工程材料网络课程 6 复合材料 6.3 复合材料的增强材料

发布日期:[13-02-13 19:49:38] 浏览人次:[]

复合材料增强体材料按形态可分成:纤维、晶须、颗粒增强材料等几类。

复合材料增强剂的特点:

1、具有很低的比重

2、组成这些化合物的元素大都处在元素周期表中的第二、第三周期

3、它们大多数都是以结合力很强的共价键结合

4、具有很高的比强度、比刚度和高温稳定性

一、纤维(Fiber)

1、无机纤维

1-1、玻璃纤维(Glass Fiber)

1-2、碳纤维

1-3、硼纤维(Boron Fiber)

2、陶瓷纤维

2-1、氧化铝纤维 (Alumina Fiber )

2-2、碳化硅纤维

3、有机纤维

3-1:Kevlar 纤维

3-2:聚乙烯纤维(Polythylene ,PE)

4、PBO纤维

玻璃纤维(Glass Fiber)

玻璃纤维是由各种金属氧化物的硅酸盐经熔融后以快的速度抽丝而成。质地柔软,可纺织成各种玻璃布、带等。伸长率和热膨胀系数小,耐腐蚀,耐高温性能较好,价格便宜,品种多。缺点是不耐磨、易折断,易受机械损伤。

碳纤维

碳纤维是由有机纤维在惰性气氛中加热至1500℃所形成的纤维状碳材料,其碳含量为90%(质量分数)以上,纤维结构为沿纤维轴向排列的不完全石墨结晶、各平行层原子堆积不规则,缺乏三维有序,呈乱层结构。如果将碳纤维在2500℃:以亡进一步做碳化,其碳含量大于99%(质量分数),碳纤维已由乱层结构向一维有序的石墨结构转化,称为石墨纤维。碳纤维和石墨纤维层面主要是以碳原子共价键相结合,而层与层之间主要由范德华力相连接,因此碳纤维是各向异性材料.

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

室温下硼纤维的化学稳定性好,但表面具有活性,不需要处理就可与树脂复合,其复合材料具有较高的层间剪切强度。对于含氮化合物亲和力大于含氧化合物。但在高温下易与大多数金属反应,需要在纤维表面沉积保护涂层,如SiC和B4C等。

硼纤维主要用于聚合物基和铝基复合材料。

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。

二、晶须(Whisker)

晶须是指具有一定长径比和截面积小于 5210-5cm2的单晶纤维材料。其直径为0.1到几个微米, 长度为数十到数千微米。但具有实用价值的晶须的直径约为1-10微米,长径比在5–100之间。晶须是含缺陷很少的单晶纤维,其拉伸强度接近其纯晶体的理论强度。

三、颗粒(Particle)

具有高强度、高模量、耐热、耐磨、耐高温的陶瓷和石墨等非金属颗粒,加入到基体材料中起提高耐磨、耐热、强度、模量和韧性的作用。其成本低,易于批量生产。

还有一种颗粒增强体称为延性颗粒增强体(Ductile Particle Rein for cement),主要为金属颗粒,一般是加入到陶瓷基体和玻璃陶瓷基体中起到增韧作用。如Al2O3中加入Al、Ni,WC中加入Co等。金属颗粒的加入使材料的韧性显著提高,但高温力学性能有所下降。

颗粒名称 密度 g/cm3 熔点°C 热膨胀系数 10-6 /°C 弯曲强度 MPa 弹性模量 GPa
SiC 3.21 2700 4.0 400~500  
B4C 2.52 2450 5.73 300~500 360~460
TiC 4.92 3300 7.4 500  
Al2O3   2050 9    
Si3N4 3.2 2100 2.5~3.2 900 330
Al2O32Si02 3.17 1850 4.2 ~1200  
TiB2 4.5 2980      
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