第七章  复合材料增强剂  (Reinforcement)
纤维及其织物、晶须、颗粒
一、复合材料增强剂的特点（图7–1）
    1、具有很低的比重；
    2、组成这些化合物的元素都处
在元素周期表中的第二、第三周期；
    3、它们大多数都是以结合力很
强的共价键结合；
    4、具有很高的比强度、比刚度
和高温稳定性。
                                         图 7–1  不同复合材料增强剂的强度和模量                                      
脆性纤维的抗张强度统计分析 （ Weibull 模数分析）
    碳纤维、SiC 纤维等高性能增强剂均为脆性材料，其强度遵循正态分布
规律。使用Weibull模数分析可较准确地分析其强度分布规律(图7-2、-3)。
Weibull 函数:  Ps = 1- Pr = exp {- v  [ ( ( - (u) /  (0] m}
式中： Ps和 Pr分别为体积为 v 的试样在负载为 ( 的条件下的保留几
率和断裂几率；
    (u 为 Pr =0时的应力负荷（一般设定 (u 为某一可能达到的最小值或
零）；   (0 为分散参数，m 则为Weibull 模数。
    Ps（i）=1-i/(N+1)，Ps（i）为在 I 阶断裂负载时的保留几率，N为试样总
数，那么： 
ln ln ( 1 / Ps ) = m ln ( + K ， K = - m ln (0 + ln V0 
ln ( - ln ln  ( 1 / Ps )的直线斜率 即为 Weibull 模数 m 。 
图7–2 SiC纤维室温拉伸强度分布     图7-3  SiC纤维Weibull 模数分析图  
 表7 – 1  不同标距的SiC纤维的Weibull 模数
脆性材料的Weibull 模数 在一定程度上反映了材料的可靠性(表7-1)。
二、纤维
1、无机纤维
     1-1、玻璃纤维（Glass Fiber）
玻璃纤维是由各种金属氧化物的硅酸盐经
熔融后以快的速度抽丝而成（图7 - 4）。质地
柔软，可纺织成各种玻璃布、带等。伸长率和
热膨胀系数小，耐腐蚀，耐高温性能较好，价
格便宜，品种多。缺点是不耐磨、易折断，易
受机械损伤。
玻璃纤维价格便宜，品种多，适于编织各
种玻璃布。玻璃纤维的成分、直径、编织结构
直接影响着复合材料的机械、物理、化学和电
性能（表7-2）。                                         图7-4  玻璃纤维制备工艺示意图
表 7 – 2     玻 璃 纤 维 品 种 性 能 一 览 表 
      纤维类别
性能	有碱
A	化学
C	低介电
D	无碱
E	高强度
S	粗纤维
R	高模量
M		拉伸强度，GPa	3.1	3.1	2.5	3.4	4.58	4.4	3.5		弹性模量，GPa	73	74	55	71	85	86	110		延伸率，%	3.6				3.37	4.6	5.2		密度，g/cm3	2.46	2.46	2.14	2.5	2.5	2.55	2.89		
1-2、碳纤维
    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。含碳量
95%左右的称为碳纤维；含碳量99%左右的称为石墨纤维。碳纤维比重小，比
强度、比模量大（表7-2），耐热性和耐腐蚀性好，成本低，批生产量大，
是一类极为重要的高性能增强剂。
    碳纤维主要的制备工艺是先驱体转换法，即将有机纤维（原丝）经过稳
定化处理后，再在惰性气氛的高温下热解碳化，形成碳纤维（图7 – 5）。
    制备碳纤维的主要原材料有人造丝（粘胶纤维）、聚丙烯腈（PAN）纤
维和沥青（Pitch）等。经过五个阶段：
    1）拉丝：湿法、干法或熔融纺丝法。
2）牵伸：通常在100 ( 300 (C范围内进行，控制着最终纤维的模量。3）稳定：在400 (C加热氧化。显著地降低热失重，保证高度石墨和
取得更好的性能。
4）碳化：在1000(2000 (C 范围内进行。
5）石墨化：在2000 ( 3000(C范围内进行。
图7 – 5           碳纤维制备工艺流程示意图
PAN基碳纤维制备工艺流程：
PAN原丝(200(300(C (1150(惰气 (碳纤维( 2100(C石墨化( 石墨纤维
        空气中预氧化，  中碳化1 h，   低模      惰气中1分钟，    高模高强
         施张力使纤维    施张力约      高强      施张力约 
         伸长约10% 。    0.5N/束。               1(2N/ 束。
碳化过程：
    有机化合物在惰性气氛中加热到
1000-1500 (C时，非碳原子（氮、氢、
氧等）将逐步被驱除，碳含量逐步增
加，固相间发生一系列脱氢、环化、
交链和缩聚等化学反应，此阶段称为
脱碳过程，形成由小的乱层石墨晶体
组成的碳纤维。
石墨化过程：
    当温度升到2000 (3000(C时，
非碳原子进一步排除，反应形成  图 7–6  碳纤维力学性能与热处理温度的关系
的芳环平面逐步增加，排列也较规则，取向度显著提高，由二维乱层石墨
结构向三维有序结构转化，此阶段称为石墨化过程。形成的石墨纤维弹性模
量大大提高。
表 7 – 3   不同品种碳纤维的力学性能
2、陶瓷纤维
2-1、硼纤维（Boron Fiber）
    制备工艺：化学气相沉积（CVD）。
    2BCl 3 + 3H 2 ( 2B ( + 6HCl (              
      图7-7  硼纤维的表面形貌
       图7-8 硼纤维的断口形貌
图7-9 CVD法制备硼纤维工艺流程示意图
典型性能：                   
 直径：100 ( 140 (m 
    抗张强度：3500MPa    
     弹性模量：390GPa                                
     密度：2. 68 g / cm3                       
状态：连续单丝。                     
硼纤维抗氧化和高温性能较差，在400(C时可保持室温强度的80% ；在
高于500(C的氧化气氛中几分钟其强度就迅速下降；在650(C时将失去所有的
性能。同时其成本也较高，成本下降的潜力也不大。
    室温下硼纤维的化学稳定性好，但表面具有活性，不需要处理就可与树
脂复合，其复合材料具有较高的层间剪切强度。对于含氮化合物亲和力大于
含氧化合物。但在高温下易与大多数金属反应，需要在纤维表面沉积保护涂
层，如SiC（Borsi
复合材料2.doc