复材用的纤维-1
本文摘要（由ai生成）：
这篇文档主要介绍了复合材料中常用的纤维，包括玻璃纤维、高性能纤维和混合纤维等。玻璃纤维是最常用的增强材料之一，具有良好的强度和刚度以及较低的价格。高性能纤维包括碳纤维、芳纶纤维、硼纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维和 PBO 纤维等，具有更高的强度和刚度，但价格相对较高。混合纤维则是将不同类型的纤维混合在一起使用，以达到更好的性能和成本效益。
复材用的纤维
复合材料的结构性能主要来源于纤维增强。在复合 材料中，由基体树脂固定在适当位置的纤维有助于增强 拉伸强度， 增强最终部件的性能，如强度和刚度， 同时 最大限度地减轻重量。纤维性能由纤维制造工艺以及工 艺中使用的成分和涂层化学物质决定。
玻璃纤维
复合材料工业中使用的大多数纤维都是玻璃纤维。 玻璃纤维是最古老的，也是迄今为止在大多数终端市场 应用中最常见的增强材料（航空航天行业是一个重要的 例外），用于取代较重的金属零件。玻璃纤维比第二种最 常见的增强材料碳纤维重， 没有那么硬， 但更耐冲击， 断裂伸长率更大（也就是说， 它在断裂前伸长到更大的 程度）。根据玻璃纤维类型、细丝直径、涂层化学成分 （称为“上浆”）和纤维形式，可以实现广泛的性能和性 能水平。
为了制造玻璃纤维，原材料被熔化并拉成直径从 3.5微米到 24 微米的细长且高度研磨的细丝。硅砂是主要 原料，通常占玻璃纤维重量的 50%以上。金属氧化物和 其他成分可以添加到二氧化硅中，并且可以改变加工方 法以定制用于特定应用的纤维。
连续玻璃纤维以束状供应，称为粗纱。粗纱通常是 指一捆未捻合的纱线， 像线一样包装在一个大线轴上。 单端粗纱由多根连续玻璃丝组成的股线组成，这些玻璃 纤维沿股线的长度延伸。多股粗纱包含较长但并非完全 连续的股线，这些股线在卷绕过程中以交错排列的方式 添加或丢弃。纱线是一组绞合在一起的纱线。
电气玻璃纤维或 E-玻璃纤维之所以如此命名，是因 为其化学成分使其成为一种出色的电绝缘体，特别适用 于需要无线电信号透明性的应用，如飞机天线罩、天线 和印刷电路板。然而， 它也是用于复合材料的最经济的 玻璃纤维，以相对较低的成本提供足够的强度来满足许 多应用中的性能要求。它已成为玻璃纤维的标准形式， 占所有玻璃纤维增强材料的 90%以上。至少 50%的 E-玻 璃纤维由氧化硅组成；余量包括铝、硼、钙和/或其他化 合物的氧化物，包括石灰石、萤石、硼酸和粘土。
当需要更大的强度时， 20 世纪 60 年代首次为军事 应用开发的高强度玻璃纤维是一种选择。它有几个名字 —美国的 S 玻璃纤维、欧洲的 R 玻璃纤维和日本的 T 玻璃纤维，其股线抗拉强度约为 700 ksi，拉伸模量高达 14 Msi。S-玻璃纤维的氧化硅、氧化铝和氧化镁含量明显高 于 E-玻璃纤维，并且比 E-玻璃纤维强 40-70%。
当温度从环境温度升高到 540°C 时，E-玻璃纤维 和 S-玻璃纤维的抗拉强度会降低一半，尽管这两种纤维 在这一升高的温度范围内仍表现出良好的强度。制造商 不断调整 S 玻璃纤维配方。例如，AGY Holding Corp. （Aiken，SC，US）几年前推出了 S-3 UHM（超高模量） 玻璃纤维。升级后的 S-3 玻璃纤维的拉伸模量为 14359， 比 S-玻纤维纤维璃高，比 E-玻璃高40%，这是由于改进 了纤维制造以及专有添加剂和熔体化学。
尽管玻璃纤维具有相对较高的耐化学性，但当暴露 在水中时， 它们会被浸出作用侵蚀。例如， 直径为 10μ 的 E-玻璃丝在热水中放置 24 小时时，通常会损失 0.7% 的重量。然而，侵蚀速率显著减慢， 因为浸出的玻璃纤 维在细丝的外部形成保护屏障；暴露 7 天后，总体重仅 下降 0.9%。为了减缓侵蚀，在纤维制造过程中会使用防 潮的胶料， 如硅烷化合物。
耐腐蚀玻璃纤维，即 C 玻璃纤维或 E-CR 玻璃纤 维，比 E 玻璃纤维更能耐受酸性溶液。然而，E-玻璃纤 维和 S-玻璃纤维比 C-玻璃纤维更能抵抗碳酸钠溶液 （碱）。无硼玻璃纤维的性能和价格与 E-玻璃相当，在酸性环境中表现出更高的耐腐蚀性（类似于 E-CR 玻璃 纤维）、更高的弹性模量和更好的高温性能。此外，从制 造过程中去除硼对环境的影响较小，这是一个决定性的 优势。
高性能纤维
先进复合材料中使用的高性能纤维包括碳纤维、芳 纶纤维（商品名为 Kevlar 和 Twaron）、硼纤维、高性能 聚丙烯纤维、超高分子量聚乙烯（PE）、新型纤维如聚 苯-2,6-苯并双恶唑（PBO）， 以及混合组合。
纤维是复合材料强度和刚度的主要来源。纤维必 须经过称为上浆剂的化学处理，使其与预期基质 相容，便于加工。这些卷筒含有 Tenax 碳纤维长 丝纱，这是 Toho Tenax Europe GmbH（Wuppertal， Gemany）最近推出的一种新的定制上浆剂，使纤 维与热塑性树脂基体兼容，可用于高温复合材料 应用。
碳纤维
碳纤维是迄今为止高性能应用中使用最广泛的纤 维，由多种前体（ precursor ） 生产， 包括聚丙烯腈（PAN）、人造丝、沥青以及生物基富碳前体，如木 质素或生物基 PAN。前体纤维经过化学处理、加热和 拉伸，然后碳化，形成高强度纤维。市场上第一批高 性能碳纤维是由人造丝前体制成的。 PAN 基碳纤维早 已在结构应用中取代人造丝，但人造丝的“ 狗骨-dogbone ”横截面和高温性能往往使其成为烧蚀隔热罩 中碳/碳（C/C）复合材料的首选纤维。 PAN 基碳纤维 是用途最广泛的碳纤维。它们提供了一系列令人惊叹 的性能， 包括出色的强度（1000 千磅/平方英寸）和高 刚度。沥青纤维由石油或煤沥青制成，具有高到极高 的刚度和低到负的轴向热膨胀系数（CTE-thermal expansion）。它们的 CTE 特性在需要热管理的航天器 应用中尤其有用，例如电子仪器外壳。碳纤维的特性 促使人们寻找替代性的、价格较低的前体材料，如从 纸浆和造纸废料中提取的木质素。由于橡树岭国家实 验室（美国田纳西州橡树岭）和其他组织的研究工作，这种低成本纤维材料的研究工作越来越受欢迎， 它们正在成为可行的商业加固选择。
尽管碳纤维比玻璃或芳纶纤维更强，但由于其导 电性，碳纤维不仅抗冲击性较差， 而且会在其接触的 金属中引起电偶腐蚀。制造商通过在层压板叠层过程 中使用屏障材料或面纱层（通常是玻璃纤维/环氧树 脂）来克服后一个问题。
高性能碳纤维的基本纤维形式是称为丝束的连续 纤维束。碳纤维丝束由数千根连续的无捻细丝组成，细丝数由后面跟着“K”的数字表示，表示乘以 1000 （例如， 12K 表示细丝数为 12000）。丝束可以直接用 于纤维缠绕或拉挤等过程，也可以转换为单向胶带、织物和其他增强形式。
“平展丝束-Spread tow”面料越来越受欢迎。 “ 平 展丝束顾名思义，每根丝束中的细丝都会散开，形成 非常薄、宽的“带子- slit tape”，然后再编织。这种织 物在非常低的重量下提供非常好的性能。 Oxeon（瑞典 Borås）是一家著名的平展丝束织物供应商， 商标为TeXtreme， 其他纤维转换器也在效仿。
芳纶纤维
芳纶纤维由芳香族聚酰胺制成， 具有优异的抗冲 击性和良好的伸长率（高于碳纤维，但低于玻璃纤维）。标准的高性能芳族聚酰胺纤维具有约 20Msi 的 模量、约 500ksi 的拉伸强度和近 3%的伸长率。
芳纶纤维以其在防弹背心和其他装甲和弹道应用 中的性能而闻名，其需求一直很高，部分原因是执法 和军事市场对人员保护和装甲的需求。芳纶的特性也 使该纤维成为直升机旋翼桨叶、船舶船体和需要抗冲 击性的体育用品的绝佳选择。
硼纤维
硼纤维的强度是钢的五倍，硬度是钢的两倍。它 们是通过化学气相沉积工艺制成的，其中硼蒸汽沉积 在细钨丝或碳丝上。硼具有强度、刚度和重量轻，并 具有优异的压缩性能和抗屈曲性能。硼复合材料的用 途包括钓鱼杆、高尔夫球杆杆身、滑雪板和自行车车 架等体育用品，以及飞机尾翼蒙皮、特拉斯构件和预 制飞机修理补片等各种航空航天应用。
聚乙烯纤维
市售的超高分子量（UHMW） 聚乙烯（PE）纤维 以其极其轻的重量、优异的耐化学性和防潮性、优异 的抗冲击性、抗菌性能和低介电常数而闻名。然而，PE 纤维在持续载荷下的伸长率相对较低，其使用温度范围的上限约为 98°C 。PE 纤维复合材料用于比赛船 体、滑雪杆、海上系泊绳索和其他需要抗冲击、防潮、重量轻但不需要极端耐温性的应用。至少有一家 飞机制造商使用高模量 PE 纤维作为驾驶舱门的防弹插 件。
聚丙烯纤维
高性能聚丙烯（PP） 纤维是一种用于复合材料的 新型烯烃基纤维，由 Innegra Technologies（美国南卡罗 来纳州格林维尔）生产，并以 Innegra 纤维的形式销售。它正被应用于利用其轻质、高延展性和韧性、抗 冲击性和减振性能的应用中。英尼格拉通常与其他高 性能纤维编织成混合织物，以提高材料的韧性。
PBO纤维
聚对苯-2,6-苯并双恶唑（PBO）， 商品名 Zylon， 是一种相对较新的纤维，其模量和拉伸强度几乎是芳 纶纤维的两倍，分解温度几乎高出 100°C。适用于高 温应用， 目前用于防护弹道装甲、体育用品、隔热材 料和轮胎增强材料。
高性能纤维的高成本可能会阻碍它们的选择， 如果制造商忽视了如何通过这些材料为项目带来更高的 性能、耐用性和设计自由度来降低高成本， 以及这些 优势对关键指标（生命周期成本） 的积极影响。碳纤 维尤其如此，历史上， 碳纤维供需的大幅波动使碳纤 维的选择变得复杂。碳纤维和其他高性能纤维在全球 纤维市场的现状中引起了人们的长期高度兴趣， 每年 都有专业汇总报道。
