产业用纺织品部分2（共计649页） .ppt

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1、,新兴的学科,重点：高性能纤维性能难点：分类、定义,五、碳纤维,1、前言定义：碳纤维是指纤维的化学组成中碳元素占总质量90%以上的纤维。碳纤维的研制并实现工业化生产始于二十世纪50年代。1996年全世界碳纤维的总产量已经达到17000t，其中聚丙烯腈(PAN)基纤维占85%，其余的是沥青基纤维。由于聚丙烯腈基纤维作原料，其生产工艺比较简单，产品的力学性能优良，因此得到了大力发展。沥青基碳纤维，由于原料来源丰富，价格便宜，而且含碳量高，碳化后的制得率高，所以正在迅速发展，有可能在碳纤维的民用工业方面获得很好的推广应用。,2、碳纤维的分类 碳纤维的分类，按习惯大致有以下三种方法：（1）、按原料分类

2、：碳纤维,（2）、按制造条件和方法分类：碳纤维（3）、按力学性能分类：碳纤维,3、碳纤维的性能（十项优点；三项缺点）,（1）、在纤维轴方向显示高抗拉强度和高弹性模量强度和弹性模量是衡量材料坚固程度的两个最重要的力学性能指标。高强度的碳纤维的抗拉强度可达到3040吨/平方厘米，要比钢铁大四倍多。,（2）、比重轻1.72.2碳纤维比重只比一般塑料重一点。碳纤维的比重是铝合金的1/2，还不到钢铁的1/4。如按它的抗拉强度比钢铁大4倍，比铝合金大6倍计算，碳纤维的比强度比钢铁大16倍，比铝合金大12倍。由于碳纤维的比强度和比弹性模量特别高，所以对于那些要求全面减轻自重的物体，如宇航用品、交通用品、体育

3、比赛用品就有更大的意义。,（3）、纤度细碳纤维的外表很平凡，粗看起来象人的头发，但比人的头发要细得多。将几十根碳纤维合在一起才和人的头发一样粗细。碳纤维细度可为0.05Tex。,（4）、不生锈、耐腐蚀 碳纤维不生锈，耐腐蚀。除了浓度大于75%的硝酸和硫酸外，盐酸、硝酸、硫酸和一些有机溶剂腐蚀不了碳纤维。把碳纤维放在一些酸液中，二百天后测量其弹性模量、强度和直径的变化，发现在浓度为50%的盐酸、硫酸和磷酸中没有明显的变化，在50%浓度的硝酸中只是稍有膨胀，其耐腐蚀性能远优于不锈钢。在一份硝酸（浓度70%）和三份盐酸（浓度37%）配成的“王水”中，碳纤维性能不变。,（5）、既能耐低温，又能耐超高温

4、在180C的低温下，许多材料都变得很脆，而石墨纤维布在这么低的温度下却依旧是很柔软。在30004000C的高温下，在没有氧气的情况下，碳纤维在这样的高温下也还是巍然不动。一般材料的强度随着温度的升高都要大幅度降低，但碳材料却是唯一的一种在高温下随着温度升高而强度增大的材料。理论上，随着温度的升高，在2500C时，碳材料的强度不仅不降低，反而比室温的强度还要提高一倍。然而在现有的实际操作中，碳纤维随着温度升高而强度并不增加，但在2000C以上的高温下，碳纤维的强度和弹性模量却仍能基本保持。因此，碳纤维的耐高温性能还是远远超过了一般材料。碳纤维的升华温度高达3650C。,（6）、能耐温度急变，热膨

5、胀系数小碳纤维的耐急冷急热性能很好，制品即使它从3000C的高温一下子猛降到室温也不会炸裂，这是因为它的线膨胀系数很低的缘故。碳纤维受到温度变化时，在它的长度方向上不是热胀冷缩，而是热缩冷胀，它的膨胀系数是个负数。它的膨胀系数的绝对值比钢小几十倍，比玻璃要小上百倍，实际上近于零。因此，碳纤维及其和某些塑料、金属做成的复合材料，可以用来制造精密仪器、精密量具和精密机车的零件。而且即使在温度变化较大的环境中使用，也还能保持其高度的精确性。,（7）、常温下导热性能良好，高温下导热性能低导热性是材料传导热量能力大小的一个物理性能指标。碳纤维在常温下导热性能较好，但它的导热性能是随着温度而变化的。随着温

6、度的升高，碳纤维的导热性逐渐变低，在2000C以上的高温下，它的导热性要比在常温时低五、六倍。同时，碳纤维的高温导热性能比其它材料也要低得多（只有金属的百分之一，耐火粘土的十分之一）。因此，碳纤维是一种很好的高温隔热材料。用于火箭、真空电炉外壳，缩小了火箭和真空炉的体积和重量。,（8）、突出的导电性能碳纤维具有很好的导电性。碳纤维由于是纤细的纤维结构，所以它的材质又与织物的性质有联系，碳纤维制成的碳线、碳布具有柔软性，可以作成柔软的“电阻丝”，用在一些特殊的环境中，它们的电阻值可以通过制造过程中控制碳化温度来调节，所以电阻值能调得很高，使需要的电流相当微小，有利于接线的设计。同时，这种柔软的电

7、阻丝在运行中不会变脆，不会产生局部过热，是一种电阻加热最有前途的新材料。由于碳纤维的电阻值可以调得很高，所以也可以做成表面积较大的发热元件。碳纤维具有高的发射率，在1100C它的发射率为钨的二倍，故可用小电流产生大的辐射功率。（光）,例如用碳纤维织成能导电的毯子，可以做成工业上用的大面积均匀加热的暖房墙壁。有人将一条2.5CM宽，1M长的石墨纤维织成的带，绕在一个装满水的、直径为16CM的烧杯外壁，然后在布带的两端接上220伏的电源，只要几分钟，水就沸腾了，它的功率相当于一个1.5千瓦的电炉那么大。把碳纤维放在纸浆中，可以制造出能导电的纸来，用这种碳纤维纸做扩音器上的锥形振动纸及激励系统，可以

8、使扩音器的音色好，失真性小。利用不同电阻值的碳纤维，能够制造出各种规格的发热体，用在各种类型的高温炉中。这种碳纤维发热体不但能产生3000C的高温，而且因为耐急冷急热性能好，还可以使加热和冷却都很迅速。此外，利用碳纤维纸还可以做燃料电池的电极、电子管的栅极。,（9）、优良的吸附性能碳纤维具有很好的吸附性能。用多孔的原料纤维制得的碳纤维，或用普通碳纤维在蒸汽气流中加热到800C处理后得到的碳纤维，都具有比其它材料优异的吸附性能。这种材料具有巨大的表面积，而且表面上的碳原子处于“活化”状态，很容易和其它化学物质结合。多孔活性炭碳纤维和目前工业上广泛应用的吸附材料颗粒活性碳相比较，无论从通气、透水性

9、、吸附能力和吸附速度等性能方面，都远远超过了颗粒状活性炭，它的通气阻力仅为后者的1/21/5，吸附有机溶剂、硫的氧化物和氮的氧化物等有害气体的能力为其1.52倍多。,（10）、碳纤维还具有耐辐射，能反射中子等特性。,碳纤维的缺点：A、比较脆、怕受压和剪切碳纤维尤其害怕“打结”和“急拐弯”。B、抗氧化性差碳纤维抗氧化性差，在高温下容易生成二氧化碳跑掉，所以它不耐氧化。C、破坏前无预报碳纤维在断裂前没有预报。碳纤维由于弹性模量高，受力后产生的变形很小，所以即使当它被拉断时，也只产生0.5%的伸长变形。因此碳纤维在断裂之前，没有任何明显的征兆，人们不能在事故发生之前采取预防措施。,4、碳纤维的结构（

10、1）、各向同性的碳纤维（2）、各向异性的碳纤维,（1）、各向同性的碳纤维普通碳纤维是由有机纤维在不加张力的情况下，在惰性气体或真空中经高温处理而制成的。这类纤维的制造费用是所有碳纤维中最低的，并且它的强度、弹性模量也不高。因此，它主要用做高温电炉的保温材料及一般的防腐蚀材料。如果用多孔的有机纤维作原料，那么碳化后得到的则是多孔的活性炭碳纤维。这种碳纤维虽然强度不太高，但它的比表面积（单位重量物质所具有的表面积）特别大，是一种非常好的吸附材料。,各向同性的碳纤维是由玻璃状的碳，即具有涡轮层叠结构的多晶状态碳组成。微晶大小La和Lc约为1.53.0nm空隙体积3040%密度约1.41.5g/cm3

11、由于没有优先取向，所以其弹性模量和抗拉强度相对较小。因此，适用于填充材料和隔热材料的织物、毛毡和线绳。,（2）、各向异性的碳纤维在石墨结构中，每个碳原子只是以三个等强的共价键和其它三个碳原子结合。因此，石墨分子内部的碳原子是成层状排列的。在每一层内，各碳原子都和另外三个碳原子以等强的共价键相结合，两个相邻共价键间夹角为120，每个碳原子和相邻的三个碳原子间距离都相等，构成一个正六边形环。平行于平面网层方向的硬度接近于金刚石，而垂直于平面网层方向的硬度则要小得多（相差约三、四十倍）。同样，在垂直和平行方向上，石墨的导电性、导热性和膨胀系数等，也都要相差许多倍。为各向异性材料。,石墨平面层就不象普

12、通石墨结构平面网层那样杂乱地排列，而是沿着纤维长度方向平行而整齐地排列，这就是高弹性模量、高强度碳纤维的结构和普通石墨不同的地方。一般在高弹性模量、高强度碳纤维结构中，石墨层平面偏离纤维长度方向（轴向）的角度在10以内，这个角度叫做取向角。显然，取向角愈小，石墨层平面与纤维轴向的平行度就愈高，或者叫做取向度愈高。当纤维受到外力拉伸时，全部是由许多互相平行的石墨平面网层内的碳原子来分担的。石墨平面层内的碳原子，都象大自然中最硬的物质金刚石结构内的碳原子一样，彼此间结合得很牢固，因此，要使它变形或破坏它，就也得象破坏金刚石那样，要用比其它材料更大的力才行，这也就是碳纤维的弹性模量和强度特别高的原因

13、。,W.罗朗(W.Ruland)等提出了异性碳纤维结构模型，其要点是：碳纤维的基本结构单元是由宽6.0nm，长在100nm以上的细带状微晶组成；石墨层间平均距离0.3nm。这些细带或多或少地成波浪形而主要平行于纤维轴伸展；波浪形的细带形成微原纤；细带在纵向伸展，呈柳叶刀形的孔，宽约20.nm，长数十纳米，体积约占2030%。,碳纤维的在结构上的差别决定了其机械性能的差异。弹性模量主要取决于微观结构，特别是石墨层的波浪度。强度取决于宏观结构中缺陷出现的频率和种类，以及孔隙和裂纹。,5、碳纤维的制造,（1）、原料碳纤维是不能用碳做原料来制造的。工业上制造碳纤维是以有机纤维做原料，在没有氧气的情况下

14、经过高温处理转化而来的。含碳的有机纤维做原料，在没有氧气的情况下，经过高温处理，将氮、氢、氧等非碳原子变成氰化氢、氨、水、甲烷、氢、氮等气态组分，并把焦油等产物排除掉，所剩下碳的骨架就构成了碳纤维。这是一种既经济又易于工业化生产的方法。这也就是为什么要用有机纤维做原料制造碳纤维的原因。,使用有机纤维热裂解法生产碳纤维，使用的原料要受到以下条件的限制：聚合物不熔融。聚合物在热降解中损失要小。在热裂解中生成的碳骨架，应尽可能容易再结合形成石墨的结构单元。基于上述原因，目前商业上可供使用的原料有：1）纤维素和再生纤维素。2）聚丙烯睛均聚物、共聚物。3）沥青和煤抽取物。,（2）、用纤维素纤维制造碳纤维

15、此项技术首先在美国开发，一般用人造丝作原料制造出来的。再生纤维素碳的含量较低。一百千克的人造丝，碳化后只能得到十五到二十千克的碳纤维，比用腈纶纤维制造的要少一半。同时，制造再生纤维素纤维的原料来源受到自然条件的限制。再生纤维素纤维必须先经过洗涤和干燥。它直接放在惰性气体中加热，到700以上，即可得到强度和弹性模量低的碳纤维。若想得到高弹性模量高强度的碳纤维，就必须在加热过程中对纤维施加张力。但由于纤维素纤维的大分子结构中含有氧原子，在加热过程中氧进行了重排反应，所以就使得原料纤维中的分子从整齐的排列取向变成了杂乱无章的排列，造成了纤维在低温下强度降低，并难以施加张力。只有加热到2000以上，才

16、能对纤维施加张力，使纤维内部结构沿着纤维长度方向整齐地取向。加热到3000左右进行的“拉伸石墨化”工艺，是制得高机械性能碳纤维所必需的，它使得碳纤维取向呈石墨微晶细带状，同时使纤维的孔隙度减少50%。由于在高温下拉伸纤维需要昂贵的设备，所以用纤维素纤维制造碳纤维的成本最高，而且这样制出的碳纤维与树脂等复合的粘结力小，在使用过程中层之间容易开裂。由于这些原因，目前大部分是用腈纶纤维、沥青纤维作原料来制造碳纤维。,（3）、用聚丙烯腈纤维制造碳纤维,聚丙烯腈是由碳、氢、氮三种元素组成的。碳纤维就主要是以纯粹的丙烯腈聚合而成再经过特特工艺得到的连续纤维做原料。聚丙烯腈长丝的性能就要有一定的要求：一是原

17、料纤维结构中链状分子沿纤维轴向的取向度要高，这样易制得弹性模量高的碳纤维；二是原料纤维的强度要高，这样易制得强度高的碳纤维；三是纤维的粗细要均匀。,A、用聚丙烯腈纤维制造碳纤维分下面几个阶段：聚丙烯腈的氧化阶段黑化纤维的炭化阶段碳纤维的拉伸石墨化阶段,聚丙烯腈的氧化阶段 由于聚丙烯腈纤维在隔绝空气的条件下加热后要熔化，因此用聚丙烯睛来制造碳纤维时，就首先要把准备好的原料纤维放在空气中，或放在氧气等氧化气体中，在200300的温度下加热，这个过程叫氧化过程。氧化过程是纤维炭化的预备阶段，是保证纤维在炭化的高温加热过程中性能稳定，不被熔化的关键工艺。,在氧化过程中，聚丙烯腈的颜色从白色逐渐变成黄色

18、、棕色，最后变成黑色。在颜色变化的同时，聚丙烯腈的结构也产生了变化，最后变成一种耐热的中间链状化合物纤维，这种纤维叫“黑化纤维”。黑化纤维结构中的链状化合物和石墨结构中的六边形环链相似，只是其中的每一个六边形环上有一个碳原子被氮原子所取代。原料聚丙烯腈纤维是可燃的，用火一点就迅速燃烧并收缩，经氧化后的黑化纤维却是烧不着的，而且遇火也不象原料那样收缩。经过完全充分氧化后的纤维，含氧量在10%左右。经过加张氧化后制得的黑化纤维，与未氧化前的原料纤维相比，直径收缩最多的可达40%左右。此外，弹性模量有显著增加，密度也增加了，这一切都表示纤维中的链状分子排列得更加紧密了。在氧化过程中对纤维施加张力，是

19、制造高弹性模量、高强度碳纤维的关键。,在纤维氧化并使结构稳定化的同时，还发生着纤维的分解。剧烈的氧化放热和纤维分解时放出大量的热，往往使纤维温度高于炉温，并使反应难以控制，造成纤维氧化过头，产生焦化，引起结构内部产生严重的缺陷。这些缺陷都将保留到碳化后的碳纤维中，降低碳纤维的质量。所以，为了得到质量较好的氧化纤维，必须严格控制反应，采用较低的氧化温度，让纤维完全充分的氧化。也就是说，纤维的氧化应该在较低温度下长时间地进行（一般要一、二十小时）。对原料纤维采用各种化学催化的处理方法，可缩短纤维的氧化时间。在氧化过程中，加热时要给纤维两端加上张力，以防止纤维在加热过程中产生收缩，甚至还要使纤维有所

20、伸长。这样，使最后得到的碳纤维具有很高的弹性模量和强度。,黑化纤维的炭化阶段 氧化后纤维的处理过程叫做炭化。经过氧化后的纤维，隔绝空气，放在真空或氮气、惰性气体等保护气体中继续加热，使纤维中的氢、氮以及其它元素不断逸出，直到约1000左右，就剩下了主要是由碳元素组成的碳纤维。因原料和处理工艺的不同，碳纤维的含碳量在7595%之间。炭化阶段主要是化学变化的阶段。炭化时保护气氛的纯度，及时排除裂变产物，掌握升温速度的快慢等，对制得碳纤维的强度有很大的影响。,碳纤维的拉伸石墨化阶段 经过炭化后得到的碳纤维，在惰性气体中再继续加热到2000以上，于是，就使其含碳量不断增加（杂质不断被排除）；结构内六边

21、形环网层间距离不断缩小；网层面积不断扩大；弹性模量不断增高；纤维的密度也不断增加。最后，就得到了具有金属光泽的高弹性模量、高强度的碳纤维石墨纤维。这个处理过程叫做石墨化。石墨化也可以利用碳纤维的导电性能，以其自身作发热体通电加热来达到。石墨化程度主要取决于所达到的温度。温度愈高，石墨化程度愈完全，经过3000石墨化处理的石墨纤维，含碳量几乎达到100。用惰性气体使用氩气较合适。,B、聚丙烯腈纤维制造碳纤维的工艺流程图,腈纶纤维,氧 化 处 理 空气中200300加张,炭 化 处 理 惰性气体中10002000,碳 纤 维,石 墨 化 处 理惰性气体中2000以上,石墨纤维,应用,应用,C、腈纶

22、纤维制造碳纤维工艺的说明 根据加张方法的不同，碳纤维的生产方法可以分为两种：1）、一是框架法。把纤维绕在一个刚性框架上，然后送到氧化炉中加热。用这种方法只能得到定长的碳纤维和石墨纤维，只可以用它来制造一些小型的部件。2）、二是连续法。把氧化、炭化和石墨化几个阶段连接起来。原料纤维连续地在氧化炉内经过氧化阶段，然后继续进入炭化炉中炭化，再进入石墨炉中石墨化，直到变成石墨纤维出炉。它可以使纤维在处理过程中伸长、收缩或保持原纤维的长度不变，从而使有不同拉伸性能的原料纤维，在氧化时都能达到最大许可拉伸程度。用这种方法生产出来的碳纤维是连续的。,三个阶段反应的时间很不相同。氧化阶段需要420小时；炭化阶

23、段需要0.52小时；而石墨化阶段只需几秒钟至几分钟。近年来提出的一些方法，其区别主要在氧化阶段工艺。用聚丙烯腈纤维做原料来制造碳纤维，其优点是这种原料纤维的结构易于石墨化，并相对于其它原料来说，生产工艺也较简单。但这种原料纤维在预氧化和炭化过程中会发生大量有毒的氰化氢气体。用铂网作催化剂催化热解氰化氢等来处理有毒气体，有良好的效果。,（4）、用沥青制造碳纤维石油沥青经过处理后拉出的石油沥青纤维，是制造碳纤维的一种优良原料。它的特点是价格便宜、原料来源丰富，含碳量达95%之多，而氢、氧、氮、硫等其它元素只占5%。因此一百千克石油沥青纤维，炭化后能得到八十五千克以上的碳纤维，比用腈纶纤维做原料制得

24、的碳纤维要多将近一倍，而且所得到的碳纤维性能也高。在用石油沥青纤维制造碳纤维的过程中，对石油沥青纤维要有一定的要求。其中要求“烯烃”类芳香族化合物的含量要高。然而，大多数石油沥青里含的却是性质不活泼的“烷烃”。因此，这样的石油沥青要经过一系列的处理后才能用来纺成丝，而这些处理是比较麻烦的，这也是石油沥青的一个缺点。,A、石油沥为原料制造碳纤维分下面几个阶段：蒸馏处理石油沥青原料在纺丝前都要先经过蒸馏处理（目的是提高它的热稳定性和软化温度）。纺丝纺丝一般采用熔融纺丝法。这样得到的石油沥青纤维就可以用来制造碳纤维了。氧化处理与用腈纶纤维的方法基本相同，首先也是进行加张氧化处理，并且石油沥青纤维的氧

25、化处理要求在氧化能力更强的臭氧气体中进行，才能进一步形成加热稳定的黑化纤维。炭化处理把黑化纤维放在惰性气体中加热到1000以上，就得到了性能优良的碳纤维。石墨化处理把碳纤维加热到2000以上，就得到了高弹性模量、高强度的石墨纤维。,B、用石油沥为原料制造碳纤维的说明作为一般的工程材料，必须满足三个条件：1）具有一些独特的性能；2）在使用中的经济效果要好，有一个合适的价格；3）可以工业化大量生产。而用便宜的沥青纤维作原料，是解决今后碳纤维大量推广应用的重要途径。目前的沥青纤维成本最低，仅为用聚丙烯腈作原料制碳纤维的10%，而其性能已可满足一般工业材料的要求。用石油沥为原料制造碳纤维，这是个发展方

26、向。,（5）、活性炭纤维的制造,制造活性炭纤维是以碳纤维为原料的一种高技术新产品。活性炭纤维亦可理解为多孔质的碳纤维。它在上世纪70年代迅速发展，现已进入工业化规模生产。目前，用于制造活性炭纤维的原料主要有粘胶丝、聚丙烯睛纤维、酚醛纤维、沥青纤维和聚乙烯醇纤维。除聚乙烯醇基活性炭纤维尚处在研究开发阶段外，其余几种均已实现了工业化。,各种活性炭纤维的比较 粘胶基原料价格低廉，但收率低、温度低，面密度在1600m2/g以下，生产工艺较繁复；聚丙烯腈基面密度在1500m2/g以下，结构中含有48%的氮，工艺较简单、成熟；酚醛基原料价格低廉，收率高，面密度在3000m2/g，工艺简单；沥青基原料价格低

27、廉，收率高，但强度低，面密度在1800m2/g左右，杂质多 聚乙烯醇基原料价格低廉，强度高，面密度在2500m2/g 以下，生产工艺较繁复。,活性炭纤维的制造采用气体活化法，碳纤维在6001200的条件下，用水蒸气、CO2、空气、烟道气等进行活化。最常用的是水蒸气，价格便宜，活化能力强，容易控制。,5、碳纤维常规产品特性（略）,6、碳纤维的应用（1）、碳丝。由于碳纤维的长丝和丝束的机械性能极其优异，因此其主要用于塑料（环氧树脂、聚脂、聚酰亚胺、酚醛树脂）和碳丝的增强；此外，碳纤维增强轻金属（铝、镁）作宇航应用。其制品主要用在：飞机、火箭等承受高负荷的部件；高压容器；体育用品（如网球、冰球、高尔

28、夫球拍；滑雪板；赛车；赛船；帆船等）。（2）、碳纤维毡和碳素短纤维。主要用做绝热材料（如电阻炉和感应电炉）。这种绝热材料在500以上可以隔绝空气和其它氧化剂的干扰。碳纤维毡的密度为0.050.2 g/cm3，在20时的导热率为610-5310-4W/mK。这种绝热层的绝热能力大。碳纤维毡和碳素短纤维的其它用途为：填充塔的填料；侵蚀性气体和液体的过滤材料；催化剂的载体；燃料电池和蓄电池的电极。（3）、碳纤维织物。用作辐射加热的大体积真空炉中轻质、高负荷的电导体，其最高使用温度可达3000左右。此外，可作超音速飞机制动盘的加强垫层。其生产方法是用合成树脂浸渍碳纤维织物，再压成片状，然后加热到100

29、0左右使浸渍剂碳化。这种制动盘具有在高温和高摩擦速度下的摩擦性能，有较高的导热性和热容量以及热稳定性，可保证其在极大的负荷下也能具有良好的制动性能。（4）、活性炭纤维。主要用于：吸附废气，净化环境；回收溶剂及有机化合物；净化水；化学防护；高效电容和各种电极材料。,1/3用于航空工业和航天工业；1/3用于体育用品；1/3用于其它工业。,2007年5月10日，荷兰建成世界上最长的碳纤维复合材料桥。该桥长24.5米，宽5米。,重点：无机纤维性能难点：分类、定义,七、无机纤维慨况1、前言 无机纤维中除了碳纤维之外，还有玻璃纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、氧化硼纤维以及其它以须晶形式出现的无机化合物等。氧

30、化铝纤维等与陶瓷和金属的相容性良好，可以作为金属基复合材料和陶瓷基复合材料的纤维增强材料，这些是目前的碳纤维与有机纤维所没有的优异特性。,2、无机纤维分类 无机纤维一般按结构分类见表来源 结构 纤维 名称天然的 多晶单晶 石棉合成的 无定形 玻璃 玻璃纤维 矿渣 矿物纤维 岩石 陶瓷 石英 石英玻璃 多晶 硼 多晶无机纤维 碳化硅 氮化硼 碳化硼 氧化铝 氧化锆 钢、铝、钨 金属纤维 碳、石墨 碳纤维 单晶 金刚砂 碳化硅 单晶无机纤维和须晶 六钛酸钾,3、几点说明(1）、无机纤维一般比其构成的致密材料要更加坚固，这是因为较大晶格缺陷在细小纤维的内部结构或表面出现的几率，比在致密材料本身出现的

31、几率要小。(2)、无机纤维的应力应变曲线中有一部分完全是直线。与大多数的有机材料不同，无机纤维在应力作用下只有很小的变形，也就是说它在较低的断裂伸长和较低的接结强度下显示高的弹性模量值。(3)、无机纤维的用途是多样性的：如玻璃纤维用于塑料的增强；钢丝用作帘子布。(4)、除碳纤维外，其它的无机纤维都是不燃的。(5)、须晶纤维目前尚未完全过关。,八 玻璃纤维,定义 玻璃是由二氧化硅和各种金属氧化物组成的。玻璃是由熔体过冷而成的具有固体机械性质的无定形物质，它通常是透明的脆性体。最常见的是硅酸盐玻璃，其中又以钠钙玻璃最为普通。它主要由二氧化硅、氧化钙和氧化钠组成，以石英砂、长石、纯碱和石灰石为主要原

32、料，经过熔融、澄清、匀化后，加工成型而得玻璃制品。,1、玻璃纤维的发展历史 早在20世纪60年代，玻璃纤维就在飞机上获得了应用，但由于当时的价格昂贵，工艺性能欠佳等原因，未能获得进一步的发展和重视。后来，随着技术的改进和应用领域的扩大，玻璃纤维越来越多地用于军事目的，特别是航天、航空工业，约占航天、航空用的增强纤维的67.7%。随后，其应用范围日益扩大，如体育器具、建筑构件、轻工制品、化工管道、汽车工业、医疗器械、舟艇船舰等都已普遍采用和积极普及玻璃纤维极其复合材料。20世纪80年代以来，其年均增长率高达10%左右。,2、玻璃纤维的分类 玻璃纤维的品种很多，可按其形态、化学成分、性能、生产方法

33、、无机物成分及用途进行分类。,（1）、按品种分玻璃纤维按品种分类见图：玻璃矿物纤维,（2）、按纤维的形态和长度分玻璃纤维按按纤维的形态和长度分类，见表：类别名称 用途与说明连续纤维 连续纤维是指无限长的玻璃纤维。（纺织纤维）主要用漏板法拉制而成。经过纺织加工后可以制成玻璃丝、带、布、绳、无捻粗纱及其制品。定长纤维 玻璃纤维长度有限，一般在300500mm左右，有时也可较长。多用来制成毛纱或毡片使用。玻璃棉 也是一种定长纤维，湿纤维长度较短，一般在150mm或更短。在形态上组织蓬松，类似絮棉，故又称为短棉。主要用作保温、吸声等用途。玻璃棉直径1m或3m者，称为超细棉。,（3）、按纤维成分中的含碱

34、量分玻璃纤维按纤维成分中的含碱量分类（R2O表示金属氧化物，主要指Na2O、K2O），见表：类别名称 用途与说明无碱纤维 R2O含量小于0.5%或0.7%。是一种铝硼硅酸盐成分。它的化学稳定性、电绝缘性、强度都很好。主要用作电绝缘材料；玻璃钢增强材料；轮胎帘子线；对耐酸有特殊要求的场合。低碱纤维 R2O含量小于2%左右。是一种含碱量稍高的铝硼硅酸盐成分。它的化学稳定性、电绝缘性、强度都比无碱纤维略差。主要用作电绝缘材料；玻璃钢增强材料；轮胎帘子线；对耐酸有特殊要求的场合。中碱纤维 R2O含量在12%左右。化学稳定性尚好。因含碱量较高，故不能作绝缘材料。一般用作乳胶布基材；酸性过滤布；窗纱基材等

35、。也可用作对电性能和强度要求不甚严格的玻璃钢增强材料。高碱纤维 R2O含量15%。凡采用锌玻璃平板或瓶子作原料拉制而成的玻璃纤维均属此类。不能用于对耐酸有特殊要求的场合。可用于蓄电池隔片；管道包扎布和毡片等防火防潮材料。,（4）、按纤维的直径分玻璃纤维按纤维的直径可分为：玻璃纤维有时也把直径 4m的玻璃纤维称为超细纤维。,（5）、按含无机物成分不同分碱纤维（钠钙纤维）：含碱量在10%以上。耐酸性好，热膨胀系数低，但耐水性差。用于制作保温、隔热件及耐酸用的玻璃纤维增强材料。无碱纤维：含碱量在1%以下。电绝缘优良。用作电绝缘件，抗震零件等。钠钙硼硅玻璃纤维：有优异的耐化学性。广泛用作耐腐蚀材料。硼

36、硅玻璃纤维：为低密度、低介电常数玻璃纤维。适用于作电绝缘件。铝镁硅玻璃纤维：为高强度玻璃纤维。适用于作高强度件，火箭发射机壳体，人造卫星外壳等。含氧化铍玻璃纤维：为高弹性模量玻璃纤维。高硅氧纤维：含SiO2在95%以上，耐热达1100。用作耐高温，防火材料。粗玻璃纤维：大多用作塑料、橡胶和水泥的增强材料。,3、玻璃纤维的组成（1）、纺织玻璃纤维的组成 根据国际标准化组织(ISO)R 2078定义，有如下组分的玻璃纤维：E玻璃：硅酸硼铝玻璃，含有0.8%以下的碱金属氧化物。用于一般塑料增强和电气方面的应用。A玻璃：加有硼或不加硼并含有0.8%以上碱金属氧化物的碱钙玻璃。作特殊用途。C玻璃：硼添加

37、量高的碱钙玻璃。具有特殊的耐化学作用能力。D玻璃：高介电性能的特殊玻璃。R玻璃：高温下具有高机械性能的特殊玻璃。S玻璃：高温下具有高机械性能的特殊玻璃。M玻璃：高弹性模量的含铍玻璃。Z玻璃：水泥稳定性改进型玻璃。用于与水泥结合材料的增强。,（2）、玻璃纤维的成分玻璃纤维具有高的SiO2含量和最低的Al2O3含量，除有大致相同的碱金属氧化物和碱土金属氧化物外，还会有氧化硼作为助熔剂。许多绝缘纤维的组成可能都是由SiO2、Al2O3两组分并添加助熔剂所衍生出来的。绝缘玻璃纤维必须是含碱量低于0.5%的无碱玻璃纤维。通过对E玻璃分析，其化学成分为：SiO255.2%、Al2O314.8%、B2O37

38、.3%、MgO3.3%、CaO18.7%、Na2O0.3%、K2O0.2%、Fe2O30.3%、F20.3%。S玻璃化学成分为SiO265%、Al2O325%、MgO10%。,二氧化硅,4、玻璃纤维的性能（1）、不燃、不腐、耐热、吸湿小；（2）、强度高、伸长小、抗拉强度和冲击强度高；（3）、绝热性和化学稳定性好；（4）、电绝缘性好。,常见的各种类型玻璃纤维内在性能见表：项目 相对密度 抗拉强度 抗拉模量 热膨胀系数 介电常数 液态温度 Mpa Gpa 10/K E玻璃纤维 2.58 3450 72.5 5.0 6.3 1065A玻璃纤维 2.50 3040 69.0 8.6 6.9 996GC

39、R玻璃纤维2.62 3625 72.5 5.0 6.5 1204S玻璃纤维 2.48 4590 86.0 5.6 5.1 1454 注：介电常数在20和1MHz条件下测得。,5、玻璃纤维的制造（1）、原料由于价格的关系，主要用天然矿物作为制造纺织玻璃纤维的原料。绝缘用玻璃纤维的生产原料，主要使用玻璃工业中常用的天然矿物和工业产品。因此在纯度上，特别是对铁杂质要求不高。自然界中存在的沉积岩石和磁性岩石（例如粘土、泥灰土、玄武岩或辉绿岩），可作生产岩石纤维的主要成分。除高炉矿渣外，其它冶金和非冶金的矿渣都被用作矿渣纤维的原料（如石灰石、白云石、石英、粘板岩、辉绿石）。陶瓷纤维其助熔剂含量低，只可使

40、用相对纯的陶瓷原料（如钒土、石英、锆、高岭土和氰化物）。石英和硅石玻璃纤维几乎由纯二氧化硅所组成。石英纤维使用纯石英原料。硅石玻璃纤维是对硼化铝硅酸盐进行碱处理和热处理。,（2）、纺织玻璃纤维的制造 纺织玻璃纤维的制造的工艺为：A、熔融。B、纤化。除了制成球和棒状外，一般直接进行纤化，可分成三种工艺。第一种工艺：拉丝法第二种工艺：离心法第三种工艺：吹喷法几种工艺可联合应用，如离心吹喷法等。,（3）、纺织纤维的后加工纺织玻璃纤维后加工必须分两大步骤，即：A、用浆料、润滑剂、胶粘剂处理。在纤维生产中，合并在一起的的玻璃长丝在卷绕前要上浆。短纤维在收集于孔眼转鼓前要喷润滑剂。B、进一步加工（略）（4

41、）、绝缘纤维的后加工 绝缘材料一般比较均匀，通常采用粘合法来加工绝缘纤维，制品为毡、板、管壳等。,6、玻璃纤维的应用,（1）、纺织玻璃纤维的应用塑料增强用的纺织玻璃纤维制品品种繁多，加以不同的制法、不同的纤维增强方式、不同的数量和几何形状以及塑料的选择及可变性能，使得玻璃纤维增强塑料成品具备最佳的使用价值。玻璃纤维用于装饰织物。具有这方面应用的玻璃纤维主要是使用光滑的加捻线，花色加捻线和变形丝，通过热整理和化学整理，产生永久性卷曲。玻璃纤维用于装饰品（如窗纱）具有许多优点，远非有机物材料所能达到的。其中特别有意义的是其不燃烧、不腐烂、不发霉、较高的耐老化性、抗皱性及尺寸稳定性，直接阳光照射下的

42、隔热性、对强烈的紫外线的防护作用和遮光作用。由于不易沾污，管理费用比较低廉。贴墙布。这些织物是防滑的，具有很高的抗张强度，特别适合作石膏墙体，缩孔混凝土结构表面的装璜以及类似的材料。地毯领域。例如作针刺地毯和簇绒地毯以及作蜂窝衬垫底面或光滑泡沫背面的增强材料。沥青油毛毡，玻璃纤维交织物屋顶毡。特别适合在极其平坦的或有水覆盖的屋顶上应用，还可用于墙壁、屋檐、浴室、厕所、厨房、地下室、水槽、桥梁、涵洞及水渠等。玻璃长丝织物适用于垫层和特殊的路面加固，例如我国的京九铁路就使用了大量的玻璃纤维作为铁轨的垫层。防高温服和防火服。通常是用金属真空镀膜或金属薄膜包覆的方法制作金属化的玻璃布。其它。玻璃纤维制

43、成的高功率砂轮和切割园盘，通过玻璃纤维布的增强作用，获得较高的爆破强度。用玻璃纤维制成的织物过滤器在除尘领域显示其重要性。玻璃纤维布制的袋式过滤器可用在熔炉、化铁炉、转炉、发电厂的除尘设备及水泥的除尘设备中。,（2）、绝缘玻璃纤维的应用 松散的绝缘玻璃纤维可用作填充绝缘或作绝缘层使用。玻璃纤维在建筑上越来越多地用于保温、防火、隔音等，只有少量用于导冷，可用作住宅、交通工具、冷藏库的绝热材料、管道保温防露用、交通工具吸声材料、内壁、天花板及铁皮屋顶。这些应用在建筑业中根据规范进行调整。此外，玻璃纤维在建筑业中还可以用作外部装饰材料及玻璃纤维增强水泥。其中外部装饰材料富有韧性而质轻、不燃、成形优良

44、而价格低廉。玻璃纤维在工业领域内还有固定在金属或管道上的纤维覆盖层，用于管道和容器的隔热和绝缘。还可用作防腐蚀用的玻璃钢耐腐蚀泵，防火的玻璃钢果皮箱。,（3）、玻璃纤维的其它应用 玻璃纤维可以加工成纱、布、带、毡、板及管壳等，用作增强材料；用有机物处理后改善纤维柔性、耐磨性以及手感等，可制成玻璃纤维乳胶布、玻璃布人造革、窗纱、鱼网、贴墙布、蓬盖布及特种防护服，也可用作船舶、车辆的壳体，飞机的部件，风力发电机的叶片及体育用品等。,九、氧化铝和硅酸铝纤维氧化铝和硅酸铝纤维于本世纪四十年代由美国BW公司中央研究所首先研制成功，七十年代末开始用于民用工业。氧化铝和硅酸铝纤维被认为的最佳的石棉替代品之一

45、而广泛应用。氧化铝和硅酸铝纤维也属于陶瓷纤维的一种。,1、纤维的分类 氧化铝和硅酸铝纤维的主要成分为Al2O3和SiO2，一般根据Al2O3的含量，可分为硅酸铝纤维和氧化铝纤维两大类。表 氧化铝和硅酸铝纤维分类表名称 Al2O3（%）SiO2（%）制取方法 结构 类别硅酸铝纤维 低温型 40 60 熔融吹喷法或甩丝法 玻璃态纤维 散纤标准型 50 50高温型 60 40氧化铝纤维 95 5 熔液纺丝结晶态纤维 长丝,2、氧化铝和硅酸铝纤维的特性氧化铝和硅酸铝纤维具有耐高温、抗热震、低热容、保温性能优良和化学稳定性好的优点。（1）、纺织性能 表 氧化铝和硅酸铝纤维的纺织性能项目 硅酸铝纤维 氧化

46、铝纤维纤维直径(m)25 1012纤维长度(mm)35250 连续长丝抗拉强度(N/mm)600800 17002080弹性模量(KN/mm)7080 130190密度(g/m)2.53.0比表面积(m/g)310 1,耐热性：一般低温型硅酸铝纤维的使用温度为1000左右；标准硅酸铝纤维的使用温度为1260左右；高温型硅酸铝纤维的使用温度为1400左右；氧化铝纤维的使用温度高达1600左右。而陶瓷纤维的熔点在17501800之间。导热性：纤维的导热性是所有耐火材料中最低的一种。500时硅酸铝纤维的导热系数为0.070.12W/mK,为轻质耐火砖的1/31/5；1000时氧化铝纤维的导热系数为0

47、.23W/mK。耐热冲击性：纤维为在骤冷骤热的环境中，纤维不会发生剥落，还能抵御弯折、扭曲和机械震动。化学稳定性：纤维几乎不受冷、热水的影响，耐酸性也比较好。只是易受氢氟酸、磷酸和强碱的侵蚀。压缩回弹性：纤维制品柔软而有一定的弹性，受一定压力时能够压缩，压力取消后又能迅速恢复原状。电特性：纤维具有优良的电绝缘性，但绝缘电阻随着温度的升高而降低。,3、纤维制品极其应用 广泛地应用于冶金、化工、建材、船舶、航空航天、汽车等行业的耐火、隔热、防火、摩擦制动、密封、高温过滤和劳动保护等领域。毡：可用作工业炉的内衬和膨胀缝的填充物等。纸：将硅酸铝纤维利用抄纸机抄造成0.25mm厚的硅酸铝纤维纸，可用作高

48、温炉和高温气体管道的内衬、电热器具的绝缘层，用于高温气体的过滤等。编织物：在硅酸铝纤维中加入1520%的有机纤维混合纺成连续纱线，制成绳或编织物，或直接利用氧化铝长丝制成编织物，可用于各种工业窖炉及管道接头的隔热、密封，高温环境下工作的电缆的包覆材料，及工业窖炉开口部分的防热幕帘，高温环境下工作人员的防护服装等。,硅酸铝纤维,十、碳化硅纤维 碳化硅纤维比硼纤维更能抗氧化，即使在氧化气氛中也能使用。耐热性好，在高温时，比硼纤维更能保持强度和刚度。例如，碳化硅纤维加热到1350时，其强度约损失30%，而硼纤维的强度则全部损失。碳化硅纤维与金属的反应性小，浸渍性良好，与树脂、金属的结合性好。,碳化硅

49、,1、碳化硅纤维的制造（1）、聚硅烷的合成在有机溶剂中，使二氯二甲基硅烷与金属钠作用，进行脱氯反应，生成聚硅烷：（2）、聚碳硅烷的合成将聚硅烷加热到400以上，进行分子重排，使侧链甲基变成亚基进入主链SiSi之间，生成聚碳硅烷：,A、纺丝：用干式纺丝或熔融纺丝，把聚碳硅烷制成纤维状；B、不熔化处理：在较低温度下加热聚碳硅纤维,使其不熔化，以防止纤维在高温烧结时彼此之间发生熔粘；C、烧结：把不熔化的纤维在真空或惰性气氛中加热到12001500，使侧链甲基及氢脱除，仅留剩Si-C键主链，即成为-SiC结构的碳化硅纤维。,2、性能日本碳（株）生产的碳化硅纤维（尼可纶）的性能：单丝直径m:1015 断

50、面形状:园形 长纤维/粗纱:500 线密度tex:200 密度g/cm:2.55 拉伸强度 Mpa:25003000 拉伸模量MPa10:1.820 最高使用温度:1250,3、应用 碳化硅纤维一般作为纤维增强材料，基体可选择树脂、金属和陶瓷等材料。考虑到碳化硅纤维、氧化铝纤维等一类陶瓷纤维的超高耐热性，与金属和陶瓷的相容性，因此它们十分适合制备增强金属复合材料(FRM)和增强陶瓷材料(FRC)，同时这类纤维与基体界面的热膨胀率及导热率非常接近，所在耐热复合材料的开发中发展很快，纤维的加入可提高陶瓷基体的韧性，增加抗冲击强度，预计在航空、航天制品上的耐热部件方面会得到应用。,十二 硼纤维,1、