3.2 增强材料（第六讲）
3.2.1 纤维增强体 纤维：几至几十微米的多晶材料或非晶材料 晶须：约1微米的近单晶或单晶材料）
3.2.2 颗粒增强体
第3章复合材料的原材料
3.2.1 纤维增强体
一、长纤维（玻璃、高熔点金属、碳、硼纤维、 SiC 纤维 、 Al2O3纤维、 Si3N4系纤维、BN系、AlN系纤 维、芳伦纤维、陶瓷纤维） 二、晶须（SiCw、Si3N4w、钛酸钾晶须（KTw）、 硼酸铝晶须（AlBw）、氧化锌晶须（ZnOw）、石 墨晶须（Grw））
美国生产，用于碳-碳复合材料。但是由于其碳化收得 率较低（约25%），且性能与其它碳纤维相比较低，现 在已逐渐被PAN原料的碳纤维所取代。
第3章复合材料的原材料
2） 以沥青作为原材料
沥青 （相对分子质量500）
加热350℃ 脱水缩合反应
平面缩合芳香环分子 （分子质量大于1000）
液晶连续相
数量超过40%
225 392
第3章复合材料的原材料
延伸率（%）
1.8
0.6
2.0 0.5～0.7
1.5 0.6
碳纤维
第3章复合材料的原材料
镀镍碳纤维
第3章复合材料的原材料
碳短纤维
第3章复合材料的原材料
碳纤维织物
第3章复合材料的原材料
碳 纤 维 不 织 布
第3章复合材料的原材料
碳纤维小结
➢ 纤维素纤维：复杂应力，石墨化，收得率低 ➢ 沥青纤维：原料便宜，收得率高；杂质影响性能 ➢ PAN纤维：基础研究全面，工艺成熟
第3章复合材料的原材料
4）各种碳纤维的力学性能
原料
抗拉强度（MPa）
人造丝（低弹性模量丝）
686
弹性模量 （GPa）
39
人造丝（高弹性模量丝） 2744
沥青（低弹性模量丝） 沥青（高弹性模量丝） PAN（高强度丝） PAN（高弹性模量丝）
784 2450 3430 2450
490
39 343～490
聚丙烯腈（PAN）基碳纤维有两大类，即大丝束 碳纤维（LT）和小丝束碳纤维（CT）。20世纪90年代 中期以前世界上生产的都是CT型碳纤维。1996年美国 在LT型碳纤维技术上取得重大突破并进行了工业化生 产，生产出位伸强度可以与CT型碳纤维相媲美的LT型 碳纤维，逐渐取代了原来由CT型碳纤维独占的军事国 防、航空航天、体育休闲等应用领域，进而广泛地向 其他领域渗透和发展。
第3章复合材料的原材料
玻璃纤维绳
第3章复合材料的原材料
玻璃纤维带
第3章b、Ni与不锈钢纤维等 ➢制备方法：拔丝 ➢特点：直径可以自由地选择。通常10～600μm。 ➢优点：
✓ 断裂之前可以有百分之几的延伸率 ✓ 复合后断裂能量大幅提高 ✓ 具有导电性 ✓ 可以获得一些新的性能
碳纤维的价格 （美圆/kg）
年代 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 价格 200 80 50 21 20 17 12-15
第3章复合材料的原材料
一、 长纤维
作为复合材料强化体的纤维，从材质上讲可 以是金属，氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等 陶瓷，从形态上可以是长纤维（连续纤维）、短 纤维、晶须。现在的长纤维的直径可以从7μm到 140μm。由于制备技术的开发与进步，几乎所有 的无机化合物都可以制成纤维。陶瓷材料纤维化， 特别是制成连续纤维，有利于充分发挥其特性。 随着复合材料的发展，也不断开发出具有新的特 征的纤维。
第3章复合材料的原材料
1. 玻璃纤维
将玻璃加热至熔融状态， 使其从漏嘴流出，再进行高 速拔丝的方法。而且一般是 使用多个漏嘴，同时纺丝。 用这种方法既可制备连续纤 维，也可以制备短纤维。 第3章复合材料的原材料
玻璃纤维
• 由于玻璃纤维的直径很小，单位质量所具有的表面积是普 通玻璃的1000倍。所以对于普通玻璃来说不会成为问题的 耐风化性、耐药品性，表面电阻等，对于玻璃纤维来说都 必须充分注意。例如玻璃纤维表面可能与空气中的水分反 应，产生风化，使强度等下降。连续纤维的直径为3，4，5， 6，7，9，10，13，16，24μm等。短纤维的直径多为5～ 20μm。
第3章复合材料的原材料
•玻璃纤维的最大特征是拉伸强度高 比如，一根连续纤维的拉伸强度，E玻璃(无碱
硼硅酸铝玻璃纤维)可达3400MPa，而S玻璃(聚乙烯 醇缩丁醛、改性酚醛玻璃纤维)可达4800MPa。
•玻璃长纤维的70%以上用于强化树脂，其余的多用 于电绝缘，工业机器等。
第3章复合材料的原材料
玻璃纤维丝
纺丝
沥青液晶纤维
从均质沥青中 分离出液晶
高分子量分子数量增多 表面张力作用
碳化
碳纤维
第3章复合材料的原材料
3） 以PAN作为原材料
原丝 制造
改 性 的 丙 烯 纤 维
稳定
化
硫 酸 脱 氢 ， 桥 接 反 应 ， 嘧 啶 聚 合 物
碳化
在 氮 气 中 加 热 一 千 至 两 千 度
稳定 化
碳 、 氮 等 结 合 反 应 ， 脱 氢 反 应
第3章复合材料的原材料
精整
稳 定 纤 维 尺 寸
表面
处理
表 面 形 成 氢 氧 基 ， 或 涂 有 机 聚 合 物
PAN基碳纤维因其具有的高强度、高刚度、重量 轻、耐高温、耐腐蚀、优异的电性能等特点，在与其 他纤维的竞争中发展壮大。目前世界主要聚丙烯腈 （PAN）基碳纤维生产厂家的总生产能力已达到31650 吨的规模，仅次于芳纶，跃居世界高性能纤维的第二 位。
碳纤维最突出的优点是： • 强度高、模量高、密度小； • 耐高温，可在2000摄氏度使用，3000摄氏度非氧化真氛中不熔
不软； • 耐酸，能耐浓盐酸、硫酸、磷酸、苯、丙酮等介质浸蚀； • 热膨胀系数小，约等于零； • 热导率高； • 导电性好； • 摩擦系数小并具润滑性第。3章复合材料的原材料
1） 以人造丝作为原材料 该方法最早是1959年开发的。该类纤维主要是在
第3章复合材料的原材料
➢缺点与主要问题
✓密度较大 ✓纤维高温下的氧化 ✓再结晶等引起纤维的脆 ✓热膨胀系数存在有差异产生热膨胀与收缩的不 匹配
第3章复合材料的原材料
3. 碳纤维
碳纤维可以用以下原材料制得：人造丝、石油（或煤的蒸溜 残碴）以及PAN（聚丙烯腈(polyacryonitrile;PAN)系碳纤维）等。 其特性也因原材料而有所差别。