3.复合材料的原材料按材料在结构复合物中的作用，可分为基体材料和增强相材料，其中基体材料按材质又包括聚合物（有机材料）、金属材料、陶瓷材料等；而增强材料按形态可分成纤维、晶须、颗粒增强材料等几类。

本章主要对纤维与晶须的制备方法及其在复合材料中的作用进行介绍。

作为复合材料强化体的纤维•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。

•纤维是指一个方向上的尺寸很大，另外两个方向上的尺寸很小的增强体的总称纤维的名称纤维（总称）：Fiber✓连续纤维（长纤维）：Continuous Filament or Filament✓短纤维（不连续纤维）：Stable or Discontinuous filament✓一根纤维：Mono Filament✓多根纤维：Multi Filament✓晶须：Whiskercattle moo-cow moggy calf ox beef beefsteak cowhide milk纤维束的名称纤维束：Bundle不整齐的纤维束：Tow长纤维的纤维束：Strand长纤维的纤维束的单位：End切为一定长度的长纤维束：Chopped strand•丝：Yarn•单丝：Single yarn•两根以上长纤维并丝：Roving•索（细丝并拧成粗丝）：Cord or Rope •梳条（排列整齐的纤维）：Sliver非织布：Mat 短纤维或长纤维无定向配置，辊压而成非织布（毡）：Felt布：Cloth 由经纬编织而成，有平纹Plain、斜纹Twill、缎纹Satin等带：Tape 宽度较窄，长度长3.1 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。

3.1.1 陶瓷纤维的发展过程1940 1950 19601970玻璃纤维强化不饱和环氧树脂预测晶须强化复合材料钛酸钾晶须（Du Pont）硼纤维的开发（AFML）人造丝系碳纤维的开发（UCC）PAN系碳纤维的开发硼纤维强化塑料高弹性、高强度碳纤维的开发（Watt）沥青系碳纤维的开发（Ohtani）碳纤维强化塑料、硼纤维强化铝等复合材料开发的推广CVD-SiC纤维的开发（Galasso）用稻壳合成SiC晶须PC-SiC纤维的开发（Yajima）Al2O3纤维的开发Fiber-FP (Du Pont)Nextel (3M)Altex (Sumitomo Chemistry)3.1.1 陶瓷纤维的发展过程（续）1980 1990Si-Ti-C-O纤维的开发（Ube Kogyo）下一代复合材料的研究开发Si-C-N纤维的开发（HPZ，Dow corning）PC-SiC纤维的工业化（Japan Carbon Company）碳纤维的高强度化（<5.6GPa）Si-N-O系纤维的合成（Okamura）Si-Ti-C-O纤维的工业化（Ube Kogyo）高纯度Si3N4纤维的开发（Tonan Company）BN系纤维的开发(Kimura)AlN系纤维的开发(Du Pont)SiCN纤维的制造（Rhone-Poulenc）超耐环境先进复合材料的开发Al2O3纤维的开发（Almax）高性能Si系陶瓷纤维的开发（Japan Carbon，Ube Kogyo）高性能Si-C纤维的开发（Dow corning）复合材料在改革的气体发动机中的应用3.1.2 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。

陶瓷纤维产量的两个快速增长期•70年代后期到90年代中期，超高温陶瓷纤维的诞生，重视节能环保。

•2000年以后，5年间陶纤的产量由30万吨迅速增加到50万吨。

大量新型陶纤的开发和陶纤应用领域的不断拓展。

玻璃纤维的制造工艺例玻璃纤维玻璃纤维•无碱玻璃、耐药品的C玻璃、含碱的A玻璃、高拉伸强度的S玻璃以及特殊用途的玻璃。

•单位质量所具有的表面积是普通玻璃的1000倍。

必须充分注意耐风化性、耐药品性，表面电阻等。

•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。

•玻璃纤维的最大特征是拉伸强度高，E玻璃3400MPa，S 玻璃4800MPa。

•玻璃长纤维的70%以上用于强化树脂。

玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维3.1.3 高熔点金属纤维种类：Ta、Mo、W、Nb、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性✓热膨胀系数存在有差异产生热膨胀与收缩的不匹配3.1.4 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等。

其特性也因原材料而有所差别。

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。

碳纤维（以沥青为原料）沥青（相对分子质量500）平面缩合芳香环分子（分子质量大于1000）加热350℃脱水缩合反应高分子量分子数量增多表面张力作用从均质沥青中分离出液晶液晶连续相沥青液晶纤维数量超过40%纺丝碳化碳纤维碳纤维（以PAN为原料）p oly a crylo n itrile 聚丙烯腈原丝制造改性的丙烯纤维安定化硫酸脱氢，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，脱氢反应表面处理表面形成氢氧基，或涂有机聚合物精整稳定纤维尺寸碳纤维各种碳纤维的力学性能延伸率（%）原料抗拉强度（MPa）弹性模量（GPa）68639 1.8人造丝（低弹性模量丝）27444900.6人造丝（高弹性模量丝）沥青（低弹性模量丝）78439 2.0沥青（高弹性模量丝）2450343～4900.5～0.7 PAN（高强度丝）3430225 1.5 PAN（高弹性模量丝）24503920.6碳纤维镀镍碳纤维碳短纤维碳纤维织物碳纤维不织布碳纤维制备方法及相应的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；杂志影响性能 PAN纤维：基础研究全面，工艺成熟碳纤维的价格（美圆/kg）年代197519801985199019952000价格2008050212017碳纤维国内主要研究与生产单位上海交通大学北京化工大学湖南大学山西煤炭化学研究所北京航空材料研究院沈阳飞行设计研究所全国特种合成纤维研究中心历史与现状●20世纪60年代起步●70年代中试●强度2.5GPa，与日本相差5年●75、85、95为攻克T300 （日本已经淘汰）●年产数十吨（美国A厂1800吨，37440万美圆）碳纤维该领域的主要课题与研究热点●需要解决的课题：原丝质量、原始创新、自力更生、精诚协作优质原丝是生产高性能碳纤维的前提。

高纯、高强、高取向度预氧化是控制碳纤维质量的重要因素。

防熔、防燃，耐热梯形结构碳化和石墨化工艺是制备高性能碳纤维的关键。

高纯氮气或氩气保护，脱氮交联，排除非碳元素，瞬时排出热解产物3.1.5 硼纤维•硼纤维是以钨丝为芯线，用化学气相沉积（CVD）的方法制备的。

它具有优异的力学性能。

虽然价格很高，但性能稳定，偏差小，是信赖性很高的一种纤维。

•比较：✓玻璃纤维——熔融纺丝✓金属纤维——拔丝✓碳纤维——制成丝后氮化硼纤维•又称硼丝，耐高温的无机纤维。

抗拉强度3500MPa，弹性模量400GPa，密度是钢材的1／4，抗压缩性能好。

强度和弹性为纯铝的20~30倍，是高强度合金的7~10倍。

•硼纤维是1958年出世的，本身就是一种复合材料。

它是以钨丝为芯线，用化学气相沉积（CVD）的方法制备的。

硼纤维•将所需金属或非金属的化合物盐（主要为挥发性卤化物）气化，与H 2等气体一起加热，并使其与基体接触。

由于热分解或还原反应，就可以使金属或化合物在基体上析出。

该过程称为化学气相沉积。

•将BCl 3与作为载体的H 2一起加热，并使其在钨丝或者碳丝上流过，发生下述反应。

2BCl 3+3H 2→2B+6HCl则可在细丝上析出硼，以适当的速度拉卷细丝，则可以得到硼纤维。

H 2+BCl 3H 2+HCl H 2反应区预热区芯线卷线轴硼纤维•在硼纤维开发的初期，作为芯线大多是钨丝芯线（纤维为100μm 时，芯线为13μm ，150μm 时为约20μm ），后来从成本上考虑，多使用碳的芯线（约30μm ）。

一般市场上所出售的硼纤维直径为150μm ，实际应用中还可以再粗一些：例如300μm 。

析出速度BCl 3的流量芯线的温度芯线拉卷速度反应槽的长度随着温度的升高而增大过高：晶化使晶界变弱，与芯线反应生成脆性层过低：硼之间的结合力变弱最佳温度范围硼纤维•特点：•与碳纤维等相比，硼纤维直径较粗、强度也高•不能采用像碳纤维那样的成形方法。

另外，此类纤维不适宜用于曲率半径小的部分和非常薄的板3.1.6 SiC纤维•与金刚石相同的结构，且其合成比金刚石容易得多。

•良好的热稳定性与导热率，且密度低、强度与刚性高，是复合材料中很具魅力的强化材料。

SiC纤维CVD-SiC纤维将有机硅化合物与氢气在1000℃以上加热，在钨丝（12μm）上沉积SiC。

以沥青系碳纤维为芯线（约30μm）的SiC/C纤维。

为了提高该类纤维与基体的结合性，在纤维的表面再沉积一层碳。

商品牌号:SCS-2，SCS-6，SCS-8，SCS-9等。

（例如SCS-2是在纤维表面涂有1μm厚的碳层。

SCS-9是直径为80μm的较细的纤维。

）特性：CVD-SiC/C纤维用于Si3N4基复合材料时表现出了优异的高温强度。

SiC纤维PC-SiC纤维(前驱体法)•将以有机硅聚合物为形式的硅，与碳为主的材料进行多羧硅烷纺丝，经热氧化不熔处理后，烧成而制。

•成分接近Si3C4O。

以β-SiC为主。

•纤维直径为～14μm•在1200～1300℃烧成时可获得最高的抗拉强度与弹性模量。

SiC纤维•结构：热分解碳呈2～5nm的结晶状态。

Si的氧化物呈非晶状态，彼此均匀分布。

•物理性能：电阻率随烧成温度而异。

可在106～103Ωcm的范围变化。