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复合材料中常用的纤维类型

复合材料中常用的纤维类型

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  • 作者:瑞奇办公室
  • 来源:瑞奇
  • 发布时间:2022-07-22
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【概要描述】在过去的半个多世纪里,纤维增强复合材料由于优异特性而获得了广泛应用,在复合材料中增强纤维的重要作用不言而喻。自复合材料出现以来,增强纤维经历了从天然纤维到合成纤维转变。

复合材料中常用的纤维类型

【概要描述】在过去的半个多世纪里,纤维增强复合材料由于优异特性而获得了广泛应用,在复合材料中增强纤维的重要作用不言而喻。自复合材料出现以来,增强纤维经历了从天然纤维到合成纤维转变。

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在过去的半个多世纪里,纤维增强复合材料由于优异特性而获得了广泛应用,在复合材料中增强纤维的重要作用不言而喻。自复合材料出现以来,增强纤维经历了从天然纤维到合成纤维转变。

目前最常见的增强纤维包括玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维等,本系列文章将会详细介绍复合材料用增强纤维类型、特性以及应用方式。本文将首先简要介绍常见的增强纤维类型。

在复合材料中,树脂基体主要作用是将纤维粘合在一起,并将外部载荷从一根纤维转移到下一根纤维。大多数增强纤维都是弯曲和松软的,如果对其施加拉力,它们会有足够的抗拉强度和刚度。

增强纤维通常为束丝,单根纤维往往很细,如玻璃纤维和碳纤维的典型直径范围为5至25微米。作为对比,人的头发直径通常在50到200微米之间。从单根纤维(filament)可以衍生出所有的纤维增强“结构”,包括丝束(tow)、纱线(yarn)、短切纤维(chopped fiber )、研磨纤维(milled fiber)等。

目前常见的增强纤维包括:玻璃纤维

一、玻璃纤维

玻璃纤维有很多不同的品种,但对于复合材料来说,有两种最常见。E-玻璃纤维是几乎所有玻璃纤维增强产品的标准类型,而S-玻璃纤维(也称为R-玻璃纤维或T-玻璃纤维)具有显著更好的拉伸强度。

S-玻璃纤维通常比E-玻璃纤维小,在树脂基体中具有更好的附着力,而且冲击性能得到提升。不过,它的成本要高得多。S-2玻璃纤维是一种更高强度的商用S-玻璃纤维,其拉伸强度是典型E-玻璃纤维的两倍,刚度也高出约10-20%。但是对于几乎所有的应用,E-玻璃纤维是足够的。

玻璃纤维是通过将熔融(1700℃)的矿物产品(二氧化硅、铝和氧化钙等)通过小直径孔挤出而成的。通常情况下,E-玻璃纤维的直径约为10-25微米,比碳纤维大。

二、碳纤维

碳纤维种类繁多,机械性能和成本也各不相同。碳纤维不是直接从熔融材料中挤出成型,而是通过对前驱体纤维热处理制成,热处理包括空气氛围中预氧化和惰性气氛中的碳化。在张力作用下,纤维内部碳结构对齐,有助于最大限度地提高抗拉强度和刚度。

用于碳纤维最为常见的前体是聚丙烯腈(PAN)纤维,目前最常见的标准和中等模量碳纤维均是基于PAN前驱体生产;而沥青前驱体制备的碳纤维模量往往较高。根据前驱体的特性、纤维直径以及热处理(氧化、碳化、石墨化)过程的细节,最终碳纤维的机械性能范围非常广泛。

通常单根碳纤维直径要比玻璃纤维小,只有5微米。目前碳纤维最为常见分类是按照纤维力学性能尤其是纤维模量来划分,主要分为标准模量(Standard modulus )、中模(Intermediate modulus,IM)、高模(High modulus, HM)和超高模量(Ultra-high modulus)碳纤维。

三、其他常用增强纤维

Kevlar芳纶纤维:杜邦公司开发的一种合成芳纶纤维。其他商用芳纶纤维包括Twaron、Technora和Nomex。作为一种复合材料用增强纤维,芳纶主要用于具有高抗拉强度和抗穿刺、耐磨损和抗破碎性能的场合。芳纶纤维通常很难粘合,切割和处理也很困难,通常与碳纤维或玻璃纤维结合使用。

 

玄武岩纤维:使用类似于玻璃纤维的熔融和挤压工艺制成的。它的抗拉强度和模量略高于E-玻璃纤维,但不及碳纤维。密度与E-玻璃纤维相似。价格介于E-玻璃纤维和碳纤维之间。复合材料级玄武岩的供应有限,它通常是棕色的。

超高分子量聚乙烯:Dyneema和Spectra都是由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)或高模量聚乙烯”(HMPE)挤出长丝制成的纤维。UHMWPE用于拖船缆索、弓弦、钓鱼线和车辆装甲,坚固耐用。这些纤维可用于复合材料应用,通常与碳纤维混合。Dyneema/碳纤维混杂增强材料可以提高层合板的韧性,改善碳纤维的能量吸收和抗冲击性能。Spectra织物可以局部使用以增加耐磨性。

高分子量聚丙烯:Innegra是由Innegra Technologies采用高分子量聚丙烯(HMPP)制成的纤维。Innegra虽然没有Kevlar或Dyneema那么坚固,但它很坚韧,能够以较低的成本抵抗冲击和断裂。通常Innegra用作混合增强材料的组成部分,与碳纤维或玻璃纤维混合,以增加层压板的韧性。

植物纤维:虽然玻璃纤维和碳纤维是最常见的增强纤维,但最古老的结构增强纤维是木材和植物纤维。在过去的十年里,人们对层压植物纤维的兴趣重新兴起,尤其是亚麻和黄麻,它们提供了有用的机械性能,并提供了与标准纤维类型相似的加工。植物纤维面临的一个挑战是机械性能范围比传统工程材料大得多,它们也没有普通E-玻璃纤维那么坚固。吸湿是所有生物基复合材料增强材料的一个问题,这可能会给许多复合材料工艺带来麻烦。

陶瓷纤维:陶瓷基复合材料(CMC)的机械性能接近碳纤维复合材料,但具有极高的耐高温性。它们通常由氧化物和非氧化物纤维分解,具体取决于它们的化学组成。在非氧化物方面,硼是最著名的陶瓷增强材料之一,具有难以置信的抗压强度。碳化硅(SiC)纤维具有很高的强度和刚度,而且非常坚硬。氧化物基纤维具有较高的抗氧化性,但机械性能较低。

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(免责声明:本文前半部分来源于:碳纤维及其复合材料技术,作者 钱鑫。

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