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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。
2
增强材料共分为三类：
① 纤维及其织物
② 晶须
③ 颗粒
3
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 。
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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。
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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,拉伸强度
可从 600 MPa提高到 1000 MPa,弹性模量 可从 3000
MPa提高到 8000 MPa,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。
6
纤维 可分为 有机纤维 和 无机纤维
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（一） 有机纤维
芳纶 纤维
聚乙烯 纤维
尼龙 纤维
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１、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 。
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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命名的纤维。
1973年正式登记的商品名称为 ARAMID纤维。
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ARAMID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 。
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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。
12
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 纤维具有独特的功能,使之
广泛应用到 军工 和 国民经济 各个部门。
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(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 。
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A, 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 3773 MPa； 254mm长的纤维束的拉伸强度
为 2744 MPa,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。
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芳纶纤维 的 弹性模量高,可达 1.27 ~ 1.577
MPa,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。
16
芳纶纤维 与 碳纤维 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 。
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下表为芳纶纤维的基本性能
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Ｂ,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 。
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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 。
20
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。
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 /℃
21
Ｃ、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 ；
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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％。
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（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，
经溶解转为 液晶 纺丝而成。它的化学结构式如下：
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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,
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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 。
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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 。
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芳纶纤维 分子链 是 线性结构,这又使纤维能
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 。
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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 不致热塑化 等特点。
29
通过电镜对纤维观察表明，芳纶是一种 沿轴
向排列 的有规则的 褶叠层结构 。
这种 褶叠层 结构的模型，可以很好地解释 横
向强度低, 压缩和剪切性能差 及 容易劈裂 的现象。
30
(3) 用 途
目前，芳纶纤维的总产量 43％用于 轮胎的
帘子线 (芳纶 --29),31％用于 复合材料, 17.5％
用于 绳索类 和 防弹衣, 8.5％用于 其他 。
31
以 树脂 作为 基体, 芳纶纤维 作为 增强相 所形
成的 增强塑料,简称 KFRP,它在 航空航天方面
的应用，仅次于 碳纤维,成为必不可少的材料。
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２,聚乙烯纤维（ Polyethylene,PE）
聚乙烯纤维作为目前 国际上最新的 一种有机
纤维，它具有以下四个特点：
超轻, 高比强度, 高比模量, 成本较低 。
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通常情况下,聚乙烯纤维 的 分子量 大于 106，
纤维的 拉伸强度 为 3.5 GPa,弹性模量 为 116 GPa，
延伸率 为 3.4%,密度 为 0.97 g / cm 3。可用于制
做 武器装甲, 防弹背心, 航天航空部件 等。
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相比于其它各种纤维材料,聚乙烯纤维 具有
许多种 优点 。
如：高 比强度,高 比模量 以及 耐冲击, 耐磨,
自润滑, 耐腐蚀, 耐紫外线, 耐低温, 电绝缘 等。
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聚乙烯纤维 的不足之处：
(1)熔点较低 （约 135℃ ）
(2)高温容易蠕变 。
因此仅能在 100℃ 以下使用。
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（ 二） 无机纤维
1,玻璃 纤维 2,特种玻璃 纤维
3,碳 纤维 4, 硼 纤维
5, 氧化铝 纤维 6,碳化硅 纤维
7, 氮化硼 纤维 8,其他 纤维
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１,玻璃纤维（ Glass Fibre,GF或 Gt）
1.1 玻璃纤维 及其 制品 ；
1.2 玻璃纤维的 结构 及 化学组成 ；
1.3 玻璃纤维的 物理性能 ；
1.4 玻璃纤维的 化学性能 。
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1.1 玻璃纤维及其制品
① 概 述
随着 玻璃钢 工业的发展,玻璃纤维 工
业也得到迅速发展。
国外 玻璃纤维的主要特点如下：
39
Ａ、普遍采用 池窑拉丝 新技术；
Ｂ、大力发展 多排多孔拉丝 工艺；
Ｃ、用于玻璃钢的 纤维直径 逐渐 向粗的方向 发展，
纤维直径为 14--24um,甚至达 27um；
Ｄ、大量生产 无碱纤维 ；
40
Ｅ、大力发展 无纺织 玻璃纤维织物, 无捻粗纱
和 短切纤维毡片 所占比例增加；
Ｆ、重视纤维 --树脂 界面 的研究,偶联剂的品
种 不断增加，玻璃纤维的 前处理 受到普遍重视。
41
我国 玻璃纤维工业 诞生于 1950年，当时只能
生产 绝缘材料用 的 初级纤维 。
1958年以后,玻璃纤维工业 得到迅速发展。
现在全国有大、小 玻璃纤维厂家 200多个，玻璃
纤维 年产量 为 5万吨，其中 无碱纤维 占 20％,中
碱纤维 占 80％,纤维直径 多数为 6--8um,正向粗
纤维方向发展。
42
池窑拉丝工艺 正在推广，重视 纤维 --树脂界
面 的研究,新型偶联剂 不断出现，许多玻璃纤维
厂使用 前处理工艺, 玻璃纤维工业的不断发展 促
进了我国复合材料及尖端科学技术的发展。
43
②玻璃纤维的分类
玻璃纤维的分类方法很多。通常从玻
璃 原料成分, 单丝直径, 纤维外观 及 纤维
特性 等方面进行分类 。
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1,以玻璃原料成分分类
这种分类方法主要用于 连续玻璃纤维 的分类。
一般以不同的 含碱量 来区分：
(1)无碱 玻璃纤维
(2)中碱 玻璃纤维
(3)有碱 玻璃纤维
(4)特种 玻璃纤维
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(1)无碱玻璃纤维 (通称 E玻纤 )：
是以 钙铝硼硅酸盐 组成的玻璃纤维，这种纤
维 强度较高, 耐热性 和 电性能 优良，能 抗大气侵
蚀, 化学稳定性 也好 (但 不耐酸 )。
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无碱玻璃纤维 最大的特点是 电性能好,因此
也把它称做 电气玻璃 。
现在，国内外大多数都使用这种 Ｅ破璃纤维
作为复合材料的 原材料 。
目前，国内规定其 碱金属氧化物含量 不大于
0.5％,国外一般为 1％左右。
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(2)中碱玻璃纤维
它是指碱金属氧化物含量在 11.5％ ~ 12.5
％之间的玻璃纤维。
国外没有这种玻璃纤维，它的主要特点是
耐酸性 好，但 强度 不如 E玻璃纤维高。它主要
用于 耐腐蚀领域 中,价格较便宜 。
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(3) 有碱玻璃 (A玻璃 )纤维
有碱玻璃 称 A玻璃,类似于窗玻璃及玻璃瓶
的 钠钙玻璃 。
此种玻璃由于 含碱量高, 强度低,对 潮气 侵
蚀极为 敏感,因而很少作为增强材料 。
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(4)特种玻璃纤维
如由纯 镁铝硅 三元组成的 高强玻璃纤维, 镁
铝硅系 高强高弹玻璃纤维, 硅铝钙镁系 耐化学介
质腐蚀 玻璃纤维，含 铅 纤维,高硅氧 纤维,石英
纤维等。
50
2．以单丝直径分类
玻璃纤维 单丝 呈 圆柱形,以其 直径的不同 可以分
为以下几种：
粗 纤维,30 um； 初级 纤维,20 um;
中级 纤维,10 ~ 20 um ；
高级 纤维,3 ~ 10um (亦称 纺织 纤维 )。
对于 单丝直径 小于 4 um的玻璃纤维称为 超细纤维 。
51
单丝直径 不同，不仅使纤维的 性能 有差异，
而且影响到纤维的 生产工艺, 产量 和 成本 。
一般 5 ~ 10 um的纤维作为 纺织制品 使用，
10 ~ 14 um的纤维一般做 无捻粗纱, 无纺布,
短切纤维毡 等较为适宜。
52
3．以纤维外观分类
有 连续纤维,其中有 无捻粗纱 及有 捻粗纱
(用于纺织 ),短切纤维, 空心玻璃纤维, 玻璃
粉 及 磨细纤维 等。
53
4．以纤维特性分类
根据 纤维本身 具有 的 性能 可分为,高强 玻璃
纤维,高模量 玻璃纤维,耐碱 玻璃纤维,耐酸 玻
璃纤维,普通 玻璃纤维 (指 无碱 及 中碱 玻璃纤维 )。
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1.2 玻璃纤维的结构及化学组成
① 玻璃纤维的结构
玻璃纤维 的 拉伸强度 比 块状玻璃 高许多倍，但
经研究证明,玻璃纤维 的 结构 与 玻璃 相同。
关于玻璃结构的假说到目前为止，比较能够反
映实际情况的是,微晶结构假说,和,网络结构假
说,。
55
微晶结构假说的要点
玻璃是由 硅酸块 或 二氧化硅 的,微晶
子,组成，在,微晶子,之间由 硅酸块过
冷溶液 所填充。
56
网络结构假说的要点
玻璃是由 二氧化硅的四面体, 铝氧三面体 或
硼氧三面体 相互连成不规则 三维网络 ；网络间的
空隙 由 Na,K,Ca,Mg等 阳离子所填充 。
二氧化硅四面体的 三维网状结构 是决定 玻璃
性能 的基础，填充的 Na,Ca等阳离子称为 网络
改性物 。
57
大量资料证明,玻璃结构 是 近似有序 的。主
要是因为在 玻璃结构中 存在 一定数量和大小 比较
有规则排列的区域,这种规则性是由 一定数目的
多面体 遵循类似 晶体结构的规则排列 造成的。
58
但是,玻璃结构 的这种 有序区域 不像晶体结
构那样有严格的周期性,微观上是不均匀 的,宏
观上却又是均匀的,反映到玻璃的 性能 上是 各向
同性的 。
59
② 玻璃纤维的化学组成
玻璃纤维的 化学组成 主要是 二氧化硅, 三氧
化二硼, 氧化钙, 三氧化二铝 等。
玻璃纤维的 化学组成 对玻璃纤维的 性质和生
产工艺 起决定性作用，以 二氧化硅 为主的称为 硅
酸盐破璃,以 三氧化二硼 为主的称为 硼酸盐玻璃 。
60
氢化钠, 氧化钾 等碱性氧化物为 助熔氧化物,
它可以降低玻璃的 熔化温度 和 粘度,使玻璃熔液中
的气泡容易排除。
助熔氧化物 主要通过 破坏玻璃骨架,使 结构疏
松,从而达到助熔的目的。
因此 氧化钠和氢化钾的含量越高,玻璃纤维的
强度, 电绝缘性能 和 化学稳定性 都会相应的降低。
61
加入 氧化钙, 三氧化二铝 等，能在一定条件
下 构成玻璃网络的一部分,改善玻璃的某些性质
和工艺性能。
例如，用 氧化钙 取代 二氧化硅,可 降低拉丝
温度 ；加入三 氧化二铝 可 提高耐水性。
62
总之，玻璃纤维 化学成分的制定,一方面要
满足玻璃纤维物理和化学性能的要求,具有良好
的 化学稳定性 ；另一方面要 满足制造工艺的要求,
如合适的 成型温度, 硬化速度 及 粘度范围 。
63
1.3 玻璃纤维的物理性能
玻璃纤维具有一系列 优良性能, 拉伸强度高,
防火, 防霉, 防蛀, 耐高温 和 电绝缘性能好 等。
玻璃纤维的 缺点 是具有 脆性, 不耐腐,对人
的皮肤有刺激性等 。
64
(1) 外观和比重
一般 天然或人造的有机纤维,其表面都有较
深的 皱纹 ；
而对于 玻璃纤维 来说，其 表面 呈 光滑的圆柱,
其 横断面 几乎都是 完整的圆形 。
65
宏观看来，由于 表面光滑,纤维之间的抱合力
非常小,不利于和树脂粘结 ；
又由于 呈圆柱状,所以玻璃纤维彼此相靠近时，
空隙填充的较为密实,这对于提高复合材料制品的
玻璃含量 是有利的。
66
玻璃纤维直径 从 1.5 ~ 25 um,大多数为 4 ~ 14 um。
玻璃纤维的密度 为 2.16 ~ 4.30 g／ cm3,其比重较
有机纤维大很多，但比一般的金属比重要低，与铝相
比几乎一样。所以在航空工业上用 复合材料 代替 铝钛
合金 就成为可能。
此外，一般情况下,无碱玻璃纤维的比重 大于 有
碱纤维 。
67
(2)表面积大
由于玻璃纤维的 表面积大,使得纤
维 表面处理的效果 对 性能的影响 很大。
68
(3)玻璃纤维的力学性能
①玻璃纤维的拉伸强度
玻璃纤维的最大特点是 拉伸强度高 。一般 玻
璃制品 的拉伸强度只有 40 ~ 100 MPa,而直径 3 ~
9 um的 玻璃纤维 拉伸强度则高达 1500 ~ 4000 MPa，
较一般合成纤维高约 10倍，比合金钢还高 2倍。
69
几种 纤维和全属 材料的强度如下表所示：
几种纤维材料和金属材料的强度
70
②玻璃纤维高强的原因
对玻璃纤维高强的原因，许多学者提出了不
同的假说，其中比较有说服力的是 微裂纹假说 。
微裂纹假说 认为,玻璃的理论强度 取决于 分
子或原子间的引力,其 理论强度很高,可达到
200 ~ l 200kg／ mm2。
71
但通常情况下，玻璃或玻璃纤维的 实测
强度 很低。这是因为，在它们当中，存在着
数量不等, 尺小不同 的 微裂纹,从而大大降
低了其强度。
72
微裂纹 分布在 破璃或玻璃纤维 的 整个体积 内，
但以 表面的微裂纹 危害最大。
出于 微裂纹 的存在，使玻璃 在外力作用下 受力
不均,在危害最大的微裂纹处，产生 应力集中,从
而使 强度下降 。
73
玻璃纤维 比玻璃的 强度高 很多，主要有两方
面的原因：
Ａ、玻璃纤维 高温成型时 减少了玻璃溶液的
不均一性,使 微裂纹产生的机会减少 。
Ｂ、玻璃纤维的 断面较小,随着 表面积的减
小,使 微裂纹存在的几率 也减少，从而使纤维强
度增高。
74
有人更明确地提出,直径小的 玻璃纤维强度
比 直径粗的 纤维强度高的原因是由于 表面微裂纹
尺寸和数量较小,从而 减少了应力集中,使纤维
具有较高的强度。
75
③影响玻璃纤维强度的因素
A,一般情况，玻璃纤维的 拉伸强度 随 直
径 变细而拉伸强度增加，如下表所示：
76
玻璃纤维拉伸强度与直径的关系
77
B,拉伸强度 也与 纤维的长度 有关，随着 长
度增加 拉伸强度显著下降 。如下表所示：
78
纤维 直径和长度 对 拉伸强度 的影响，可用
,微裂纹理论,给予解释：
随着纤维 直径的减小 和 长度的缩短,纤维
中 微裂纹的 数量和大小 就会相应地 减小,这样
强度 就会相应地 增加 。
79
Ｃ、化学组成对强度的影响
纤维的 强度 与玻璃 化学成分 关系密切。
对于 同一系统 (即 基本组分 )来说，部分 改变氧化
物的种类和数量,纤维强度改变不大 (20％ —30％ )。
而 改变系统 (即 改变它的基本组分 )，强度会产生
大幅度地变化。
80
一般来说，含碱量越高，纤维的强度越低。 高
强玻璃纤维 强度明显地高于 无碱玻璃纤维,而 有碱
纤维 强度更低。
研究表明,高强 和 无碱玻璃纤维 由于 成型温度
高, 硬化速度快, 结构键能大 等原因，而具有很 高
的拉伸强度 。
81
纤维的 表面缺陷 对 强度影响 巨大。如下表所示：
纤维强度与化学组成的关系
82
从上表可以看出，当各种纤维 都有微裂纹
时 强度相近；只有当 表面缺陷减小到一定程度
时,纤维强度 对其 化学组成 的依赖关系才会表
现出来。
83
D,纤维老化的影响
当纤维 存放一段时间 后，会出现 强度下
降 的现象，称为 纤维的老化 。
纤维的老化 主要取决于纤维对 大气水分
的化学稳定性。
84
例如，直径 6 um的 无碱玻璃纤维 和含 17％ 的
Na2O 有碱纤维,在空气湿度为 60％ ~ 65％的条
件下存放,无碱玻璃纤维 存放后 强度基本不变,
而 有碱纤维 强度 不断 下降 。
强度变化的原因，主要是由于 二种纤维 对 大
气水分的化学稳定性 不同所致。
85
E,纤维的疲劳影响
玻璃纤维的疲劳 一般是指 纤维强度 随 施加负荷
时间的增加而降低 的情况。
纤维疲劳现象是 普遍 的，当相对湿度为 60 ~
65 %时，玻璃纤维在 长期张力作用下,都会有很
大程度的疲劳。
86
纤维强度 受施加负荷 时间 的影响，即 纤维的
疲劳 是普通存在的。
例如，在施加 60％的 断裂负荷 的作用力下，
2 ~ 6昼夜，纤维会全部断裂。
87
玻璃纤维 疲劳的原因,在于 吸附作用的影响,
即 水分吸附 并 渗透到纤维微裂纹 中，在外力的作用
下，加速裂纹的扩展。
玻璃纤维 疲劳的程度 取决于 微型纹 扩展和范围 。
这与 应力, 尺寸, 湿度, 介质种类 等方面有关。
88
F,成型方法和成型条件强度的影响
玻璃纤维 成型方法 和 成型条件 对强度也有
很大影响。
如玻璃 硬化速度越快,拉制的 纤维强度也
越高 。
89
④玻璃纤维的弹性
A,玻璃纤维的延伸率
纤维的延伸率 (又称 断裂伸长率 )是指纤维 在外力
作用下 直至拉断时 的伸长百分率。
玻璃纤维的延伸率 比其它 有机纤维的延伸率 低,
一般为 3％左右。
90
B,玻璃纤维的弹性模量
玻璃纤维的 弹性模量 是指 在弹性范围 内 应力
和应变关系 的 比例常数 。
玻璃纤维的 弹性模量 约为 7 ? 104 MPa,与铝
相当，只有普通钢的三分之一，致使复合材料的
刚度较低 。
91
对玻璃纤维的 弹性模量 起主要作用的是其
化学组成 。
实践证明，加入 BeO,MgO能够提高玻璃
纤维的弹性模量。
92
含 BeO的高 弹玻璃纤维 (M),其弹性模量比
无碱玻璃纤维 (E)提高 60％。它取决于玻璃纤维
结构的本身,与 直径大小, 磨损程度 等无关。
另外,不同直径的玻璃纤维 弹性模量相同,
也证明了它们具有 近似的分子结构 。
93
(4)玻璃纤维的耐磨性与耐折性
玻璃纤维的 耐磨性 是指纤维 抵抗 磨擦 的能力 ；
玻璃纤维的 耐折性 是指纤维 抵抗 折断 的能力 。
玻璃纤维这 两个性能都很差,经过揉搓摩擦容易受
伤或断裂，这是玻纤的严重缺点。
94
当 纤维表面 吸附水分 后 能加速 微裂纹扩展,
使纤维 耐磨性和耐折性 降低。
为了提高玻璃纤维的 柔性 以满足纺织工艺的
工求，可以采用适当的 表面处理,如经 0.2％ 阳
离子活性剂水溶液 处理后，玻璃纤维的耐磨性比
未处理的高 200倍 。
95
纤维的 柔性 一般以 断裂前弯曲半径的大小 来
表示； 弯曲半径越小，柔性越好 。
如 玻璃纤维 直径为 9 um时，其弯曲半径为
0.094 mm； 而 超细纤维 直径为 3.6 um时，其弯曲
半径为 0.038 mm。
96
(5)玻璃纤维的热性能
①玻璃纤维的导热性
导热系数 是指通过 单位传热面积 1m2,温
度梯度 为 1度 / m,时间 为 1小时 所通过的热量 。
97
玻璃 的 导热系数 为 0.6 ~ 1.1千卡 /米 ·度 ·时，
但拉制成 玻璃纤维 后，其导热系数只有 0.03千
卡／米 ·度 ·时。
98
产生这种现象的原因，主要是 纤维间的空
隙较大, 容重较小 所致；
容重越小,其 导热系数越小,主要是因为
空气导热系数低 所致；
导热系数 越小,隔热性能 越好。
99
温度的变化 对玻璃纤维的 导热系数影响不大 。
例如，当玻璃纤维的使用温度升高到 200~300 ℃,
其导热系数只升高 10％。
因此,玻璃纤维 是一种 优良的绝热材料 。当 玻璃
纤维受潮 时,导热系数增大, 隔热性能降低 。
100
②破璃纤维的耐热性
玻璃纤维 耐热性较高,软化点为 550 ~ 580℃,
其 热膨胀系数 为 4.8 ? 10–6 / ℃ 。
玻璃纤维 是一种 无机纤维,不会引起燃烧。将
玻璃纤维加温，直到 某一强度界限 以前，强度基本
不变。
101
玻璃纤维的 耐热性 是由 化学成分 决定的。
一般情况下,钠钙 玻璃纤维加热到 470℃ 之
前（不降温），强度变化不大；
石英 和 高硅氧 玻璃纤维的耐热性则可达到
2000℃ 以上。
102
如果将 玻璃纤维 加热至 250℃ 以上后 再冷却
(通常称为热处理 )，则 强度明显下降 。
温度越高, 强度下降越显著 。
例如,300℃ 下经 24小时，强度下降 20％；
400℃ 下经 24小时、强度下降 50％；
500℃ 下经 24小时、强度下降 70％；
600℃ 下经 24小时，强度下降 80％。
103
玻璃纤维的 强度降低 与 热作用时间 有关。
因此,玻璃布 热处理温度 虽然很高，但因
受热时间短,故 强度降低不大 。
玻璃纤维 热处理后 强度下降,可能是 热处
理 使 微裂纹增加 所引起的,
104
(6)玻璃纤维的电性能
玻璃纤维的 导电性 主要取决于 化学组成, 温度
和 湿度 。
无碱 纤维的 电绝缘性能 比 有碱 纤维优越得多。
这主要是因为 无碱纤维中碱金属离子少 的缘故。
碱金属离子越多，电绝缘性能越差；
玻璃纤维的 电阻率 随着 温度的升高 而 下降 。
105
虽然玻璃纤维的 吸附能力较小,但 空气湿度 对
玻璃纤维的 电阻率影响很大 。
湿度增加, 电阻率下降 。如下表所示：
空气湿度对玻璃布电阻率影响
106
在玻璃纤维的 化学组成 中，加入大量的
氧化铁, 氧化铅, 氧化铜, 氧化银 或 氧化钒,
会使纤维具有 半导体性能 。
在玻璃纤维上 涂敷 金属或石墨,能获得
导电纤维 。
107
(7)玻璃纤维及制品的光学性能
玻璃 是优良的 透光材料,但制成 玻璃纤维 制
品后，其 透光性 远不如玻璃。
玻璃纤维制品的 光学性能 以 反射系数, 透光
系数 和 亮度系数 来表示。
108
反射系数 P是指玻璃布 反射的光强度 与 入射
到玻璃布上的光强度 之比，即
0
I
I
P
p
?
式中：Ｐ ---反射系数； Ip---反射光强度 ;
Io ---入射光强度。
109
在一般情况下,玻璃布的反射系数 与布的
织纹特点, 密度 及 厚度 有关，平均为 40％ --70％ ;
如将透光性较弱的 半透明材料 垫在下边．玻璃
布的 反射系数 可达 87％。
110
透过系数 是指 透过玻璃布的光强度 与 入
射光强度 之比，即
0I
I ?
? ?
式中,?--透光系数 ； I?--透过光强度；
Io---入射光强度
111
玻璃布的 透光系数 与 布的厚度 及 密度 有关。
密度小而薄 的玻璃布，透光系数可达 65％；
密度大而厚 的玻璃布，透光系数只有 18％～ 20％。
112
亮度系数 是用 试样的亮度 与 绝对白的表面亮
度 (标准器 )之比 来测得。
不同织纹玻璃布的光学性能如下表所示：
不同织纹玻璃布的光学性能
113
由于 玻璃纤维 具有 优良的光学性能,因而可
以制成 透明玻璃钢,进而制成各种 采光材料, 导
光管 以 传送光束 或 光学物像 。这在现代 通信技术
等方面也得到了广泛应用。
114
1.4 玻璃纤维的化学性能
玻璃纤维 除对 氢氟酸, 浓碱, 浓磷酸 外，
对 所有化学药品 和 有机溶剂 都有 良好的化学
稳定性 。
115
化学稳定性 在很大程度上 决定了 不
同纤维的使用范围 。
玻璃纤维的 性能 一般认为与 水、湿
度 有关。
116
玻璃纤维在 相对湿度 80％ 以上的环境中存放，
强度有所下降；
玻璃纤维在 l00％ 相对湿度 下，强度保持率在
50％左右。
117
但是,玻璃纤维单纤 即使 与水接触, 强度
也不发生变化 ；
只有在 含碱玻璃纤维 中，由于玻璃纤维中
所含的 碱分溶出, 强度 才会 下降 。
118
(1)侵蚀介质对玻璃纤维制品的腐蚀情况
根据 网络结构假说 可知,二氧化硅四面体 相互
连结构成 玻璃纤维结构的骨架,它是很难与 水, 酸
( H3PO3,HF除外 )起反应的。
119
在 玻璃纤维结构 中，还有 Na,Ca,K等金属离
子及 SiO2与金属离子结合的 硅酸盐 部分；
当 侵蚀介质 与 玻璃纤维制品 作用时，多数是 溶
解玻璃纤维结构中的 金属离子 或 破坏 硅酸盐 部分；
对于 浓碱溶液, 氢氟酸, 磷酸 等，将使 玻璃纤维结
构 全部 溶解 。
120
(2)影响玻璃纤维化学稳定性的因素
A,玻璃纤维的 化学成分 ；
B,纤维 表面情况 ；
C,侵蚀介质 体积 和 温度 ；
D,玻璃纤维纱的 规格 及 性能 。
121
A,玻璃纤维的化学成分
中碱玻璃纤维 对酸的稳定性 是较高的，但 对
水的稳定性 是较差的；
无碱玻璃纤维 耐酸性较差,但 耐水性 较好 ；
如下表所示：
122
无碱与中碱玻璃纤维性能对比
123
中碱 玻璃纤维和 无碱 玻璃纤维，从 弱碱
液对玻璃纤维强度的影响看,二者的 耐碱性
相接近 ；如下表所示：
124
经 NaOH溶液 (5％ )浸润后方格布的变化
125
中碱纤维 含 Na2O,K2O比 无碱纤维 高二十
多倍,受酸作用后,首先从表面上，有较多的金
属氧化物侵析出来，但主要是 Na2O, K2O的离
析、溶解。
126
另一方面,中碱纤维 受酸作用后, 酸 与玻璃
纤维中 硅酸盐作用 生成 硅酸,而 硅酸 迅速聚合 并
凝成 胶体,结果 在玻璃表面上 会形成一层极薄的
氧化硅保护膜,这层膜使 酸的侵析 与 离子交换过
程 迅速减缓，使 强度下降 也缓慢。
实践证明 Na2O, K2O有利于这层保护膜的形
成。所以 中碱纤维 比 无碱纤维 的 耐酸性好 。
127
水与玻璃纤维 作用,首先是侵蚀 玻璃纤维表
面的 碱金属氧化物,主要是 Na2O,K2O的溶解，
使水呈现 碱性 。
随着时间的增加,玻璃纤维与碱液 继续作用、
直至使 二氧化硅骨架 破坏。由于 无碱玻璃纤维 的
碱金属氧化物含量 较低，所以 对水的稳定性 较高。
128
无碱纤维 与 中碱纤维 受到 NaOH溶液侵蚀后，
几乎 所有玻璃成分,包括 SiO2在内,均匀溶解,
使纤维变细。
但是，随 浸碱时间的增加, 化学成分含量 基
本不发生变化,即 内部结构 并未破坏，因而 单位
面积的强度 基本不变。
129
总之，玻璃纤维的 化学稳定性 主要取决于其
成分中的 二氧化硅 及 碱金属氧化物 的含量。
显然,二氧化硅含量多 能提高玻璃纤维的化
学稳定性,而 碱金属氧化物 则会 使化学稳定性降
低 。
130
在玻璃纤维成分中 增加 SiO2或 A12O3含量,或
加入 ZrO2及 TiO2都可以提高玻璃纤维的 耐酸性 ；
增加 SiO2含量，或加入 CaO,ZrO2及 ZnO能
提高玻璃纤维的 耐碱性 ；
131
在玻璃纤维中加入 A12O3, ZrO2及 TiO2等
氧化物，可大大提高 耐水性 。
石英, 高硅氧玻璃纤维 对 水, 酸 的 化学稳
定性较好, 耐碱性 远比普通纤维高。
132
B,纤维表面情况对化学稳定性影响
玻璃 是一种非常好的 耐腐蚀材料,但
拉制成 玻璃纤维 后，其性能远不如玻璃。
这主要是由于 玻璃纤维的比表面积大
所造成的。
133
例如，１克重的 2mm厚的玻璃，只有 5.1cm2表
面积；而１克玻璃纤维 (直径 5um)的表面积则有
3100cm2,表面积增大了 608倍。
也就是说 玻璃纤维受侵蚀介质作用的面积 比
玻璃大 608倍。因此,玻璃纤维的耐腐蚀性能 比
块玻璃 差 很多 。
134
Ｃ 侵蚀介质体积和温度对玻
璃纤维化学稳定性的影响
同样的玻璃纤维，受不同体积的侵蚀介
质作用，其化学稳定性不同。
介质的体积越大，对纤维的侵蚀越严重。
135
温度 对玻璃纤维的 化学稳定性 有很大影响。
在 100℃ 以下 时，温度每升高 10℃,纤维在介质
侵蚀下的破坏速度增加 50％ --l00％；
温度升高到 l00℃ 以上 时，破坏作用将更剧烈。
136
D,玻璃纤维纱的规格及性能
玻璃纤维纱 可分 无捻纱 及 有捻纱 两种。
无捻纱 一般用 增强型浸润剂,由原纱直接并
股、络纱制成。
有捻纱 则多用纺织型浸润剂，由原纱经过 退
绕, 加捻,并股、络纱而制成。
137
由于生产 玻璃纤维纱 的 直径, 支数 及 股数
不同，使 无捻纱和有捻纱的规格 有许多种。
纤维支数 有两种表示方法；
１．定重法
2,定长法
138
１．定重法
是用一克重原纱的长度来表示。
纤维支数 ＝纤维长度／纤维重量
例如,40支纱，就是指一克重的原纱长 40m。
139
2,定长法
是目前 国际统一使用的方法,通称,TE
Ｘ” (公制称号 )，是指 1000m长的原纱的克重量。
例如,4, TEX, 就是指 1000m原纱重 4g。
140
捻度 是指 单位长度内 纤维与纤维之间 所加的
转数,以捻／米为单位。
捻度有 Z捻 和 S捻, Z捻一般称为左捻，顺时
针方向加捻； S捻称为右捻，是逆时针方向加捻。
141
通过 加捻 可 提高纤维的抱合力,改善了单
纤维的受力状况，有利于纺织工序的进行。
但是，当玻璃纤维的 捻度过大 时,不易被
树脂浸透。
142
无捻粗纱 中的纤维具有 平行排列, 拉伸
强度很高, 易 被树脂 浸透 等特点。
因此,无捻粗纱 多用于缠绕 高压容器 及
管道 等，同时也用于 挤拉成型, 喷射成型 等
工艺中。
143
2、特种玻璃纤维
2.1 高强度 及 高模量 玻璃纤维
2.2 耐高温 玻璃纤维
2.3 空心 玻璃纤维
144
2.1 高强度及高模量玻璃纤维
(1)高强度玻璃纤维
高强度玻璃纤维有 镁铝硅酸盐 和 硼硅酸盐
两个系统。
145
镁铝硅酸盐玻璃纤维 也称 S玻璃纤维 。
其化学成分主要是 SiO2--65％,Al2O3--25％，
MgO--10％。
S玻璃纤维与 E玻璃纤维相比,拉伸强
度高 33%,弹性模量 提高 20％。
146
S玻璃纤维 具有高的比强度，在高温下有 良好
的强度保留率 及 高的疲劳极限 。
直径为 9 um的 镁铝硅酸盐纤维,经过 无水增
强型浸润剂, HTS”处理后，其 拉伸强度 可达 4900
MPa,弹性模量 为 9 ? 104 MPa,其 耐热性 比较高。
147
S玻璃纤维 的拉丝温度很高，一般要在
1400℃ 以上，需要特殊的拉丝工艺。
因此，国外又开始研究 硼硅酸盐玻璃纤维 。
这种纤维的化学成分为 SiO2,40％ --50％，
A12O3,19％ --29％,B2O3,10％ --20％,Li2O：
0.1％ --1％。
148
硼硅酸盐 玻璃纤维的 液相温度 较低，不需特殊
拉丝工艺条件，一般用含量 15％ --25％的 铂拉丝炉 即
可拉丝。
硼硅酸盐 玻璃纤维的 拉伸强度 为 4400 MPa,弹
性模量 为 7.4 ? l04 MPa。
有时，为了提高 硼硅酸盐玻璃纤维 弹性模量,
常常在其配方中人为引入 BeO。
149
(2)高模量玻璃纤维
高模量玻璃,也称 M玻璃 或 YM--35--A玻璃 。
M玻璃纤维的 模量 为 9.4 ? 10 4 MPa,比一般玻璃纤
维的模量提高 1/3以上,拉伸强度 和 E玻璃纤维相似，
玻璃液相温度 为 1110 ℃ 。
150
由 M玻璃纤维 制成的 玻璃钢制品 刚性特别好,
在外力作用下 不易变形，更适合于要求 高强度和高
模量制品,以及 航空、宇航所用的制品 。
国内这种玻璃的成分质量比如下：
151
2.2 耐高温玻璃纤维
(1)石英纤维
(2)铝硅酸盐玻璃纤维
152
(1)石英纤维
石英纤维 是一种优良的耐高温材料，这
种纤维仅限于用高纯度 (99.95％二氧化硅 )天然
石英晶体 制成的纤维，它保持了 固体石英的特
点和性能 。
153
石英纤维的直径一般为 10--100 um,由于
其 纤维比较脆,故纺织品价格比一般玻璃纱
高很多。
石英纤维的具有以下五个方面的性能,
154
① 软化温度高
一般玻璃纤维 的 软化温度 只有 550--580 ℃,
而 石英纤维 的 软化温度 可达 1250 ℃ 以上。
155
② 膨胀系数小
室温下,石英纤维 的膨胀系数为 5 ? 10 –7/℃,
当温度升高到 1200 ℃ 时、仅增大为 11 ? 10 -7 /℃,
为普通玻璃纤维的 1/10--1/20。
另外,石英纤维 加热到 800--1000 ℃ 后，用水
冷却，其性能无损伤。
156
③ 电性能好
石英纤维 在高温下 的 电绝缘性能 良好，其导
电率只有 10-16?-1.cm –1,为一般纤维的干分之一
至万分之一。
157
④ 石英纤维 能 耐 100--200℃ 浓酸的浸蚀,但 耐
碱及碱性盐 的能力差些 。
⑤ 石英纤维 在 250--4700 um的光谱区内，有较
高的透光率。
石英纤维 广泛用在 电机制造, 光通讯, 火箭 及
原子反应堆工程 等方面。
158
(２ )铝硅酸盐玻璃纤维
铝硅酸盐玻璃纤维 是以 高岭土, 铝矾土, 蓝
晶石 等为原料，在高频炉、电弧炉或其它高温
炉中熔化，用 吹制法 制成的玻璃纤维。
吹制法制 成的 纤维较短,可以 捻丝成线,
但 强度较低 。
159
铝硅酸盐玻璃纤维 的 化学组成特点 是 A12O3
占 50％以上，其 熔化温度 为 1760℃, 最高使用温
度 为 1260℃ 。
铝硅酸盐玻璃纤维 的主要用途是作 绝缘材料
和 隔热材料,多用于 火箭, 喷气发动机, 原子反
应堆 等。
160
2.3 空心玻璃纤维
空心玻璃纤维 是采用 铝硼硅酸盐玻璃 原料，用
特制 拔丝炉 拔丝制成。
空心玻璃纤维 呈 中空状态, 质轻, 刚性好,制
成玻璃钢制品比一般的轻 10％以上，而且弹性模量
较高，适用于 航空 与 海底装备 。
161
另外,空心玻璃纤维 的 电性能 好,导热系
数 低，但性质较脆。
空心玻璃纤维的直径为 10--17um。 毛细系
数 是空心玻璃纤维性能的重要因素。当体积重
量为 1.6 ~ 1.8 g/ cm3时，毛细系数为 0.6--0.7。
162
3,碳纤维
3.1 概 述
碳纤维 （ Carbon Fibre,CF或 Cf）的开发历史
可追溯到 19世纪末期,美国科学家爱迪生发明的
白炽灯灯丝，而真正作为 有使用价值 并规模生产
的碳纤维，则出现在 二十世纪 50年代末期 。
163
1959年美国联合碳化公司 (Union Carbide
Corporation,UCC)以粘胶纤维 (Viscose firber)为原丝
制成商品名为,Hyfil Thornel”的 纤维素基碳纤维
(Rayon-based carbon firber)。
1962年日本 炭素公司 实现低模量 聚丙烯脂基碳纤
维 (Polyacry lontrile--based carbon firber,PANCF)的
工业化生产 ;
164
1963年英国 航空材料研究所 (Royal Aircraft
Establishment,RAE)开发出高模量 聚丙烯脂基碳
纤维 ；
1965年日本群马大学试制成功 以沥青或木质
素为原料 的 通用型碳纤维 ；
1970年日本昊羽化学公司实现 沥青基碳纤维
Pitch-based carbon fiber的工业规模生产；
165
1968年美国金刚砂公司研制出商品名为,Kynol”
的 酚醛纤维 Phenolic fibers;
1980年以 酚醛纤维为原丝 的 活性碳纤维 (Fibrous
activated carbon)投放市场。
166
1988年，世界 碳纤维 总生产能力为 10054吨 /年，
其中 聚丙烯腈基碳纤维 为 7840吨，占总量的 78％。
日本是最大的聚丙烯腈基碳纤维生产国，生产能力
约 3400吨 /年，占总量的 43％。
美国的碳纤维主要用于 航空航天 领域，欧洲在
航空航天、体育用品和工业方面的需求比较均衡，
而日本则以 体育器材 为主。
167
碳纤维 是由 有机纤维 经 固相反应 转变而成
的 纤维状聚合物碳,是一种非金属材料。
碳纤维 不属于 有机纤维 范畴，但 从制备方法
上 看，它又不同于 普通无机纤维 。
168
碳纤维性能
① 碳纤维具有 重量轻, 比强度大, 模量高, 耐
热性高 ；
② 化学稳定性 好，除硝酸等少数强酸外，几
乎对所有药品均稳定；另外，碳纤维对 碱 也稳定。
169
碳纤维制品 具有非常优良的 X射线透过性, 阻
止中子透过性,还可 赋予塑料 以 导电性 和 导热性 。
以碳纤维为增强剂的复合材料 具有 比钢强、比
铝轻 的特性，是一种目前最受重视的高性能材料之
一。它在航空航天、军事、工业、体育器材等许多
方面有着广泛的用途。
170
3,2 碳纤维的分类
当前，国内外巳商品化的 碳纤维种类 很多，
一般可以根据 原丝的类型, 碳纤维的性能 和 碳纤
维的用途 等三种方法进行分类。
171
1．根据碳纤维的性能分类
(1) 高性能碳纤维
在高性能碳纤维中，有 高强度 碳纤维,高模
量 碳纤维,中模量 碳纤维等。
(2)低性能碳纤维
这类碳纤维中，有 耐火 纤维,碳质 纤维,石
墨 纤维等。
172
2．根据原丝类型分类
(1)聚丙烯腈基 纤维；
(2)粘胶基 碳纤维；
(3)沥青基 碳纤维；
(4)木质素纤维基 碳纤维；
(5)其他 有机纤维基 (各种天然纤维、再
生纤维、缩合多环芳香族合成纤维 )碳纤维。
173
3．根据碳纤维功能分类
(1)受力结构用 碳纤维
(2)耐焰 碳纤维
(3)活性 碳纤维 (吸附活性 )
(4)导电用 碳纤维
(5)润滑用 碳纤维
(6)耐磨用 碳纤维
174
3,3 碳纤维的制造
碳纤维 是一种 以碳为主要成分 的纤维状材料。
它不同于 有机纤维 或 无机纤维,不能用 熔融法或溶
液法 直接纺丝，只能 以有机物为原料,采用 间接方
法 制造。
175
碳纤维制造方法 可分为两种类型，
即 气相法 和 有机纤维碳化法 。
176
气相法 是 在惰性气氛中, 小分子有机物 (如
烃或芳烃等 )在高温下 沉积成纤维。
用这种方法只能制造 晶须 或 短纤维,不能制
造 连续长丝 。
177
有机纤维碳化法 可以制造 连续长纤维,
它通常分为两步进行：
① 将 有机纤维 经过 稳定化处理 变成 耐焰纤维 ；
178
② 在惰性气氛中,于高温下进行 焙烧
碳化,使有机纤维失去 部分碳 和 其它非碳
原子,形成 以碳为主要成分 的纤维状物。
179
天然纤维, 再生纤维 和 合成纤维 都可
用来制备 碳纤维 。
制备 碳纤维 时, 选择的条件 是 加热时
不熔融, 可牵伸,且 碳纤维产率高 。
180
制作碳纤维的 主要原材料 有三种：
①人造丝 (粘胶纤维 )；
②聚丙烯腈 (PNN)纤维；
③ 沥青。
181
用 人造丝, 聚丙烯腈纤维, 沥青 为
原料生产的碳纤维各有其不同特点。
其中，制造 高强度, 高模量 碳纤维
多选 聚丙烯腈 为原料。
182
无论用哪一种 原丝纤维 来制造碳纤维，
都要经过 五个阶段,
拉丝 牵伸 稳定 碳化 石墨化
183
(1) 拉丝：
可用 湿法, 干法 或者 熔融状态 三种
中的任意一种方法进行。
184
(2) 牵伸
在室温以上，通常是 100--300 ℃ 范围内
进行。
W.Watt首先发现 结晶定向纤维 的拉伸
效应，而且这种效应控制着最终 纤维的模量 。
185
(3) 稳定
通过 400 ℃ 加热氧化 的方法。
400 ℃ 的氧化阶段 是 A,Shindo‘s 最近 在工
艺上 做出的贡献。它显著地降低所有的热失重，
并因此保证高度 石墨化 和取得 更好的性能 。
186
(4) 碳化
在 1000--2000 ℃ 范围内进行。
(5) 石墨化
在 2000--3000 ℃ 范围内进行。
187
在制备 碳纤维 的过程中，无论采用什
么原材料，都要经过上述五个阶段，即 原
丝预氧化 （拉丝、牵伸、稳定）, 碳化 以
及 石墨化 等，所产生的最终纤维，其基本
成分为碳。
188
3,4 碳纤维的结构与性能
1．碳纤维的 结构 与 力学性能
2．碳纤维的 物理性能
3．碳纤维的 化学性能
189
1．结构与力学性能
材料的 性能 主要决定于材料的 结构 。结构有
两方面的含义，一是 化学结构,二是 物理结构 。
190
碳纤维的结构 决定于 原丝结构 与 碳化工艺 。
对 有机纤维 进行 预氧化, 碳化 等工艺处理
的目的是，除去 有机纤维中 碳以外的元素，形
成 聚合多环芳香族 平面结构。
191
在 碳纤维 形成的过程中，随着原丝的不同，
重量损失可达 10％ --80％，因此形成了各种微小的
缺陷。
但是，无论用哪种原料,高模量碳纤维中 的
碳分子平面 总是 沿纤维轴 平行地取向 。
192
用 x射线, 电子衍射 和 电子显微镜 研究
发现，真实的 碳纤维结构 并不是理想的石墨
点阵结构，而是属于 乱层石墨结构 。
193
在 乱层石墨结构 中,石墨层片 是基本的结
构单元，若干层片组成 微晶,微晶堆砌成直径
数十纳米、长度数百纳米的 原纤,原纤则构成
了 碳纤维单丝,其直径约数微米。
194
实测碳纤维 石墨层的面间距 约 0.339--0.342
nm,比 石墨晶体的层面间距 (0.335nm)略大，各
平行层面间的碳原子排列 也不如石墨那样规整。
195
依据 C--C键的 键能及密度 计算得到的 单晶
石墨 强度和模量 分别为 180 Ｇ Pa和 1000 GPa左
右。而 碳纤维 的实际 强度和模量 远远低于此理
论值。
这主要是由于 纤维中的缺陷 和 原丝中的缺
陷 所造成的。
196
纤维中的缺陷 主要是指 结构不匀, 直径变
异, 微孔, 裂缝或沟槽, 气孔, 杂质 等。
纤维中的缺陷 来自两个方面，一是 原丝中
特有的,二是 在碳化过程中产生的 。
197
原丝中的缺陷 主要是 在纤维成形过程中
产生的。而 在碳化时,则由于从纤维中会 释
放出特种气体物质,进而 在纤维表面及内部
产生 空穴 等缺陷。
198
碳纤维的 应力 --应变曲线 为一直线，由
于伸长小，断裂过程在瞬间完成，所以 碳纤
维 不容易发生屈服。
199
碳纤维 轴向分子间的结合力 比石墨大，所以
它的 抗张强度和模量 都明显高于石墨；
而碳纤维的 径向分子间作用力弱, 抗压性能
较差，轴向 抗压强度 仅为 抗张强度 的 10％ --30％，
而且不能结节。
200
2．碳纤维的物理性能
碳纤维的比重在 1.5--2.0之间，这除了与 原丝
结构 有关外，主要还决定于 碳化处理的温度 。
一般情况下，经过高温 (3000 ℃ )石墨化处理,
比重可达 2.0。
201
碳纤维 的 热膨胀系数 与 其它类型纤维 不同，它
有 各向异性 的特点。
平行于纤维方向 是负值 (-0.72 ~ -0.90 ? 10 -6 /℃ )，
而 垂直于纤维方向 是正值 ( 32 ~ 22 ? 10-6 /℃ )。
202
碳纤维的 比热 一般为 7.12 ? l0-1 kJ( kg · ℃ )。
导热率有方向性, 平行于纤维轴方向 导热率为
0.04卡 /秒 ·厘米 ·度，而 垂直于纤维轴方向 为
0.002卡 /秒 ·厘米 ·度。
导热率随温度升高而下降 。
203
碳纤维的 比电阻 与 纤维的类型 有关。在 25℃
时,高模量碳纤维 为 775 u? · cm,高强度碳纤
维 为 1500 u? · cm。
碳纤维的 电动势 为正值，而铝合金的电动势
为负值。因此当 碳纤维复合材料 与 铝合金 组合应
用时会发生 电化学腐蚀 。
204
3．碳纤维的化学性能
碳纤维 的 化学性能 与 碳 很相似。它除能被
强氧化剂氧化 外，对 一般酸碱 是惰性的。
在 空气 中，当温度高于 400 ℃ 时，则会出
现明显的氧化，生成 CO和 CO2。
205
在 不接触 空气 或 氧化气氛 时，碳纤维具有
突出的 耐热性 。
当碳纤维 在高于 1500 ℃ 时, 强度 才开始下
降；而 其它类型材料 包括 A12O3晶须在内,在
此温度下,其性能已大大下降。
206
另外，碳纤维还有良好的 耐低温性能,如
在液氮温度下 也 不脆化 。它还有 耐油, 抗放射,
抗辐射, 吸收有毒气体 和 减速中子 等特性。
207
4,硼纤维
硼纤维（ Boron Fibre,BF或 Bf）是一种将硼
元素通过 高温化学气相法 沉积在 钨丝表面 制成的
高性能增强纤维。它具有很高的 比强度 和 比模量,
也是制造 金属复合材料 最早采用的高性能纤维。
208
用 硼铝复合材料 制成的航天飞机 主舱框架 强
度高, 刚性好,代替 铝合金骨架 节省重量 44％，
取得了十分显著的效果，也有力地促进了 硼纤维
金属基复合材料 的发展。
209
1959年美国 TELLY首先发表了用 化学气相沉
积法 制造 高性能硼纤维 的论文，并受到了 美国空军
材料实验室 的高度重视，积极推进 硼纤维及其复合
材料的研制 。美国 AVCO,TEXFROU公司是硼纤
维的主要生产厂家。
210
现在硼纤维 通用的制备方法 是 在加热的
钨丝表面 通过 化学反应沉积 硼层。
硼纤维的 直径 有 100μm,140μm,200μm
几种。
211
硼纤维 具有良好的 力学性能, 强度高, 模
量高, 密度小 。
硼纤维具有 耐高温和耐中子辐射 性能。
212
硼纤维的缺点
工艺复杂,不易大量生产，其 价格昂贵 。
由于钨丝的密度大,硼纤维的密度 也大。
213
硼纤维具有很高的 弹性模量 和 强度,但其
性能受 沉积条件和纤维直径 的影响。
硼纤维的 密度 为 2.4 ~ 2.65 g / cm3,拉伸强
度 为 3.2 ~ 5.2 GPa,弹性模量 为 350 ~ 400 GPa。
214
硼纤维 在空气中的 拉伸强度 随温度升高而
降低 。
在 200 ℃ 左右 硼纤维性能 基本不变 ；而 在
315 ℃, 1000小时硼纤维强度将 损失 70％ ；而
加热到 650 ℃ 时 硼纤维强度将 完全丧失 。
215
硼纤维的 弯曲强度 比 拉伸强度 高，
其平均 拉伸强度 为 310 MPa,拉伸模量
为 420 GPa。
216
在室温下,硼纤维的 化学稳定性好,但
表面具有活性, 不需要处理 就能与树脂进行
复合，而且所制得的复合材料具有 较高的层
间剪切强度
217
目前已研究用 碳纤维 代替 钨丝,以降
低成本和密度。
结果表明,碳心硼纤维 比 钨丝硼纤维
强度下降 5%，但成本降低 25%。
218
硼纤维 在常温下 为 惰性物质,但 在高温下 易
与金属反应。
因此，需在表面 沉积 SiC层,称之为 Bosic纤维。
硼纤维主要用于 聚合物基 和 金属基复合材料 。
219
5,氧化铝纤维
以 氧化铝 为 主要纤维组分 的陶瓷纤维
统称为氧化铝纤维 ( Aluminia Fibre,AF或
( Al2O3 )f )。
220
通常情况下，将 氧化铝含量大于 70％ 的
纤维相称为 氧化铝纤维 ；
将 氧化铝含量小于 70％,其余为 二氧化
硅和少量杂质 的纤维称为 硅酸铝纤维 。
221
氧化铝纤维的特点
(1) 耐热性好,在空气中加热到 1250 ℃
还保持室温强度的 90%,碳纤维 通常在 400
℃ 以上就氧化燃烧。
222
(2) 不被熔融金属侵蚀,可与金属很好地复合。
(3)表面活性好,不需要进行表面处理，即能
与树肥和金属复合。
(4)具有极佳的 耐化学腐蚀 和 抗氧化性,尤其
在高温条件这些性能更为突出 。
223
(5)用氧化铝增强的复合材料 具有优良的 抗压
性能,压缩强度比 GFRP高，是 GFRP的三倍以上，
耐疲劳强度高，经 107次 重复交变加载 后，强度
不低于静强度的 70％。
224
(6)电气绝缘, 电波透过性好 。
与玻璃钢相比，它的介电常数和损耗值
小，且随频率的变化小，电波透过性更好。
225
氧化铝纤维的应用
针对上述特点，氧化铝纤维适合于制造既需
要 轻质高强 又需要 耐热 的结构件。
用它制作 雷达天线罩,其 刚性 比玻璃钢高，
透电波 性能好,耐高温 。
226
若用 氧化铝纤维的复合材料 制 导弹壳体,则有
可能不开天线窗，将天线装在弹内。
目前,氧化铝纤维的的用途 正处于 开发阶段,
不久的将来将在 航空, 航天, 卫星, 交通 和 能源 等
部门得到广泛应用。
227
氧化铝纤维 不足之处 是 密度比较大,
约为 3.20 g / cm 3,是纤维中最大的一种。
228
6,碳化硅纤维
碳化硅纤维（ Silicon Carbide Fibre，
SF或 SiCf）是以 碳和硅为主要组分 的一种
陶瓷纤维。
229
6.1 碳化硅纤维的性能
SiC纤维是 高强度、高模量 纤维，有良
好的 耐化学腐蚀性, 耐高温 和 耐辐射性能 。
230
(1)力学性能
以在日本碳公司进行中试生产，产品名
称 尼卡纶 为代表，其主要性能如下表所示：
231
尼卡纶的一般性质
从表中可看出,尼卡纶 的强度与韧性接近于
硼纤维。
232
(2) 热性能
碳化硅纤维 具有优良的 耐热性能, 在 1000℃
以下,其力学性能（ 拉伸强度 和 弹性模量 ）基本
上不变，可长期使用。
当 温度超过 1300℃ 时，其性能才开始下降。
因此，相比于碳纤维和硼纤维,碳化硅纤维 具有
更好的 高温稳定性,是一种较好的耐高温材料 。
233
(3) 耐化学性能
碳化硅纤维 具有良好的 耐化学性能,在 80℃
下耐强酸 (HCl,H2SO4,HNO3)；
用 30％ NaOH浸蚀 20小时后，纤维仅失重 1％
以下，其力学性能仍不变。
碳化硅纤维 与全属在 1000℃ 以下也不发生反
应，而且有很好的浸润性，有益于金属的复合。
234
(4) 耐辐照和吸波性能
碳化硅纤维 在通量为 3.2 ? 10 10中子 /秒的 快中
子 辐照 1.5小时或以能量为 105中子伏特, 200纳秒
的强脉冲 ?射线照射下，碳化硅纤维 强度 均无明显
降低。
235
此外,SiC纤维还具有 半导体性能,
与 金属相容性 好，常用于金属基和陶瓷
基复合材料。
236
6,2．碳化硅纤维的应用
由于碳化硅纤维具有 耐高温, 耐腐
蚀, 耐辐射 的 三耐性能,是一种耐热的
理想材料。
237
用 碳化硅纤维 编织成双向和三向 织物,巳
用于高温的传送带、过滤材料，如汽车的废气
过滤器等。
碳化硅复合材料 已应用于 喷气发动机涡轮
叶片, 飞机螺旋桨 等受力部件。
238
在军事上,碳化硅纤维 用于大口径军用步枪
金属基复合枪筒套管, M--1作战坦克履带、火箭
推进剂传送系统，先进战术战斗机的 垂直安定面,
导弹尾部，火箭发动机 外壳, 鱼雷壳体 等。
239
6.3 碳化硅纤维的制造方法
A,化学气相沉积法（ＣＶＤ法）
B,烧结法 (有机聚合物转化法 )
240
化学气相沉积法 生产的 碳化硅纤维 是直径为
95--140 um的单丝；
烧结法 生产的 碳化硅纤维 是直径为 10 um的
细纤维，一般由 500根纤维组成的丝束为商品。
241
碳化硅纤维 的主要生产国是美、日两国。
美国 Texton公司是 碳化硅单丝 的主要生产厂。
碳化硅纤维的 系列产品 是 SCS2,SCS6等，并研究
发展 碳化硅纤维增强铝、钛基复合材料 。
242
日本碳公司 是利用 烧结法 生产 碳化硅纤维
的主要厂家，系列商品名为 Nicalon纤维。
80年代末，日本又发展了 含 Ti碳化硅纤维 。
碳化硅纤维 虽有其性能特点，但 价格昂贵,应
用尚未广泛。
243
7、氮化硼纤维
氮化硼纤维 是 20 世纪 60年代发展起来的无机
纤维，该纤维具有优良的 机械性能, 耐热性能,
抗氧化性能, 耐腐蚀性能 以及独特的 电性能 等，
可用作 金属基, 陶瓷基, 聚合物基 复合材料的增
强材料,
244
氮化硼的结构 类似于石墨，而 氮化硼的耐氧
化性能 比石墨优越。
石墨纤维 在空气中 400℃ 时氧化性能开始降低，
而 氮化硼纤维 在 850℃ 的空气中 才开始氧化。
245
石墨纤维 被氧化时产生气体,不形成表面的
保扩层 ；而 氮化硼纤维 在氧化过程中 具有增重现
象 。这是因为形成氧化硼保护层，可以防止深度
氧化。
在惰性或还原性气氛中,氮化硼纤维 直到
2500℃ 纤维的性能是稳定的。
246
氮化硼纤维 的 强度 和 模量 接近于 玻璃纤维,
但是它的 多晶性质 使它具有较好的 耐腐蚀性能 。
它的密度为 1.4 ~ 2.0 g / m3,用其制备的复合材
料具有 轻质高强 的特点。
247
氮化硼纤维 具有优异的 电性能,直到 2000℃
纤维还具有极好的 电绝缘性能 ；
氮化硼纤维还具有很 低的介电损耗 和 介电常
数,是 耐烧蚀天线窗 的理想材料。
248
8,其他纤维
① 陶瓷纤维
具有 陶瓷化学成分的纤维 称为 陶瓷纤维,
如氧化锆、氧化铍、氧化镁、氧化钛和硼化
钛等纤维。
249
陶瓷纤维的特点 是可 耐 1260～ 1790℃ 的高温
（在惰性和氧化性气氛中）,耐磨耐腐蚀性 好和 良
好的物理机械性能,特别适合于 陶瓷基复合材料 。
陶瓷纤维的缺点 是 对裂纹等缺陷敏感，脆性大 。
250
② 金属和钢纤维
金属和钢的特点是 导电性 和 导热性 好，
塑性 和 抗冲击性 好。
钢纤维常用于 混凝土基复合材料 。
251
9,各种纤维的比较
①纤维的柔韧性及断裂
②比性能
③热稳定性
252
① 纤维的柔韧性及断裂
各种纤维 在拉伸断裂前 不发生任何屈
服,如下图所示的纤维的 应力 --应变 曲线。
253
拉伸应变,%
拉
伸
应
力,G
Pa
各
种
纤
维
的
应
力----
应
变
曲
线
254
从 拉断后 纤维的扫描电镜 观察发现，仅
Kevlar--49纤维呈 韧性断裂, 断裂前 纤维有明显
的 颈缩,并在发生 很大的局部伸长后 才最终断裂
碳纤维 和 玻璃纤维 几乎就是理想的 脆性断裂,
断裂时不发生截面积的缩小。
255
② 比性能
比强度 和 比模量 是纤维性能的一个重
要指标。下图给出了各种纤维比强度和比
模量全图。
256各种纤维的比强度和比模量比较
比模量,GPa / ( g / cm 3 )
比
强
度
，MP
a /
( g
/ c
m
3 )
具有最佳的比强
度和比模量搭配
比模量最高
比模量和比强度较低
比
模
量
最
低
257
③热稳定性
纤维的 热稳定性 与 熔点 有关。
一般来讲，材料的熔点越高，热稳定性就越好。
在 没有空气和氧气的条件 下,碳纤维 具有非常好的
耐高温性能 。
258
尽管块状玻璃的 软化温度 为 850℃, 但当温
度高于 250 ℃ 时,E玻璃纤维的 强度和模量 就开始
迅速下降。
玻璃纤维 的 热稳定性 高于 Kevlar49纤维 。在
受到太阳光照射时,Kevlar纤维产生严重的光致
劣化，使纤维变色，机械性能下降。
259
二、晶须增强体
晶须 （ Whiskers） 是在人工控制条件下，
以单晶形式 生长成的一种纤维。
晶须 的直径一般为几微米，长几十微米，
是一种 无缺陷的理想完整晶体 。
260
由于晶须的 直径非常小,所以 不适合
容纳 在大晶体中常出现的 缺陷,因而 强度
接近于完整晶体的理论值。
近年来，晶须作为一种新型增强材料
倍受青睐。
261
自 1948年美国 贝尔电话公司 的科学家首
次发现晶须以来，迄今为止，材料学家们已
研究开发出了 上百种晶须,有 金属, 氧化物,
碳化物, 氮化物, 硼化物 以及 无机盐 等多种
晶须。
但是，已经得到 实际应用 并开始 工业化
生产 的晶须只有几种。
262
从大的方面来看,晶须 分为 陶瓷晶须
和 金属晶须 两类，用作 增强材料 的主要是
陶瓷晶须 。
陶瓷晶须 的 直径 只有几个微米，长度
一般为几厘米,断面 多呈多角状。
263
陶瓷晶须的基本性能如下表所示：
264
金属晶须 主要有 Ni,Fe,Cu,Si、
Ag,Ti,Cd等；
氧化物晶须 主要有 MgO,ZnO、
BeO,Al2O3,TiO2,Y2O3,Cr2O3等。
265
陶瓷晶须 主要是 碳化物晶须,如 SiC,TiC、
ZrC,WC,B4C等。
硼化物晶须 主要有 TiB2,ZrB2,TaB2,CrB、
NbB2等
无机盐类晶须 主要有如 K2Ti6O13和 Al18B4O33
266
具有实用价值的 晶须直径 约为 1 ~ 10μm，
长度与直径比 在 5～ 1000之间。
实际上，晶须是含 缺陷很少 的 单晶短纤
维,其 拉伸强度 接近其 纯晶体的理论强度 。
267
也可以认为,晶须 是 以单晶结构生长的
直径极小的 短纤维,由于 直径小 (＜ 3um),造
成晶体中的 缺陷少, 原子排列高度有序,故
其 强度 接近于 相邻原子间成键力 的理论值。
268
晶须 可用作 高性能复合材料 的 增强材
料,以增强 金属, 陶瓷 和 聚合物 。
晶须 是目前 已知纤维中 强度最高 的一
种，其 机械强度 几乎等于 相邻原子间的作
用力 。
269
晶须高强的主要原因
Ａ、它的 直径非常小, 不能容纳 使晶
体削弱的 空隙, 位错 和 不完整 等缺陷。
Ｂ、晶须材料的 内部结构完整,使它
的强度 不受表面完整性的严格限制 。
270
晶须 兼有 玻璃纤维 和 硼纤维 的优良性
能。它具有玻璃纤维的延伸率 (3％ --4％ )
和硼纤维的弹性模量 (4.2 ~ 7.0 ? 106 MPa)。
例如，氧化铝晶须 在 2070℃ 高温下,
仍能保持 7000 MPa的拉伸强度。
271
晶须的制备方法
CVD法 原位生长 法
溶胶 —凝胶法 气液固 （ VLS）法
液相生长 法 固相生长 法
272
晶须 没有显著的 疲劳效应, 切断, 磨粉
或其它的 施工操作,都 不会降低其强度 。
晶须 在复合材料中的 增强效果 与其 品种,
用量 关系极大，根据实践可得出下面的经验：
273
(1)作为 硼纤维, 碳纤维 及 玻璃纤维 的
补充增强材料,加入 1％ --5％晶须,强度
有明显的提高 。
(2)加入 5％ --50％晶须对 模压复合材料
和 浇注复合材料 的强度能 成倍增加 。
274
(3)在 定向复合材料 中、加入 70％ --90％
的晶须，往往可以使其强度 提高一个数量
级,定向复合材料所用的 晶须制品 为 浸渍
纱 和 定向带 。
275
(4)在 层压板复合材料 中，加入 50％ --
70％的晶须，能使其 强度增长许多倍,
(5)对于高强度、低密度的 晶须构架,
胶结剂 只须相互接触就可把 晶须粘结 起来，
因此晶须含量可高达 90％ --95％。
276
晶须一般都是 一维线形针状体,主要
用作复合材料增强体，而且 生产成本 很高，
不易推广使用。
277
因此,晶须复合材料 由于其 价格昂贵,
日前主要用在 空间和尖端技术 上，在 民用
方面 主要用于 合成牙齿, 骨胳 及直升飞机
的 旋翼 和高强 离心机 等。
278
新型氧化锌晶须
在众多种类的晶须中,新型氧化锌
晶须 （ Zinc Oxide Whisker,简写为
ZnOw） 以其 独特的结构 而倍受注目。
279
由于 氧化锌晶须 的 制造工艺, 周期,
成本, 纯度 等存在较大的 不可控性,全世
界进入产业化生产程序的企业仅有两家，
一家是日本 松下电器公司,另一家则是成
都交大 晶宇科技有限公司 。
280
目前，新型 氧化锌晶须的形状
与普通的晶须完全不同,为 立体四针
状单晶体 微纤维。如下图所示。
281
普通氧化锌晶须 四针状氧化锌晶须
SEM Photo of the ZnO Whiskers
282四针状氧化锌晶须产品外观 --白色松软状粉末
283
新型 氧化锌晶须 不仅生产 成本低,而且
功能独特 。
由于其独特的 空间四针状结构,特有的 半
导体, 压电, 吸波 等特性，除了 增强作用 外,
其多方面的功能决定了该晶须可以作为 结构
材料, 功能材料,在国防、电子、化工、交
通等领域发挥巨大的作用。
284
氧化锌晶须 主要特点
（ 1）独特的 立体四针状结构,每根针状体
均为 单晶体微纤维 。
（ 2）具有 半导体, 压电, 吸波 特性。
（ 3） 高强度,单晶体纤维的强度达到或接
近化学键的理论计算值。
（ 4） 耐高温,在 1720℃ 之前不发生变化。
（ 5） 耐磨防滑, 减振降噪 等功能特性。
（ 6） 抗菌 等生物学功能特性。
285
氧化锌晶须 主要用途
（ 1）导电、压电、抗静电 复合材料 。
（ 2）微波吸收、微波 -热 转换材料 。
（ 3）耐磨防滑 复合材料 。
（ 4）减振、降噪、抗冲制品。
（ 5）各项 同性增强复合材料 。
（ 6）抗碎裂陶瓷材料及制品。
（ 7）抗菌材料。
286
ZnOw 的 主 要 物 理 性 能
性 能 数 值
化 学 式 ZnO
ZnO 含 量 (%) >99.99
形 状 四针状
真 实 比 重 5.96
表 观 比 重 0.01-0.5
耐 热 性 能 (℃ ) 1720升华
针状体长度 (m m) 10-300
针状体根直径 (m m) 0.1-10
体积电阻率 (W,cm) 7.14
介 电 常 数 8.55
拉 伸 强 度 (GPa) 10
弹 性 模 量 (GPa) 345
热 膨 胀 率 (%/℃ ) 4? 10-6
287
硫酸钙晶须
外 观,白色蓬松状 固体（在显微镜
下为 纤维状 或 针状 单晶体）
分子量,136.14
288
中径纤维
直径,1~2um
长度,30~150um
长径比,20~100
细径纤维
直径,0.1~1.5um
长度,20~120um
长径比,30~200
289
硫酸钙晶须的物理参数
拉伸强度,2.058Gpa
耐热性,1000℃
弹性率,176.4Gpa
相对密度,2.96
莫氏硬度,3
熔点,1450℃
290
硫酸钙晶须的主用用途
(1)晶须硫酸钙 添加 在塑料、橡胶中 起
增韧增强 作用，并有一定的 阻燃效果 进而
提高被添加材料的熔点 。另外，还能 降低
基体熔化后的流动性 。
291
(2)硫酸钙晶须 可用作 中等强度 的
填充剂, 细径纤维 的 补强效果 与 其它
高性能纤维增强材料 的 补强效果 接近。
292
用 硫酸钙晶须 增强的塑料制品，其 抗拉
强度, 弯曲强度, 弯曲弹性率 的 热变形温度
均有提高。
硫酸钙晶须 可以 代替石棉 作 摩擦材料,
建筑材料,保温、保冷材料等。还可部分代
替玻璃纤维。
293
(3)硫酸钙晶须 可用来 增强聚丙烯 。可
增加材料的 拉伸强度, 弯曲强度 。
(4)加入 硫酸钙晶须 可 提高环氧树脂 的
粘结强度 。其 增强效果 超过 石英粉, 氧化
铝, 白碳黑, 超细硅酸铝 等添加剂。
294
硼 酸 铝 晶须
外观,白色针状 分子量,1056.88
直径,0.5－ 1um 长度,5－ 30um
相对密度,2.90-2.94 拉伸强度,8Gpa
莫氏硬度,7 弹性模量,400Mpa
耐热性,1420℃ ~1460℃
热膨胀系数,4.2× 10－ 6/℃
295
白色针状
硼 酸 铝 晶须
296
硼 酸 铝 晶须的基本特征
(1)极高的 强度和弹性
(2)优良的 耐酸、碱性
(3)高熔点,耐热性能 较好
(4)近似 化学中性
(5)温度膨胀系数 低
297
硼 酸 铝 晶须的主要用途
硼酸铝须主要用于 金属基复合材料 领域，它主
要包括：
(1)机械材料,空调机的压缩部分、切削工具等
(2)机械活塞,各种齿轮
(3)结构和功能材料,铝、镁基复合材料
298
硅晶须
上海 汇精亚 纳米新材料有限公司同国内
先进的材料研究机构合作，经过多方努力，
终于研究开发出一种 与玻璃纤维具有相似
功能特点, 价格较为低廉 的硅晶须 (价格只
有短玻纤的 1/3左右 )。
299
晶须硅,又称作 短玻璃纤维,是一
种 纤维状 材料，主要成分 SiO2,俗称为
短玻纤,外观为 纯白色, 它是一种新型
功能性 增强、增韧材料 。
300
晶须硅 的 性能特点 如下,
强度高, 化学稳定性好, 分散性好,
耐高温 （可耐 1700℃ 高温）,绝缘性好,
烧失量低, 吸油率低 。
301
晶须硅 的 性能特点 同 玻璃纤维 极其相似,
① 可以提高制品的 抗拉强度, 刚性, 硬度,
耐磨性 和 机械加工 性能；
② 还可以降低 收缩变形率 和提高制品的 热变
形温度 和 阻燃绝缘 性能。
缺点,韧性 比 玻璃纤维 略差些。
302
虽然 活性晶须硅 产品还不成熟，但是 晶
须硅 应产业的要求 而生，必将 随着产业的发
展 而逐渐 趋于成熟和完善 并不断发展，必将
为 工程塑料行业 带来一轮新的革命。
303
晶须硅化学成分
SiO2 ≥99.6
Al2O3 ≤0.03
Fe2O3 ≤0.3
TiO2 ≤0.01
CaO ≤0.01
Na2O ≤0.01
K2O ≤0.01
304
305
晶须硅物理性能：
粒经（ μm） 4--45
堆积密度（ g/cm3） 0.78
真实密度（ g/cm3） 2.35
色泽（白度 %） ≥92
吸油率 g(oil)/100g 20--30
pH值 6.8
水份 (%) ≤0.2
耐火度（ ℃ ） 1720
莫氏硬度 (Mohs scale) 7
烧失量 ≤0.10%
体积电阻（ Ω.CM） 1.5 ? 1010
306
作为 纤维状材料, 晶须硅 主要应用如下：
1,尼龙,PP,PBT,PC,POM,ABS等 工程塑
料的改性,可替代 玻璃纤维,提高 拉伸强度, 抗
挠曲强度,降低收缩率，提高 制品强度, 尺寸稳
定性,防止翘曲，降低成本；提高制品的 阻燃性,
热变形温度 和 绝缘性能 。
307
2,填充 PVC,PP,PE,生产 异型
材, 管材 和 板材,可使制品具有良好的
尺寸稳定,提高 刚性, 耐热温度 和 绝缘
性,提高制品 性价比,降低成本。
308
3,填充环氧树脂 覆铜版,可降低 树脂
粘度,提高 弯曲强度,改善其物理机械性能，
提高 玻璃化转变温度,降低 介电常数,提高
绝缘性能,降低 吸水性,降低 成本 。
309
4,填充 不饱和聚脂,可降低产品的 收缩率
和 吸水率,提高 耐磨性和硬度,且 在层压和涂覆
时 空穴少，用于玻璃钢制品、抛光轮、工具等。
5,填充 有机硅树脂,可提高物理机械性能，
大量填充可大大降低成本。
310
碳晶须
碳晶须 是 非金属晶须, 碳含量 99.5％,氢含
量 0.15％，呈 针状单晶 。
碳晶须 的 直径从 亚微米 到 几微米,长度为 几
毫米 到 几百毫米,并具有高度的 结晶完整性 。由
于 位错密度 低,孔隙率 低,表面缺陷 少以及 不存
在晶界,碳晶须具有极 高的强度 。
311
碳晶须 在空气中 可 耐 700℃ 高温, 在惰性气体
中 可 耐 3000℃ 高温,而且 热膨胀系数小, 受中子
照射后尺寸变化小, 耐磨性 和 自润滑性 优良。
碳晶须 主要用作 聚合物基, 碳基复合材料 的增
强材料。
312
碳晶须的制备工艺 类似于 气相生长碳纤维,
通常采用 气相合成法,即在管式炉中 以氢气 为
载体通入苯、甲烷或乙烯，在有 铁、钴、镍等
催化剂 存在下将基极加热到 1050 ~1100℃ 而制
得碳丝。
313
钛酸钾晶须
钛酸钾晶须的形貌如下图所示：
钛酸钾晶须的形貌
314
钛酸钾晶须 有 6--钛酸钾 和 4--钛酸钾 两种结
晶结构。
6--钛酸钾 中,TiO6八面体具有 隧道结构,
K+固定在中间；
4--钛酸钾 中,TiO6八面体为 层状结构 。
这种结构中的 K+易与其他阳离子或 H+进行交换，
层间距离也在变化。
315
最初,钛酸钾晶须 是作为 耐热、隔热 用材料
而开发的，其成本低于其他晶须。
由于 6--钛酸钾 结构特殊，具有优异的 耐热
性, 耐碱性 和 耐酸性 等，可作为聚合物基复合材
料的增强材料。
4--钛酸钾晶须 由于 化学活性大,主要用于
阳离子吸附材料 和 催化剂载体 材料。
316
钛酸钾晶须 的 直径 约为 0.2~1.5um,长度 为
10~100um。 钛酸钾晶须的 硬度低 （莫氏硬度为
4）,抗磨损性能较差,与 铝相容性较差,所制
备的 铝基复合材料 强度和模量较低。
317
钛酸钾晶须 增强铝基（ Al—Mg—Si系
和 Al—Si系）复合材料可以采用 压铸法 制造，
也可以采用 包覆铝的钛酸钾晶须与铝粉混合,
再用 挤压 的方法来制造。
318
钛酸钾晶须 经过 表面处理后 具有 亲油性,
纤维 直径细, 渗透压低,与溶液亲和性良好，
耐碱性好,可作为 过滤器材料 和 隔膜材料 。
钛酸钾晶须 耐老化性 好，有良好的 抗磨损
性能,可以 替代石棉 作汽车的制动器、离合器。
319
钛酸钾晶须 细, 难折,在制备 钛酸钾晶须
增强热塑性复合材料 工艺过程中，熔融树脂的
黏度上升不快，成型后纤维长度几乎不变短，
可以 像无填料的树脂一样 利用 注射 和 压铸工艺
成型生产复杂的制品。
320
钛酸钾晶须较软,所以对 成型加工设备 和 金
属模具 的 磨损小 。
钛酸钾晶须 可以用 硅烷偶联剂 对晶须进行 表
面处理,进一步改善制品的 加工性能 和 物理性能 。
钛酸钾晶须增强树脂 的制品与 纯树脂制品 表面一
样平滑。
321
钛酸钾晶须的制法
A 烧结法
B 熔融法
C水热法
322
A 烧结法
把 K2CO3和 TiO2混合物 在一定时间内 烧结，
可得到高收率的 单晶纤维,但结晶性不太好。
B 熔融法
将原料熔融、冷却来 培育晶须,但单晶的
收率较低。
323
C水热法
在高压下 使原料 在热水中反应 而生长晶体；
另外，使原料 在溶剂中 反应，可得到高收率的
单晶纤维,结晶性好，常用的溶剂有 KCl--KF、
K2O--B2O3,K2O--WO3等。
324
碳酸钙晶须
长径比大于 15，形貌比较均匀的 文石相 碳酸钙晶须。
325
三、颗粒增强体
用以改善复合材料 力学性能,提高 断
裂性, 耐磨性 和 硬度,增进 耐腐蚀性能 的
颗粒状材料，称为 颗粒增强体 (Particle
Reinforcement)。
326
颗粒增强体的特点
(1)选材方便,可根据不同的性能要求
选用不同的颗粒增强体。
(2)颗粒增强体 成本低,易于批量生产。
327
颗粒增强体三种增韧机制
(1) 当材料受到 破坏应力 时,裂纹尖端处 的颗
粒发生显著的物理变化，如 晶形转变, 体积改变,
微裂纹产生 与 增殖 等，它们均能消耗能量，从而
提高了复合材料的韧性。这种增韧机制称为 相变
增韧 和 微裂纹增韧 。
其典型例子是四方晶相 ZrO2颗粒的相变增韧。
328
(2)复合材料中的第二种颗粒 使裂纹扩展
路径发生改变,如 裂纹偏转, 弯曲, 分叉,
裂纹桥接 或 裂纹钉扎 等，从而产生增韧效果。
(3)以上 两种机制 同时发生，此时称为 混
合增韧 。
329
按照 颗粒增强 复合材料的基体 不同,颗粒
增强体 可以分为 颗粒 弥散强化 陶瓷, 颗粒 增强
金属 和 颗粒 增强 聚合物 。
颗粒 在聚合物中 还可以 用作填料,目的是
降低成本,提高导电性,屏蔽性 或 耐磨性 。
330
颗粒增强体的 平均尺寸 为 3.5~10um,最
细的为纳米级 (1~100nm),最粗的颗粒粒径
大于 30um。
目前使用的 颗粒增强体 有 SiC,TiC、
B4C,WC,Al2O3,MoS2,Si3N4,TiB2、
BN,C(石墨 )。
331
在复合材料中，颗粒增强体的 体积含
量 通常约为 15~20%，特殊的也可达
5%~75%。
按照 变形性能,颗粒增强体可以分为
刚性 (rigid)颗粒 和 延性 (ductile)颗粒 两种。
332
刚性颗粒增强体 (Rigid Particle
Reinforcement)或 陶瓷颗粒增强体 。
主要是指具有 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,
如碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化
硼、石墨、细金刚石等。
333
颗粒增强体 以很细的粉状 (一般在
10um以下 )加入到 金属基和陶瓷基中 起
提高 耐磨、耐热、强度、模量和韧性 的
作用。
334
如 在 A1合金中 加入体积为 30％，粒径
为 0.3um的 Al2O3颗粒，材料 在 300 ℃ 时 的
拉伸强度 仍可达 220MPa,并且所加入的 颗
粒越细,复合材料的 硬度和强度越高 。
在 Si3N4陶瓷中 加入体积为 20％的 TiC
颗粒，可使其韧性提高 5％。
335
延性颗粒增强体 (Ductile Particle
Reinforcement ),主要为 金属颗粒,一般是
加入到 陶瓷、玻璃和微晶玻璃 等 脆性基体 中，
目的是 增加基体材料的韧性,如 A12O3中加入
Al,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 会有所下降。
336
颗粒增强复合材料的 力学性能 取决于
颗粒的形貌、直径、结晶完整度 和颗粒在
复合材料中的 分布情况 及 体积分数 。
下表列出了 常用颗粒增强体的性能 。
337
常用颗粒增强体的性能
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。
2
增强材料共分为三类：
① 纤维及其织物
② 晶须
③ 颗粒
3
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 。
4
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。
5
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,拉伸强度
可从 600 MPa提高到 1000 MPa,弹性模量 可从 3000
MPa提高到 8000 MPa,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。
6
纤维 可分为 有机纤维 和 无机纤维
7
（一） 有机纤维
芳纶 纤维
聚乙烯 纤维
尼龙 纤维
8
１、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 。
9
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命名的纤维。
1973年正式登记的商品名称为 ARAMID纤维。
10
ARAMID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 。
11
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。
12
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 纤维具有独特的功能,使之
广泛应用到 军工 和 国民经济 各个部门。
13
(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 。
14
A, 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 3773 MPa； 254mm长的纤维束的拉伸强度
为 2744 MPa,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。
15
芳纶纤维 的 弹性模量高,可达 1.27 ~ 1.577
MPa,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。
16
芳纶纤维 与 碳纤维 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 。
17
下表为芳纶纤维的基本性能
18
Ｂ,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 。
19
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 。
20
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。
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 /℃
21
Ｃ、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 ；
22
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％。
23
（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，
经溶解转为 液晶 纺丝而成。它的化学结构式如下：
24
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,
25
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 。
26
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 。
27
芳纶纤维 分子链 是 线性结构,这又使纤维能
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 。
28
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 不致热塑化 等特点。
29
通过电镜对纤维观察表明，芳纶是一种 沿轴
向排列 的有规则的 褶叠层结构 。
这种 褶叠层 结构的模型，可以很好地解释 横
向强度低, 压缩和剪切性能差 及 容易劈裂 的现象。
30
(3) 用 途
目前，芳纶纤维的总产量 43％用于 轮胎的
帘子线 (芳纶 --29),31％用于 复合材料, 17.5％
用于 绳索类 和 防弹衣, 8.5％用于 其他 。
31
以 树脂 作为 基体, 芳纶纤维 作为 增强相 所形
成的 增强塑料,简称 KFRP,它在 航空航天方面
的应用，仅次于 碳纤维,成为必不可少的材料。
32
２,聚乙烯纤维（ Polyethylene,PE）
聚乙烯纤维作为目前 国际上最新的 一种有机
纤维，它具有以下四个特点：
超轻, 高比强度, 高比模量, 成本较低 。
33
通常情况下,聚乙烯纤维 的 分子量 大于 106，
纤维的 拉伸强度 为 3.5 GPa,弹性模量 为 116 GPa，
延伸率 为 3.4%,密度 为 0.97 g / cm 3。可用于制
做 武器装甲, 防弹背心, 航天航空部件 等。
34
相比于其它各种纤维材料,聚乙烯纤维 具有
许多种 优点 。
如：高 比强度,高 比模量 以及 耐冲击, 耐磨,
自润滑, 耐腐蚀, 耐紫外线, 耐低温, 电绝缘 等。
35
聚乙烯纤维 的不足之处：
(1)熔点较低 （约 135℃ ）
(2)高温容易蠕变 。
因此仅能在 100℃ 以下使用。
36
（ 二） 无机纤维
1,玻璃 纤维 2,特种玻璃 纤维
3,碳 纤维 4, 硼 纤维
5, 氧化铝 纤维 6,碳化硅 纤维
7, 氮化硼 纤维 8,其他 纤维
37
１,玻璃纤维（ Glass Fibre,GF或 Gt）
1.1 玻璃纤维 及其 制品 ；
1.2 玻璃纤维的 结构 及 化学组成 ；
1.3 玻璃纤维的 物理性能 ；
1.4 玻璃纤维的 化学性能 。
38
1.1 玻璃纤维及其制品
① 概 述
随着 玻璃钢 工业的发展,玻璃纤维 工
业也得到迅速发展。
国外 玻璃纤维的主要特点如下：
39
Ａ、普遍采用 池窑拉丝 新技术；
Ｂ、大力发展 多排多孔拉丝 工艺；
Ｃ、用于玻璃钢的 纤维直径 逐渐 向粗的方向 发展，
纤维直径为 14--24um,甚至达 27um；
Ｄ、大量生产 无碱纤维 ；
40
Ｅ、大力发展 无纺织 玻璃纤维织物, 无捻粗纱
和 短切纤维毡片 所占比例增加；
Ｆ、重视纤维 --树脂 界面 的研究,偶联剂的品
种 不断增加，玻璃纤维的 前处理 受到普遍重视。
41
我国 玻璃纤维工业 诞生于 1950年，当时只能
生产 绝缘材料用 的 初级纤维 。
1958年以后,玻璃纤维工业 得到迅速发展。
现在全国有大、小 玻璃纤维厂家 200多个，玻璃
纤维 年产量 为 5万吨，其中 无碱纤维 占 20％,中
碱纤维 占 80％,纤维直径 多数为 6--8um,正向粗
纤维方向发展。
42
池窑拉丝工艺 正在推广，重视 纤维 --树脂界
面 的研究,新型偶联剂 不断出现，许多玻璃纤维
厂使用 前处理工艺, 玻璃纤维工业的不断发展 促
进了我国复合材料及尖端科学技术的发展。
43
②玻璃纤维的分类
玻璃纤维的分类方法很多。通常从玻
璃 原料成分, 单丝直径, 纤维外观 及 纤维
特性 等方面进行分类 。
44
1,以玻璃原料成分分类
这种分类方法主要用于 连续玻璃纤维 的分类。
一般以不同的 含碱量 来区分：
(1)无碱 玻璃纤维
(2)中碱 玻璃纤维
(3)有碱 玻璃纤维
(4)特种 玻璃纤维
45
(1)无碱玻璃纤维 (通称 E玻纤 )：
是以 钙铝硼硅酸盐 组成的玻璃纤维，这种纤
维 强度较高, 耐热性 和 电性能 优良，能 抗大气侵
蚀, 化学稳定性 也好 (但 不耐酸 )。
46
无碱玻璃纤维 最大的特点是 电性能好,因此
也把它称做 电气玻璃 。
现在，国内外大多数都使用这种 Ｅ破璃纤维
作为复合材料的 原材料 。
目前，国内规定其 碱金属氧化物含量 不大于
0.5％,国外一般为 1％左右。
47
(2)中碱玻璃纤维
它是指碱金属氧化物含量在 11.5％ ~ 12.5
％之间的玻璃纤维。
国外没有这种玻璃纤维，它的主要特点是
耐酸性 好，但 强度 不如 E玻璃纤维高。它主要
用于 耐腐蚀领域 中,价格较便宜 。
48
(3) 有碱玻璃 (A玻璃 )纤维
有碱玻璃 称 A玻璃,类似于窗玻璃及玻璃瓶
的 钠钙玻璃 。
此种玻璃由于 含碱量高, 强度低,对 潮气 侵
蚀极为 敏感,因而很少作为增强材料 。
49
(4)特种玻璃纤维
如由纯 镁铝硅 三元组成的 高强玻璃纤维, 镁
铝硅系 高强高弹玻璃纤维, 硅铝钙镁系 耐化学介
质腐蚀 玻璃纤维，含 铅 纤维,高硅氧 纤维,石英
纤维等。
50
2．以单丝直径分类
玻璃纤维 单丝 呈 圆柱形,以其 直径的不同 可以分
为以下几种：
粗 纤维,30 um； 初级 纤维,20 um;
中级 纤维,10 ~ 20 um ；
高级 纤维,3 ~ 10um (亦称 纺织 纤维 )。
对于 单丝直径 小于 4 um的玻璃纤维称为 超细纤维 。
51
单丝直径 不同，不仅使纤维的 性能 有差异，
而且影响到纤维的 生产工艺, 产量 和 成本 。
一般 5 ~ 10 um的纤维作为 纺织制品 使用，
10 ~ 14 um的纤维一般做 无捻粗纱, 无纺布,
短切纤维毡 等较为适宜。
52
3．以纤维外观分类
有 连续纤维,其中有 无捻粗纱 及有 捻粗纱
(用于纺织 ),短切纤维, 空心玻璃纤维, 玻璃
粉 及 磨细纤维 等。
53
4．以纤维特性分类
根据 纤维本身 具有 的 性能 可分为,高强 玻璃
纤维,高模量 玻璃纤维,耐碱 玻璃纤维,耐酸 玻
璃纤维,普通 玻璃纤维 (指 无碱 及 中碱 玻璃纤维 )。
54
1.2 玻璃纤维的结构及化学组成
① 玻璃纤维的结构
玻璃纤维 的 拉伸强度 比 块状玻璃 高许多倍，但
经研究证明,玻璃纤维 的 结构 与 玻璃 相同。
关于玻璃结构的假说到目前为止，比较能够反
映实际情况的是,微晶结构假说,和,网络结构假
说,。
55
微晶结构假说的要点
玻璃是由 硅酸块 或 二氧化硅 的,微晶
子,组成，在,微晶子,之间由 硅酸块过
冷溶液 所填充。
56
网络结构假说的要点
玻璃是由 二氧化硅的四面体, 铝氧三面体 或
硼氧三面体 相互连成不规则 三维网络 ；网络间的
空隙 由 Na,K,Ca,Mg等 阳离子所填充 。
二氧化硅四面体的 三维网状结构 是决定 玻璃
性能 的基础，填充的 Na,Ca等阳离子称为 网络
改性物 。
57
大量资料证明,玻璃结构 是 近似有序 的。主
要是因为在 玻璃结构中 存在 一定数量和大小 比较
有规则排列的区域,这种规则性是由 一定数目的
多面体 遵循类似 晶体结构的规则排列 造成的。
58
但是,玻璃结构 的这种 有序区域 不像晶体结
构那样有严格的周期性,微观上是不均匀 的,宏
观上却又是均匀的,反映到玻璃的 性能 上是 各向
同性的 。
59
② 玻璃纤维的化学组成
玻璃纤维的 化学组成 主要是 二氧化硅, 三氧
化二硼, 氧化钙, 三氧化二铝 等。
玻璃纤维的 化学组成 对玻璃纤维的 性质和生
产工艺 起决定性作用，以 二氧化硅 为主的称为 硅
酸盐破璃,以 三氧化二硼 为主的称为 硼酸盐玻璃 。
60
氢化钠, 氧化钾 等碱性氧化物为 助熔氧化物,
它可以降低玻璃的 熔化温度 和 粘度,使玻璃熔液中
的气泡容易排除。
助熔氧化物 主要通过 破坏玻璃骨架,使 结构疏
松,从而达到助熔的目的。
因此 氧化钠和氢化钾的含量越高,玻璃纤维的
强度, 电绝缘性能 和 化学稳定性 都会相应的降低。
61
加入 氧化钙, 三氧化二铝 等，能在一定条件
下 构成玻璃网络的一部分,改善玻璃的某些性质
和工艺性能。
例如，用 氧化钙 取代 二氧化硅,可 降低拉丝
温度 ；加入三 氧化二铝 可 提高耐水性。
62
总之，玻璃纤维 化学成分的制定,一方面要
满足玻璃纤维物理和化学性能的要求,具有良好
的 化学稳定性 ；另一方面要 满足制造工艺的要求,
如合适的 成型温度, 硬化速度 及 粘度范围 。
63
1.3 玻璃纤维的物理性能
玻璃纤维具有一系列 优良性能, 拉伸强度高,
防火, 防霉, 防蛀, 耐高温 和 电绝缘性能好 等。
玻璃纤维的 缺点 是具有 脆性, 不耐腐,对人
的皮肤有刺激性等 。
64
(1) 外观和比重
一般 天然或人造的有机纤维,其表面都有较
深的 皱纹 ；
而对于 玻璃纤维 来说，其 表面 呈 光滑的圆柱,
其 横断面 几乎都是 完整的圆形 。
65
宏观看来，由于 表面光滑,纤维之间的抱合力
非常小,不利于和树脂粘结 ；
又由于 呈圆柱状,所以玻璃纤维彼此相靠近时，
空隙填充的较为密实,这对于提高复合材料制品的
玻璃含量 是有利的。
66
玻璃纤维直径 从 1.5 ~ 25 um,大多数为 4 ~ 14 um。
玻璃纤维的密度 为 2.16 ~ 4.30 g／ cm3,其比重较
有机纤维大很多，但比一般的金属比重要低，与铝相
比几乎一样。所以在航空工业上用 复合材料 代替 铝钛
合金 就成为可能。
此外，一般情况下,无碱玻璃纤维的比重 大于 有
碱纤维 。
67
(2)表面积大
由于玻璃纤维的 表面积大,使得纤
维 表面处理的效果 对 性能的影响 很大。
68
(3)玻璃纤维的力学性能
①玻璃纤维的拉伸强度
玻璃纤维的最大特点是 拉伸强度高 。一般 玻
璃制品 的拉伸强度只有 40 ~ 100 MPa,而直径 3 ~
9 um的 玻璃纤维 拉伸强度则高达 1500 ~ 4000 MPa，
较一般合成纤维高约 10倍，比合金钢还高 2倍。
69
几种 纤维和全属 材料的强度如下表所示：
几种纤维材料和金属材料的强度
70
②玻璃纤维高强的原因
对玻璃纤维高强的原因，许多学者提出了不
同的假说，其中比较有说服力的是 微裂纹假说 。
微裂纹假说 认为,玻璃的理论强度 取决于 分
子或原子间的引力,其 理论强度很高,可达到
200 ~ l 200kg／ mm2。
71
但通常情况下，玻璃或玻璃纤维的 实测
强度 很低。这是因为，在它们当中，存在着
数量不等, 尺小不同 的 微裂纹,从而大大降
低了其强度。
72
微裂纹 分布在 破璃或玻璃纤维 的 整个体积 内，
但以 表面的微裂纹 危害最大。
出于 微裂纹 的存在，使玻璃 在外力作用下 受力
不均,在危害最大的微裂纹处，产生 应力集中,从
而使 强度下降 。
73
玻璃纤维 比玻璃的 强度高 很多，主要有两方
面的原因：
Ａ、玻璃纤维 高温成型时 减少了玻璃溶液的
不均一性,使 微裂纹产生的机会减少 。
Ｂ、玻璃纤维的 断面较小,随着 表面积的减
小,使 微裂纹存在的几率 也减少，从而使纤维强
度增高。
74
有人更明确地提出,直径小的 玻璃纤维强度
比 直径粗的 纤维强度高的原因是由于 表面微裂纹
尺寸和数量较小,从而 减少了应力集中,使纤维
具有较高的强度。
75
③影响玻璃纤维强度的因素
A,一般情况，玻璃纤维的 拉伸强度 随 直
径 变细而拉伸强度增加，如下表所示：
76
玻璃纤维拉伸强度与直径的关系
77
B,拉伸强度 也与 纤维的长度 有关，随着 长
度增加 拉伸强度显著下降 。如下表所示：
78
纤维 直径和长度 对 拉伸强度 的影响，可用
,微裂纹理论,给予解释：
随着纤维 直径的减小 和 长度的缩短,纤维
中 微裂纹的 数量和大小 就会相应地 减小,这样
强度 就会相应地 增加 。
79
Ｃ、化学组成对强度的影响
纤维的 强度 与玻璃 化学成分 关系密切。
对于 同一系统 (即 基本组分 )来说，部分 改变氧化
物的种类和数量,纤维强度改变不大 (20％ —30％ )。
而 改变系统 (即 改变它的基本组分 )，强度会产生
大幅度地变化。
80
一般来说，含碱量越高，纤维的强度越低。 高
强玻璃纤维 强度明显地高于 无碱玻璃纤维,而 有碱
纤维 强度更低。
研究表明,高强 和 无碱玻璃纤维 由于 成型温度
高, 硬化速度快, 结构键能大 等原因，而具有很 高
的拉伸强度 。
81
纤维的 表面缺陷 对 强度影响 巨大。如下表所示：
纤维强度与化学组成的关系
82
从上表可以看出，当各种纤维 都有微裂纹
时 强度相近；只有当 表面缺陷减小到一定程度
时,纤维强度 对其 化学组成 的依赖关系才会表
现出来。
83
D,纤维老化的影响
当纤维 存放一段时间 后，会出现 强度下
降 的现象，称为 纤维的老化 。
纤维的老化 主要取决于纤维对 大气水分
的化学稳定性。
84
例如，直径 6 um的 无碱玻璃纤维 和含 17％ 的
Na2O 有碱纤维,在空气湿度为 60％ ~ 65％的条
件下存放,无碱玻璃纤维 存放后 强度基本不变,
而 有碱纤维 强度 不断 下降 。
强度变化的原因，主要是由于 二种纤维 对 大
气水分的化学稳定性 不同所致。
85
E,纤维的疲劳影响
玻璃纤维的疲劳 一般是指 纤维强度 随 施加负荷
时间的增加而降低 的情况。
纤维疲劳现象是 普遍 的，当相对湿度为 60 ~
65 %时，玻璃纤维在 长期张力作用下,都会有很
大程度的疲劳。
86
纤维强度 受施加负荷 时间 的影响，即 纤维的
疲劳 是普通存在的。
例如，在施加 60％的 断裂负荷 的作用力下，
2 ~ 6昼夜，纤维会全部断裂。
87
玻璃纤维 疲劳的原因,在于 吸附作用的影响,
即 水分吸附 并 渗透到纤维微裂纹 中，在外力的作用
下，加速裂纹的扩展。
玻璃纤维 疲劳的程度 取决于 微型纹 扩展和范围 。
这与 应力, 尺寸, 湿度, 介质种类 等方面有关。
88
F,成型方法和成型条件强度的影响
玻璃纤维 成型方法 和 成型条件 对强度也有
很大影响。
如玻璃 硬化速度越快,拉制的 纤维强度也
越高 。
89
④玻璃纤维的弹性
A,玻璃纤维的延伸率
纤维的延伸率 (又称 断裂伸长率 )是指纤维 在外力
作用下 直至拉断时 的伸长百分率。
玻璃纤维的延伸率 比其它 有机纤维的延伸率 低,
一般为 3％左右。
90
B,玻璃纤维的弹性模量
玻璃纤维的 弹性模量 是指 在弹性范围 内 应力
和应变关系 的 比例常数 。
玻璃纤维的 弹性模量 约为 7 ? 104 MPa,与铝
相当，只有普通钢的三分之一，致使复合材料的
刚度较低 。
91
对玻璃纤维的 弹性模量 起主要作用的是其
化学组成 。
实践证明，加入 BeO,MgO能够提高玻璃
纤维的弹性模量。
92
含 BeO的高 弹玻璃纤维 (M),其弹性模量比
无碱玻璃纤维 (E)提高 60％。它取决于玻璃纤维
结构的本身,与 直径大小, 磨损程度 等无关。
另外,不同直径的玻璃纤维 弹性模量相同,
也证明了它们具有 近似的分子结构 。
93
(4)玻璃纤维的耐磨性与耐折性
玻璃纤维的 耐磨性 是指纤维 抵抗 磨擦 的能力 ；
玻璃纤维的 耐折性 是指纤维 抵抗 折断 的能力 。
玻璃纤维这 两个性能都很差,经过揉搓摩擦容易受
伤或断裂，这是玻纤的严重缺点。
94
当 纤维表面 吸附水分 后 能加速 微裂纹扩展,
使纤维 耐磨性和耐折性 降低。
为了提高玻璃纤维的 柔性 以满足纺织工艺的
工求，可以采用适当的 表面处理,如经 0.2％ 阳
离子活性剂水溶液 处理后，玻璃纤维的耐磨性比
未处理的高 200倍 。
95
纤维的 柔性 一般以 断裂前弯曲半径的大小 来
表示； 弯曲半径越小，柔性越好 。
如 玻璃纤维 直径为 9 um时，其弯曲半径为
0.094 mm； 而 超细纤维 直径为 3.6 um时，其弯曲
半径为 0.038 mm。
96
(5)玻璃纤维的热性能
①玻璃纤维的导热性
导热系数 是指通过 单位传热面积 1m2,温
度梯度 为 1度 / m,时间 为 1小时 所通过的热量 。
97
玻璃 的 导热系数 为 0.6 ~ 1.1千卡 /米 ·度 ·时，
但拉制成 玻璃纤维 后，其导热系数只有 0.03千
卡／米 ·度 ·时。
98
产生这种现象的原因，主要是 纤维间的空
隙较大, 容重较小 所致；
容重越小,其 导热系数越小,主要是因为
空气导热系数低 所致；
导热系数 越小,隔热性能 越好。
99
温度的变化 对玻璃纤维的 导热系数影响不大 。
例如，当玻璃纤维的使用温度升高到 200~300 ℃,
其导热系数只升高 10％。
因此,玻璃纤维 是一种 优良的绝热材料 。当 玻璃
纤维受潮 时,导热系数增大, 隔热性能降低 。
100
②破璃纤维的耐热性
玻璃纤维 耐热性较高,软化点为 550 ~ 580℃,
其 热膨胀系数 为 4.8 ? 10–6 / ℃ 。
玻璃纤维 是一种 无机纤维,不会引起燃烧。将
玻璃纤维加温，直到 某一强度界限 以前，强度基本
不变。
101
玻璃纤维的 耐热性 是由 化学成分 决定的。
一般情况下,钠钙 玻璃纤维加热到 470℃ 之
前（不降温），强度变化不大；
石英 和 高硅氧 玻璃纤维的耐热性则可达到
2000℃ 以上。
102
如果将 玻璃纤维 加热至 250℃ 以上后 再冷却
(通常称为热处理 )，则 强度明显下降 。
温度越高, 强度下降越显著 。
例如,300℃ 下经 24小时，强度下降 20％；
400℃ 下经 24小时、强度下降 50％；
500℃ 下经 24小时、强度下降 70％；
600℃ 下经 24小时，强度下降 80％。
103
玻璃纤维的 强度降低 与 热作用时间 有关。
因此,玻璃布 热处理温度 虽然很高，但因
受热时间短,故 强度降低不大 。
玻璃纤维 热处理后 强度下降,可能是 热处
理 使 微裂纹增加 所引起的,
104
(6)玻璃纤维的电性能
玻璃纤维的 导电性 主要取决于 化学组成, 温度
和 湿度 。
无碱 纤维的 电绝缘性能 比 有碱 纤维优越得多。
这主要是因为 无碱纤维中碱金属离子少 的缘故。
碱金属离子越多，电绝缘性能越差；
玻璃纤维的 电阻率 随着 温度的升高 而 下降 。
105
虽然玻璃纤维的 吸附能力较小,但 空气湿度 对
玻璃纤维的 电阻率影响很大 。
湿度增加, 电阻率下降 。如下表所示：
空气湿度对玻璃布电阻率影响
106
在玻璃纤维的 化学组成 中，加入大量的
氧化铁, 氧化铅, 氧化铜, 氧化银 或 氧化钒,
会使纤维具有 半导体性能 。
在玻璃纤维上 涂敷 金属或石墨,能获得
导电纤维 。
107
(7)玻璃纤维及制品的光学性能
玻璃 是优良的 透光材料,但制成 玻璃纤维 制
品后，其 透光性 远不如玻璃。
玻璃纤维制品的 光学性能 以 反射系数, 透光
系数 和 亮度系数 来表示。
108
反射系数 P是指玻璃布 反射的光强度 与 入射
到玻璃布上的光强度 之比，即
0
I
I
P
p
?
式中：Ｐ ---反射系数； Ip---反射光强度 ;
Io ---入射光强度。
109
在一般情况下,玻璃布的反射系数 与布的
织纹特点, 密度 及 厚度 有关，平均为 40％ --70％ ;
如将透光性较弱的 半透明材料 垫在下边．玻璃
布的 反射系数 可达 87％。
110
透过系数 是指 透过玻璃布的光强度 与 入
射光强度 之比，即
0I
I ?
? ?
式中,?--透光系数 ； I?--透过光强度；
Io---入射光强度
111
玻璃布的 透光系数 与 布的厚度 及 密度 有关。
密度小而薄 的玻璃布，透光系数可达 65％；
密度大而厚 的玻璃布，透光系数只有 18％～ 20％。
112
亮度系数 是用 试样的亮度 与 绝对白的表面亮
度 (标准器 )之比 来测得。
不同织纹玻璃布的光学性能如下表所示：
不同织纹玻璃布的光学性能
113
由于 玻璃纤维 具有 优良的光学性能,因而可
以制成 透明玻璃钢,进而制成各种 采光材料, 导
光管 以 传送光束 或 光学物像 。这在现代 通信技术
等方面也得到了广泛应用。
114
1.4 玻璃纤维的化学性能
玻璃纤维 除对 氢氟酸, 浓碱, 浓磷酸 外，
对 所有化学药品 和 有机溶剂 都有 良好的化学
稳定性 。
115
化学稳定性 在很大程度上 决定了 不
同纤维的使用范围 。
玻璃纤维的 性能 一般认为与 水、湿
度 有关。
116
玻璃纤维在 相对湿度 80％ 以上的环境中存放，
强度有所下降；
玻璃纤维在 l00％ 相对湿度 下，强度保持率在
50％左右。
117
但是,玻璃纤维单纤 即使 与水接触, 强度
也不发生变化 ；
只有在 含碱玻璃纤维 中，由于玻璃纤维中
所含的 碱分溶出, 强度 才会 下降 。
118
(1)侵蚀介质对玻璃纤维制品的腐蚀情况
根据 网络结构假说 可知,二氧化硅四面体 相互
连结构成 玻璃纤维结构的骨架,它是很难与 水, 酸
( H3PO3,HF除外 )起反应的。
119
在 玻璃纤维结构 中，还有 Na,Ca,K等金属离
子及 SiO2与金属离子结合的 硅酸盐 部分；
当 侵蚀介质 与 玻璃纤维制品 作用时，多数是 溶
解玻璃纤维结构中的 金属离子 或 破坏 硅酸盐 部分；
对于 浓碱溶液, 氢氟酸, 磷酸 等，将使 玻璃纤维结
构 全部 溶解 。
120
(2)影响玻璃纤维化学稳定性的因素
A,玻璃纤维的 化学成分 ；
B,纤维 表面情况 ；
C,侵蚀介质 体积 和 温度 ；
D,玻璃纤维纱的 规格 及 性能 。
121
A,玻璃纤维的化学成分
中碱玻璃纤维 对酸的稳定性 是较高的，但 对
水的稳定性 是较差的；
无碱玻璃纤维 耐酸性较差,但 耐水性 较好 ；
如下表所示：
122
无碱与中碱玻璃纤维性能对比
123
中碱 玻璃纤维和 无碱 玻璃纤维，从 弱碱
液对玻璃纤维强度的影响看,二者的 耐碱性
相接近 ；如下表所示：
124
经 NaOH溶液 (5％ )浸润后方格布的变化
125
中碱纤维 含 Na2O,K2O比 无碱纤维 高二十
多倍,受酸作用后,首先从表面上，有较多的金
属氧化物侵析出来，但主要是 Na2O, K2O的离
析、溶解。
126
另一方面,中碱纤维 受酸作用后, 酸 与玻璃
纤维中 硅酸盐作用 生成 硅酸,而 硅酸 迅速聚合 并
凝成 胶体,结果 在玻璃表面上 会形成一层极薄的
氧化硅保护膜,这层膜使 酸的侵析 与 离子交换过
程 迅速减缓，使 强度下降 也缓慢。
实践证明 Na2O, K2O有利于这层保护膜的形
成。所以 中碱纤维 比 无碱纤维 的 耐酸性好 。
127
水与玻璃纤维 作用,首先是侵蚀 玻璃纤维表
面的 碱金属氧化物,主要是 Na2O,K2O的溶解，
使水呈现 碱性 。
随着时间的增加,玻璃纤维与碱液 继续作用、
直至使 二氧化硅骨架 破坏。由于 无碱玻璃纤维 的
碱金属氧化物含量 较低，所以 对水的稳定性 较高。
128
无碱纤维 与 中碱纤维 受到 NaOH溶液侵蚀后，
几乎 所有玻璃成分,包括 SiO2在内,均匀溶解,
使纤维变细。
但是，随 浸碱时间的增加, 化学成分含量 基
本不发生变化,即 内部结构 并未破坏，因而 单位
面积的强度 基本不变。
129
总之，玻璃纤维的 化学稳定性 主要取决于其
成分中的 二氧化硅 及 碱金属氧化物 的含量。
显然,二氧化硅含量多 能提高玻璃纤维的化
学稳定性,而 碱金属氧化物 则会 使化学稳定性降
低 。
130
在玻璃纤维成分中 增加 SiO2或 A12O3含量,或
加入 ZrO2及 TiO2都可以提高玻璃纤维的 耐酸性 ；
增加 SiO2含量，或加入 CaO,ZrO2及 ZnO能
提高玻璃纤维的 耐碱性 ；
131
在玻璃纤维中加入 A12O3, ZrO2及 TiO2等
氧化物，可大大提高 耐水性 。
石英, 高硅氧玻璃纤维 对 水, 酸 的 化学稳
定性较好, 耐碱性 远比普通纤维高。
132
B,纤维表面情况对化学稳定性影响
玻璃 是一种非常好的 耐腐蚀材料,但
拉制成 玻璃纤维 后，其性能远不如玻璃。
这主要是由于 玻璃纤维的比表面积大
所造成的。
133
例如，１克重的 2mm厚的玻璃，只有 5.1cm2表
面积；而１克玻璃纤维 (直径 5um)的表面积则有
3100cm2,表面积增大了 608倍。
也就是说 玻璃纤维受侵蚀介质作用的面积 比
玻璃大 608倍。因此,玻璃纤维的耐腐蚀性能 比
块玻璃 差 很多 。
134
Ｃ 侵蚀介质体积和温度对玻
璃纤维化学稳定性的影响
同样的玻璃纤维，受不同体积的侵蚀介
质作用，其化学稳定性不同。
介质的体积越大，对纤维的侵蚀越严重。
135
温度 对玻璃纤维的 化学稳定性 有很大影响。
在 100℃ 以下 时，温度每升高 10℃,纤维在介质
侵蚀下的破坏速度增加 50％ --l00％；
温度升高到 l00℃ 以上 时，破坏作用将更剧烈。
136
D,玻璃纤维纱的规格及性能
玻璃纤维纱 可分 无捻纱 及 有捻纱 两种。
无捻纱 一般用 增强型浸润剂,由原纱直接并
股、络纱制成。
有捻纱 则多用纺织型浸润剂，由原纱经过 退
绕, 加捻,并股、络纱而制成。
137
由于生产 玻璃纤维纱 的 直径, 支数 及 股数
不同，使 无捻纱和有捻纱的规格 有许多种。
纤维支数 有两种表示方法；
１．定重法
2,定长法
138
１．定重法
是用一克重原纱的长度来表示。
纤维支数 ＝纤维长度／纤维重量
例如,40支纱，就是指一克重的原纱长 40m。
139
2,定长法
是目前 国际统一使用的方法,通称,TE
Ｘ” (公制称号 )，是指 1000m长的原纱的克重量。
例如,4, TEX, 就是指 1000m原纱重 4g。
140
捻度 是指 单位长度内 纤维与纤维之间 所加的
转数,以捻／米为单位。
捻度有 Z捻 和 S捻, Z捻一般称为左捻，顺时
针方向加捻； S捻称为右捻，是逆时针方向加捻。
141
通过 加捻 可 提高纤维的抱合力,改善了单
纤维的受力状况，有利于纺织工序的进行。
但是，当玻璃纤维的 捻度过大 时,不易被
树脂浸透。
142
无捻粗纱 中的纤维具有 平行排列, 拉伸
强度很高, 易 被树脂 浸透 等特点。
因此,无捻粗纱 多用于缠绕 高压容器 及
管道 等，同时也用于 挤拉成型, 喷射成型 等
工艺中。
143
2、特种玻璃纤维
2.1 高强度 及 高模量 玻璃纤维
2.2 耐高温 玻璃纤维
2.3 空心 玻璃纤维
144
2.1 高强度及高模量玻璃纤维
(1)高强度玻璃纤维
高强度玻璃纤维有 镁铝硅酸盐 和 硼硅酸盐
两个系统。
145
镁铝硅酸盐玻璃纤维 也称 S玻璃纤维 。
其化学成分主要是 SiO2--65％,Al2O3--25％，
MgO--10％。
S玻璃纤维与 E玻璃纤维相比,拉伸强
度高 33%,弹性模量 提高 20％。
146
S玻璃纤维 具有高的比强度，在高温下有 良好
的强度保留率 及 高的疲劳极限 。
直径为 9 um的 镁铝硅酸盐纤维,经过 无水增
强型浸润剂, HTS”处理后，其 拉伸强度 可达 4900
MPa,弹性模量 为 9 ? 104 MPa,其 耐热性 比较高。
147
S玻璃纤维 的拉丝温度很高，一般要在
1400℃ 以上，需要特殊的拉丝工艺。
因此，国外又开始研究 硼硅酸盐玻璃纤维 。
这种纤维的化学成分为 SiO2,40％ --50％，
A12O3,19％ --29％,B2O3,10％ --20％,Li2O：
0.1％ --1％。
148
硼硅酸盐 玻璃纤维的 液相温度 较低，不需特殊
拉丝工艺条件，一般用含量 15％ --25％的 铂拉丝炉 即
可拉丝。
硼硅酸盐 玻璃纤维的 拉伸强度 为 4400 MPa,弹
性模量 为 7.4 ? l04 MPa。
有时，为了提高 硼硅酸盐玻璃纤维 弹性模量,
常常在其配方中人为引入 BeO。
149
(2)高模量玻璃纤维
高模量玻璃,也称 M玻璃 或 YM--35--A玻璃 。
M玻璃纤维的 模量 为 9.4 ? 10 4 MPa,比一般玻璃纤
维的模量提高 1/3以上,拉伸强度 和 E玻璃纤维相似，
玻璃液相温度 为 1110 ℃ 。
150
由 M玻璃纤维 制成的 玻璃钢制品 刚性特别好,
在外力作用下 不易变形，更适合于要求 高强度和高
模量制品,以及 航空、宇航所用的制品 。
国内这种玻璃的成分质量比如下：
151
2.2 耐高温玻璃纤维
(1)石英纤维
(2)铝硅酸盐玻璃纤维
152
(1)石英纤维
石英纤维 是一种优良的耐高温材料，这
种纤维仅限于用高纯度 (99.95％二氧化硅 )天然
石英晶体 制成的纤维，它保持了 固体石英的特
点和性能 。
153
石英纤维的直径一般为 10--100 um,由于
其 纤维比较脆,故纺织品价格比一般玻璃纱
高很多。
石英纤维的具有以下五个方面的性能,
154
① 软化温度高
一般玻璃纤维 的 软化温度 只有 550--580 ℃,
而 石英纤维 的 软化温度 可达 1250 ℃ 以上。
155
② 膨胀系数小
室温下,石英纤维 的膨胀系数为 5 ? 10 –7/℃,
当温度升高到 1200 ℃ 时、仅增大为 11 ? 10 -7 /℃,
为普通玻璃纤维的 1/10--1/20。
另外,石英纤维 加热到 800--1000 ℃ 后，用水
冷却，其性能无损伤。
156
③ 电性能好
石英纤维 在高温下 的 电绝缘性能 良好，其导
电率只有 10-16?-1.cm –1,为一般纤维的干分之一
至万分之一。
157
④ 石英纤维 能 耐 100--200℃ 浓酸的浸蚀,但 耐
碱及碱性盐 的能力差些 。
⑤ 石英纤维 在 250--4700 um的光谱区内，有较
高的透光率。
石英纤维 广泛用在 电机制造, 光通讯, 火箭 及
原子反应堆工程 等方面。
158
(２ )铝硅酸盐玻璃纤维
铝硅酸盐玻璃纤维 是以 高岭土, 铝矾土, 蓝
晶石 等为原料，在高频炉、电弧炉或其它高温
炉中熔化，用 吹制法 制成的玻璃纤维。
吹制法制 成的 纤维较短,可以 捻丝成线,
但 强度较低 。
159
铝硅酸盐玻璃纤维 的 化学组成特点 是 A12O3
占 50％以上，其 熔化温度 为 1760℃, 最高使用温
度 为 1260℃ 。
铝硅酸盐玻璃纤维 的主要用途是作 绝缘材料
和 隔热材料,多用于 火箭, 喷气发动机, 原子反
应堆 等。
160
2.3 空心玻璃纤维
空心玻璃纤维 是采用 铝硼硅酸盐玻璃 原料，用
特制 拔丝炉 拔丝制成。
空心玻璃纤维 呈 中空状态, 质轻, 刚性好,制
成玻璃钢制品比一般的轻 10％以上，而且弹性模量
较高，适用于 航空 与 海底装备 。
161
另外,空心玻璃纤维 的 电性能 好,导热系
数 低，但性质较脆。
空心玻璃纤维的直径为 10--17um。 毛细系
数 是空心玻璃纤维性能的重要因素。当体积重
量为 1.6 ~ 1.8 g/ cm3时，毛细系数为 0.6--0.7。
162
3,碳纤维
3.1 概 述
碳纤维 （ Carbon Fibre,CF或 Cf）的开发历史
可追溯到 19世纪末期,美国科学家爱迪生发明的
白炽灯灯丝，而真正作为 有使用价值 并规模生产
的碳纤维，则出现在 二十世纪 50年代末期 。
163
1959年美国联合碳化公司 (Union Carbide
Corporation,UCC)以粘胶纤维 (Viscose firber)为原丝
制成商品名为,Hyfil Thornel”的 纤维素基碳纤维
(Rayon-based carbon firber)。
1962年日本 炭素公司 实现低模量 聚丙烯脂基碳纤
维 (Polyacry lontrile--based carbon firber,PANCF)的
工业化生产 ;
164
1963年英国 航空材料研究所 (Royal Aircraft
Establishment,RAE)开发出高模量 聚丙烯脂基碳
纤维 ；
1965年日本群马大学试制成功 以沥青或木质
素为原料 的 通用型碳纤维 ；
1970年日本昊羽化学公司实现 沥青基碳纤维
Pitch-based carbon fiber的工业规模生产；
165
1968年美国金刚砂公司研制出商品名为,Kynol”
的 酚醛纤维 Phenolic fibers;
1980年以 酚醛纤维为原丝 的 活性碳纤维 (Fibrous
activated carbon)投放市场。
166
1988年，世界 碳纤维 总生产能力为 10054吨 /年，
其中 聚丙烯腈基碳纤维 为 7840吨，占总量的 78％。
日本是最大的聚丙烯腈基碳纤维生产国，生产能力
约 3400吨 /年，占总量的 43％。
美国的碳纤维主要用于 航空航天 领域，欧洲在
航空航天、体育用品和工业方面的需求比较均衡，
而日本则以 体育器材 为主。
167
碳纤维 是由 有机纤维 经 固相反应 转变而成
的 纤维状聚合物碳,是一种非金属材料。
碳纤维 不属于 有机纤维 范畴，但 从制备方法
上 看，它又不同于 普通无机纤维 。
168
碳纤维性能
① 碳纤维具有 重量轻, 比强度大, 模量高, 耐
热性高 ；
② 化学稳定性 好，除硝酸等少数强酸外，几
乎对所有药品均稳定；另外，碳纤维对 碱 也稳定。
169
碳纤维制品 具有非常优良的 X射线透过性, 阻
止中子透过性,还可 赋予塑料 以 导电性 和 导热性 。
以碳纤维为增强剂的复合材料 具有 比钢强、比
铝轻 的特性，是一种目前最受重视的高性能材料之
一。它在航空航天、军事、工业、体育器材等许多
方面有着广泛的用途。
170
3,2 碳纤维的分类
当前，国内外巳商品化的 碳纤维种类 很多，
一般可以根据 原丝的类型, 碳纤维的性能 和 碳纤
维的用途 等三种方法进行分类。
171
1．根据碳纤维的性能分类
(1) 高性能碳纤维
在高性能碳纤维中，有 高强度 碳纤维,高模
量 碳纤维,中模量 碳纤维等。
(2)低性能碳纤维
这类碳纤维中，有 耐火 纤维,碳质 纤维,石
墨 纤维等。
172
2．根据原丝类型分类
(1)聚丙烯腈基 纤维；
(2)粘胶基 碳纤维；
(3)沥青基 碳纤维；
(4)木质素纤维基 碳纤维；
(5)其他 有机纤维基 (各种天然纤维、再
生纤维、缩合多环芳香族合成纤维 )碳纤维。
173
3．根据碳纤维功能分类
(1)受力结构用 碳纤维
(2)耐焰 碳纤维
(3)活性 碳纤维 (吸附活性 )
(4)导电用 碳纤维
(5)润滑用 碳纤维
(6)耐磨用 碳纤维
174
3,3 碳纤维的制造
碳纤维 是一种 以碳为主要成分 的纤维状材料。
它不同于 有机纤维 或 无机纤维,不能用 熔融法或溶
液法 直接纺丝，只能 以有机物为原料,采用 间接方
法 制造。
175
碳纤维制造方法 可分为两种类型，
即 气相法 和 有机纤维碳化法 。
176
气相法 是 在惰性气氛中, 小分子有机物 (如
烃或芳烃等 )在高温下 沉积成纤维。
用这种方法只能制造 晶须 或 短纤维,不能制
造 连续长丝 。
177
有机纤维碳化法 可以制造 连续长纤维,
它通常分为两步进行：
① 将 有机纤维 经过 稳定化处理 变成 耐焰纤维 ；
178
② 在惰性气氛中,于高温下进行 焙烧
碳化,使有机纤维失去 部分碳 和 其它非碳
原子,形成 以碳为主要成分 的纤维状物。
179
天然纤维, 再生纤维 和 合成纤维 都可
用来制备 碳纤维 。
制备 碳纤维 时, 选择的条件 是 加热时
不熔融, 可牵伸,且 碳纤维产率高 。
180
制作碳纤维的 主要原材料 有三种：
①人造丝 (粘胶纤维 )；
②聚丙烯腈 (PNN)纤维；
③ 沥青。
181
用 人造丝, 聚丙烯腈纤维, 沥青 为
原料生产的碳纤维各有其不同特点。
其中，制造 高强度, 高模量 碳纤维
多选 聚丙烯腈 为原料。
182
无论用哪一种 原丝纤维 来制造碳纤维，
都要经过 五个阶段,
拉丝 牵伸 稳定 碳化 石墨化
183
(1) 拉丝：
可用 湿法, 干法 或者 熔融状态 三种
中的任意一种方法进行。
184
(2) 牵伸
在室温以上，通常是 100--300 ℃ 范围内
进行。
W.Watt首先发现 结晶定向纤维 的拉伸
效应，而且这种效应控制着最终 纤维的模量 。
185
(3) 稳定
通过 400 ℃ 加热氧化 的方法。
400 ℃ 的氧化阶段 是 A,Shindo‘s 最近 在工
艺上 做出的贡献。它显著地降低所有的热失重，
并因此保证高度 石墨化 和取得 更好的性能 。
186
(4) 碳化
在 1000--2000 ℃ 范围内进行。
(5) 石墨化
在 2000--3000 ℃ 范围内进行。
187
在制备 碳纤维 的过程中，无论采用什
么原材料，都要经过上述五个阶段，即 原
丝预氧化 （拉丝、牵伸、稳定）, 碳化 以
及 石墨化 等，所产生的最终纤维，其基本
成分为碳。
188
3,4 碳纤维的结构与性能
1．碳纤维的 结构 与 力学性能
2．碳纤维的 物理性能
3．碳纤维的 化学性能
189
1．结构与力学性能
材料的 性能 主要决定于材料的 结构 。结构有
两方面的含义，一是 化学结构,二是 物理结构 。
190
碳纤维的结构 决定于 原丝结构 与 碳化工艺 。
对 有机纤维 进行 预氧化, 碳化 等工艺处理
的目的是，除去 有机纤维中 碳以外的元素，形
成 聚合多环芳香族 平面结构。
191
在 碳纤维 形成的过程中，随着原丝的不同，
重量损失可达 10％ --80％，因此形成了各种微小的
缺陷。
但是，无论用哪种原料,高模量碳纤维中 的
碳分子平面 总是 沿纤维轴 平行地取向 。
192
用 x射线, 电子衍射 和 电子显微镜 研究
发现，真实的 碳纤维结构 并不是理想的石墨
点阵结构，而是属于 乱层石墨结构 。
193
在 乱层石墨结构 中,石墨层片 是基本的结
构单元，若干层片组成 微晶,微晶堆砌成直径
数十纳米、长度数百纳米的 原纤,原纤则构成
了 碳纤维单丝,其直径约数微米。
194
实测碳纤维 石墨层的面间距 约 0.339--0.342
nm,比 石墨晶体的层面间距 (0.335nm)略大，各
平行层面间的碳原子排列 也不如石墨那样规整。
195
依据 C--C键的 键能及密度 计算得到的 单晶
石墨 强度和模量 分别为 180 Ｇ Pa和 1000 GPa左
右。而 碳纤维 的实际 强度和模量 远远低于此理
论值。
这主要是由于 纤维中的缺陷 和 原丝中的缺
陷 所造成的。
196
纤维中的缺陷 主要是指 结构不匀, 直径变
异, 微孔, 裂缝或沟槽, 气孔, 杂质 等。
纤维中的缺陷 来自两个方面，一是 原丝中
特有的,二是 在碳化过程中产生的 。
197
原丝中的缺陷 主要是 在纤维成形过程中
产生的。而 在碳化时,则由于从纤维中会 释
放出特种气体物质,进而 在纤维表面及内部
产生 空穴 等缺陷。
198
碳纤维的 应力 --应变曲线 为一直线，由
于伸长小，断裂过程在瞬间完成，所以 碳纤
维 不容易发生屈服。
199
碳纤维 轴向分子间的结合力 比石墨大，所以
它的 抗张强度和模量 都明显高于石墨；
而碳纤维的 径向分子间作用力弱, 抗压性能
较差，轴向 抗压强度 仅为 抗张强度 的 10％ --30％，
而且不能结节。
200
2．碳纤维的物理性能
碳纤维的比重在 1.5--2.0之间，这除了与 原丝
结构 有关外，主要还决定于 碳化处理的温度 。
一般情况下，经过高温 (3000 ℃ )石墨化处理,
比重可达 2.0。
201
碳纤维 的 热膨胀系数 与 其它类型纤维 不同，它
有 各向异性 的特点。
平行于纤维方向 是负值 (-0.72 ~ -0.90 ? 10 -6 /℃ )，
而 垂直于纤维方向 是正值 ( 32 ~ 22 ? 10-6 /℃ )。
202
碳纤维的 比热 一般为 7.12 ? l0-1 kJ( kg · ℃ )。
导热率有方向性, 平行于纤维轴方向 导热率为
0.04卡 /秒 ·厘米 ·度，而 垂直于纤维轴方向 为
0.002卡 /秒 ·厘米 ·度。
导热率随温度升高而下降 。
203
碳纤维的 比电阻 与 纤维的类型 有关。在 25℃
时,高模量碳纤维 为 775 u? · cm,高强度碳纤
维 为 1500 u? · cm。
碳纤维的 电动势 为正值，而铝合金的电动势
为负值。因此当 碳纤维复合材料 与 铝合金 组合应
用时会发生 电化学腐蚀 。
204
3．碳纤维的化学性能
碳纤维 的 化学性能 与 碳 很相似。它除能被
强氧化剂氧化 外，对 一般酸碱 是惰性的。
在 空气 中，当温度高于 400 ℃ 时，则会出
现明显的氧化，生成 CO和 CO2。
205
在 不接触 空气 或 氧化气氛 时，碳纤维具有
突出的 耐热性 。
当碳纤维 在高于 1500 ℃ 时, 强度 才开始下
降；而 其它类型材料 包括 A12O3晶须在内,在
此温度下,其性能已大大下降。
206
另外，碳纤维还有良好的 耐低温性能,如
在液氮温度下 也 不脆化 。它还有 耐油, 抗放射,
抗辐射, 吸收有毒气体 和 减速中子 等特性。
207
4,硼纤维
硼纤维（ Boron Fibre,BF或 Bf）是一种将硼
元素通过 高温化学气相法 沉积在 钨丝表面 制成的
高性能增强纤维。它具有很高的 比强度 和 比模量,
也是制造 金属复合材料 最早采用的高性能纤维。
208
用 硼铝复合材料 制成的航天飞机 主舱框架 强
度高, 刚性好,代替 铝合金骨架 节省重量 44％，
取得了十分显著的效果，也有力地促进了 硼纤维
金属基复合材料 的发展。
209
1959年美国 TELLY首先发表了用 化学气相沉
积法 制造 高性能硼纤维 的论文，并受到了 美国空军
材料实验室 的高度重视，积极推进 硼纤维及其复合
材料的研制 。美国 AVCO,TEXFROU公司是硼纤
维的主要生产厂家。
210
现在硼纤维 通用的制备方法 是 在加热的
钨丝表面 通过 化学反应沉积 硼层。
硼纤维的 直径 有 100μm,140μm,200μm
几种。
211
硼纤维 具有良好的 力学性能, 强度高, 模
量高, 密度小 。
硼纤维具有 耐高温和耐中子辐射 性能。
212
硼纤维的缺点
工艺复杂,不易大量生产，其 价格昂贵 。
由于钨丝的密度大,硼纤维的密度 也大。
213
硼纤维具有很高的 弹性模量 和 强度,但其
性能受 沉积条件和纤维直径 的影响。
硼纤维的 密度 为 2.4 ~ 2.65 g / cm3,拉伸强
度 为 3.2 ~ 5.2 GPa,弹性模量 为 350 ~ 400 GPa。
214
硼纤维 在空气中的 拉伸强度 随温度升高而
降低 。
在 200 ℃ 左右 硼纤维性能 基本不变 ；而 在
315 ℃, 1000小时硼纤维强度将 损失 70％ ；而
加热到 650 ℃ 时 硼纤维强度将 完全丧失 。
215
硼纤维的 弯曲强度 比 拉伸强度 高，
其平均 拉伸强度 为 310 MPa,拉伸模量
为 420 GPa。
216
在室温下,硼纤维的 化学稳定性好,但
表面具有活性, 不需要处理 就能与树脂进行
复合，而且所制得的复合材料具有 较高的层
间剪切强度
217
目前已研究用 碳纤维 代替 钨丝,以降
低成本和密度。
结果表明,碳心硼纤维 比 钨丝硼纤维
强度下降 5%，但成本降低 25%。
218
硼纤维 在常温下 为 惰性物质,但 在高温下 易
与金属反应。
因此，需在表面 沉积 SiC层,称之为 Bosic纤维。
硼纤维主要用于 聚合物基 和 金属基复合材料 。
219
5,氧化铝纤维
以 氧化铝 为 主要纤维组分 的陶瓷纤维
统称为氧化铝纤维 ( Aluminia Fibre,AF或
( Al2O3 )f )。
220
通常情况下，将 氧化铝含量大于 70％ 的
纤维相称为 氧化铝纤维 ；
将 氧化铝含量小于 70％,其余为 二氧化
硅和少量杂质 的纤维称为 硅酸铝纤维 。
221
氧化铝纤维的特点
(1) 耐热性好,在空气中加热到 1250 ℃
还保持室温强度的 90%,碳纤维 通常在 400
℃ 以上就氧化燃烧。
222
(2) 不被熔融金属侵蚀,可与金属很好地复合。
(3)表面活性好,不需要进行表面处理，即能
与树肥和金属复合。
(4)具有极佳的 耐化学腐蚀 和 抗氧化性,尤其
在高温条件这些性能更为突出 。
223
(5)用氧化铝增强的复合材料 具有优良的 抗压
性能,压缩强度比 GFRP高，是 GFRP的三倍以上，
耐疲劳强度高，经 107次 重复交变加载 后，强度
不低于静强度的 70％。
224
(6)电气绝缘, 电波透过性好 。
与玻璃钢相比，它的介电常数和损耗值
小，且随频率的变化小，电波透过性更好。
225
氧化铝纤维的应用
针对上述特点，氧化铝纤维适合于制造既需
要 轻质高强 又需要 耐热 的结构件。
用它制作 雷达天线罩,其 刚性 比玻璃钢高，
透电波 性能好,耐高温 。
226
若用 氧化铝纤维的复合材料 制 导弹壳体,则有
可能不开天线窗，将天线装在弹内。
目前,氧化铝纤维的的用途 正处于 开发阶段,
不久的将来将在 航空, 航天, 卫星, 交通 和 能源 等
部门得到广泛应用。
227
氧化铝纤维 不足之处 是 密度比较大,
约为 3.20 g / cm 3,是纤维中最大的一种。
228
6,碳化硅纤维
碳化硅纤维（ Silicon Carbide Fibre，
SF或 SiCf）是以 碳和硅为主要组分 的一种
陶瓷纤维。
229
6.1 碳化硅纤维的性能
SiC纤维是 高强度、高模量 纤维，有良
好的 耐化学腐蚀性, 耐高温 和 耐辐射性能 。
230
(1)力学性能
以在日本碳公司进行中试生产，产品名
称 尼卡纶 为代表，其主要性能如下表所示：
231
尼卡纶的一般性质
从表中可看出,尼卡纶 的强度与韧性接近于
硼纤维。
232
(2) 热性能
碳化硅纤维 具有优良的 耐热性能, 在 1000℃
以下,其力学性能（ 拉伸强度 和 弹性模量 ）基本
上不变，可长期使用。
当 温度超过 1300℃ 时，其性能才开始下降。
因此，相比于碳纤维和硼纤维,碳化硅纤维 具有
更好的 高温稳定性,是一种较好的耐高温材料 。
233
(3) 耐化学性能
碳化硅纤维 具有良好的 耐化学性能,在 80℃
下耐强酸 (HCl,H2SO4,HNO3)；
用 30％ NaOH浸蚀 20小时后，纤维仅失重 1％
以下，其力学性能仍不变。
碳化硅纤维 与全属在 1000℃ 以下也不发生反
应，而且有很好的浸润性，有益于金属的复合。
234
(4) 耐辐照和吸波性能
碳化硅纤维 在通量为 3.2 ? 10 10中子 /秒的 快中
子 辐照 1.5小时或以能量为 105中子伏特, 200纳秒
的强脉冲 ?射线照射下，碳化硅纤维 强度 均无明显
降低。
235
此外,SiC纤维还具有 半导体性能,
与 金属相容性 好，常用于金属基和陶瓷
基复合材料。
236
6,2．碳化硅纤维的应用
由于碳化硅纤维具有 耐高温, 耐腐
蚀, 耐辐射 的 三耐性能,是一种耐热的
理想材料。
237
用 碳化硅纤维 编织成双向和三向 织物,巳
用于高温的传送带、过滤材料，如汽车的废气
过滤器等。
碳化硅复合材料 已应用于 喷气发动机涡轮
叶片, 飞机螺旋桨 等受力部件。
238
在军事上,碳化硅纤维 用于大口径军用步枪
金属基复合枪筒套管, M--1作战坦克履带、火箭
推进剂传送系统，先进战术战斗机的 垂直安定面,
导弹尾部，火箭发动机 外壳, 鱼雷壳体 等。
239
6.3 碳化硅纤维的制造方法
A,化学气相沉积法（ＣＶＤ法）
B,烧结法 (有机聚合物转化法 )
240
化学气相沉积法 生产的 碳化硅纤维 是直径为
95--140 um的单丝；
烧结法 生产的 碳化硅纤维 是直径为 10 um的
细纤维，一般由 500根纤维组成的丝束为商品。
241
碳化硅纤维 的主要生产国是美、日两国。
美国 Texton公司是 碳化硅单丝 的主要生产厂。
碳化硅纤维的 系列产品 是 SCS2,SCS6等，并研究
发展 碳化硅纤维增强铝、钛基复合材料 。
242
日本碳公司 是利用 烧结法 生产 碳化硅纤维
的主要厂家，系列商品名为 Nicalon纤维。
80年代末，日本又发展了 含 Ti碳化硅纤维 。
碳化硅纤维 虽有其性能特点，但 价格昂贵,应
用尚未广泛。
243
7、氮化硼纤维
氮化硼纤维 是 20 世纪 60年代发展起来的无机
纤维，该纤维具有优良的 机械性能, 耐热性能,
抗氧化性能, 耐腐蚀性能 以及独特的 电性能 等，
可用作 金属基, 陶瓷基, 聚合物基 复合材料的增
强材料,
244
氮化硼的结构 类似于石墨，而 氮化硼的耐氧
化性能 比石墨优越。
石墨纤维 在空气中 400℃ 时氧化性能开始降低，
而 氮化硼纤维 在 850℃ 的空气中 才开始氧化。
245
石墨纤维 被氧化时产生气体,不形成表面的
保扩层 ；而 氮化硼纤维 在氧化过程中 具有增重现
象 。这是因为形成氧化硼保护层，可以防止深度
氧化。
在惰性或还原性气氛中,氮化硼纤维 直到
2500℃ 纤维的性能是稳定的。
246
氮化硼纤维 的 强度 和 模量 接近于 玻璃纤维,
但是它的 多晶性质 使它具有较好的 耐腐蚀性能 。
它的密度为 1.4 ~ 2.0 g / m3,用其制备的复合材
料具有 轻质高强 的特点。
247
氮化硼纤维 具有优异的 电性能,直到 2000℃
纤维还具有极好的 电绝缘性能 ；
氮化硼纤维还具有很 低的介电损耗 和 介电常
数,是 耐烧蚀天线窗 的理想材料。
248
8,其他纤维
① 陶瓷纤维
具有 陶瓷化学成分的纤维 称为 陶瓷纤维,
如氧化锆、氧化铍、氧化镁、氧化钛和硼化
钛等纤维。
249
陶瓷纤维的特点 是可 耐 1260～ 1790℃ 的高温
（在惰性和氧化性气氛中）,耐磨耐腐蚀性 好和 良
好的物理机械性能,特别适合于 陶瓷基复合材料 。
陶瓷纤维的缺点 是 对裂纹等缺陷敏感，脆性大 。
250
② 金属和钢纤维
金属和钢的特点是 导电性 和 导热性 好，
塑性 和 抗冲击性 好。
钢纤维常用于 混凝土基复合材料 。
251
9,各种纤维的比较
①纤维的柔韧性及断裂
②比性能
③热稳定性
252
① 纤维的柔韧性及断裂
各种纤维 在拉伸断裂前 不发生任何屈
服,如下图所示的纤维的 应力 --应变 曲线。
253
拉伸应变,%
拉
伸
应
力,G
Pa
各
种
纤
维
的
应
力----
应
变
曲
线
254
从 拉断后 纤维的扫描电镜 观察发现，仅
Kevlar--49纤维呈 韧性断裂, 断裂前 纤维有明显
的 颈缩,并在发生 很大的局部伸长后 才最终断裂
碳纤维 和 玻璃纤维 几乎就是理想的 脆性断裂,
断裂时不发生截面积的缩小。
255
② 比性能
比强度 和 比模量 是纤维性能的一个重
要指标。下图给出了各种纤维比强度和比
模量全图。
256各种纤维的比强度和比模量比较
比模量,GPa / ( g / cm 3 )
比
强
度
，MP
a /
( g
/ c
m
3 )
具有最佳的比强
度和比模量搭配
比模量最高
比模量和比强度较低
比
模
量
最
低
257
③热稳定性
纤维的 热稳定性 与 熔点 有关。
一般来讲，材料的熔点越高，热稳定性就越好。
在 没有空气和氧气的条件 下,碳纤维 具有非常好的
耐高温性能 。
258
尽管块状玻璃的 软化温度 为 850℃, 但当温
度高于 250 ℃ 时,E玻璃纤维的 强度和模量 就开始
迅速下降。
玻璃纤维 的 热稳定性 高于 Kevlar49纤维 。在
受到太阳光照射时,Kevlar纤维产生严重的光致
劣化，使纤维变色，机械性能下降。
259
二、晶须增强体
晶须 （ Whiskers） 是在人工控制条件下，
以单晶形式 生长成的一种纤维。
晶须 的直径一般为几微米，长几十微米，
是一种 无缺陷的理想完整晶体 。
260
由于晶须的 直径非常小,所以 不适合
容纳 在大晶体中常出现的 缺陷,因而 强度
接近于完整晶体的理论值。
近年来，晶须作为一种新型增强材料
倍受青睐。
261
自 1948年美国 贝尔电话公司 的科学家首
次发现晶须以来，迄今为止，材料学家们已
研究开发出了 上百种晶须,有 金属, 氧化物,
碳化物, 氮化物, 硼化物 以及 无机盐 等多种
晶须。
但是，已经得到 实际应用 并开始 工业化
生产 的晶须只有几种。
262
从大的方面来看,晶须 分为 陶瓷晶须
和 金属晶须 两类，用作 增强材料 的主要是
陶瓷晶须 。
陶瓷晶须 的 直径 只有几个微米，长度
一般为几厘米,断面 多呈多角状。
263
陶瓷晶须的基本性能如下表所示：
264
金属晶须 主要有 Ni,Fe,Cu,Si、
Ag,Ti,Cd等；
氧化物晶须 主要有 MgO,ZnO、
BeO,Al2O3,TiO2,Y2O3,Cr2O3等。
265
陶瓷晶须 主要是 碳化物晶须,如 SiC,TiC、
ZrC,WC,B4C等。
硼化物晶须 主要有 TiB2,ZrB2,TaB2,CrB、
NbB2等
无机盐类晶须 主要有如 K2Ti6O13和 Al18B4O33
266
具有实用价值的 晶须直径 约为 1 ~ 10μm，
长度与直径比 在 5～ 1000之间。
实际上，晶须是含 缺陷很少 的 单晶短纤
维,其 拉伸强度 接近其 纯晶体的理论强度 。
267
也可以认为,晶须 是 以单晶结构生长的
直径极小的 短纤维,由于 直径小 (＜ 3um),造
成晶体中的 缺陷少, 原子排列高度有序,故
其 强度 接近于 相邻原子间成键力 的理论值。
268
晶须 可用作 高性能复合材料 的 增强材
料,以增强 金属, 陶瓷 和 聚合物 。
晶须 是目前 已知纤维中 强度最高 的一
种，其 机械强度 几乎等于 相邻原子间的作
用力 。
269
晶须高强的主要原因
Ａ、它的 直径非常小, 不能容纳 使晶
体削弱的 空隙, 位错 和 不完整 等缺陷。
Ｂ、晶须材料的 内部结构完整,使它
的强度 不受表面完整性的严格限制 。
270
晶须 兼有 玻璃纤维 和 硼纤维 的优良性
能。它具有玻璃纤维的延伸率 (3％ --4％ )
和硼纤维的弹性模量 (4.2 ~ 7.0 ? 106 MPa)。
例如，氧化铝晶须 在 2070℃ 高温下,
仍能保持 7000 MPa的拉伸强度。
271
晶须的制备方法
CVD法 原位生长 法
溶胶 —凝胶法 气液固 （ VLS）法
液相生长 法 固相生长 法
272
晶须 没有显著的 疲劳效应, 切断, 磨粉
或其它的 施工操作,都 不会降低其强度 。
晶须 在复合材料中的 增强效果 与其 品种,
用量 关系极大，根据实践可得出下面的经验：
273
(1)作为 硼纤维, 碳纤维 及 玻璃纤维 的
补充增强材料,加入 1％ --5％晶须,强度
有明显的提高 。
(2)加入 5％ --50％晶须对 模压复合材料
和 浇注复合材料 的强度能 成倍增加 。
274
(3)在 定向复合材料 中、加入 70％ --90％
的晶须，往往可以使其强度 提高一个数量
级,定向复合材料所用的 晶须制品 为 浸渍
纱 和 定向带 。
275
(4)在 层压板复合材料 中，加入 50％ --
70％的晶须，能使其 强度增长许多倍,
(5)对于高强度、低密度的 晶须构架,
胶结剂 只须相互接触就可把 晶须粘结 起来，
因此晶须含量可高达 90％ --95％。
276
晶须一般都是 一维线形针状体,主要
用作复合材料增强体，而且 生产成本 很高，
不易推广使用。
277
因此,晶须复合材料 由于其 价格昂贵,
日前主要用在 空间和尖端技术 上，在 民用
方面 主要用于 合成牙齿, 骨胳 及直升飞机
的 旋翼 和高强 离心机 等。
278
新型氧化锌晶须
在众多种类的晶须中,新型氧化锌
晶须 （ Zinc Oxide Whisker,简写为
ZnOw） 以其 独特的结构 而倍受注目。
279
由于 氧化锌晶须 的 制造工艺, 周期,
成本, 纯度 等存在较大的 不可控性,全世
界进入产业化生产程序的企业仅有两家，
一家是日本 松下电器公司,另一家则是成
都交大 晶宇科技有限公司 。
280
目前，新型 氧化锌晶须的形状
与普通的晶须完全不同,为 立体四针
状单晶体 微纤维。如下图所示。
281
普通氧化锌晶须 四针状氧化锌晶须
SEM Photo of the ZnO Whiskers
282四针状氧化锌晶须产品外观 --白色松软状粉末
283
新型 氧化锌晶须 不仅生产 成本低,而且
功能独特 。
由于其独特的 空间四针状结构,特有的 半
导体, 压电, 吸波 等特性，除了 增强作用 外,
其多方面的功能决定了该晶须可以作为 结构
材料, 功能材料,在国防、电子、化工、交
通等领域发挥巨大的作用。
284
氧化锌晶须 主要特点
（ 1）独特的 立体四针状结构,每根针状体
均为 单晶体微纤维 。
（ 2）具有 半导体, 压电, 吸波 特性。
（ 3） 高强度,单晶体纤维的强度达到或接
近化学键的理论计算值。
（ 4） 耐高温,在 1720℃ 之前不发生变化。
（ 5） 耐磨防滑, 减振降噪 等功能特性。
（ 6） 抗菌 等生物学功能特性。
285
氧化锌晶须 主要用途
（ 1）导电、压电、抗静电 复合材料 。
（ 2）微波吸收、微波 -热 转换材料 。
（ 3）耐磨防滑 复合材料 。
（ 4）减振、降噪、抗冲制品。
（ 5）各项 同性增强复合材料 。
（ 6）抗碎裂陶瓷材料及制品。
（ 7）抗菌材料。
286
ZnOw 的 主 要 物 理 性 能
性 能 数 值
化 学 式 ZnO
ZnO 含 量 (%) >99.99
形 状 四针状
真 实 比 重 5.96
表 观 比 重 0.01-0.5
耐 热 性 能 (℃ ) 1720升华
针状体长度 (m m) 10-300
针状体根直径 (m m) 0.1-10
体积电阻率 (W,cm) 7.14
介 电 常 数 8.55
拉 伸 强 度 (GPa) 10
弹 性 模 量 (GPa) 345
热 膨 胀 率 (%/℃ ) 4? 10-6
287
硫酸钙晶须
外 观,白色蓬松状 固体（在显微镜
下为 纤维状 或 针状 单晶体）
分子量,136.14
288
中径纤维
直径,1~2um
长度,30~150um
长径比,20~100
细径纤维
直径,0.1~1.5um
长度,20~120um
长径比,30~200
289
硫酸钙晶须的物理参数
拉伸强度,2.058Gpa
耐热性,1000℃
弹性率,176.4Gpa
相对密度,2.96
莫氏硬度,3
熔点,1450℃
290
硫酸钙晶须的主用用途
(1)晶须硫酸钙 添加 在塑料、橡胶中 起
增韧增强 作用，并有一定的 阻燃效果 进而
提高被添加材料的熔点 。另外，还能 降低
基体熔化后的流动性 。
291
(2)硫酸钙晶须 可用作 中等强度 的
填充剂, 细径纤维 的 补强效果 与 其它
高性能纤维增强材料 的 补强效果 接近。
292
用 硫酸钙晶须 增强的塑料制品，其 抗拉
强度, 弯曲强度, 弯曲弹性率 的 热变形温度
均有提高。
硫酸钙晶须 可以 代替石棉 作 摩擦材料,
建筑材料,保温、保冷材料等。还可部分代
替玻璃纤维。
293
(3)硫酸钙晶须 可用来 增强聚丙烯 。可
增加材料的 拉伸强度, 弯曲强度 。
(4)加入 硫酸钙晶须 可 提高环氧树脂 的
粘结强度 。其 增强效果 超过 石英粉, 氧化
铝, 白碳黑, 超细硅酸铝 等添加剂。
294
硼 酸 铝 晶须
外观,白色针状 分子量,1056.88
直径,0.5－ 1um 长度,5－ 30um
相对密度,2.90-2.94 拉伸强度,8Gpa
莫氏硬度,7 弹性模量,400Mpa
耐热性,1420℃ ~1460℃
热膨胀系数,4.2× 10－ 6/℃
295
白色针状
硼 酸 铝 晶须
296
硼 酸 铝 晶须的基本特征
(1)极高的 强度和弹性
(2)优良的 耐酸、碱性
(3)高熔点,耐热性能 较好
(4)近似 化学中性
(5)温度膨胀系数 低
297
硼 酸 铝 晶须的主要用途
硼酸铝须主要用于 金属基复合材料 领域，它主
要包括：
(1)机械材料,空调机的压缩部分、切削工具等
(2)机械活塞,各种齿轮
(3)结构和功能材料,铝、镁基复合材料
298
硅晶须
上海 汇精亚 纳米新材料有限公司同国内
先进的材料研究机构合作，经过多方努力，
终于研究开发出一种 与玻璃纤维具有相似
功能特点, 价格较为低廉 的硅晶须 (价格只
有短玻纤的 1/3左右 )。
299
晶须硅,又称作 短玻璃纤维,是一
种 纤维状 材料，主要成分 SiO2,俗称为
短玻纤,外观为 纯白色, 它是一种新型
功能性 增强、增韧材料 。
300
晶须硅 的 性能特点 如下,
强度高, 化学稳定性好, 分散性好,
耐高温 （可耐 1700℃ 高温）,绝缘性好,
烧失量低, 吸油率低 。
301
晶须硅 的 性能特点 同 玻璃纤维 极其相似,
① 可以提高制品的 抗拉强度, 刚性, 硬度,
耐磨性 和 机械加工 性能；
② 还可以降低 收缩变形率 和提高制品的 热变
形温度 和 阻燃绝缘 性能。
缺点,韧性 比 玻璃纤维 略差些。
302
虽然 活性晶须硅 产品还不成熟，但是 晶
须硅 应产业的要求 而生，必将 随着产业的发
展 而逐渐 趋于成熟和完善 并不断发展，必将
为 工程塑料行业 带来一轮新的革命。
303
晶须硅化学成分
SiO2 ≥99.6
Al2O3 ≤0.03
Fe2O3 ≤0.3
TiO2 ≤0.01
CaO ≤0.01
Na2O ≤0.01
K2O ≤0.01
304
305
晶须硅物理性能：
粒经（ μm） 4--45
堆积密度（ g/cm3） 0.78
真实密度（ g/cm3） 2.35
色泽（白度 %） ≥92
吸油率 g(oil)/100g 20--30
pH值 6.8
水份 (%) ≤0.2
耐火度（ ℃ ） 1720
莫氏硬度 (Mohs scale) 7
烧失量 ≤0.10%
体积电阻（ Ω.CM） 1.5 ? 1010
306
作为 纤维状材料, 晶须硅 主要应用如下：
1,尼龙,PP,PBT,PC,POM,ABS等 工程塑
料的改性,可替代 玻璃纤维,提高 拉伸强度, 抗
挠曲强度,降低收缩率，提高 制品强度, 尺寸稳
定性,防止翘曲，降低成本；提高制品的 阻燃性,
热变形温度 和 绝缘性能 。
307
2,填充 PVC,PP,PE,生产 异型
材, 管材 和 板材,可使制品具有良好的
尺寸稳定,提高 刚性, 耐热温度 和 绝缘
性,提高制品 性价比,降低成本。
308
3,填充环氧树脂 覆铜版,可降低 树脂
粘度,提高 弯曲强度,改善其物理机械性能，
提高 玻璃化转变温度,降低 介电常数,提高
绝缘性能,降低 吸水性,降低 成本 。
309
4,填充 不饱和聚脂,可降低产品的 收缩率
和 吸水率,提高 耐磨性和硬度,且 在层压和涂覆
时 空穴少，用于玻璃钢制品、抛光轮、工具等。
5,填充 有机硅树脂,可提高物理机械性能，
大量填充可大大降低成本。
310
碳晶须
碳晶须 是 非金属晶须, 碳含量 99.5％,氢含
量 0.15％，呈 针状单晶 。
碳晶须 的 直径从 亚微米 到 几微米,长度为 几
毫米 到 几百毫米,并具有高度的 结晶完整性 。由
于 位错密度 低,孔隙率 低,表面缺陷 少以及 不存
在晶界,碳晶须具有极 高的强度 。
311
碳晶须 在空气中 可 耐 700℃ 高温, 在惰性气体
中 可 耐 3000℃ 高温,而且 热膨胀系数小, 受中子
照射后尺寸变化小, 耐磨性 和 自润滑性 优良。
碳晶须 主要用作 聚合物基, 碳基复合材料 的增
强材料。
312
碳晶须的制备工艺 类似于 气相生长碳纤维,
通常采用 气相合成法,即在管式炉中 以氢气 为
载体通入苯、甲烷或乙烯，在有 铁、钴、镍等
催化剂 存在下将基极加热到 1050 ~1100℃ 而制
得碳丝。
313
钛酸钾晶须
钛酸钾晶须的形貌如下图所示：
钛酸钾晶须的形貌
314
钛酸钾晶须 有 6--钛酸钾 和 4--钛酸钾 两种结
晶结构。
6--钛酸钾 中,TiO6八面体具有 隧道结构,
K+固定在中间；
4--钛酸钾 中,TiO6八面体为 层状结构 。
这种结构中的 K+易与其他阳离子或 H+进行交换，
层间距离也在变化。
315
最初,钛酸钾晶须 是作为 耐热、隔热 用材料
而开发的，其成本低于其他晶须。
由于 6--钛酸钾 结构特殊，具有优异的 耐热
性, 耐碱性 和 耐酸性 等，可作为聚合物基复合材
料的增强材料。
4--钛酸钾晶须 由于 化学活性大,主要用于
阳离子吸附材料 和 催化剂载体 材料。
316
钛酸钾晶须 的 直径 约为 0.2~1.5um,长度 为
10~100um。 钛酸钾晶须的 硬度低 （莫氏硬度为
4）,抗磨损性能较差,与 铝相容性较差,所制
备的 铝基复合材料 强度和模量较低。
317
钛酸钾晶须 增强铝基（ Al—Mg—Si系
和 Al—Si系）复合材料可以采用 压铸法 制造，
也可以采用 包覆铝的钛酸钾晶须与铝粉混合,
再用 挤压 的方法来制造。
318
钛酸钾晶须 经过 表面处理后 具有 亲油性,
纤维 直径细, 渗透压低,与溶液亲和性良好，
耐碱性好,可作为 过滤器材料 和 隔膜材料 。
钛酸钾晶须 耐老化性 好，有良好的 抗磨损
性能,可以 替代石棉 作汽车的制动器、离合器。
319
钛酸钾晶须 细, 难折,在制备 钛酸钾晶须
增强热塑性复合材料 工艺过程中，熔融树脂的
黏度上升不快，成型后纤维长度几乎不变短，
可以 像无填料的树脂一样 利用 注射 和 压铸工艺
成型生产复杂的制品。
320
钛酸钾晶须较软,所以对 成型加工设备 和 金
属模具 的 磨损小 。
钛酸钾晶须 可以用 硅烷偶联剂 对晶须进行 表
面处理,进一步改善制品的 加工性能 和 物理性能 。
钛酸钾晶须增强树脂 的制品与 纯树脂制品 表面一
样平滑。
321
钛酸钾晶须的制法
A 烧结法
B 熔融法
C水热法
322
A 烧结法
把 K2CO3和 TiO2混合物 在一定时间内 烧结，
可得到高收率的 单晶纤维,但结晶性不太好。
B 熔融法
将原料熔融、冷却来 培育晶须,但单晶的
收率较低。
323
C水热法
在高压下 使原料 在热水中反应 而生长晶体；
另外，使原料 在溶剂中 反应，可得到高收率的
单晶纤维,结晶性好，常用的溶剂有 KCl--KF、
K2O--B2O3,K2O--WO3等。
324
碳酸钙晶须
长径比大于 15，形貌比较均匀的 文石相 碳酸钙晶须。
325
三、颗粒增强体
用以改善复合材料 力学性能,提高 断
裂性, 耐磨性 和 硬度,增进 耐腐蚀性能 的
颗粒状材料，称为 颗粒增强体 (Particle
Reinforcement)。
326
颗粒增强体的特点
(1)选材方便,可根据不同的性能要求
选用不同的颗粒增强体。
(2)颗粒增强体 成本低,易于批量生产。
327
颗粒增强体三种增韧机制
(1) 当材料受到 破坏应力 时,裂纹尖端处 的颗
粒发生显著的物理变化，如 晶形转变, 体积改变,
微裂纹产生 与 增殖 等，它们均能消耗能量，从而
提高了复合材料的韧性。这种增韧机制称为 相变
增韧 和 微裂纹增韧 。
其典型例子是四方晶相 ZrO2颗粒的相变增韧。
328
(2)复合材料中的第二种颗粒 使裂纹扩展
路径发生改变,如 裂纹偏转, 弯曲, 分叉,
裂纹桥接 或 裂纹钉扎 等，从而产生增韧效果。
(3)以上 两种机制 同时发生，此时称为 混
合增韧 。
329
按照 颗粒增强 复合材料的基体 不同,颗粒
增强体 可以分为 颗粒 弥散强化 陶瓷, 颗粒 增强
金属 和 颗粒 增强 聚合物 。
颗粒 在聚合物中 还可以 用作填料,目的是
降低成本,提高导电性,屏蔽性 或 耐磨性 。
330
颗粒增强体的 平均尺寸 为 3.5~10um,最
细的为纳米级 (1~100nm),最粗的颗粒粒径
大于 30um。
目前使用的 颗粒增强体 有 SiC,TiC、
B4C,WC,Al2O3,MoS2,Si3N4,TiB2、
BN,C(石墨 )。
331
在复合材料中，颗粒增强体的 体积含
量 通常约为 15~20%，特殊的也可达
5%~75%。
按照 变形性能,颗粒增强体可以分为
刚性 (rigid)颗粒 和 延性 (ductile)颗粒 两种。
332
刚性颗粒增强体 (Rigid Particle
Reinforcement)或 陶瓷颗粒增强体 。
主要是指具有 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,
如碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化
硼、石墨、细金刚石等。
333
颗粒增强体 以很细的粉状 (一般在
10um以下 )加入到 金属基和陶瓷基中 起
提高 耐磨、耐热、强度、模量和韧性 的
作用。
334
如 在 A1合金中 加入体积为 30％，粒径
为 0.3um的 Al2O3颗粒，材料 在 300 ℃ 时 的
拉伸强度 仍可达 220MPa,并且所加入的 颗
粒越细,复合材料的 硬度和强度越高 。
在 Si3N4陶瓷中 加入体积为 20％的 TiC
颗粒，可使其韧性提高 5％。
335
延性颗粒增强体 (Ductile Particle
Reinforcement ),主要为 金属颗粒,一般是
加入到 陶瓷、玻璃和微晶玻璃 等 脆性基体 中，
目的是 增加基体材料的韧性,如 A12O3中加入
Al,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 会有所下降。
336
颗粒增强复合材料的 力学性能 取决于
颗粒的形貌、直径、结晶完整度 和颗粒在
复合材料中的 分布情况 及 体积分数 。
下表列出了 常用颗粒增强体的性能 。
337
常用颗粒增强体的性能
