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塑料助剂基础知识:填增剂(品种、应用等)

发布日期:2023/2/16 11:10:39 访问次数:167

一、简介
增强剂又称增强材料,是指加入到塑料、密封材料、粘合剂等复合材料中能大幅度
改善其物理、力学性能的一类物质,也是复合材料生产中的一种重要化学助剂。例如,
塑料作为一种新型高分子材料,具有成型容易、耐腐蚀等特点,但其强度及耐热性不如
金属材料。塑料的增强即是在合成树脂中加入纤维状或其他形状材料 (如玻璃纤维、
云母等)的增强剂及其他助剂 (如偶联剂、抗氧化剂等)后,经成型加工而制得的复
合材料,如增强尼龙、玻璃纤维、增强聚丙烯等。增强的塑料可以显著提高拉伸强度、
刚性、耐疲劳性、耐蠕变性,降低成型收缩率及提高热变形温度,拉伸强度可以接近钢
材的强度甚至超过钢材的强度。目前,增强塑料已广泛用于汽车、机械及宇航等方面。
增强剂品种很多,大致可分为纤维类、晶须、无机纳米材料、复合增强材料、特殊
粉状、片状填料及其他。
纤维类增强材料包括无机纤维 (如玻璃纤维、石棉纤维、碳纤维、石英纤维及陶
瓷纤维等)、有机纤维 (如聚乙烯纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯腈纤维等)及
金属纤维 (如硼纤维、钛纤维、铝纤维等)。
晶须为针状或毛发状结晶物质,外观像短纤维的直径极小的丝,直径约为 0.05~
10μm,100根晶须才相当于一根玻璃纤维,是一种近乎完全结晶、且是不含晶格缺陷的
结晶,强度极高,接近原子间的力。它综合了玻璃纤维和硼纤维的优点,既有玻璃纤维
的伸长率,又有硼纤维的弹性模量,是一种极高强度的增强材料,用于制造轻质高强度
增强塑料。晶须的主要品种有氧化铝晶须、碳化硅晶须、氮化硅晶须、硼酸铝晶须等。
无机纳米材料 (如纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、纳米二氧化钛、纳米氧化锌、纳
米氧化铝等)是无定形微细粉末,具有极大的比表面积及极高的原子不饱和性。由于
分散性的纳米尺寸效应和强界面结合,纳米材料对塑料或聚合物的复合效果,具有既增
强又增韧的作用,即具有无机填料和橡胶粒子双重作用的效果。纳米材料具有很强的吸
收紫外光作用,可改善塑料的抗老化性。用作纳米复合塑料的基体,主要有热塑性聚合
物,如聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚醚、聚氯乙烯及尼龙等。
不同品种增强材料复合使用,具有增强效果。复合增强材料一般选用性能相差较大
的增强材料混合使用,可起到优势互补的作用。常用复合增强材料有:玻璃纤维/碳纤
维、玻璃纤维/金属纤维、热塑性合成纤维/金属纤维、金属纤维/碳纤维、玻璃纤维/片
状云母、玻璃纤维/超细碳酸钙、合成纤维/云母等。
云母、滑石粉、玻璃鳞片、氧化铝薄片、钢片、硅灰石纤维、二硼化铝结晶等均可
用作增强材料,其中最重要的是云母,尤其是高纵横比的云母。云母增强塑料可提高强
度、介电性能、尺寸稳定性、抗湿性能、降低线胀系数等。
其他如极性橡胶 (丙烯酸酯橡胶、氯化橡胶)、热塑性树脂 (如聚碳酸酯)及一
些合成乳液 (如环氧树脂乳液、聚氨酯乳液)等可用作溶剂型或水基型粘合剂的增强
剂。
增强剂加入聚合物材料中,能通过分子间力或化学键力与聚合物材料相结合,将其
自身的特殊性能与聚合物材料基本性能融为一体。但不同类型的增强剂的作用机理也有
所不同。例如,玻璃纤维经偶联剂处理后,表面存在的活性基团能与聚合物材料反应形
成化学键,使内聚强度和粘接强度增大;同时,玻璃纤维也起着骨架作用,使体系强度
增强。又如,一些粉体增强粒子的活性表面与若干聚合物大分子链相结合时,形成交联
结构,当其中的一条分子链受到应力作用时,可通过交联点将应力分散到其他分子上,
如果其中一条链断裂,其他链可起到同样加固作用,使材料不被破坏
二、通用玻璃纤维及其织物
(一)玻璃纤维的主要品种与分类 (见表 3-28)
表 3-28 玻璃纤维品种与分类
类 别
分 类
按纤维的形态
和长度分
连续纤维(又称纺织纤维)—由许多根单丝集合成的一类纺织材料
定长纤维—一种直径细、长度短的纺织材料,长度一般为 300~500mm
玻璃棉—长度一般在 150mm以下,纤维较短,像棉絮
玻璃棒—直径为 35~500μm的棒状材料
空心纤维—纤维呈中空状
卷曲纤维—纤维呈卷曲状
按纤维直径分
初级纤维(又称粗纤维)—单纤维直径 20~30μm
中级纤维—单纤维直径 10~20μm
高级纤维(又称纺织纤维)—单纤维直径 4~10μm
超级纤维(又称超细纤维)—单纤维直径小于 4μm
按碱金属氧化
物含量① 分
无碱纤维(E玻璃纤维)—碱金属氧化物含量很少,且具有良好电绝缘性的玻璃纤维(其
碱金属氧化物含量一般小于 1%)
低碱纤维—碱金属氧化物含量为 2% ~6%的玻璃纤维
中碱纤维(C玻璃纤维)—我国生产的一种玻璃纤维,其碱金属氧化物含量在 12%左右
高碱纤维(A玻璃纤维)—碱金属氧化物含量大于 15%的玻璃纤维,即普通玻璃纤维
按纤维性能分
高强纤维(S玻璃纤维)—用硅-铝-镁系统的玻璃拉制的玻璃纤维,其新生态强度比无碱玻
璃纤维高 25%以上
高模量纤维(M玻璃纤维)—用高模量玻璃拉制成的玻璃纤维,其弹性模量一般比无碱玻
璃纤维高 25%以上
低介电纤维(D玻璃纤维)—用低介电玻璃拉制而成的玻璃纤维,其介电常数及介电损耗
角正切都小于无碱玻璃纤维
耐碱纤维(AR玻璃纤维)—用于增强硅酸盐水泥的玻璃纤维,能耐水泥水化时析出的水
化物的长期浸蚀
高硅氧纤维(耐高温纤维)—用钠硼硅酸盐玻璃拉丝后,经酸处理烧结而成的玻璃纤维,
其二氧化硅含量在 95%以上
半导体纤维—含氧化银或氧化铜的玻璃拉制成的纤维,经处理后,其表面电阻率达半导体
范围
① 所谓碱金属氧化物含量是指玻璃组成中含碱金属钾和钠的氧化物含量。
(二)玻璃纤维的成分与性能
1.玻璃纤维的化学成分
玻璃纤维的主要化学成分是二氧化硅和三氧化二硼。它们对玻璃纤维的性质和工艺
特点起决定性作用。以二氧化硅为主的称为硅酸盐玻璃,以三氧化二硼为主的称为硼酸
盐玻璃。氧化钠、氧化钾等碱性氧化物能降低玻璃的熔化温度和粘度,使玻璃熔液中的
气泡容易消除。它们又被称作助熔氧化物。氧化钙、三氧化二铝等成分可改善玻璃的某
些性质和工艺性。常用玻璃纤维的成分见表 3-29。
表 3-29 玻璃纤维的化学组成 (质量分数)(%)
名 称
SiO2
Al
2O3、
Fe2O3
B2O3 CaO MgONa2OK2OCaF2BaOLi
2OBeOZrO2 CeOTiO
1 无碱玻璃纤维①
E 53.5 15.3 10.0 16.3 4.5 <0.5
2.0
2 无碱玻璃纤维②
E 54.3 15.2 8.0 17.3 4.7 0.6
0.1
3 中碱玻璃纤维③
5# 67.3 7.0
9.5 4.2 12.0
4 中碱玻璃纤维④
C 64.5 4.1 4.7 13.4 3.3 7.9 1.7
0.9
5 高碱玻璃纤维⑤
A 72.0 0.6
10.0 2.5 14.2
6 高强度玻璃纤维⑥
S 64.3 24.8
<0.0110.270.27
7 高弹性模量玻璃纤维⑦
M 53.7 0.5
12.9 9.0
3.0 8.0 2.0 3.08.0
8 高硅氧纤维⑧
R 98.59 1.07
0.24
① 我国无碱玻璃纤维成分。
② 美国通用无碱玻璃纤维成分。
③ 我国通用中碱玻璃纤维成分。
④ 国外通用中碱玻璃纤维成分。
⑤ 国外高碱玻璃纤维成分。
⑥ 美国高强度玻璃纤维 (S-994)成分。
⑦ 美国高弹性模量玻璃纤维 (YM-31-A)成分。
⑧ 铝镁硅酸盐成分的纤维用酸萃取后制成的高硅氧纤维成分。
2.玻璃纤维的基本性能
玻璃纤维的直径一般为 0.5~30μm。玻璃纤维具有不燃烧、耐腐蚀、拉伸强度高、
光学性能好、绝缘、价廉及原材料易得等优点。
(1)拉伸强度高 国产玻璃纤维的新生态 (新生态玻璃纤维指纤维拉出来后未受
任何表面损伤和水汽侵蚀) 单丝强度为:无碱玻璃纤维 3.12GPa,中碱 5# 玻璃纤维
2.68GPa,高强 2# 玻璃纤维 4GPa。玻璃纤维的强度随所受各种因素的影响而变化,如单
丝直径越细,拉伸强度越高。
(2)伸长率小 玻璃纤维的伸长率一般为 3% ~4%,比其他天然和合成纤维小得
多。
(3)耐热性好 玻璃纤维有很好的耐热性。随着 SiO2、ZrO2、Al
2O3、Cr
2O3等高熔
点组分含量增加,纤维耐热性相应提高,如 SiO2 为 96% (质量分数)的高硅氧纤维,
使用温度为 1000°C。
(4)电性能 无碱玻璃纤维绝缘电阻高、介电性能好、吸湿性小、耐高温,在机
电工业中作为电绝缘材料,效果显著。
(5)化学稳定性 玻璃纤维在水和各种侵蚀介质作用下具有良好的稳定性,但不
同的玻璃纤维成分对不同的介质的抵抗力是不一样的。无碱玻璃纤维的耐水性最好,但
耐酸性很差;E玻璃纤维的耐弱碱性尚好;中碱玻璃纤维的耐水性较好,耐酸性比无碱
纤维好;高碱纤维的耐酸性较好,但耐水性能差。
(6)吸湿性 玻璃纤维的吸水性是天然和合成纤维的 1/20~1/10。吸水作用与玻
璃成分有关,无碱纤维吸水量最小,高碱纤维吸水量最大。
(7)脆性 玻璃纤维的脆性比其他纤维都高,不耐磨,容易折断。但当纤维直径
小到 3.8μm以下时,纤维及其制品有很好的柔软性。
(三)玻璃纤维及其织物的品种和应用形式
(1)短切纤维 未经任何形式结合的短切连续纤维原丝段。商品短切纤维长度一
般为 6~50mm。
(2)无捻粗纱 平行原丝 (多股原丝无捻粗纱)或平行单丝 (直接无捻粗纱)不
加捻而合并的集束体,并股数目有 6股、12股及 60股等,它具有树脂浸渍又快又透的
特点。
(3)玻璃带 与玻璃布的结构相似,宽度为 6~20mm。
(4)短切纤维毡 连续纤维原丝短切后,随机无定向分布,用粘结剂粘合而制成
的毡片。此种毡片铺复性好,无定向性,价格便宜,用途较广。
(5)玻璃丝绒球 由长度为 3.2mm的短切纤维无捻粗纱与聚酯混合制成玻璃纤维
绒球,其增强作用较小。
(6)玻璃布 根据织法可分为一般织法和特殊织法两大类。按一般织法的有平纹
布、斜纹布、缎纹布、单向布、无捻布及无纺布等。按特殊织法的有高模量布等。
平纹布:它的径向与纬向强度相近,强度较缎纹或斜纹布低。
斜纹布:它具有较高的强度和良好的铺覆性。
缎纹布:其玻璃纤维卷曲小,强度较大,有良好的铺覆性与斜纹布相似。
单向布:该布经纱方向强度较高,对用于定向强度要求高的制品有利,其厚度在
2mm以上。
无纺布:用树脂粘结而成的片状材料。这种布在拉丝过程中直接成型,易于保持纤
维的新生态,因此具有强度高,刚性好,工艺简单等优点。
无捻布:该布的特点是易浸渍,渗透性好,覆盖性好,冲击强度和刚性比玻璃毡
好。无捻布也有平纹、斜纹和缎纹等几种织法。
高模量布:由粗细两组经纬纱组成,粗纱占玻璃布组成的 90%左右。由于承担荷
载的粗纱不互相穿插发生卷曲,所以,此布的强度特别大。
(四)玻璃纤维及其织物的用途 (见表 3-30)
表 3-30 玻璃纤维及其织物的用途
品 种
用 途
短切纤维
适用于热固性与热塑性塑料的增强,常用于制备结构塑料制品
切碎纤维
将连续纤维原丝切成 0.4~6mm长的纤维称为切碎纤维,其特点是在浇注成型时极易分
无碱纱
适用于制作电绝缘材料和其他玻璃钢制品
无碱无捻纱
主要用作电绝缘用玻璃钢和工程塑料等的增强材料,尤其适用于制造缠绕制品,如压力容
器、储罐、管道、火箭壳体等
中碱无捻纱
主要用作酸性介质用玻璃钢和工程塑料等的增强材料
无碱布
用作电绝缘用云母制品、漆布和玻璃钢等的增强材料
无碱无捻布
主要用作电绝缘用玻璃钢和工程塑料的增强材料
中碱布
适用于作乳胶、橡胶、塑料及沥青等涂覆制品的基布,液体、气体粉尘的过滤布,防腐保温、
隔热等的包扎材料
无捻布
用作玻璃钢的增强材料,适用于船舶、大型容器等
无碱带
适于制作包扎管道和管接头,或缠绕高压管和容器
无碱套管
用作电机、电器及仪表的绝缘材料
玻璃毡
分为短切纤维毡和连续纤维毡两种,适用于手糊成型,也可用于模压及各种连续预浸工艺
三向织物
是一种由玻璃纤维织成的立体结构的、可使织物的层间区域也得到增强、产生力学上各向
同性的增强塑料,适用于齿轮、轴承等受力零件
三、特种玻璃纤维
(一)高强玻璃纤维 (S玻璃纤维)
高强度玻璃纤维的单丝强度一般比无碱玻璃纤维高 25%以上。
国产高强纤维采用铝镁硅酸盐玻璃原料,其单丝强度为 3.0~3.4GPa,纱线拉伸弹
性模量 83~85GPa,相对密度 2.54。高强纤维采用增强型浸润剂,不需后处理,可直接
使用。
高强玻璃纤维纱的技术指标见表 3-31,高强玻璃纤维布的技术指标见表 3-32。国产
高强 1
# 、2# 玻璃纤维与其他玻璃纤维性能比较见表 3-33。
表 3-31 高强玻璃纤维纱的技术指标
代 号
单丝公称直径
/μm
股数
线密度
/tex
线密度的变异系数(%)
断裂强力/N
捻向 捻度
SC8-12×1×2S55
8
2±0
24±1.8
7
14.0
S 55±5
SC8-12×20
8
20±
1
0
240±18
5
120
无捻
SC8-12×40
8
40±
1
0
480±36
5
200
无捻
注:代号中各要素的意义,例如 SC8-12×1×2S55中 S—高强纤维;C—连续纤维;8—公称直径:12×
1—线密度;2—股数;S—捻向;55—捻度。
表 3-32 高强玻璃纤维布技术指标
制品代号
厚度
/mm
原纱号数 ×
股数
单纤维公称
直径/μm
纤维排列
密度
/(根/cm)
经纱
纬纱
经纱
纬纱
经纱
纬纱
玻璃布
质量/
(g/m2)
公称捻度/
(捻/m)
经纱
纬纱
密度
/cm
组织结构
SW-220-90
0.220±
0.022
12×212×2
8
8
18±114±1230±20 55
55 90±1.5
二上二下
斜纹
SW-220A-90
0.220±
0.022
12×212×2
8
8
18±114±1230±20 55
55 90±1.5
五枚二飞
缎纹
注:制品代号中各要素的意义,S—高强玻璃纤维;W—布;220—布的厚度,以公称厚度 (mm)乘 1000
之值表示;A—缎纹布;90—布的宽度 (cm)。
表 3-33 高强玻璃纤维与中碱、无碱玻璃纤维的力学性能对比
玻璃纤维品种
高强 1#纤维
高强 2#纤维
中碱纤维
无碱纤维
单纤维拉伸强度/GPa
2.6~3.0
3.0~3.5
1.6~2.0
1.8~2.2
与无碱纤维相比提高(%)
37~44
58~66
强力环拉伸强度① /GPa
1.85
1.31
与无碱纤维相比提高(%)
41.2
玻璃钢性能②
7∶1单向布压制
斜纹布压制
斜纹布压制
拉伸强度/MPa
696
310
433
弯曲强度/MPa
692
339
307
剪切强度/MPa
124.7
96.7
96.4
冲击强度/(kJ/m2)
405
381
400
① 表中的强力环是采用 618环氧树脂,647酸酐或 70酸酐作固化剂,处理剂均采用 KH-550。
② 采用 634环氧树脂压制的玻璃钢。
高强玻璃纤维目前主要用于火箭、常规兵器、飞机零部件、螺旋桨叶片以及高压容
器等。
(二)高模量玻璃纤维 (M玻璃纤维)
高模量玻璃纤维,单丝强度为 3.0~3.8GPa,其弹性模量达 92~126GPa,与无碱纤
维相比其弹性模量提高 26% ~30%,单丝强度提高约 30%,拉伸强度和无碱纤维相似。
国产高模量玻璃纤维纱和无捻纱及其玻璃布的技术指标见表 3-34和表 3-35。
国产高模量玻璃纤维的牌号有 X-9-30及 37-7两种。其玻璃钢的拉伸强度比无碱纤
维可提高 15% ~25%,弹性模量可提高 20% ~40%,比高强纤维的弹性模量也提高

15% ~25%。高模量玻璃纤维的力学性能见表 3-36。

表 3-34 高模量玻璃纤维纱及无捻纱的技术指标
品种
代 号
单纤维直径
/μm
股数
公制支数
(公制号数)
支数不匀率(%)
捻度
/(捻/m)
捻向
8-80/2
8-80/4
8-80/6
8-80/8
8
8
8
8
2
4
6
8
40±4(25.0±2.5)
20±2(50.0±5.0)
13.3±1.3(75±7.5)
10±1(100±10)
7
7
7
7
55±8
S
S
S
S
8-80/8
8-80/10
8-80/20
8-80/30
8-80/40
原纱 8-80支
8
8
8
8
8
8
8
10
20
30
40
1
10.0±1.0(100±10)
8.0±0.8(125±12)
4.0±0.4(250±25)
2.7±0.3(375±38)
2.0±0.2(500±50)
80±8(125±13)
7
7
7
7
7
7
注:本表所列为高模量 2#玻璃纤维纱,浸润剂配方为 FE-5(即偶联剂 KH-550)。
表 3-35 高模量玻璃纤维布的技术指标
牌 号
厚纱支数/股数
纤维排列密度
/(根/cm)
经纱
纬纱
经纱
纬纱
厚度
/mm
密度
/cm
组织
单纤维直径
/μm
高模量布-100
80/2
80/2
20
20
0.100±0.010
90±1.5
平纹
8
高模量布-100
80/2
80/2
20
20
0.100±0.010
90±1.5 2/2斜纹
8
高模量布-150
80/4
80/4
16
12
0.150±0.015
90±1.5 2/2斜纹
8
高模量布-150
80/4
80/4
16
12
0.150±0.015
90±1.5
平纹
8
高模量布-160
80/4
80/4
16
16
0.160±0.015
90±1.5
斜纹
8
高模量布-200
80/6
80/6
16
12
0.200±0.020
90±1.5
平纹
8
高模量布-200
80/6
80/6
16
12
0.200±0.020
90±1.5 2/2斜纹
8
高模量布-200
80/6
80/6
16
12
0.200±0.020
90±1.5 3/8缎纹
8
高模量布-200
80/8
80/2
20
10
0.200±0.020
90±1.5
斜纹
8
高模量布-200
80/8
80/2
20
10
0.200±0.020
90±1.5
破斜纹
8
高模量布-210
80/6
80/6
18
14
0.210±0.020
90±1.5 2/2斜纹
8
高模量布-260
80/8
80/2
28
10
0.260±0.025
90±1.5 3/8缎纹
8
注:本表所列为高模量 2#玻璃纤维,浸润剂为 FE-5(即偶联剂为 KH-550)。
表 3-36 高模量玻璃纤维的力学性能
纤 维 品 种
高模量 37-7纤维
高模量 X-9-30纤维
单纱弹性模量/GPa
93~97
93~97
强力环①
拉伸强度/GPa
纯纤维
2.44
2.6
玻璃钢
1.54
1.61
拉伸模量/GPa
纯纤维
115.2
121.8
玻璃钢
73.6
76.4
① 强力环采用 618环氧树脂,以 70酸酐做固化剂,偶联剂为 KH-550。
高模量玻璃纤维可应用在要求高模量、高强度的玻璃钢制品中,如飞机的零部件
(如副油箱)、火箭发动机壳体、卫星的太阳壳和太阳屏、汽车中的结构件、体育器材
中的撑竿、跳水板、电器中的带电作业操作杆等。
(三)耐高温玻璃纤维
石英纤维、高硅氧玻璃纤维、铝硅酸盐玻璃纤维都属耐高温玻璃纤维 (详见本节
中的氧化铝纤维和陶瓷纤维)。
1.空心玻璃纤维
空心玻璃纤维采用铝硼硅酸盐玻璃原料,用特制拉丝炉拉制而成。空心玻璃纤维质
量轻,电绝缘性能好,热导率低,但较脆。其纤维直径 10~17μm。空心玻璃纤维的性
能见表 3-37。
表 3-37 空心玻璃纤维的性能
性 能
指 标
性 能
指 标
平均外径/μm
10.2
单根空心纤维拉伸强度/GPa
2.5~2.8
外径离散系数(%)
10.0
空心纤维的体积质量/(g/cm3)
1.7
纤维毛细系数平均值
0.57
玻璃成分
E玻璃
纤维偏心度系数平均值
0.24
2.玻璃棒
当玻璃棒的直径为 35~300μm时称为弹性玻璃棒,直径达 100~500μm时称为粗玻
璃棒。玻璃棒不能单独使用,一般与玻璃纤维和玻璃布配合使用,主要用在玻璃钢船体
制造方面。它不仅能增加产品的刚度,而且从成型工艺方面考虑也是很合理的。
3.玻璃粉和磨细纤维
玻璃粉和磨细纤维是用玻璃、玻璃纤维原丝或废丝粉碎成的微粒状制品,它主要用
作增强塑料的填充材料和表面涂漆的增强材料。其种类和用途见表 3-38。
表 3-38 玻璃粉及磨细纤维的种类、用途
制品名称
制品
牌号
制 品 规 格
玻璃种类
粒度(筛号)
含水量(%)
特 征
用 途
磨细玻璃纤维
EMF
EMFP
无碱
无碱 +有碱
22以下
22以下
0.3以下
0.3以下
一般用
玻璃粉
EVS
无碱
22以下
0.3以下
特殊处理
填充材料、表面涂层、
增强、制造浴盆等
这种材料的成本低,容易成型,能节省工时。在表面涂层施工中可用喷枪将玻璃粉
和树脂混合喷涂成型。
四、碳纤维与石墨纤维
(一)聚丙烯腈基碳纤维和石墨纤维
1.结构形态
聚丙烯腈基石墨纤维的横截面是圆形的,纤维直径为 25~100nm,每一根纤维由许
多约 5nm的石墨微晶所组成,微晶的基面沿着纤维中心轴作很有规则的排列。
2.性能
碳纤维是纤维状的碳素材料,所以具有碳素材料的特性,如密度小、导热、导电、
自润滑性等。此外碳纤维是纤维材料中比模量最高的纤维,拉伸强度与玻璃纤维相近,
弹性模量是玻璃纤维的 4~5倍。碳纤维与其他纤维的力学性能见表 3-39。
表 3-39 碳纤维与其他纤维的力学性能
纤 维 种 类
直径
/μm
密度
/(g/cm3)
拉伸强度
/GPa
拉伸弹性模量
/GPa
比强度
/(×106cm)
比模量
/(×108cm)
中强碳纤维
7.8~8.1
1.80
2.0
200~230
11.1
1.11~1.27
高强碳纤维
7.4~7.8
1.81
2.7
230~250
14.9
1.27~1.38
高模碳纤维
7.2~7.5
1.87
2.3
340~360
12.3
1.82~1.93
低性能碳纤维
8.4
1.70
0.8
40
4.7
0.235
E-玻璃纤维
3.8~12.7
2.54
3.4
71
13.4
0.280
S-玻璃纤维
9.6
2.49
4.5
84
18.1
0.337
D-玻璃纤维
2.16
2.4
51
11.1
0.236
304—不锈钢纤维
12~25
8.03
2.0
180
2.49
0.224
硼—钨芯纤维
107
2.66
2.4
400
9.02
1.50
碳化硅纤维
10~15
2.70
3.0
160~180
11.1
0.593~0.667
3.应用
碳纤维主要用作增强塑料的结构材料,如用于战略武器头部材料、军用飞机的尾翼
和旋转叶片等,在汽车工业中用于制造弹簧、传动轴、制动摩擦片、车门嵌条等。
碳纤维其他用途是用作宇航方面的烧蚀材料,还可用作电气、绝热、耐磨材料等。
碳纤维可代替损坏了的人体韧带,而且能促使新的韧带形成和成长。
(二)人造丝基碳纤维和石墨纤维
1.结构形态
碳纤维含碳量为 90% (质量分数) 以上,石墨纤维含碳量接近 100% (质量分
数)。人造丝基石墨纤维的横截面形状是无规则或锯齿状的。
2.性能
人造丝基碳纤维密度小,导热性差,碱金属含量低 [质量分数一般仅为(28~60)×
10-6 ],这些都有利于其作为烧蚀材料。
人造丝基碳纤维的性能是:密度 1.3~1.9g/cm3 ,拉伸强度 0.69~3.10GPa,拉伸
弹性模量 690~760GPa。它的电导率与弹性模量有非常直接的关系,即随着弹性模量的
提高,电导率几乎是线性增加的。当弹性模量为 70GPa时,电导率为 400S/cm;弹性模
量为 760GPa时,电导率约为 1900S/cm。其他性能与聚丙烯腈基纤维相似。
3.应用
碳纤维主要用作增强塑料的结构材料,还可用作烧蚀材料,部分用于电气、耐磨和
隔热等方面。
(三)沥青基碳纤维和石墨纤维
1.结构形态
沥青基碳纤维含碳量较高,即使热处理温度为 1000°C,其含碳量也在 99% (质量
分数)以上。它有径向结构、洋葱皮结构和无规结构。一般在纤维中是混合结构,其
中主要是径向和无规结构,洋葱皮结构较为稀少。
2.性能
沥青基碳纤维的拉伸强度与弹性模量受热处理温度影响较大。如热处理温度为
1700°C时,拉伸强度是 1.38GPa,弹性模量是 210GPa;热处理温度为 3000°C时,拉伸
强度为 2.20GPa,弹性模量为 700GPa。
3.应用
主要用于耐热、隔热、烧蚀、耐磨和电气方面,如扬声器喇叭纸盆。日本开发碳纤
维增强混凝土,即在水泥砂浆中混入质量分数为 1% ~5%的低强度沥青纤维,可使混
凝土的拉伸强度和弯曲强度提高 5~10倍,弯曲韧性提高 20~30倍,延展能力提高 50
~60倍,同时不会产生像混凝土那样的龟裂缺点。
五、芳纶纤维
分子结构主链上的重复链节只含芳香环和酰胺键的合成纤维称芳香族聚酰胺纤维,
也就是说,纤维中至少有 85%的酰胺键直接连于芳香环上的纤维称为芳香族聚酰胺纤
维,亦有的称作芳族聚酰胺纤维、芳酰胺纤维和芳纶等。
芳香族聚酰胺纤维是由美国杜邦公司在 1972年开发的。在芳香族聚酰胺纤维中首
先开发的是凯芙拉纤维,因它在拉伸强度、弹性模量和耐热性方面优于通常的有机纤
维,所以凯芙拉纤维的研究和应用较快。
芳香族聚酰胺纤维是用芳族二胺类和芳族二酰卤化合物在低温下进行溶液缩聚,聚
合物在强酸溶液中纺丝,通过 0.5~1.9cm的空气层进入冷水中,然后水洗、干燥所得。
其特性是高拉伸强度、高模量、较低的伸长率、耐燃烧、耐高温,以及耐有机溶剂、燃
烧、润滑剂等,缺点是压缩强度低。
芳香族聚酰胺纤维已工业应用的有凯芙拉、诺曼克斯 (Nomex)、比 (B)纤维等。
目前,处于开发研究的有,芳酰肼纤维 (H202)、杂环聚酰胺纤维 (ВНИИВЛОН)、聚
芳杂环类纤维 (CBM)。国内已研制并得到应用的是芳纶 1414(相当于凯芙拉 49)和
芳纶 14(相当于 B纤维)。
(一)凯芙拉纤维
1.结构式
C
O
C
O
NH
NH
n
2.结构形态
纤维横断面为圆形。
3.性能
凯芙拉纤维最大特点是具有高强度和高模量,其比强度相当于钢丝的 3~4倍,比
模量为钢丝和玻璃纤维的 2~3倍。它的相对密度仅是钢丝的 1/5左右。凯芙拉纤维耐
高温性能优良,在其分解温度下仍不熔融,连续使用温度 -196~204°C。此外,在
-45°C的低温下仍能保持其与室温相同的强韧性,尺寸稳定性良好。对氧稳定,但耐紫
外光较差。它还具有自熄性。
4.应用
凯芙拉纤维的用途见表 3-40。
表 3-40 凯芙拉纤维的用途
凯 芙 拉
凯芙拉-29
凯芙拉-49
主要用作帘子线、子午线带材,也
用作轮胎以外的橡胶制品的增强材
料,有以下几个方面:
1)氨气用软管。它的抗破裂强度
高、体膨胀系数小、耐药品性优良、安
全性好
2)高压软管。与钢丝增强的耐压
管相比,它具有柔软、非电导性,较安
3)高性能 V带。适于高温下使
用,寿命长
4)汽车用软管及带材。可大大改
善汽车排气控制系统的耐热性
主要用作特种绳索及工业用布。由
于它具有高强力和低密度,可代替钢
丝。凯芙拉-29在空气中的“自由长
度”(指缆绳在一定长度时因其自重
而断裂时的长度)比钢丝长 7倍,而
在海水中长 26倍,即凯芙拉-29的缆
绳可应用在钢丝达不到的深海作业
凯芙拉-29耐蚀性好,在海水中经
一年后,强度也不下降,因此可用于潜
水装置及海底电缆,还可用于直升飞
机的吊绳,电线支撑线、抛锚绳等。此
外,可取代石棉制成垫圈,其性能优于
石棉垫圈
主要用作增强剂,也可用于
轮胎及橡胶制品(传送带、软管
等)的帘子线及子午线,又用作
光导纤维的补强材料。凯 芙
拉-49还可作为涂层织物,以它
作为建筑物或运动场看台的顶
棚,比同强度的玻璃纤维织物
质量减轻 20%,比同强度聚酯
织物减轻质量 40% ~44%,如
蒙特利尔奥林匹克运动场用凯
芙拉-49增强塑料作看台顶棚
(5600m2覆盖层)。它很轻,能
耐强风和雪载荷
(二)诺曼克斯纤维 (Nomex纤维)
1.结构式
C
O
C
O
NH
NH
n
2.结构形态
纤维的横断面为犬骨状。
3.性能
与凯芙拉纤维比较,诺曼克斯纤维具有耐热性高,阻燃性好,发烟性低等特点,并
可在 260°C高温下使用。在 400°C分解成碳化物。它能耐有机溶剂和酸类试剂,电气绝
缘性好和耐辐射。诺曼克斯纤维的尺寸稳定性为:260°C干燥空气暴露 2~3s,约收缩
1%;再暴露 10s以内,收缩 0.7%;再长时间暴露,纤维长度不变化。诺曼克斯的吸湿
性高,为 4% ~5%。
4.应用
诺曼克斯 (Nomex)纤维特点是耐热寿命高,耐磨、耐曲折、耐各种化学试剂,所
以可作易燃、易爆、高温、化工等环境的工作服、消防服、防护手套等,又可作工业中
各种衬垫材料、滤材、高温输送带、电气绝缘材料等。
在隔热材料方面,可制成蜂窝状作夹心结构,外面覆盖其他复合材料的蒙皮。
(三)HM-50芳酰胺纤维
1.结构式
[
]
HN
O
NHOC
CO
m
[
 
]
HN
NHOC
CO
n
2.结构形态
纤维断面为圆形。
3.性能
HM-50纤维的性能见表 3-41。
HM-50纤维的密度小,约是钢的 1/5,玻璃纤维的 1/2,碳纤维的 2/3,接近于一般
塑料的密度。其拉伸强度接近于碳纤维,而且比强度高,它的比强度约是钢丝的 7倍,
玻璃纤维的 2倍。
表 3-41 HM-50芳酰胺纤维性能
性 能
数值
性 能
强度保持率(%)
密度/(g/cm3)
拉伸强度/GPa
拉伸弹性模量/GPa
伸长率(%)
最大氧指数
热分解温度/°C
1.39
3.1
75
4.2
25
>500
耐热性(200°C,1000h)
耐湿热性(140°C,100h)
耐碱性(10%NaOH,95°C,100h)
耐酸性(40%H2SO4,95°C,100h)
75
95
84
89
4.应用
HM-50相似于凯芙拉,可用作轮胎中的帘子线和传送带、V带、高压软管、耐热软
管。比玻璃纤维增强或钢丝增强的纤维质轻,耐久,耐冲击。用于汽车的变速带,可节
约燃料。由于弯曲疲劳及耐磨性好,可制绳索及缆绳。
利用 HM-50纤维的卓越性能,可在直升飞机和装甲车辆中代替重金属;利用其耐
切割性可制作安全手套、作业服和安全靴等;利用其耐燃性可制作防火消防服。
HM-50纤维可代替石棉用作增强材料、耐热滤材或增强水泥等。
(四)HM-50纤维
1.性能
HM-50纤维增强乙烯酯树脂挤拉成型的棒材,具有密度小、比玻璃钢的拉伸强度高
等特性,见表 3-42。HM-50纤维增强热塑性树脂时,通常用短纤维,纤维含量为 20%,
见表 3-42。HM-50纤维的耐冲击性高,这是因为在混炼时,能保持原长 3mm,并可均
匀地分散在树脂基体中之故。而碳纤维及玻璃纤维则断裂成 0.2~0.3mm的纤维,使冲
击强度降低。
表 3-42 HM-50纤维和其他纤维增强乙烯酯树脂棒材的性能
纤维
直径/mm
相对密度
拉伸强度/GPa
拉伸弹性模量/GPa
玻璃纤维
5.60
2.03
1.14
36
HM-50
5.51
1.28
1.52
41
碳纤维
5.61
1.52
1.83
92.6
2.应用
用于飞机的内部材料、舱门等,可减重 30%,也可用于防弹板及压力容器。此外,
在运动器材方面可作游艇的船体、高尔夫球棒、钩鱼竿等。
(五)比纤维 (B纤维)
1.结构式
NH
C
O
n
2.性能
B纤维质量轻、强度高 (其拉伸弹性模量是玻璃纤维的 2.5倍)、熔点高 (约
500°C)、耐高温性能优良,主要缺点是冲击性能差。随工艺方法不同,纤维的性能也
不同,见表 3-43。
表 3-43 B纤维的性能
性 能
纺丝工艺
密度
/(g/cm3)
线密度
/(×10-6kg/m)
拉伸强度
/GPa
拉伸弹性模量
/GPa
伸长率
(%)
(美国)
杜邦法
六甲基磷酰胺为溶剂的
缩聚—干法纺丝(两步法)
1.45
0.19
0.98
76.6
1.2
四 甲 基 脲 为 溶 剂 的 缩
聚—湿纺法(一步法)
1.45
0.32
1.137
1.4
四 甲 基 脲 为 溶 剂 的 缩
聚—干纺法(一步法)
1.45
0.31
1.367
89
1.7
高特性粘度聚合物—湿
纺法
1.45
1.815
102.5
2.4
(前苏联)
ВНИИВ法
1.5粘度聚合物纺丝
1.45
1.6~1.8
75
3
3.5粘度聚合物纺丝
1.45
1.7~2.2
3
(中国)上海
合成树脂所
芳纶 14
1.45
3.0
160
2
注:B纤维耐热性高,可在 280°C左右长期使用。
3.应用
用芳纶 14/环氧酚醛可复合成防弹板,它与诺曼克斯纤维混织能制成高强度耐高温
的防护服,也可制成张力构件如固定电缆、光缆的托架等,以及运动器材如网球拍、滑
雪板、钓鱼竿等。
(六)X-500纤维
1.结构式
NH
C
O
NHNH■C
O
C
O
n
2.性能
X-500纤维共有三种型号,即 E型、T型和 G型。E型纤维拉伸强度和拉伸弹性模
量低,但伸长率较高,T型纤维拉伸强度及拉伸弹性模量稍高,G型纤维则具有高拉伸
强度和高拉伸弹性模量,而伸长率低,见表 3-44。
表 3-44 X-500纤维的力学性能
纤 维 种 类
拉伸强度/GPa
拉伸弹性模量/GPa
伸长率(%)
X-500(E)
0.621~0.689
11.0~19.3
22~40
X-500(T)
1.034~1.172
31.7~37.9
15~20
X-500(G)
1.931~2.137
82.7~103
3~4
G型纤维的相对密度为 1.47,线密度为 0.44~0.88×10-6 kg/m。其拉伸强度是钢
丝的 4倍,拉伸弹性模量是玻璃纤维的 2倍多。它的热分解温度为 525°C,在 400°C下
加热 5min,纤维收缩率 <0.2%,在 50°C水中浸泡 6个月后,纤维强度保持率为 92%。
X-500纤维具有较高的耐磨性,并与树脂母体结合力良好,对高频电磁场的透过性
好。
3.应用
X-500E型纤维由于伸长率大,故可用于某些抗冲击装置中,如安全带及弹道保护
装置等。
X-500T型纤维可用作普通强力的帘子线。
X-500G型纤维可用作塑料的增强材料及高级轮胎帘子线。
六、超拉伸聚乙烯纤维
超拉伸聚乙烯 (PE)纤维是采用超倍拉伸技术制备而成的,故而取名超拉伸纤维。
又因为制备这种纤维的原料多选用超高相对分子质量聚乙烯 (UHMNPE),又称为 UH
MWPE纤维,或高性能纤维等。
超拉伸聚乙烯纤维 (高模量聚乙烯纤维)的国际市场几乎由美国、日本、荷兰三
国所占领。美国的 AilledSignal公司、荷兰 DSM和日本三井公司等都已大规模生产,并
取得了丰厚的利润。
UHMWPE纤维具有超高强度和超高模量,而且其密度是高性能纤维中最低的,使
其具有极高的比强度和比模量,因而,具有优异的力学性能。
(一)主要品种与性能
1.新型 Dyneema纤维
新型 Dyneema纤维的性能见表 3-45。
表 3-45 新型 Dyneema纤维的性能
性 能
SK60
SK65
SK75
SK76
SK77
密度/(g/cm3)
0.97
0.97
0.97
0.97
0.97
纤维强度/(N/tex)
2.8
3.1
3.5
3.7
4.0
拉伸强度/GPa
2.7
3.0
3.4
3.5
4.0
弹性模量/GPa
89
95
107
116
断裂伸长率(%)
3.5
3.6
3.8
3.8
3.7
2.“孚泰”牌高拉伸聚乙烯纤维
北京同益中特种纤维技术开发有限公司批量生产的 “孚泰”牌超高相对分子质量
聚乙烯纤维,运用特殊的纺丝方法生产,具有超高强度、超高模量、耐磨损、耐腐蚀、
抗老化、抗冲击和耐低温等特性,其主要性能指标见表 3-46。
表 3-46 “孚泰”牌 UHMWPE纤维品种规格及主要性能指标
序 号
品 种
规 格
比拉伸强度
/(cN/dtex)
比拉伸模量
/(cN/dtex)
断裂伸长率
(%)
1
FT-032
500~1000D/60F
20
700
≤5
2
FT-033
500~1000D/120F
20
700
≤5
3
FT-042
500~1000D/60F
22
800
≤4
4
FT-043
500~1000D/120F
22
800
≤4
5
FT-052
500~1000D/60F
25
900
≤4
6
FT-053
500~1000D/120F
25
900
≤4
7
FT-132
500~1000D/60F
22
900
≤4
8
FT-133
500~1000D/120F
22
900
≤4
9
FT-142
500~1000D/60F
25
1000
≤3
10
FT-143
500~1000D/120F
25
1000
≤3
11
FT-152
500~1000D/60F
28
1100
≤3
12
FT-153
500~1000D/120F
28
1100
≤3
3.“中太”牌高拉伸 PE纤维
“中太”牌高拉伸聚乙烯纤维强度是优质钢的几倍,模量仅次于特种碳纤维,密度
低、断裂伸长率极高、能量吸收能力极强,且具有优越的抗冲击性能和抗切割韧性,见
表 3-47。
表 3-47 “中太”牌高拉伸 PE纤维基本特性与其他纤维的对比
品 种
密度/(g/cm3)
拉伸强度/(N/tex) 拉伸弹性模量/(N/tex) 伸长率(%)
中太超高强 PE-Ⅰ
0.97
1.80
53
≤5
中太超高强 PE-Ⅱ
0.97
2.20
53
≤5
中太超高强 PE-Ⅲ
0.97
2.60
70
≤3.6
中太超高强 PE-Ⅳ
0.97
2.80
90
≤3.4
芳族聚酰胺纤维(常规)
1.44
2.05
41
3.6
芳族聚酰胺纤维(复合)
1.45
2.05
83
1.9
(二)应用
超拉伸聚乙烯纤维的应用主要有四个领域,即绳、缆、索、网、线等领域,织物领
域,无纺织物领域和增强塑料领域等,见表 3-48。
表 3-48 超拉伸聚乙烯纤维的应用领域
制品种类
织 物
针 织 物
无 纺 织 物
绳 索
增 强 塑 料
防护制品
防护手套、防切割
电机罩
海上用品 船帆
离港缆、系泊缆、拖网 船体
运输工具 吊带、气球
升降缆、拖缆
轻量盔甲、舰船
防弹制品 掩体、防护制品
防弹背心(UD66)
头盔、插板件、装甲盔甲
防爆背心(插板件)
体育用品 船帆
击剑服、滑冰服
快艇绳、钓鱼线
滑雪橇、曲棍球棍、钓鱼竿
七、无机纤维
(一)硼纤维
1.结构形态
硼纤维是微晶结构,随沉积条件不同,其晶形不同。在 1300°C以上化学气相沉积
生成的结晶状态是 β-菱形结晶;温度低于 1300°C时为 α-菱形结晶,在一定条件下也发
现有四方结晶,所有的多晶体结晶都以 12个原子硼形成的二十面体作为结构单元,而
不是单原子直接构成。
硼纤维的表面呈瘤或 “玉米穗”状结构,玉米穗颗粒是硼沿着钨芯丝表面的沟槽
沉积,随着逐渐生长直到顶部。
2.性能
硼纤维的芯丝不同、纤维直径不同,其密度和力学性能也是不同的。
(1)力学性能
B-W纤维和 B-C纤维的直径和密度关系见表 3-49。
表 3-49 硼纤维的直径和密度的关系
纤维
直径/μm
纤维密度/(g/cm3)
支数/(×106cm/kg)
硼-钨(B-W)
100
140
200
2.59
2.46
2.40
4.76
2.55
1.29
硼-碳(B-C)
100
107
140
2.22
2.23
2.27
5.55
5.01
2.70
硼纤维的力学性能见表 3-50。
表 3-50 硼纤维的力学性能
性 能
B-W纤维
B-C① 纤维
B4C-硼纤维②
SiC-硼纤维
直径/μm
100
140
100
140
102~203
密度/(g/cm3)
2.59
2.46
2.27
2.71
拉伸强度/GPa
3.445
3.583
3.450
>6.890
3.100
拉伸弹性模量/GPa
400
400
358
400
① B-C纤维的模量低于 B-W纤维的 10%,是由于碳纤维拉伸弹性模量低,且占纤维体积的 10%。
② 硼纤维为 B-W结构。
国内硼纤维的力学性能见表 3-51。
表 3-51 国产硼纤维的力学性能
性 能
B4C涂层的 B-W纤维
直径/μm
100
140
密度/(g/cm3)
2.51
2.44
拉伸强度/GPa
3.1~3.5
拉伸弹性模量/GPa
340~400
注:本表为航空工业部 621所数据。
(2)热性能
硼纤维在 40°C以下,性能下降缓慢。其热性能及不同温度下的性能变化见表 3-52。
表 3-52 硼纤维的热性能
热环境条件
数值及热变化情况
比热容/[kJ/(kg·K)]
1.3
热导率/[W/(m·K)]
38
线胀系数/(×10-6K-1)
5.0
在空气中低于 200°C,1000h
降至室温,强度基本没有变化
在氩气中 315°C,1000h
降至室温,强度损失将近 30%
在空气中 315°C,1000h
降至室温,强度损失将近 70%
在空气中 500°C,1h
降至室温,强度不变
在氩气中 900°C,1h
降至室温,强度不变
(3)动态疲劳性能
用拉伸-零载的拉伸循环,每分钟 150次的频率,所用的载荷约相当于平均拉伸强
度的一半,可以超过 100万次。
(4)化学性能
在室温下,硼是比较惰性的材料,在高温下硼容易和大多数金属起反应,如铁、
钴、镍、铝、镁等。
硼纤维的表面具有活性,对极性化合物有亲和力,并且对含氮化合物的亲和力大于
类似的含氧化合物。
3.用途
主要用作复合材料中的增强材料。
(二)碳化硅纤维
1.结构形态
碳化硅纤维是 β形式的多晶结构,其表面结构非常光滑,尼卡龙纤维断面形状为
圆形。
2.性能
SiC纤维的弹性模量比钢 (207GPa)和铝 (69GPa)高。用气相沉积法制得的 SiC
纤维,直径不同,所得密度也不同,见表 3-53,不同芯丝材料的力学性能见表 3-54,直
接纺丝法制得尼卡龙 (SiC)纤维的性能见表 3-55。
表 3-53 SiC纤维密度与直径的关系
纤 维
直径/μm
密度/(g/cm3)
支数/(×106cm/kg)
SiC-C纤维
100
140
200
2.98
3.08
3.13
4.14
2.05
9.86
表 3-54 SiC纤维不同芯丝材料的力学性能
性 能
SiC-C
SiC-W
纤维直径(芯丝直径)/μm
140(33)
100(12.5)
拉伸强度/GPa
3.445
>2.1
拉伸弹性模量/GPa
427
>420
密度/(g/cm3)
3.08
3.5
制备方法
气相沉积法
表 3-55 直接纺丝法尼卡龙纤维的性能
性 能
尼卡龙(国防科大)
尼卡龙(日本)
直径/μm
13~15
10~15
拉伸强度/GPa
2.00~2.45
2.50~3.00
拉伸弹性模量/GPa
176~196
180~200
伸长率(%)
1.5~2.0
密度/(g/cm3)
2.55
2.55
最高使用温度/°C
1250
线胀系数(径向)/K-1
3.1×10-6
体积电阻率/(Ω·cm)
(1~50)×103
尼卡龙有三种不同结构,即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ,其性能见表 3-56。
表 3-56 尼卡龙三种结构的性能
性 能
直径/μm
10
7
10
拉伸强度/GPa
3.0
3.5
2.0
拉伸弹性模量/GPa
200
200
150
注:本表数据来自国防科技大学。
碳化硅纤维的耐热性高,可在氧化性气氛的环境中使用;耐化学药品性卓越,和金
属反应性小,金属对其有良好的润湿性,两者相容性好;在电性能方面,具有半导电
性,可以控制一定的导电性。
3.用途
碳化硅纤维可作为增强材料,能增强金属、陶瓷、树脂、玻璃等材料。
(三)碳化硅纤维增强复合材料
1.性能
SiC纤维的耐热性好,制成的复合材料具有一定耐热性。其层压板力学性能见表 3-
57,尼卡龙纤维增强环氧复合材料性能见表 3-58,SiC纤维不同含量 (体积分数)的性
能见表 3-59。
表 3-57 SiC纤维制成的环氧层压板的力学性能
性 能
层 压 板
室 温
177°C
纤维直径/μm
140
140
树脂含量(质量分数)(%)
26
26
密度/(g/cm3)
2.21
2.21
弯曲强度/GPa
2.274
1.486
90°
0.126
0.0779
弯曲弹性模量/GPa
211
176
90°
21.4
8.3
剪切强度/MPa
119
62.7
90°
75.8
拉伸弹性模量/GPa
90°
21.4
拉伸应变(%)
90°
0.48
表 3-58 尼卡龙纤维增强环氧单向复合材料的性能
性 能
数 值
性 能
数 值
纤维含量(体积分数)(%)
60
密度/(g/cm3)
2.0
拉伸强度/GPa
1.5
拉伸弹性模量/GPa
130
弯曲强度/GPa
2
弯曲弹性模量/GPa
120
压缩强度/GPa
1.8
层间剪切强度/MPa
120
简支梁冲击强度/(kJ/m2)
260
线胀系数/K-1
2.6×10-6
90°
20×10-6
表 3-59 SiC纤维/环氧不同纤维含量的性能
性 能
纤维含量(体积分数)(%)
78
70
62
55
密度/(g/cm3)
2.99
2.59
拉伸强度/GPa
1.05
0.72
拉伸弹性模量/GPa
365
295
229
弯曲强度/MPa
190
200
183
弯曲弹性模量/GPa
261
249
235
SiC纤维增强聚酰亚胺单向复合材料的性能见表 3-60。
表 3-60 SiC纤维增强聚酰亚胺单向复合材料的性能
性 能
数 值
性 能
数 值
纤维含量(体积分数)(%)
40
弯曲弹性模量/GPa
111
拉伸强度/MPa
425
压缩强度/MPa
297
弯曲强度/MPa
648
2.用途
1)SiC复合材料用作耐热材料,如各种火箭发动机燃烧室壳体、喷管的嘴、芯等。
2)与碳纤维混合使用,补偿碳纤维的不足,可用于飞机的门、发动机部件、扇叶
和舰艇的齿轮箱等。
3)碳化硅纤维增强陶瓷复合材料,可制造导弹头部、火箭喷管等的耐热部件。
(四)氧化铝纤维和陶瓷纤维
1.结构
氧化铝纤维的组成是 100% (质量分数)α-Al
2O3。氧化铝及陶瓷纤维的横截面都
是圆形的、透明的。
2.性能
氧化铝纤维主要特点是耐热性好、电绝缘性好、表面活性好,可以与树脂或金属进
行复合等。用不同方法制得的氧化铝纤维,其性能见表 3-61。
表 3-61 各种方法制得的氧化铝纤维的性能比较
制 法
密度
/(g/cm3)
纤维直径
/μm
拉伸强度
/MPa
拉伸弹性模量
/GPa
熔点/°C
最高使用温度
/°C
TYCO法
3.99
250
2400
460
2040
2000①
杜邦法
3.95
15~25
1379~2068
380
2045
1100②
3M法
2.50
11
1720
150
2040
1300
卜内门法
3.40
3
1034
100
2040
1600③
住友化学法
3.20
9
2600
250
2040
1300
① 1200°C时,只有室温强度的 1/3。
② 在 1000°C空气中,强度保持率 92%。
③ 是隔热材料使用的最高温度。
3M陶瓷纤维是柔软、圆形、透明的金属氧化物纤维。它能耐化学试剂并具有卓越
的压缩强度,三种陶瓷纤维的性能见表 3-62。
卜内门公司的赛非尔陶瓷纤维是均匀、无杂质、柔软、有弹性的纤维,具有高折射
率及化学惰性。它是微晶的、具有丝状手感的材料,共有两种级别,即标准级 (S)和
高温级 (HT),其性能见表 3-63。
表 3-62 3M 陶瓷纤维的性能
项 目
AB-312
AC-02
ZS-11
组分
氧化铝-氧化 硼-氧
化硅
氧化铝-氧化 铬-氧
化硅
氧化锆-氧化硅
纤维形式
连续纱、粗纱、短切纤
维、松散纤维、织物、编
织品预浸渍材料
连续纱、粗纱、松散
纤维、编织品
连续纱、粗纱、短切纤
维、松散纤维、织物
外观
光滑、圆形、透明
光滑、圆形、透明
光滑、圆形
平均线密度/(×10-6kg/m)(390
根单丝)
95.6
88.3
228.9
颜色
白色
浅绿
白色
密度/(g/cm3)
2.50
2.80
3.70
平均直径/μm
11
10
14
拉伸强度/GPa
1.72
1.38
1.03
拉伸弹性模量/GPa
152
159
96.5
伸长率(%)
1.2
1.2
1.1
比拉伸强度/(×106cm)
6.85
比拉伸弹性模量/(×106cm)
6.15
长期使用温度/°C
1300
1400
1000
短期使用温度/°C
1600
1600
热导率/[W/(m·K)]
500°C
800°C
0.36
0.89
0.375
0.84
1500°C16h后拉伸强度/MPa
550
1500°C16h后失重(%)
0.6
用途
热绝缘、增强塑料、
热屏蔽、连续高温传
送带
导线和电缆绝缘、
热绝缘、增强塑料
热绝缘、增强陶瓷和水
泥、高温滤布、烧蚀材料
表 3-63 赛非尔陶瓷纤维的性能
性 能
赛非尔氧化
锆纤维
赛非尔氧化
铝纤维
性 能
赛非尔氧化
锆纤维
赛非尔氧化
铝纤维
纤维密度/(g/cm3)
5.6
2.8
熔点/°C
>2500
2000
最高使用温度/°C
HT级
S级
1600
1400
1400
1000
比热容/[J/(kg·K)]
586.2
1046.7
拉伸弹性模量/GPa
100
莫氏硬度
6
平均直径/μm
3
3.用途
氧化铝纤维的电波穿透性优越,可作成与雷达等电波有关的结构件;由于该纤维高
温性能稳定,用于制作热绝缘护罩、连续高温运输带、高温过滤器等;也可作为树脂、
金属的增强材料。
(五)高硅氧纤维和石英纤维
1.结构组成
高硅氧纤维是含 SiO2 (质量分数)95%以上的高纯度玻璃纤维。石英纤维是天然
石英结晶,含 SiO2 (质量分数)99.95%。
2.性能
高硅氧纤维和石英纤维在本质上是很相似的,所以它们有很多性能也是相似的。
(1)物理力学性能 高硅氧纤维和石英纤维都具有高的比强度,石英纤维的拉伸
强度约是高硅氧纤维的 5倍。它们的性能见表 3-64。
表 3-64 高硅氧纤维和石英纤维的性能
性 能
高硅氧纤维
石英纤维
性 能
高硅氧纤维
石英纤维
纤维直径/μm
纱和织物
10
1.27~10
10
1.27~15
拉伸强度/MPa
室温
200°C
179
896
683
相对密度
(莫氏)硬度
拉伸弹性模量/GPa
1.74
2.2
5~6
68
高硅氧纱和石英纱是完全弹性的,它们的破坏伸长率约是 1%。关于高硅氧和石英
的纱类及织物类的性能见表 3-65和表 3-66。
表 3-65 高硅氧纱和石英砂的物理力学性能
性 能
高 硅 氧 纱
石 英 纱
型号
100#
300-2/2#
300-2/4#
300-4/4#
标称直径/mm
0.51
0.13
0.25
0.36
支数/(m/kg)
6150
15100
7560
3780
最小破坏强度/N
11.1
13.3
22.2
48.9
线形收缩率(%)
12
1
1
1
表 3-66 高硅氧织物和石英织物的物理力学性能
性 能
高硅氧织物
石 英 织 物
型号
82#(轻型)
84#(重型)
581#(轻型)
570#(重型)
织物质量/(kg/m2)
0.35
0.63
0.28
0.66
厚度/mm
0.33
0.66
0.28
0.69
线数/cm
径向
纬向
20
16
22
21
15
9
断裂力/N
经向
纬向
133
111
311
200
823
756
2135
1779
织纹
8H缎纹
8H缎纹
8H缎纹
8H缎纹
最大面积收缩率(%)
5
5
1
1
湿含量(%)
5
5
1
1
pH
4.0~7.0
4.0~7.0
6.0~8.0
6.0~8.0
二氧化硅含量(%)
98.0~99.2
98.0~99.2
99.9+
99.9+
(2)热性能 高硅氧纤维和石英纤维的热性能基本相似,其主要区别是:石英纤
维的熔体粘度比高硅氧纤维高,其原因是石英中含有更多的二氧化硅。高硅氧和石英在
1650°C以下不会熔融或蒸发。温度连续超过 982°C,这两种形式的二氧化硅开始转化成
方晶石的晶体形式,这种转化使材料变硬,但不会引起物理形状或绝缘性能的变化。
高硅氧的抗热冲击性能极好,其制品能加热至 1090°C在水中急冷无任何明显的变
化。
(3)化学性能
高硅氧纤维和石英纤维,除氢氟酸及热磷酸外,它们不受液态或气态卤素或一般酸
类的影响。高硅氧制品不适用于热碱或冷碱中,在某些应用中,可用于弱碱溶液。高硅
氧纤维不溶于有机溶剂中。
3.用途
可与树脂复合制成复合材料,用于制品中耐温的部位。
八、晶须
1.钛酸钾晶须
性质 白色针状单晶纤维。相对密度 3.3,熔点 1300~1350°C,晶须直径 0.2~
1.0μm,晶须长度 20~80μm,热膨胀系数 6.8×10-6 °C-1 ,莫氏硬度 4,拉伸强度
70MPa,弹性模量 280GPa。具有优良的力学性能、耐热和隔热性、电绝缘性、红外波反
射性及耐摩擦性。
用法及其特点 本品用作工程塑料增强剂,可提高塑料的耐热性、强度及尺寸稳定
性,也可替代石棉制作汽车制动、离合器等摩擦材料,还用作绝热及导电材料。
2.氧化锌晶须
性质 一种具有三维空间结构的立体四针状单晶,呈白色纤维状疏松粉末。相对密
度 5.7~5.8,表观密度 0.01~0.5g/cm3 ,针状体晶须直径 0.1~10μm,长度 10~
300μm,长径比 (10~30)∶1,电阻率 7.14Ω·cm,拉伸强度 12GPa,弹性模量 35GPa,
热膨胀系数 4×10-6 °C-1 。具有优良的力学性能、抗静电性、紫外线吸收性、吸声性、
电磁波防护功能及广谱抗菌防藻性能等。
用法及其特点 本品用作增强材料。用于环氧树脂粘合剂,与环氧树脂的相容性及
分散性好,具有增强、增韧、抗老化及抗静电等作用。本品与银离子复合时,可制得具
有优异抗菌性能的无机抗菌剂,用于制备抗菌塑料及抗菌纤维。
3.硫酸钙晶须
性质 晶须是在特殊条件下以单晶形式生长而成的纤维,原子排列结构高度有序,
具有亚微米和纳米级的尺寸。硫酸钙晶须是指半水硫酸钙和无水硫酸钙纤维状单晶体。
相对密度 2.96,熔点 1450°C,晶须直径 1~4μm,晶须长度 100~200μm,平均长径比
80,耐热温度 1000°C。具有强度高、韧性好、耐高温、耐腐蚀及电绝缘性好等特点。
易进行表面处理,与合成树脂及橡胶的相容性好。
用法及其特点 本品用作塑料、橡胶等中等强度的增强剂,使用时须经硅烷表面处
理,用于聚丙烯增强可提高抗拉和弯曲强度、弹性模量及热变形温度。本品用于环氧树
脂,可提高粘合剂的耐高温及耐磨性能。本品也可替代石棉制作摩擦材料及建材。
4.硼酸铝晶须
性质 一种极细的单结晶,常以三种形态的化合物存在,即 9Al
2O3·2B2O3、
2Al
2O3·B2O3、Al
2O3·B2O3。工业品晶须为 9Al
2O3·2B2O3,Al
2O3 含量 86.8%。外观
为白色针状,相对密度 2.93,熔点 1440°C,晶须直径 0.5~1.0μm,晶须长度 10~
30μm,比表面积 2.0~2.5m2/g,拉伸强度 7840MPa,弹性模量 320GPa,莫氏硬度 7,
耐热温度 1200°C。具有优良的强度、弹性模量、耐热性、耐化学药品性、电绝缘性、
中子吸收性。无毒。
用法及其特点 本品用作增强及热绝缘材料。用于工程塑料、环氧树脂粘合剂、涂
料等制品,可提高强度及弹性模量;用于镁、铝合金复合化可提高强度及耐磨性。本品
也用于制造陶瓷及耐火材料等制品。
5.碱式硫酸镁晶须
性质 白色粉状物。相对密度约 2.3,松堆密度 0.2~0.3g/cm3 ,晶须长度 0.5~
15μm,比表面积 <15m2/g。易溶解成液体,与有机溶剂的亲和性好。使用温度低于
250°C。分子结构中存在结晶水,故具有优良的阻燃性。表面平滑,与树脂易复合。
用法及其特点 本品可替代石棉用作塑料的增强材料,与树脂的相容性好。可单独
使用或与滑石粉并用,用作聚丙烯树脂的填充剂,也可用作粘合剂及涂料等的增黏材
料。
6.碳酸钙晶须
性质 白色粉末,粒子呈针状或纤维状。碳酸钙含量 >98%。相对密度 2.8~2.9,
晶须直径 0.1~4.0μm,晶须长度 20~30μm,比表面积 7m2/g,吸油值 5mL/g,pH值 9
~9.5。几乎不溶于水及醇,溶于稀酸溶液,放出二氧化碳。在空气中稳定。高于820°C
分解生成氧化钙和二氧化碳。
用法及其特点 本品用作聚合物增强材料。用于聚烯烃增强塑料,可提高抗冲击强
度和抗弯强度,使制品表面有优异的平滑性,适用于制造汽车及家用电器的零部件,也

用作粘合剂的增强、增韧剂。


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