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第二章 增强材料(Reinforcements, reinforcing materials),增强材料概述 定义、分类、结构类型、选择增强材料的原则几类常用的增强材料 纤维、晶须、颗粒 制备方法、特性、应用增强材料的表面处理 方法、原理、应用,主要内容,一、增强材料概述,增强材料，或增强体 reinforcements 结合在基体内、用以改进其力学等综合性能的高强度材料，称为增强材料，也称为增强体、增强相、增强剂等。增强材料就象树木中的纤维、混凝土中的钢筋一样，是复合材料的重要组成部分，并起到非常重要的作用。,1、定义：,2、分类：,3、增强材料的结构类型：,在复合材料中，增强材料可以以连续相、或分散相的形式存在于基体中，既可以是零维、一维、二维、三维，甚至是多维。所以复合增强的结构类型可以分为：,分散状增强结构（Dispersed reinforcing structure） 单向增强结构（Unidirectional reinforcing structure） 层状增强结构（Layered or laminated reinforcing structure） 网络状增强结构（Network reinforcing structure）,分散状增强结构,B4C原位增强ZrCN陶瓷基复合材料,含有原位生成的短纤维、晶须、颗粒XDMMC的显微组织结构,这种结构也称为不连续增强复合材料的结构，即增强材料（相）在基体中呈分散状，主要是短纤维、颗粒、晶须。这种结构是不连续增强MMC、原位MMC、CMC等主要结构。值得注意的是纳米功能复合材料的结构方式也多为分散状结构。,单向增强结构,这种结构是指增强材料一维平行排列分布在基体中，PMC、MMC、CMC中较为常见结构。,钨纤维（丝）单向增强高温合金显微组织,层状增强结构,增强材料以织物（布、毡）方式增强，或双向正交、或铺层（多向）方式分布在复合材料基体中，是PMC、C/C常用的结构，如层压板、迭层板等。在CMC中，也可以纤维按层状，在基体中原位形成分散状的增强相。,SiCf/Al2O3原位生成陶瓷基复合材料,喷涂法制备的Al2O3与高温合金复合的层状复合材料,蒙脱土/聚丙烯酰胺纳米层状复合材料（龙斌，清华大学硕士学位论文，2007年）,网络状增强结构分为三维、多维网络状结构，三维结构也有称为三向，或三向正交增强结构。一般通过编织方式将纤维或将预浸料编织成三维或多维预制体。比较典型的是三维正交C/C复合材料，按纤维的方向分为L、T、N三个方向经编织成三维立体结构，但各个方向的纤维含量可以相同或不同。在C/C复合材料中，也可以在层状结构的基础上采用Z向针刺的方法形成三维结构。,网络状增强结构,三维正交增强结构,增强体的基本特性强度、弹性模量、密度、热膨胀系数等；增强材料与基体材料的物理相容性浸润性、弹性匹配（弹性模量）、热匹配（热膨胀系数）、互溶性等；增强材料与基体材料的化学相容性化学反应、极性、化学位等；增强材料的形状、尺寸性能/价格比。,4、增强材料的选择原则：,对结构复合材料而言，首先考虑的是增强材料的强度、模量和密度。 其与基体物理及化学相容性主要反映界面作用和影响。,二、纤 维（fiber）,直径细到几微米或几十微米，而长度比直径大许多倍的材料。其长径比（aspect ratio)一般大于1000。作为增强材料使用时，纤维一般都具有高模量、高强度。大多数是有机高分子纤维，也有无机纤维和金属纤维。,重点介绍：有机纤维：Kevlar纤维无机纤维：玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、SiC纤维、Al2O3纤维,1、芳纶纤维（芳香族聚酰胺纤维，Aromatic Polyamide fiber, Kevlar, KF）,芳纶纤维全称为“聚对苯二甲酰对苯二胺”，是一种新型高科技合成纤维，具有超高强度、高模量、耐高温、耐酸碱、质量轻等优良性能。 芳纶纤维是重要的国防军工材料，可用于防弹衣、头盔使用，也可作为航空航天、机电、建筑、汽车、体育用品等使用。,这种纤维的出现是科学发现中偶然性的一个事例， 1968年，美国杜邦公司（Dupont）一位研究人员在实验时偶然发现全芳香族聚酰胺树脂溶解于硫酸类，其分子完全不会分散，分子间又形成一定规则配列，经纺丝成为一种全新耐热、高强度和模量的有机纤维。经过热处理和改善原料的结构后，可得到提高了综合性能的不同牌号的芳纶纤维。1973年正式以Kevlar作为其商品名。芳纶纤维从一开始就被蒙上神秘的面纱。我国将Kevlar纤维命名为芳纶纤维。1972年开始研制，1981年和1985年分别研制出芳纶14和芳纶1414。,（1）芳纶纤维的发现,（2）芳纶纤维的制造工艺,原料：对苯二胺与对苯二甲酰胺缩聚而成,工艺流程：,Kevlar纤维的结构：,（3）芳纶纤维的性能,高强度抗拉强度高达3.4GPa，模量为59190GPa 强度是石棉纤维的211倍；是高强度石墨的1.6倍；是玻璃纤维的3倍；是相同重量下钢纤维的5倍。低密度仅为1.44 g/cm3，几乎只有石棉密度的一半，低于碳纤维。热稳定性在热试验中(TGA)非常稳定,直至600才有明显的重量丧失；在427下不分解，在190低温下不变脆；强度长期在150下几乎不变，在高温下不易变形，尺寸稳定，特别是其柔韧性好，抗冲击。化学稳定性耐酸、碱,Kevlar纤维是属于一种液态结晶性棒状高分子,它具有非常好的热稳定性、抗火性、抗化学性、绝缘性、高强度及高模量。,（4）芳纶纤维的应用,2、玻璃纤维（glass fiber）,是复合材料中应用最早和最为广泛的无机纤维；玻璃纤维是19世纪末美国康宁（Corning Corp.)公司研发成功的；直至20世纪40年代开发出“玻璃钢”（玻璃纤维增强塑料，GFRP）后才得到大量使用。,（1）玻璃纤维和玻璃钢的出现,无捻玻璃纤维,（2）玻璃纤维的定义和分类,定义：,玻璃纤维是以石英砂、石灰石、白云石、石蜡等并配以纯碱、硼酸等为原料，经熔融后通过细的喷丝孔拉制成的无机连续纤维。主要成分是SiO2及金属氧化物，但原料的组成以及工艺过程对玻璃纤维的性能有较大的影响。,分类：,按成分可分为无碱、中碱、高碱玻璃纤维及特种玻璃纤维；按形态可分为连续纤维、定长纤维及玻璃棉；类型代号：E良好的电绝缘性；C耐化学腐蚀；A高碱金属氧化物含量；D高介电性能；S高机械强度；M高弹性模量；AR耐碱,（3）玻璃纤维的制造工艺,玻璃球法（也称为坩埚拉丝法） ： 先将玻璃原料（砂、石灰石、硼酸等）混匀后，装入熔炼炉，在1260左右熔融，流入造球机制成玻璃球；然后将合格的玻璃球再放入坩埚中熔化拉丝制成玻璃纤维。,直接熔融法也称为池窑拉丝法： 直接将熔炼炉中熔化的玻璃直接流入拉丝筛网中拉丝。,（4）玻璃纤维的特性和应用,典型性能： 密度：2.42.8 g/cm3 抗拉强度：34.6 GPa（为高强度钢的23倍） 弹性模量：70110 GPa（与铝和钛合金模量相当） 比强度为：12.518.4106 cm（为高强度钢的610倍） 比模量为：2.84.0107 cm（略高于高强度钢）不燃、不腐、耐热、高拉伸强度、小断裂延伸率、化学稳定性好、电绝缘性能好；但不耐磨、脆而易折。 可加工成纱、布、带、毡等形状；可作为有机高聚物基或无机非金属材料（如水泥）复合材料的增强材料。,特性：,碳纤维属于高新技术产品，它不仅具有炭素材料的特性，如质量轻，强度高，耐热，耐腐蚀，还具有金属材料的某些特性，具有良好的导电和导热性，在各类复合材料（PMC、MMC、CMC和C/C）中得到广泛应用。碳纤维增强复合材料广泛应用于航空航天、军事、交通运输、机械制造、电子工业、体育用品、建筑材料（修补）、生物材料、医疗器具等各行各业。碳纤维的大量和广泛应用与其价格的不断降低有关。随着碳纤维的生产规模的扩大、其价格由原来的数千元/kg，降至数百元/kg。碳纤维与玻璃纤维一样，可以进行编织成各种碳纤维布，或制成碳纤维毡使用。,3、碳纤维（Carbon fiber）,(1)、引言,(2)、碳纤维分类,最早使用的是人造丝炭化而成的碳纤维，性能较差，强度、模量均低，目前基本淘汰。1959年日本首先发明了用聚丙烯腈纤维(PANF)制取碳纤维(CF)的方法，在60年代的开发期，对PAN原丝组成及纺丝条件作了系统研究，制得了质量稳定的高性能CF，使PANCF在70年代得到高速发展，80年代由PAN原丝制取CF的技术更加完善，强度与模量均有明显提高，并发展出不同性能的系列产品。我国于60年代初开始研究PAN基碳纤维，1975年由国家统一组织，协同攻关取得较大进展。近10年来，各原丝研制单位在原水平上都有进展。兰州化纤厂将原丝生产能力扩至82t/a，吉化公司吉林碳纤维材料厂现有82t/a的原丝生产能力，榆次化纤厂建成了380t/a的原丝生产线，我国的原丝生产能力已达到600t/a。但就我国目前碳纤维的质量和产量与国外先进国家水平相比，仍有很大差距，就整体水平而言，目前仍处于中试阶段，或工业模拟装置，还没真正达到工业规模的生产，年产量约为100吨左右。除生产规模小，产量低之外，产品品种也比较单一，性能（强度、模量、密度）均低于国外同类产品（主要为T300）。关键性产品所需碳纤维仍严重依赖进口。生产厂家主要是吉林炭素厂。,PAN基碳纤维,PAN基碳纤维，每根碳纤维直径510m,因此制备成碳纤维束。根据束的根数，分为小丝束（每束48K，如1K、7K、12K），大丝束（每束48K ）。大丝束PAN基的价格比小丝束的低30以上。小丝束PAN碳纤维的主要生产厂家：日本东丽、东邦、三菱等公司，占世界产量75以上。还有美国阿莫科公司（AMOCO ）。大丝束PAN碳纤维的生产厂家主要为：美国福塔菲尔（FORTAFIL）、卓尔泰克(ZOLTEK)、阿尔迪拉（ALDILA）和德国爱斯奇爱尔（SGL）等公司，占世界产量90以上。大丝束PAN碳纤维发展很迅速，年产量已超过小丝束，达3万吨以上。,与PANCF相比，沥青基碳纤维（PitchCF)发展较为缓慢。1963年日本大谷杉郎以沥青为原料成功地研制了碳纤维，1970年日本吴羽化学公司在此基础上建成每月10t规模通用级碳纤维，1976年美国联合炭化物公司从中间相沥青得到高性能碳纤维，建成230t规模装置，但由于技术难度大，其后再没有新的企业参与开发。1985年日本在这方面有了新的突破性进展，三菱化成于1987年9月建成年产500t高性能沥青基碳纤维装置，这标志着沥青基碳纤维已处于向工业化过渡的新阶段。,沥青基碳纤维,发展历史：,沥青基碳纤维根据前驱体是石油沥青与煤沥青分为石油沥青碳纤维与煤沥青碳纤维。煤沥青碳纤维虽价格低、模量更高、但强度更低。目前应用主要是石油沥青碳纤维。沥青碳纤维主要应用在宇航领域制作高模量、不变形，要求模量达620850GPa，强度稍低，约36003800MPa。另外，也用于各种轴辊、船桅、舱体以及桥梁、建筑物修补等，模量约350550GPa，强度20003000MPa。,种类和用途：,沥青基碳纤维,(3)、碳纤维的制备PAN碳纤维,空气氧化法制备PAN基碳纤维流程示意图,沥青基碳纤维流程示意图,碳纤维的制备沥青碳纤维,沥青基碳纤维的制造工艺,(4)、碳纤维表面处理,为了提高碳纤维与基体的湿润性，或为了控制不利于复合材料性能的界面反应，或为了提高复合材料的性能（如层间剪切强度），往往需要对碳纤维表面进行表面处理。表面处理的方法有：,涂覆与基体树脂具有相容性的树脂浆料：如羟端基的丁二烯/丙烯酸共聚物，聚缩水甘油醚或脂环族环氧化合物等，含量0.42wt。表面沉积涂覆碳化物：如SiC、B4C、Cr3C等。表面化学处理：如酸处理、氨处理、氧处理等。电解处理；等离子处理：如可经氩、氧、氮、烃类气体等离子处理。表面涂覆Ti-B或Na：如Al基复合材料。,由于碳纤维的表面能低，不容易与金属基体（如与Al和Al合金）浸润，需要进行表面处理，以提高与Al和Al合金的湿润性。大多采用涂覆Ti-B或Na，称为Ti-B法和液Na法。,碳纤维表面涂覆Ti-B或Na：, PAN基碳纤维日本东丽（TORAY)公司生产的PAN基碳纤维的型号与性能,从表中可以看出日本东丽公司在提高产量的同时，不断推出新产品，由70年代初的T200、T300和M40发展到当前的4大系列十几个品种，特别是T800、T1000高强度产品代表当今世界的发展水平。,(5)、碳纤维的性能, PAN基碳纤维性能美国阿莫科（AMOCO）公司PAN基碳纤维产品牌号及性能, 沥青基碳纤维的性能 日本三菱化成公司PitchCF产品牌号及性能,美国Amoco公司PitchCF产品牌号及性能,(6)、碳纤维的结构,碳纤维的性能是与其微观结构有关。碳纤维微观结构主要为乱层结构，碳原子层排列方向与原丝轴向平行，并与原丝及炭化工艺有关。如人造丝基碳纤维，除纤维表面碳层排列稍整齐外，基本为乱层结构，石墨微晶尺寸小； PAN基碳原子层排列相对整齐，但石墨微晶尺寸相对较大；而经石墨化处理后的沥青基碳纤维，碳原子层排列整齐，接近理想石墨的结构。,有关PAN基和沥青基碳纤维的详细工艺和结构，请自行参见有关参考书和参考资料。,4、硼纤维（Boron fiber）,(1)、引言,硼纤维是1959年由美国AVCO公司开发的一种最早应用于MMC的高强、高模的陶瓷纤维。硼纤维的密度为2.42.6 g/cm3，与玻璃纤维相当，比CVD-SiC纤维低30。其拉伸强度为3.45.2GPa,而模量则达400GPa,为玻璃纤维的46倍，是目前比模量和比强度最高的陶瓷增强纤维，远高于其他金属材料。早在上世纪69年代， B纤维增强铝用于航天飞机的主舱中，使航天飞机减重达145Kg 。但硼纤维耐高温氧化性差，在与某些金属（如钛及钛合金）复合时会产生界面反应，影响复合材料的性能。,(2)、硼纤维的结构,B纤维是采用CVD法，在W芯上沉积制成的。从中心至外径，分别为W芯、界面相WB2及B的沉积层。B纤维表面呈鱼鳞或玉米粒状。,经X-衍射分析，沉积B为无定形的非晶结构，但也有人认为是微晶结构。具有菱形晶系，晶粒尺寸为500nm左右。,硼纤维的断面形貌,硼纤维的表面形貌,B是经BCl3气体与H2气体经高温气相反应生成： 2BCl3（g）3H2（g） 2B（s）6HCl（g）反应最高温度约1350。反应生成B沉积在W芯上。,(3)、硼纤维的制备,制备原理（ 以W芯B纤维为例）：,B纤维是采用CVD（Chemical Vapor Deposition）法，B沉积在W芯或C芯上。因此分为W芯与C芯B纤维。,制备工艺流程：,经清洗处理的W丝（清洗室），进入CVD反应室；反应气体BCl3和H2按一定比例通入反应室；在反应室两端W丝接通可变的直流电源，通电加热至CVD反应温度；反应气体反应的同时W丝不断从两端放丝、收丝，B不断沉积在W芯上。,实际上，B纤维制备设备有竖式和卧式两种，下图为北京航空材料研究院设计制造的卧式CVDB纤维试验装置，除清洗室外，有两个反应室和B纤维表面处理涂覆室。,制备工艺参数：,W芯（丝）的表面质量W丝表面缺陷会引起纤维表面缺陷H2和BCl3气体的混合比影响沉积速度反应气体的流量、流速影响沉积速度反应温度； W芯B纤维，反应温度在11001350之间，并随反应室W丝长度变化而变化。温度过低，沉积速度慢，不均匀；温度过高，沉积B形成粗大节瘤状表面，严重降低纤维强度。W丝通过沉积室速度控制B纤维直径，约5m/min。反应气体的利用率仅2，因此未反应气体的回收很重要，需要经-80 冷凝回收。并且还需将反应生成的HCl气体分离。因此，B纤维的生产成本极高，价格昂贵，约数百美元/kg。这不利于B纤维的推广应用。,(4)、硼纤维的性能：,C芯B纤维是1969年美国空军研究所开发的，用C纤维做芯，B沉积到一定厚度时，沉积造成的应力应变会引起C纤维的断裂。一般需要在C纤维表面预先沉积PG（热解石墨，pyrolytic graphite）C芯B纤维的反应平均温度和沉积速度都也略高于W芯。B纤维制备中，工艺参量控制不当，在纤维的沉积因节瘤状生长造成表面出现表面裂纹，或在靠近W芯的界面出现空隙，从而影响B纤维的强度。一般B纤维的强度是平均值，纤维所含缺陷越多，强度值越分散。如何提高B纤维的性能稳定性，是B纤维最需解决的问题。,氧化法 氧化法主要用于未涂层的B纤维，作用是除去纤维的表面缺陷，提高纤维的强度。,(5)、硼纤维的表面处理,硼纤维耐高温氧化性差，在与某些金属（如钛及钛合金）复合时会产生界面反应，影响复合材料的性能。因此，一般硼纤维需进行表面涂层处理，以改善B纤维的抗氧化性，同时也还起优化界面的作用。,SiC涂层 采用CVD方法，反应气体为CH3SiCl3(三氯硅烷)，裂解后得SiC沉积于B纤维表面，厚度约23 m 。涂SiC的B纤维商品名为：Borsic（硼矽克）。,B4C涂层 B纤维B4C涂层是上世纪70年代初开发的，也是采用CVD法沉积涂层，一般层厚为57 m ，主要用于B纤维增强Ti复合材料。,SiC长纤维PMC、MMC和CMC常用的陶瓷纤维，主要有两种不同方法制备。 CVD(化学气相沉积)法 1973年美国AVCO公司采用钨芯或碳芯采用CVD法制备出SiC纤维，商品名SCS-2、SCS-6、 SCS-8等。该方法生产的碳化硅纤维的密度为3.5 g/cm3，性能高强、高模，抗拉强度为2.23.9GPa，模量为415 GPa，但直径也较粗，为100、140m，柔软性也差。 纺丝法 1975年日本东北大学矢岛圣使教授研究与开发了利用有机聚碳硅烷纺丝，然后烧结制备SiC纤维的方法。后由日本炭素公司生产的这种SiC纤维的商品名为Nicolon（尼可纶），也称为纺丝SiC纤维，其价格较之CVDSiC纤维要便宜。因不含芯材，其密度仅为2.55 g/cm3，抗拉强度为2.53.0GPa，模量为250GPa，其单丝直径为1015 m，柔软性好，可以编织。,5、SiC纤维（Silicon carbide fiber）,(1)、SiC纤维的制备,CVD(化学气相沉积)法（SCS纤维）：,工艺控制参量主要是反应沉积温度和反应气流量。反应沉积温度最高为1300 。CVDSiC纤维的表面往往时有富碳层，厚度约1 m 。CVDSiC纤维的强度也是一个平均值。使用C芯时，同样要预先在C芯表面涂覆裂解石墨（PG）。,CVDSiC纤维的系列化产品：,SCS-2：表面有1m 的富碳层，主要用于Al、Mg合金基。SCS-6：主要用于Ti合金基，表面有3m 的富碳层，但外层含SiC较高。SCS-8：主要针对SCS-2用于Al合金基复合材料的横向强度不足而研发的，使用SCS-8后，可明显提高复合材料的垂直纤维方向的性能。这种纤维的表面有一层约6 m SiC和外表面1 m 的富碳层。,针对不同的CVDSiC纤维产品已系列化，主要区别在于纤维的表层结构不同。,纺丝法（Nicalon纤维）：,Nicalon纤维制备中的关键环节：聚碳硅烷的合成熔融纺丝不熔化处理高温烧成,(2)、SiC纤维的性能,高抗张强度、高模量、低密度高抗热性，在氧化气氛中也可使用优越的耐腐蚀性能与金属的相容性好，不反应、浸润性良好具有半导体特性，高温下电导率可以被控制。Nicalon纤维因其具有可编织性，价格又远比CVD-SiC纤维便宜，因此在PMC、MMC和CMC中获得广泛应用。,Al2O3纤维类型与其制备工艺有关。按结构分，主要有三类：单晶型（Tyco法），如早期使用的-Al2O3单晶蓝宝石纤维（直径0.25mm,长约10cm，称为Tyco单晶纤维），价格昂贵，现已不使用。 多晶型，Dupont生产的FP纤维，属 -Al2O3多晶纤维。混合型，有美国ICI公司Saffil短纤维，含 -Al2O3 /SiO2；美国3M公司的Nextel系列纤维，含Al2O3/SiO2/B2O3；日本住友公司的Sumica纤维，含Al2O3/ SiO2 。,6、Al2O3纤维（Alumina fiber）,(1)、Al2O3纤维的类型及特点,(2)、FP-Al2O3纤维,FP-Al2O3纤维由Dupont公司在上世纪80年代初研制开发的连续长含99 以上-Al2O3多晶纤维束，单丝直径为20 m ，一束FP纤维约含有210根单丝。FP纤维的制备方法独特，完全不同于B纤维和SiC纤维（包括纺丝SiC纤维），是采用浆体纺丝烧结成FP纤维。直至今天，其他国家还没有开发出能含99以上-Al2O3的Al2O3纤维。FP-Al2O3纤维主要用于金属基复合材料，如Al、Mg基复合材料。也可用于聚合物基复合材料，如环氧（EP）树脂或聚酰亚胺（PI）树脂基复合材料。还可用于玻璃和陶瓷的补强。,FP-Al2O3纤维的制备工艺：,主要分为三个步骤：1.纺丝浆料的准备： 通过三种原料配比的控制，得到泥浆混合液，然后除水来控制浆料的粘度，以保证浆料的可纺性。2.纺丝：采用干法纺丝3.纤维的烧成： 烧结过程分为两部分，首先为低温焙烧，以控制纤维的收缩量。然后经高温火焰焙烧，以获得高致密性的FP纤维。纺丝添加物在烧结过程中完全去除，以保证获得基本纯净的-Al2O3多晶纤维。,FP-Al2O3纤维的表面处理：,为了提高FP-Al2O3纤维的强度，以及与金属基体的润湿性，往往在FP纤维的表面上涂覆一层厚度仅0.5m 的SiO2涂层。这样就获得了SiO2涂覆的FP -Al2O3纤维。经SiO2涂覆的FP -Al2O3纤维要比未涂覆的强度提高了约50。,FP-Al2O3纤维的性能：,FP-Al2O3纤维的高温性能,FP-Al2O3纤维与其它纤维（B、SiC）高温性能的比较：,混合型Al2O3纤维及其性能：,Saffil短纤维：美国ICI公司采用纺丝法经高温烧结的，但与FP纤维不同的是，所制备的纤维为短纤维，商品名：Saffil。主要组成含9697-Al2O334SiO2，密度3.33.5 g/cm3 ，直径3 m ，长1300mm。这种短纤维是短纤维增强金属基复合材料的主要增强材料。 Nextel系列纤维，由美国3M公司生产，是采用Sol-gel（溶胶-凝胶）法制备的，含62 - Al2O324SiO214B2O3,密度3.1 3.25 g/cm3，直径1017 m 。 Sumica纤维，由日本住友公司采用有机铝化物或有机铝化物与一种或多种含硅化合物的混合物，经纺丝，然后烧结成的混合纤维，含有85 - Al2O315SiO2 ,密度2.73. g/cm3 。直径约1012 m 。,混合型Al2O3纤维的性能,Si(CN)纤维：含55Si、22N、15C和8O，密度2.4 g/cm3 ，强度1800MPa，模量220GPa，最高使用温度1400。Si3N4纤维：强度24502480MPa，模量200250GPa，最高使用温度1200。B4C纤维：密度2.7 g/cm3 ，强度2400MPa，模量400GPa。 这些纤维的性能缺乏竞争性，在文献中出现很少，应用更少。,7、其它陶瓷纤维（Ceramic fiber）,在新型增强材料的研究与开发过程中，实际上科研人员还研究和开发了许多无机陶瓷纤维，例如：,在金属基复合材料中，也使用部分金属纤维，如W丝、Mo丝、不锈钢丝等。但总体而言，这些金属纤维的密度大，比强度、比模量不占优势，除高温合金基复合材料外，应用较少。,(8)、金属纤维（Metallic fiber）,金属纤维的制造工艺：,金属纤维的性能：,颗粒增强材料是用以改善基体材料性能的颗粒状材料。分为延性颗粒、刚性颗粒和相变增韧颗粒增强体三种。延性颗粒增强体主要是一些高熔点的金属颗粒，如Ni、Co、W等，通过在裂纹尖端的桥联、塑性变形等作用达到增强增韧的目的。刚性颗粒主要是一些高强、高硬的陶瓷颗粒，如Al2O3、Si3N4、SiC、TiC、TiN等，通过颗粒钉扎、裂纹偏转、弥散强化等机理来增强。相变增韧颗粒主要是以ZrO2为代表，通过t-ZrO2（四方相，tetragonal）向m-ZrO2（单斜相，monoclinic）的相变，来增韧。,三、颗粒增强材料（Particle/Particulate reinforcements）,(1)、概述,一般复合材料中的颗粒增强材料的粒径为几微米至几十微米，含量约为体积分数570 。颗粒增强的复合材料因其原料价格低、制备工艺简单，已广泛应用于PMC（用作填料）、MMC和CMC中。值得注意的是，采用纳米级的颗粒制成的功能复合材料正成为复合材料的研究热点。本节主要介绍有关Al2O3、SiC、B4C、ZrO2等陶瓷颗粒增强材料的形貌、性能、表面处理等。,(1)、概述,(2)、常用的颗粒增强材料的形貌,(3)、常用的颗粒增强材料的性能,(4)、颗粒增强材料的表面处理,为了改善增强颗粒材料与基体的湿润性，在进行复合制备前，往往对颗粒进行表面处理。在MMC中颗粒材料的表面处理方法有：,金属表面涂层颗粒材料表面热处理超声波处理,颗粒材料表面热处理和超声波处理，主要是改善增强颗粒表面的状况，如干燥、除去表面所吸附的水分和气体等，从而提高分散特性。 金属表面涂层则是改变颗粒表面的组成，提高增强颗粒的表面能，间接改善颗粒与金属基体的湿润性。 根据湿润方程：,为了改善固态材料与液态材料的湿润性，提高固态材料的sg和降低液态材料的lg，均可以降低湿润角，从而提高固、液材料的浸润性，提高了增强材料与基体的结合力。,晶须是微细的高纯度的单晶体，是目前的复合材料中应用的强度最高的一种增强材料，最接近材料的理论强度。晶须的直径很小，只有亚微米和微米数量级，长度10102 m。晶须材料的发现也是偶然的。1948年美国贝尔电话公司在排除经常出现的电话线路短路原因时，发现在蓄电池极板表面产生有针状结晶物。进一步研究发现其晶体结构与金属极板材料相同，但强度远高于极板材料，因其形状象鲸鱼的胡须，因此把这种针状结晶材料称之为晶须（Whisker）。目前应用的晶须分为陶瓷晶须和金属晶须两大类。在复合材料中主要应用陶瓷晶须，如SiCw、Al2O3w, B4Cw、TiCw碳化物、氧化物陶瓷晶须等。使用最多的是SiCw。陶瓷晶须除超高强度外，还具有密度低、耐高温、高模量以及化学稳定性。,四、晶须增强材料（Whisker reinforcements）,(1)、概述,典型的SiC晶须形貌（日本东海碳素公司）,(2)、晶须的基本性能,其中有代表性的是SiCw的制备方法，以下作简要介绍。,(3)、晶须的制备方法,化学气相沉积（CVD）法溶胶凝胶 （Sol-gel）法气固液（VLS）法液相生长法固相生长法原位生长法等,(4)、SiC晶须的制备方法,固相法,固相法制备SiCw的典型方法是利用稻壳产生的SiO2和碳黑之间的反应生成SiCw。 SiO23C SiC 2CO 工艺过程：在700下将稻壳焦化并得到SiO2和自由炭，在15001600下Ar或N2保护下，SiO2与碳黑反应生成SiCw和部分残余自由炭，然后在在800 将自由炭去除，可得较纯的SiCw。但这种方法还会得到部分颗粒状的SiC，需要通过湿法筛分来将SiCw和SiCp分离。一般这种方法生产 SiCw长径比约为50。,(4)、SiC晶须的制备方法,VLS （Vapour-Liguid-Solid）法,该方法由美国Los Alamos国家实验室在1964年开发的。 V即反应气体供给（Vapor feed gasses）， L即为液态触媒(Liquid catalyst)， S即为固态晶须生长( Solid crystalline wiskers)。,(5)、SiCw制备及使用中的问题,SiCw的长径比控制；SiCw中混杂有颗粒状的SiC，两者的分离；SiCw的表面清洁度（C、微晶Si和催化剂残留）和直晶率；SiCw的结团及分散均匀；SiCw的价格；SiCw的致癌性等。,本章小结：,增强材料概述定义、分类、结构类型、选择增强材料的原则纤维增强材料Kevlar纤维、玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、SiC纤维、Al2O3纤维颗粒增强材料延性颗粒、刚性颗粒、相变增韧颗粒晶须增强材料特性、分类、SiC晶须的制备方法,