤维中Na2O和K2O的含量不同，可将其分为无碱纤维 （碱的质量分数<2%）、中碱纤维（碱的质量分数为2%～12%）、高 碱纤维（碱的质量分数>12%）。随着碱量的增加，玻璃纤维的强度、 绝缘性、耐蚀性降低。 特点：强度高，抗拉强度可达1000～3000MPa；弹性模量比金 属低得多，为（3～5）×104MPa；密度小，为2.5～2.7g/cm3 ；化 学稳定性好；不吸水、不燃烧、尺寸稳定、隔热、吸声、绝缘等。 缺点：脆性较大、耐热性低，250℃以上开始软化。 优点：价格便宜、制作方便 （2）碳纤维 碳纤维是人造纤维（粘胶纤维、聚丙烯腈纤维等），是在 200～300℃空气中加热并施加一定张力进行预氧化处理，然后在氮 气的保护下于1000～1500℃的高温中进行碳化处理而制得。其碳含 量Wc85%～95%。由于其具有高强度，因而称高强度碳纤维，也称Ⅱ 型碳纤维。 在2500～3000℃高温的氩气中进行石墨化处理，就可获得含碳 量为Wc98%以上的碳纤维，又称石墨纤维或高模量碳纤维，也称Ⅰ 型碳纤维。 特点：与玻璃纤维相比，碳纤维具有密度小（ 1.33～2.0g/㎝ 3 ），弹性模量高（2.8～4×105MPa）；高温及低温性能好，导电 性好、化学稳定性高、摩擦因数小、自润湿性好。 缺点：脆性大、易氧化 （3）硼纤维 它是用化学沉积法将非晶态的硼涂覆到钨丝上而制得的。具有 高 熔 点 （ 2300℃ ） 、 高 强 度 （ 2450 ～ 2750MPa ） 、 高 弹 性 模 量 （3.8～4.9×105MPa）。具有良好的抗氧化性、耐蚀性。 缺点：密度大、直径较粗及生产工艺复杂、成本高、价格昂贵。 （4）碳化硅纤维 它是用碳纤维作底丝，通过气相沉积法而制得。具有高熔点、 高强度、高弹性模量。其突出特点是具有优良的高温强度，在 1100℃时其强度仍高达2100MPa。 （5）Kevlar有机纤维（芳纶、聚芳酰胺纤维） 特点：比强度、比模量高；其强度可达2800～3700MPa；密度 小，只有1.45 g/㎝3；耐热性比玻璃纤维好。它还具有优良的抗疲 劳性、耐蚀性、绝缘性和加工性。 2．纤维―树脂复合材料 （1）玻璃纤维―树脂复合材料 亦称玻璃纤维增强塑料，也称玻璃钢。 1）热塑性玻璃钢 它是由20%～40%的玻璃纤维和60%～80%的热塑性树脂（如尼龙、 ABS等）组成，具有高强度和高冲击韧性，良好的低温性能及低热 膨胀系数。 2) 热固性玻璃钢 它是由60%～70%玻璃纤维（或玻璃布）和30%～40%热固性树脂 （环氧、聚酯树脂等）组成。 主要优点：密度小、强度高，耐蚀性、绝缘性、绝热性好；吸 水性、防磁、微波穿透性好，易于加工成型。 缺点：弹性模量低，热稳定性不高，只能在300℃以下工作。 （2）碳纤维―树脂复合材料 最常用的是碳纤维与聚酯、酚醛、环氧、聚四氟乙烯等树脂组 成的复合材料，具有高强度、高弹性模量、高比强度和比模量，还 具有优良的抗疲劳性能、耐冲击性能、自润滑性、减摩耐磨性、耐 蚀性及耐热性。缺点是纤维与基体结合力低。 （3）硼纤维―树脂复合材料 主要由硼纤维与环氧、聚酰亚胺等树脂组成。具有高的比强度、 比模量，良好的耐热性。其缺点是各向异性明显。 （4）碳化硅纤维树脂复合材料 由碳化硅纤维与环氧树脂组成的复合材料，具有高的比强度、 比模量。 （5）Kevlar纤维树脂复合材料 由Kevlar纤维与环氧、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯等树脂组成。 主要性能特点是抗拉强度大于玻璃钢，而与碳纤维―环氧树脂复合 材料相似；延性好，与金属相当；其耐冲击性超过碳纤维增强塑料； 其疲劳抗力高于玻璃钢和铝合金；减振能力为钢的8倍。 3．纤维―金属（或合金）复合材料 纤维增强金属复合材料是由高强度、高模量的脆性纤维（碳、 硼、碳化硅纤维）与具有较高韧性及低屈服强度的金属（铝及其合 金、钛及其合金、铜及其合金、镍合金、镁合金、银铅等）组成， 具有高的横向力学性能、高的层间剪切强度；冲击韧性好、高温强 度高、耐热性、耐磨性、导电性、导热性好；不吸湿、尺寸稳定性 好、不老化等优点。 （1）纤维―铝（或合金）复合材料 1）硼纤维―铝（或合金）基复合材料。 硼和铝在高温易形成AlB2 ，与氧易形成B2O3 ，故在硼纤维表面 要涂一层SiC以提高硼纤维的化学稳定性。 特点：具有高弹性模量，高抗压强度、抗剪强度和疲劳强度。 应用：主要用于制造飞机和航天器的蒙皮、航空发动机叶片等。 2）石墨纤维―铝（或合金）基复合材料。 由Ⅰ型碳纤维与纯铝或形变铝合金、铸造铝合金组成。 特点：具有高比强度和高温强度，在500℃时其比强度为钛合 金的1.5倍 应用：主要用于制造航天飞机的外壳、飞机蒙皮。 3）碳化硅纤维―铝（或合金）复合材料 它是由碳化硅纤维与纯铝（或铸造铝合金、铝铜合金等）组成 的复合材料。 特点：具有高的比强度、比模量，硬度高。 应用：用于制造飞机机身结构件及汽车发动机的活塞、连杆 等。 （2）纤维―钛合金复合材料 由硼纤维或改性硼纤维、碳化硅纤维与钛合金（Ti—6Al—4V） 组成。它具有低密度、高强度、高弹性模量、高耐热性、低热膨胀 系数的特点。 （3）纤维―铜（或合金）复合材料 由石墨纤维与铜（或铜镍合金）组成的材料。为了增强石墨纤 维和基体的结合强度，常在石墨纤维表面镀铜或镀镍后再镀铜。石 墨纤维增强铜或铜镍合金复合材料具有高强度、高导电性、低的摩 擦因数和高的耐磨性，以及在一定温度范围内的尺寸稳定性。 4．纤维―陶瓷复合材料 用碳（或石墨）纤维与陶瓷组成的复合材料能大幅度提高陶瓷 的冲击韧性和抗热振性，降低脆性，而陶瓷又能保护碳（或石墨） 纤维在高温下不被氧化。因而这类材料具有很高的强度和弹性模量。 除上述三大类纤维增强复合材料外，近年来研制了多种纤维增 强复合材料，例C/C复合材料、混杂纤维复合材料等。 二、叠层复合材料 叠层复合材料是由两层或两层以上不同材料结合而成。 1．双层金属复合材料 将性能不同的两种金属用胶合或熔合铸造、热压、焊接、喷涂 等方法复合在一起，以满足某种性能要求的材料。 2．塑料—金属多层复合材料 典型代表是SF型三层复合材料，如图6-4所示。 三、粒子增强型复合材料 1．颗粒增强复合材料（d>1μm，体积分数φv>20%） 金属陶瓷是常见的颗粒增强复合材料。硬质合金就是以TiC、 WC（或TaC）等碳化物为基体，以金属Ni、Co为粘合剂，将它们用 粉末冶金方法经烧结所形成的金属陶瓷。 2．弥散强化复合材料（d=0.01～0.1μm, φv=1%～15%） 随着科学技术的进步，一大批新型复合材料将得到应用。例如， C/C复合材料、金属化合物复合材料、纳米复合材料、功能梯度复合 材料、智能复合材料及体现复合材料“精髓”的“混杂”复合材料 将得到发展及应用。21世纪将是复合材料大力发展的时代。