材料性能增强的方法与技术

2023-07-18 理论教育版权反馈

【摘要】：一般凡能提高基体材料力学性能的物质均称为增强材料。以树脂为基体、用作结构件的复合材料，大都以纤维材料作为增强材料。如某原纱的支数为160支，即表示该种原纱1 g重长度为160 m。碳纤维的密度较小，密度为1.5～2.1 g/cm3。通用级碳纤维是拉伸强度小于1.0 GPa、拉伸模量小于100 GPa 的碳纤维；高性能碳纤维包括中模型、高模型、超高模型、高强型和超高强型碳纤维。

一般凡能提高基体材料力学性能的物质均称为增强材料。以树脂为基体、用作结构件的复合材料，大都以纤维材料作为增强材料。在纤维增强树脂基复合材料中，纤维的高强度、高模量性能使它成为理想的承载体，而黏结性能好、模量较低的基体树脂把纤维牢固地黏结起来，同时基体又能使外加的载荷均匀分布，并传递到纤维上去。这里主要介绍玻璃纤维、碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维、亚苯并双χ唑纤维等纤维增强材料。

1.玻璃纤维

玻璃纤维是由熔化的玻璃液以极快的速度抽拉成细丝状玻璃，是由多种金属氧化物的混合物构成的一种无定形的物质，其化学组成主要是二氧化硅以及钙、铝、硼等的氧化物。玻璃纤维表面光滑，断面为圆形，纤维直径一般为2～22μm。它质地柔软，可并股、加捻成玻璃纤维纱，再纺织成玻璃带、玻璃布等纤维制品。

（1）玻璃纤维的分类

玻璃纤维的种类很多，根据玻璃的化学成分和特性的不同，可以分为无碱玻璃纤维（E玻璃）、低碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维、耐酸玻璃纤维（C 玻璃）、高强玻璃纤维（S 玻璃）、高强高模玻璃纤维（M 玻璃）、介电玻璃纤维（D 玻璃）、高硅氧玻璃纤维、石英玻璃纤维等。航空复合材料常用的玻璃纤维有无碱玻璃纤维、高强玻璃纤维和高强高模玻璃纤维等。

（2）玻璃纤维的性能

①玻璃纤维是一种具有脆性的弹性材料，拉伸强度较高，超过了天然纤维、合成纤维以及普通钢材。玻璃纤维的强度与直径有关，一般纤维越细，强度越高。玻璃纤维的弹性模量较低，一般为70～90 GPa，与纯铝的弹性模量相近，只有普通钢材弹性模量的1/3，这是玻璃纤维的主要缺点之一。

②玻璃纤维是一种耐腐蚀材料，它对酸、碱、盐及各种有机溶剂都有较好的耐蚀性。玻璃纤维的耐蚀性与纤维直径有关，耐蚀性随直径的减小而降低。

③玻璃纤维的电绝缘性能和高频介电性能优良，因此可用作飞机的雷达罩、天线保护罩等复合材料件的增强材料。

④玻璃纤维的热膨胀系数较低，导热系数较低，耐热性较好，玻璃纤维的耐热性取决于玻璃的组成。

⑤玻璃纤维有一定的吸湿能力。吸湿后纤维的力学性能和电学性能下降，特别是影响纤维与树脂的黏结力，因此应注意防潮。

（3）玻璃纤维的规格

为了区分玻璃纤维的规格，常用纱的支数和合股数表示。

原纱支数：1g重原纱的长度米数称为原纱支数，用β表示，支数越大表示构成原纱的单丝越细。

β=L/G

式中：β——原纱支数；L——G 克重原纱的长度米数；G——原纱重量克数。如某原纱的支数为160支，即表示该种原纱1 g重长度为160 m。

合股数：在工程上使用一根原纱往往太细，而需将几根原纱合起来用，这时每根原纱为一股，几根原纱合起来称几股，股数用N 表示。合起来的原纱称为合股纱，在构成合股纱时，有时对原纱加捻，加捻程度以捻度表示，指每米长原纱加多少转捻。

合股纱支数（公制支数）：合股纱每克重的长度米数，等于原纱支数除以合股数。

此外，国际上还使用“特”（TEX）来确定纱的支数，它是指1000 m 长原纱的重量克数。例如，4TEX表示1000 m长的原纱重4 g。

玻璃纤维纱一般分为无捻和有捻两种，无捻纱对胶液的浸润性较好，强度较高，成本较低，但在成形过程中易磨损、起毛及断头，有捻纱的特点与其相反。

（4）玻璃纤维的制品形式

玻璃纤维应用广泛，具有多种制品形式。玻璃纤维制品形式包括纱线类、织物类、毡材类以及其他类型制品。不同的制品形式适用于不同的成形工艺，并且影响复合材料制件的性能。

2.碳纤维

碳纤维是纤维中含碳量在95%左右的碳纤维和含碳量在99%左右的石墨纤维的统称。碳纤维的基本结构是不完整的石墨层片，几个至几十个石墨层片形成乱层石墨微晶，石墨微晶沿碳纤维轴向优先取向形成原纤维结构，原纤维结构、无定形碳、孔洞、杂质等构成碳纤维。碳纤维的密度较小，密度为1.5～2.1 g/cm3。

（1）碳纤维的分类

碳纤维是由有机物经固相反应转化成的三维碳化合物，转化过程中原料不同或炭化历程不同，形成的产物结构就不同，性能也各异。

碳纤维种类很多，按照先驱体纤维原丝类型通常将碳纤维分为黏胶基（人造丝基）碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维以及沥青基碳纤维。采用不同先驱体纤维原丝类型生产的碳纤维，其力学性能有所差别。一般而言，聚丙烯腈难以石墨化，容易得到高强度纤维；沥青易于石墨化，容易得到高模量纤维。聚丙烯腈基碳纤维的单丝直径为5.0～8.4 μm，而沥青基碳纤维的单丝直径约为10 μm。航空航天复合材料构件主要采用聚丙烯腈基碳纤维。

按照力学性能可以将碳纤维分为通用级碳纤维和高性能碳纤维。通用级碳纤维是拉伸强度小于1.0 GPa、拉伸模量小于100 GPa 的碳纤维；高性能碳纤维包括中模型、高模型、超高模型、高强型和超高强型碳纤维。目前，超高模型碳纤维弹性模量可以达到800 GPa 以上，超高强型碳纤维拉伸强度可以达到7.0 GPa 以上。

（2）碳纤维的性能

①碳纤维具有高强度、高模量的突出特点，其比强度、比模量远高于合金钢、铝合金和钛合金。同时，碳纤维的脆性大、抗冲击性差，其破坏方式与玻璃纤维一样，属于脆性破坏，并且断裂伸长率也比较低。与玻璃纤维相比，碳纤维的弹性模量较高，而断裂伸长率较低。

②碳纤维耐热性好，在高温下力学性能仅有少许下降。碳纤维热膨胀系数小，尺寸稳定性好，由于碳纤维与一般树脂基体的热膨胀系数相差较大，导致碳纤维复合材料固化后冷却过快或经受高低温变化时，易产生裂纹。

③碳纤维沿纤维轴向具有良好的导电性，其电阻率与纤维类型有关，碳纤维的石墨化程度越高，导电性能越好。碳纤维的电动势为正值，因此碳纤维复合材料与铝合金等组合应用时会发生电化学腐蚀。

④碳纤维不耐氧化，在空气中当温度高于400℃时出现明显的氧化。除了被氧化剂氧化外，碳纤维具有优良的耐化学腐蚀性，不被一般的酸、碱、溶剂所侵蚀，比玻璃纤维具有更好的耐腐蚀性。碳纤维在潮湿空气中不会像玻璃纤维一样发生水解，有较好的耐水性和耐湿热老化性。

⑤碳纤维与树脂的黏结能力比玻璃纤维差，因此通常使用碳纤维制备的树脂基复合材料层间剪切强度较低，这是碳纤维的缺点之一。

⑥碳纤维表面光滑且惰性大，与基体相溶性差，不能很好地黏合，界面中存在较多的缺陷，降低了碳纤维复合材料的层间剪切性能。因此，通常要对碳纤维表面进行处理，处理方法主要有氧化法、涂层法、电解法和等离子处理法等。经处理的碳纤维表面与基体有较好的黏合性能，可充分发挥碳纤维的力学性能，处理后的碳纤维的各项物理性能都得到了明显提高。

（3）碳纤维的制品形式

碳纤维具有多种制品形式，可以满足不同的复合材料制造工艺要求，包括长纤维、短纤维，碳纤维平纹布、缎纹布、斜纹布，碳纤维带、绳、毡、宽幅无纺布和碳纤维三维织物等。

3.芳纶纤维

芳纶纤维是芳香族聚酰胺类纤维的通称，国外的商品牌号为凯芙拉（Kevlar）纤维。芳纶纤维是一种具有高比模量、高比强度的有机纤维，密度很小，一般为1.43～1.47 g/cm3，比玻璃纤维大约低40%，比常用的碳纤维大约低20%。

芳纶纤维的分子链沿纤维轴向取向，具有“芯—皮”结构，一般皮层的取向比较完整，而芯部有部分分子链折叠。芳纶纤维的取向决定了它的性能是各向异性的，沿纤维轴向的强度和模量要高于垂直于纤维方向的强度和模量。

（1）芳纶纤维的制品形式

芳纶纤维的品种很多，常用的有第一代产品凯芙拉29 和凯芙拉49 型以及第二代产品凯芙拉Hx 系列，包括Ht 型（高强型）凯芙拉129，Hm 型（高模型）凯芙拉149 和He 型（高伸长型）凯芙拉119 等。应用于复合材料的凯芙拉纤维主要有凯芙拉49、凯芙拉149 和凯芙拉119，其中以凯芙拉49 应用最多。

芳纶纤维的制品形式有连续长丝纱、无捻粗纱、短切纤维、热塑性树脂浸渍纤维束和可热成形的复合材料片材等。芳纶连续长丝纱可以纺织成单向带或平纹、斜纹、缎纹织物，也可以直接用于缠绕和拉挤成形工艺。

（2）芳纶纤维的性能

①芳纶纤维的拉伸强度和拉伸模量都较高，而纤维的密度低，因此具有很高的比强度和比模量。芳纶纤维具有较好的韧性，不像碳纤维、玻璃纤维那样脆，并且容易纺织，纺织后纤维强度的保持率在90%以上。与其他纤维相比，芳纶纤维有突出的抗蠕变性能和耐疲劳性能。但芳纶纤维的抗压强度较低。

②芳纶纤维热膨胀系数小，尺寸稳定性好。芳纶纤维具有较好的热稳定性和耐低温性能，纤维本身耐火而不熔融。

③芳纶纤维是电绝缘体，芳纶纤维与金属不发生化学反应，介电性能比玻璃纤维好。

④芳纶纤维对大多数有机溶剂和化学品具有耐蚀性，但是能被强酸、强碱及氧化剂降解。芳纶纤维的吸湿性较大，吸湿后力学性能有所降低。

4.其他纤维

（1）超高分子量聚乙烯纤维

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维是由超高分子量（分子量大于300 万）聚乙烯经凝胶纺丝而成的一种高性能有机纤维的通称。

UHMWPE 纤维是一种线性聚合物，一般分子量为300 万～600 万，纤维沿轴向高度定向，并且分子链完全伸展。UHMWPE纤维的密度仅为0.97g/cm3，是凯芙拉纤维的2/3，是碳纤维的一半，与其他高性能纤维相比纤维直径较大。

UHMWPE纤维的比强度高，约为高强度碳纤维的2倍，比凯芙拉纤维高约40%；比模量也相当高，超过了一般的凯芙拉纤维和碳纤维。UHMWPE 纤维韧性很高，断裂时需要较大的能量，抗冲击性好。UHMWPE 耐疲劳性好，但存在蠕变问题，尤其是在高温承载环境中。

UHMWPE 纤维的耐腐蚀性强，电绝缘性好，吸湿率低，但耐热性较差，一般最高使用温度仅为110℃。UHMWPE 纤维难以与树脂基体结合，使得以其为增强材料的复合材料抗剪切性能较差。

（2）PBO 纤维

PBO 纤维即聚苯并双χ唑纤维，是一种液晶芳香族杂环聚合物。PBO 纤维是迄今为止有机纤维中强度和模量最高的纤维。

PBO 纤维力学性能好，强度和模量均超过钢丝，约是凯芙拉纤维的2 倍，而密度仅为1.52～1.55 g/cm3。PBO 纤维具有优良的抗冲击性、耐屈折性及耐磨性，吸湿率低，耐腐蚀性好，热解温度高，高温下不熔融。

材料性能增强的方法与技术

相关推荐