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复合材料用纤维种类和特性

复合材料的结构性能主要来源于纤维增强。描述了纤维类型、它们的制造、它们的用途以及它们发现最多的终端市场应用。

复合材料的结构性能主要来源于纤维增强。在复合材料中,由基体树脂固定的纤维有助于拉伸强度,增强最终部件的性能,例如强度和刚度,同时最大限度地减轻重量。纤维特性由纤维制造过程以及该过程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。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(航空航天工业是一个重要的例外),以替代较重的金属部件。玻璃纤维比第二种最常见的增强材料碳纤维更重,并且没有那么硬,但更耐冲击并且具有更大的断裂伸长率(也就是说,它在断裂前伸长的程度更大)。根据玻璃类型、灯丝直径、涂层化学成分(称为“上浆”,参见下文“关键纤维上浆”)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,原材料被熔化并拉制成精细且高磨蚀性的细丝,直径从 3.5 到 24 微米不等。硅砂是主要原料,通常占玻璃纤维重量的 50% 以上。可以将金属氧化物和其他成分添加到二氧化硅中,并且可以改变加工方法以针对特定应用定制纤维。

连续玻璃长丝以称为束的束形式提供。粗纱通常是指一束未加捻的股线,像线一样包装在一个大线轴上。单端粗纱由多根连续玻璃长丝组成的股线组成,这些玻璃长丝沿着股线的长度延伸。多头粗纱包含长但不完全连续的股线,它们在卷绕过程中以交错排列的方式添加或下降。纱线是捻在一起的股线的集合。

电气玻璃或 E 玻璃,因其化学成分使其成为出色的电气绝缘体而得名,特别适用于需要无线电信号透明度的应用,例如飞机天线罩、天线和印刷电路板(PCB;参见CW 的报告玻璃纤维增​​强在 PCB 中的角色转变:  “印刷电路板:移动市场”,)。然而,它也是复合材料中最经济的玻璃纤维,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 玻璃纤维由二氧化硅组成;余量包括铝、硼、钙的氧化物和/或其他化合物,包括石灰石、萤石、硼酸和粘土。

当需要更高的强度时,可以选择 1960 年代首次为军事应用开发的高强度玻璃。有几个名字——美国的S-glass、欧洲的R-glass和日本的T-glass,其股线拉伸强度约为 700 ksi,拉伸模量高达 14 Msi。S-玻璃的二氧化硅、氧化铝和氧化镁含量明显高于 E-玻璃,比 E-玻璃强 40-70%。

当温度从环境温度升高到 540°C 时,E 玻璃和 S 玻璃的拉伸强度会损失多达一半,尽管这两种纤维类型在这个升高的温度范围内通常仍表现出良好的强度。制造商不断调整 S 玻璃配方。例如, AGY 控股公司(美国南卡罗来纳州艾肯)几年前推出了 S-3 UHM(用于超高模量)玻璃。由于改进了纤维制造以及专有添加剂和熔体化学,升级后的 S-3 玻璃的拉伸模量为 14,359——高于 S 玻璃,比 E 玻璃高 40%。

尽管玻璃纤维具有相对较高的耐化学性,但它们在暴露于水时会因浸出作用而被侵蚀。例如,直径为 10μ 的 E 玻璃灯丝在热水中放置 24 小时后通常会损失 0.7% 的重量。然而,由于浸出的玻璃在灯丝的外部形成了保护屏障,因此侵蚀速度显着减慢。暴露 7 天后总重量仅减轻 0.9%。为了减缓侵蚀,在纤维制造过程中使用了防潮上浆剂,例如硅烷化合物。

耐腐蚀玻璃,称为C 玻璃E-CR 玻璃,比 E 玻璃更能耐受酸性溶液。然而,E 玻璃和 S 玻璃比 C 玻璃更能抵抗碳酸钠溶液(碱)。无硼玻璃纤维的性能和价格与 E-glass 相当,在酸性环境中表现出更好的耐腐蚀性(与 E-CR 玻璃相似),比 E-glass 具有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会产生更少的环境影响,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(以商品名 Kevlar 和 Twaron 着称)、硼纤维、高性能聚丙烯纤维、超高分子量聚乙烯 (PE)、新型纤维,如聚对亚苯基-2,6-苯并二恶唑 (PBO) 和混合组合。

复合材料用纤维种类和特性

纤维是复​​合材料强度和刚度的主要来源。纤维必须用称为上浆剂的化学品进行处理,使其与预期的基质相容并易于加工。这些卷筒包含 Tenax 碳纤维长丝纱线,该纱线由 Toho Tenax Europe GmbH(德国伍珀塔尔)最近推出,具有新的定制上浆,使纤维与热塑性树脂基质兼容,可用于高温复合材料应用。资料来源:东邦特纳克斯

碳纤维— 迄今为止,在高性能应用中使用最广泛的纤维 — 由多种前体制成,包括聚丙烯腈 (PAN)、人造丝、沥青以及生物基、富含碳的前体,例如木质素或生物基 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,但后者的“狗骨”横截面和高温性能通常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、用途最广泛的碳纤维。它们提供了一系列惊人的性能,包括出色的强度 – 至 1, 000 ksi — 和高刚度。由石油或煤焦油沥青制成的沥青纤维具有高至极高的刚度和低至负的轴向热膨胀系数 (CTE)。它们的 CTE 特性在需要热管理的航天器应用中特别有用,例如电子仪器外壳。碳纤维的特性正在刺激人们寻找替代且更便宜的前体材料,例如从纸浆和废纸中提取的木质素。

虽然它们比玻璃或芳纶纤维更坚固,但碳纤维不仅抗冲击性较差,而且由于它们的导电性,它们接触的金属也会导致电偶腐蚀。制造商通过在层压铺设过程中使用阻隔材料或面纱层(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、未加捻的细丝组成,细丝数用数字表示,“K”表示乘以 1,000(例如,12K 表示细丝数为 12,000)。丝束可直接用于长丝缠绕或拉挤成型等工艺,也可转化为单向带、织物和其他增强形式(有关纤维形式的更多信息,请参阅“纤维增强形式”。

“展开丝束”面料越来越受欢迎。顾名思义,每根丝束中的细丝展开形成非常薄、宽的“带”,然后进行编织。这种织物以非常轻的重量提供非常好的性能。Oxeon  (瑞典布罗斯)是著名的伸展丝束织物、商标 TeXtreme 供应商,其他纤维加工商也纷纷效仿。

芳纶纤维由芳族聚酰胺制成,具有出色的抗冲击性和良好的伸长率(高于碳,但低于玻璃)。标准的高性能芳纶纤维的模量约为 20 Msi,拉伸强度约为 500 ksi,伸长率接近 3%。

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,部分原因是执法和军事市场需要人员保护和装甲。芳纶的特性还使该纤维成为需要抗冲击性的直升机旋翼叶片、船舶船体和体育用品的绝佳选择。

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。硼提供强度、刚度和重量轻,并具有出色的抗压性能和抗屈曲性能。硼复合材料的用途范围从体育用品,如钓鱼竿、高尔夫球杆杆身、滑雪板和自行车车架,到航空航天应用,如飞机尾翼蒙皮、桁架构件和预制飞机维修补片。

市售的超高分子量(UHMW)聚乙烯 (PE) 纤维以其极轻的重量、出色的耐化学性和耐湿性、出色的抗冲击性、防弹性能和低介电常数而闻名。然而,PE纤维在持续载荷下的抗伸长率相对较低,其使用温度范围的上限约为98℃。PE纤维复合材料用于赛艇船体、滑雪杖、海上系泊绳索和其他需要抗冲击和防潮、重量轻但不需要极端温度的应用。至少一家飞机制造商将高模量 PE 纤维用于驾驶舱门的防弹插件。

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。它被用于利用其重量轻、高延展性和韧性、抗冲击性和减振特性的应用中。Innegra 通常与其他高性能纤维编织成混合织物,以增加材料的韧性。

聚对苯撑-2,6-苯并双恶唑 (PBO),商品名为 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、绝缘和轮胎加固。

如果制造商忽略了如何通过这些材料为项目带来的更高的性能、耐用性和设计自由度以及这些优势所带来的积极影响来降低高成本,那么高性能纤维的高成本可能会阻碍它们的选择一个关键指标:生命周期成本。对于碳纤维来说尤其如此,从历史上看,碳纤维供需的显着波动使碳纤维的选择变得复杂。

其他光纤选项

石英纤维虽然比玻璃更贵,但比 E 玻璃具有更低的密度、更高的强度和更大的刚度,并且断裂伸长率大约是其两倍,这使得它们成为优先考虑耐用性的好选择。石英纤维还具有接近于零的热膨胀系数 (CTE),并且可以在短时间连续暴露于高达 1050°C 和高达 1250°C 的温度下保持其性能特性。石英纤维具有比玻璃更好的电磁特性,这在制造飞机天线罩等保护雷达系统和其他关键电子设备的部件时是一个优势

陶瓷纤维具有高至非常高的耐高温性,但耐冲击性低,室温性能相对较差。通常比其他纤维贵得多,陶瓷,如石英,是首选的纤维,当它的优势证明额外的成本是合理的。陶瓷纤维的一种应用是用于飞机内部层压材料中的阻燃面纱材料,该材料必须能承受 1093°C 至少 15 分钟而没有火焰穿透。将陶瓷或碳化硅纤维结合在陶瓷基体中的陶瓷复合材料现在被更广泛地用于某些高温飞机发动机应用中。(要了解有关喷气发动机中陶瓷基复合材料的更多信息,请参阅 “航空发动机复合材料,第 1 部分:CMC 入侵。”)

玄武岩纤维是廉价的金棕色纤维,类似于玻璃,历史上产于俄罗斯和乌克兰。Kamenny Vek(俄罗斯杜布纳)、Sudaglass Fiber Technology Inc.(美国德克萨斯州休斯顿)和Technobasalt-Invest LLC(乌克兰基辅)一直是玄武岩纤维供应商。新供应商Mafic(爱尔兰米斯郡凯尔斯)提供连续形式的玄武岩纤维和长纤维热塑性颗粒,并在爱尔兰开采和生产玄武岩纤维。

据报道,玄武岩表现出比玻璃更好的耐化学性和耐碱性,据说可以在复合钢筋中提供玻璃纤维的替代品,用于在民用基础设施和建筑施工应用中加固混凝土。然而,玄武岩的市场份额在过去几年中有所下降,原因是产品一致性问题,因为制造纤维的玄武岩的成分因采石场而异。也就是说,欧洲的测试有证据表明玄武岩纤维的性能明显优于 E 玻璃(参见文章 “玄武岩纤维能否弥合玻璃和碳之间的差距?”

混合纤维利用了不止一种纤维类型的最佳特性,可以降低原材料成本。结合碳/芳纶或碳/玻璃纤维的混合复合材料已成功用于带肋的飞机发动机推力反向器、望远镜反射镜、地面运输车辆的驱动轴,以及基础设施领域,用于加固混凝土结构构件的柱包裹系统。

天然纤维——蕉麻、竹子、椰子、亚麻、大麻、黄麻、洋麻和剑麻是最常见的——来源于某些植物的韧皮或外茎。天然纤维因其极轻的重量、足够的结构性能以及包括可回收性在内的“绿色”属性而得到越来越多的使用。后者包括较低的成本(生产过程中消耗的能源较少)、可持续性(可生物降解和可再生)和二氧化碳中和。它们还具有所有结构纤维中最低的密度,但在某些应用中具有足够的刚度和强度。阅读CW关于生物纤维增强材料市场的文章, “天然纤维复合材料:市场份额,一次只做一份”。

复合材料用纤维种类和特性

特别是汽车行业,正在将这些纤维用于传统的非增强塑料部件中,甚至将它们用作汽车内饰中玻璃纤维的替代品。天然纤维增强热固性塑料和热塑性塑料最常见于汽车和卡车的门板、包装托盘、座椅靠背、顶篷和行李箱衬里。

关键纤维上浆

为了在复合材料部件中获得理想的性能,必须优化纤维和基体之间的粘合性。这种在纤维/基体界面处的粘合需要用树脂使纤维束饱和(称为浸润)。为确保良好的附着力,必须注意纤维表面处理,例如使用表面涂层或偶联剂,称为上浆. 在纤维长丝形成后立即施胶,实际上有两个目的:它不仅增强了纤维/基体的粘合,而且还在纤维表面提供干润滑剂,保护纤维在下游处理过程中免受磨损和断裂,例如编织或预浸。虽然它仅占纤维总重量的 0.25-6.0%,但上浆是纤维增强性能的动力。

施胶化学是将每个制造商的纤维产品与竞争对手的产品区分开来的主要属性之一。它可以定制以优化特定制造工艺中的纤维性能,例如拉挤成型、长丝缠绕和编织。例如,施胶配方的发展以各种方式产生了更干净的切碎玻璃,减少了“绒毛”(由磨损引起)和更有效地润湿玻璃。

从历史上看,碳纤维的尺寸只是为了与环氧树脂相容。如今,随着碳纤维在航空航天领域以外的应用中的使用增加,纤维制造商正在响应制造商和 OEM 生产与更广泛的树脂和工艺兼容的碳纤维的需求。许多高性能纤维生产商现在提供与热塑性树脂相容的优化浆料,特别是用于高速汽车零件加工。

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高强度耐热合成纤维芳纶及Kevlar复合材料的特性

2022-10-16 7:56:00

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2022-10-16 15:13:53

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