复合材料第四章复合材料的增强材料

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1、第四章复合材料的增强材料在复合材料中，粘结在基体内以改进其机械性能的高强度材料称为增强材料。增强材料有时也称作增强体、增强剂等。1增强材料共分为三类：①纤维及其织物②晶须③颗粒2一、纤维如，植物纤维－－－棉花、麻类；动物纤维－－－丝、毛；矿物纤维－－－石棉。天然纤维强度较低，现代复合材料的增强材料用合成纤维。3纤维在复合材料中起增强作用，是主要承力组分。纤维不仅能使材料显示出较高的抗张强度和刚度，而且能减少收缩，提高热变形温度和低温冲击强度等。4复合材料的性能在很大程度上取决于纤维的性能、含量及使用状态。如聚苯乙烯塑料，加入玻璃纤维后

2、，拉伸强度可从600MPa提高到1000MPa，弹性模量可从3000MPa提高到8000MPa，其热变形温度可从85℃提高到105℃，使-40℃以下的冲击强度可提高10倍。5纤维可分为有机纤维和无机纤维6（一）有机纤维芳纶纤维聚乙烯纤维尼龙纤维7１、芳纶纤维芳纶纤维是指日前巳工业化生产并广泛应用的聚芳酰胺纤维。国外商品牌号叫凯芙拉(Kevlar)纤维，我国暂命名为芳纶纤维，有时也称有机纤维。8芳纶纤维的历史很短，发展很快。1968午美国杜邦公司开始研制。1972年以B纤维为名发表了专利并提供产品。　　1972年又研制了以PRD--49

3、命名的纤维。1973年正式登记的商品名称为ARAMID纤维。9ARAMID纤维包括三种牌号的产品，并重改名称。PRD--49--IV改称为芳纶--29；PRD--49--III改称为芳纶--49；B纤维改称为芳纶。10芳纶、芳纶--29、芳纶--49这三种牌号纤维的用途各不相同。芳纶主要用于橡胶增强，制造轮胎、三角皮带、同步带等；芳纶--29主要用于绳索、电缆、涂漆织物、带和带状物，以及防弹背心等。芳纶--49用于航空、宇航、造船工业的复合材料制件。11自1972年芳纶纤维作为商品出售以来，产量逐年增加。其原因是由于该纤维具有独特的功

4、能，使之广泛应用到军工和国民经济各个部门。12(1)芳纶纤维的性能特点A、芳纶纤维的力学性能；Ｂ、芳纶纤维的热稳定性；Ｃ、芳纶纤维的化学性能。13A、芳纶纤维的力学性能芳纶纤维的特点是拉伸强度高。单丝强度可达3773MPa；254mm长的纤维束的拉伸强度为2744MPa，大约为铝的5倍。芳纶纤维的冲击性能好，大约为石墨纤维的6倍，为硼纤维的3倍，为玻璃纤维0.8倍。14芳纶纤维的弹性模量高，可达1.27~1.577MPa，比玻璃纤维高一倍，为碳纤维0.8倍。芳纶纤维的断裂伸长在3％左右，接近玻璃纤维，高于其他纤维。15芳纶纤维与碳纤维

5、混杂将能大大提高纤维复合材料的冲击性能。芳纶纤维的密度小，比重为1.44~1.45，只有铝的一半。因此，它有高的比强度与比模量。16下表为芳纶纤维的基本性能17Ｂ、芳纶纤维的热稳定性芳纶纤维有良好的热稳定性，耐火而不熔，当温度达487℃时尚不熔化，但开始碳化。18因此，芳纶纤维在高温作用下，不发生变形，直至分解。如，能长期在180℃下使用；在150℃下作用一周后强度、模量不会下降；即使在200℃下，一周后强度降低15％，模量降低4％；另外，在低温(-60℃)不发生脆化亦不降解。19和碳纤维一样，芳纶纤维的热膨胀系数具有各向异性的特点。

6、如，芳纶纤维的纵向热膨胀系数在0~100℃时为-2×10-6/℃；在100~200℃时为-4×10–6/℃。横向热膨胀系数为59×10-6/℃20Ｃ、芳纶纤维的化学性能芳纶纤维具有良好的耐介质性能，对中性化学药品的抵抗力一般是很强的，但易受各种酸碱的侵蚀，尤其是强酸的侵蚀；21芳纶纤维的耐水性也不好，这是由于在分子结构中存在着极性酰氨基；湿度对纤维的影响，类似于尼龙或聚酯。在低湿度(20％相对湿度)下芳纶纤维的吸湿率为1％，但在高湿度(85％相对湿度)下，可达到7％。22（２）芳纶纤维的结构芳纶纤维是对苯二甲酰与对苯二胺的聚合体，经溶

7、解转为液晶纺丝而成。它的化学结构式如下：23从上述化学结构可知，芳纶纤维材料的基体结构是长链状聚酰胺，即结构中含有酰氨键，其中至少85％的酰氨直接键合在芳香环上.24键合在芳香环上刚硬的直线状分子键在纤维轴向是高度定向的，各聚合物链是由氢键作横向连结。这种在沿纤维方向的强共价键和横向弱的氢键，是造成芳纶纤维力学性能各向异性的原因，即纤维的纵向强度高，而横向强度低。25芳纶纤维的化学链主要由芳环组成。这种芳环结构具有高的刚性，并使聚合物链呈伸展状态而不是折叠状态，形成棒状结构，因而纤维具有高的模量。26芳纶纤维分子链是线性结构，这又使纤

8、维能有效地利用空间而具有高的填充效率的能力，在单位体积内可容纳很多聚合物。这种高密度的聚合物具有较高的强度。27由于芳纶纤维具有规整的晶体结构，因此，它具有化学稳定性、高温尺寸稳定性、不发生高温分解以及在很高温度下不致热