1、第九章 其他無機纖維增強材料第一節 硼纖維硼纖維是一種新型的無機纖維。通常所指的硼纖維是一種復合纖維，常見的復合形式有B/W和B/SiO2兩種，前者是硼沉積在細鎢絲上，后者是硼沉積在涂碳和涂鎢的石英纖維上。 1 硼纖維的制備硼纖維的制備方法:通行采用氣相沉積法(CVD),即在一根受熱的纖芯上。例如在超細的鎢絲上，用氫氣還原三氯化硼，生成無定形的硼，并沉積在芯材的表面，形成立徑大約100m的硼纖維。其化學反應式如下： 硼纖維的制造技術主要集中在三個方面：(1)采用了新的芯材取代了價格昂貴的鎢質纖芯最有代表性的是采用涂碳(或鎢)的石英玻璃纖維芯材。用此種纖維制備硼纖維的特點:具有高溫膨脹性能好、降

2、低硼纖維的表現密度、提高它的比彈性模量。22326BClHBHCl(2)改進化學氣相沉積法及其有關設備在沉積過程中，隨著纖維直徑的增加，以及芯材與硼在高溫下的化學反應，電阻值變化很大，甚至由于局部電阻增大出現“亮點”,造成硼的不均勻沉積，影響硼纖維的質量。所以采取了輔助外部加熱裝置和射頻加熱裝置,實現了反應溫度的均勻分布。(3)硼纖維的后處理后處理技術：主要包括化學處理和表面涂層處理兩個方面化學處理法的目的是把影響纖維性能，表面涂層處理目的是增加硼纖維的輔助保護層,使其在高溫下不與基質材料(金屬基)起反應。 2 硼纖維的性能及其應用硼纖維的性能:與其他增強材料相比，硼纖維具有較低的密度、較高的

3、強度、很高的彈性模量和熔化溫度,以及良好的高溫強度保留率。例如彈性模量比玻璃纖維高出4倍。硼纖維的強度超過了鋼的強度。其性能見表1。表1 硼纖維的主要性能性能典型值拉伸強度（GPa）3.45拉伸彈性模量（GPa）400線膨脹系數（10-6K-1）1.5密度（g/cm3）2.42.6硼纖維的應用：硼纖維在航天工業上用作結構材料，也在航空工業中得到了應用，例如，B-1洲際戰略轟炸機、F-14和F-15等軍用飛機中，都使用硼纖維來增強鈦合金的部件。在高溫高速下運轉的內燃機轉子的葉片，如果使用硼纖維來增強，可以提高葉片的使用壽命和轉動速度。硼纖維還可以作為中子的減速劑，在原于能工業以及防中子彈等方面。

4、第二節 碳化硅纖維碳化硅纖維有三種形態上:晶須、異芯纖維和先驅體纖維。碳化硅(SiC)纖維的先驅體是聚碳硅烷(PCS)。高性能的 纖維的制備：聚碳硅烷經熔融紡絲、不熔化處理、以及1200以上的高溫熱解。1 碳化硅(SiC)纖維制備聚碳硅烷(PCS)經熔融紡絲，可以得到10m15m的有機纖維。碳化硅(SiC)纖維制備：在一定溫度下，是纖維表面的Si-H鍵與氧作用，生成不熔的交聯結構，再經不熔化處理SiC纖維的PCS纖維，在氮氣的保護下，在一定張力下，以100/h 300/h的升溫速率，從室溫升到1250 ，然后停止加熱，讓其自然冷卻，可得到黑色有金屬光澤的SiC纖維。SiC 2 碳化硅纖維的性能

5、(1)力學性能優異碳化硅纖維是由均勻分散的微晶構成，凝聚力很大，應力能沿著致密的粒子界面分散，因此具有優異的力學性能。例如碳化硅纖維，纖維直徑為l0m15m,抗張強度為2500MPa3000MPa，彈性模量為180GPa200GPa，斷裂伸長率1.5，密度為2.55g/cm3，熱膨脹系數(軸向)為3.110-6-1。(2)耐熱氧化性能好在1000以下，其力學性能基本上沒有變化，因此可以在高溫下長時間使用,當在1300以上；由于微晶的增大，使力學性能降低。(3)化學穩定性好碳化硅纖維具有良好的化學穩定性在80的6molL HCl、9molL H2SO4、7molL HNO3、30NaOH水溶液中

6、浸蝕24h ，后纖維質量損失均在1以下，纖維力學性能基本不變。(4)與金屬有良好的浸潤性在1000以下，碳化硅纖維幾乎不與金屬發生反應，直到1100以上才與某些金屬發生反應。因此，它可與多種金屬復合，并有良好的浸潤性。碳化硅纖維與各種金屬在高溫下的反應活性見表2。(5)耐輻照性能和吸波性能好金屬金屬熔點（）處理溫度（）（在H2中1h）450530620650750800850900950100011001200Al660000Ag9610000Cu1083000000Ni1453000Co149500Fe15370000Ti1668Cr187500Mo261000000表2 碳化硅纖維與金屬的

7、反應活性注： 0表示未觀察到反應， 表示有輕微反應，表示發生反應。 3 碳化硅纖維的應用(1)耐熱材料碳化硅纖維是一種理想的耐熱材料，碳化硅纖維的雙向和三向編織布、氈等織物。用于高溫物質的傳輸帶、金屬熔體過濾材料、高溫煙塵過濾器、汽車廢氣過濾器等方面，在冶金、化工、原子能工業，以及環境保護部門，都有廣闊的應用前景。(2)樹脂基復合樹料碳化硅纖維與環氧樹脂復合，可以得到性能優良的復合材料，其性能見表3。樹脂基復臺材料抗彎曲沖擊強度是碳纖維復合材料的2倍，它的剪切強度與碳纖維環氧樹脂復合材料相近。應用于噴氣發動機的渦輪葉片，也可用作飛機門窗，直升飛機螺旋漿等，高爾夫球棒。抗張強度(0方向)1500

8、MPa彈性模量130GPa彎曲模量120GPa層間剪切強度120MPa壓縮強度1800MPa熱膨脹系數0方向2.6 10-4C-190方向2.0 10-4C-1密度2.0 103kg/m3表3 SiC纖維環氧樹脂復合材料的性能( )60%fV (3)金屬基復合材料碳化硅纖維與金屬復合，得到性能良好的金屬基復合材料。碳化硅纖維鋁復合材料通常是用熔態金屬模壓方法制得的。一般使用的纖維體積分數( )為3040，抗張強度可達600MPa800MPa左右。碳化硅纖維鋁復合材料的一般性能見表4。fVSiC纖維單向增強各種玻璃的機械強度( )40%fV 抗張強度800MPa彈性模量E1130GPaE288G

9、Pa彎曲強度1200MPa彎曲模量E1113GPaE283GPa泊松比0.31熱膨脹系數0方向8.910-4C-190方向2510-4C-1密度2650103kg/m3圖l SiC纖維鋁復合材料的抗張 強度與溫度的關系曲線1SiC =35，鋁型號：1100;2SiC =30，鋁型號：1100;3SiC =30，鋁型號：6061;4一純鋁材1100fVfVfV(4)陶瓷基復合材料 碳化硅纖維增強陶瓷，可以大大提高陶瓷的耐沖擊強度，其性能見表5所示。碳化硅纖維增強陶瓷，提高陶瓷的耐沖擊強度。碳化硅纖維增強復合材料在高溫下有極高的彎曲強度，缺口沖擊強度試驗值比SiN4陶瓷高50倍，即使無缺口的沖擊強

10、度試驗值，也比后者高出4.5倍。碳化硅纖維增強陶瓷或者玻璃復合材科，可用于火箭噴氣發動機的高溫部件，也有可能用于作為高溫耐腐蝕化學反應釜的材料。表5 SiC纖維單向增強各種玻璃的機械強度玻璃種類硼硅酸玻璃硅酸鹽玻璃硅酸鋰鋁玻璃（LAS）SiC纖維體積含量（%）35503550溫度室溫4708005066006006209408008001000700850彎曲模量（GPa，室溫）100118102149 第三節 氧化鋁纖維氧化鋁纖維：是Al2O3多晶連續纖維，用作增強材料。性能:優異的機械強度和耐熱性能，直到1370其強度仍下降不大。室溫拉伸強度約為1.72.0GPa，拉伸彈性模量約為380G

11、Pa，密度為3.95g/cm3 。氧化鋁纖維強度及其他性質在很大程度上取決于它的微觀結構。氧化鋁纖維制造：主要用擠壓加工法。氧化鋁纖維應用：多用于高溫結構材料，特別是在航空、宇航空間技術方面有廣泛的應用前景。 第四節 石 棉1 石棉礦物種類石棉：蘊藏在中性或酸性巖漿巖中的一種非金屬礦物，它可以劈分成極細而又柔韌的纖維。工業上按其礦物成分和化學成分的不同，將石棉分為纖蛇紋石石棉和角閃石石棉兩大類。1.1 纖蛇紋石石棉(溫石棉)化學式為 ，物理性質:顏色多樣，有深綠、淺綠、黃、灰白等色；外觀呈纖維束狀，具絲絹光澤，莫氏硬度22.5，密度為2.492.53gcm3，熔點為1550。64108()Mg

12、 Si OOH12 角閃石石棉(1)藍石棉:包括纖鐵藍閃石石棉和鎂質鈉鐵閃石棉Na2Fe3+2Fe23+Si18O22(OH)2。物理特性：具獨特的淺藍、深藍或淡青色，絲絹光澤，密度為3.2gcm33.3gcm3 ，熔點9301150。化學特性：有很強耐酸、堿性能。(2)透閃石石棉：化學式為CaMg5Si4O11(OH)2。物理特性：呈灰白色，絲絹光澤或玻璃光澤。密度為2.85gcm33.14gcm3，熔點1250，短而硬脆，不易劈分，強度很低。(3)陽起石石棉：化學式為Ca2(Mg,Fe+2)5Si4O112(OH)2。 物理特性：呈藍綠色或褐色，纖維短而硬脆，無彈性，強度低，密度3.1gc

13、m33.3gcm3。32328222()Na Mg FeSi OOH 2 石棉的工藝技術特性石棉的特性:有耐火、耐酸、耐堿、保溫、絕熱、防腐、絕緣等。由于各種石棉化學成分不同，它們的特性也有顯著差別。例如：蛇紋石類石棉的耐堿和耐高溫性能均好，但耐酸性能較差；而角閃石類青石棉的耐堿和耐高溫性能雖均不及蛇紋石類石棉，但耐酸性能較好。石棉的分級、性能、技術指標見表6和表7。表6 石棉的分級及性能表7 溫石棉及青石棉的技術指標 3 石棉的應用現根據制品的制造工藝及用途不同將石棉制品劃分如下八大類。(1)石棉水泥制品 常見的如石棉水泥管、石棉水泥瓦等。特點：密度和容積密度小，耐火度較高，導熱性能低，導電

14、率低，機械強度較高，耐腐蝕性能好，加工性能好等。(2)石棉紡織制品可紡織成各種規格的石棉紗，而后捻線、搓繩、織布、織帶，再進一步制成各種石棉制品。主要有石棉布、石棉繩及盤根。特點:石棉纖維質地柔軟，機械強度高，耐熱、防腐、耐酸堿、隔熱、絕緣密封等。(3)石棉保溫隔熱制品蒸汽鍋爐外壁和導管上用石棉做為保溫層，同時也起隔熱作用。(4)石棉橡膠制品石棉橡膠制品主要用于各種設備的密封、襯墊。品種包括：油浸石棉盤根、油浸石棉石墨盤根、其他石棉盤根、石棉橡膠板、耐油板等。(5)石棉傳動、制動制品制動制品 有制動帶、制動片或叫剎車帶、剎車片。傳動制品 主要用于各種機動車輛和工程機械的動力傳動。(6)石棉電工

15、材料石錦纖維與酚醛樹脂而制成各種電工絕緣材料；電工上做高壓器材的底板、高壓開關把手、電話耳機柄及其軍用器材以及配電盤、配電板、儀表板等；造紙機上，用精選的石棉制成厚度為0.2mm以下的絕緣石棉紙，是用在電機線圈的絕緣材料；角閃石石棉中的磁鐵礦細粒則可經過酸處理后再使用。(7)石棉瀝青制品石棉纖維摻合在天然瀝青或人造瀝青中便可制成石棉瀝青制品；如薄型的石棉瀝青板、石棉瀝青布(石棉油氈)、石棉瀝青紙、石棉瀝青磚、液態的石棉漆和軟性嵌填水泥路面及膨脹用的油灰等。(8)石錦的新用途石棉在國防工業上出現了許多新用途。石棉與陶瓷纖維制成的復合絕緣材料，用于火箭的燃燒室。石棉與石墨的復合材料，用作導彈噴管的

16、喉部和導彈發動機殼體的封閉絕緣材料。石棉與金屬的復合樹料用于高溫防護，避免火箭發動機火舌和高速飛行時由于高溫引起的破壞作用。石棉與玻璃纖維、尼龍纖維交織制成的復合材料也用于火箭和導彈上。 第五節 硅灰石 硅灰石是自然產出的一種硅酸鹽礦物。1 硅灰石的礦物特性三種同質多象變體：一種是高溫變體環硅灰右，為三斜晶系；兩種低溫變體的三斜晶系硅灰石-TC型最常見；單斜晶系副硅灰石-ZM型少見。化學式為：Ca3(Si3O9)顏色：常呈白色、淺灰或淺紅白色。狀態:放射狀、纖維狀或塊狀集合體，以纖維狀最常見。長徑比:一般為78比1，最長可達20:1到30:1 。相對密度:2.873.09。力學性能:莫氏硬度4.55,性脆，易研磨成細顆粒。物理化學性能:熔點1540,具優良絕緣性能，高抗熱性能和較好的化學穩定性。2 硅灰石工藝技術特征特殊工藝特征增強效果:硅灰石的晶體結構決定了其顆粒常呈針狀、纖維狀，甚至破碎到0.01mm以下仍呈針狀，加在各種有機、無機復合材料中，會使產品具有增強效果。助熔性能:在較高的溫度下(10601149)與氧化硅、氧化鋁等相熔，從而起到降低混合物熔融溫度的作用。純硅灰石有的白度與亮度，反射率達9296。由于它呈針狀、且具有乎面二向分布均勻的特征。物理性能：有極高的介電性、耐熱性在受熱情況下具有線性熱膨脹特點，膨脹系數小。穩定的化學性能，有較好的耐堿性能，應用于水泥制