各种增强材料的性能的分析介绍

1.高性能玻璃纤维

通常，高性能玻璃纤维是指S型高强度玻璃纤维、M型高模量玻璃纤维、T型高强高模量玻璃纤维及S-2型轻质高强中空玻璃纤维等，它们的强度、模量、耐热性优于E型玻璃纤维，但比模量、比强度和耐磨性不及碳纤维和芳纶纤维等高性能纤维，韧性比碳纤维好，在塑料中一般含量为20%～40%，含量高者达60%（质量分数），可配制各种成型工艺用的增强塑料，且价格比CF便宜，较多用作有较高受力要求的制品。高性能玻璃纤维的性能见表12-6。

表12-6 高性能玻璃纤维性能

2.碳纤维及石墨纤维

碳纤维是指以碳为主要成分的纤维材料，其中，碳含量为90%～99%（质量分数）的称为碳纤维，碳含量>99%（质量分数）的称为石墨纤维。

按制作碳纤维用的原料可分为聚丙烯基碳纤维（PAN）、人造丝基（或粘胶基）碳纤维（Rayon）和沥青基碳纤维（Pitch），三者各有特性；按力学性能可分为高性能碳纤维和低性能碳纤维两大类，高性能纤维又可分为高强型（HT）、高弹型（HM）、普通型（AS）、超高强型（UHT）和超高弹型（UHM）等品种。

碳纤维品种很多，性能指标值差别较大。概括地说，其基本特点是密度小（为玻璃纤维的1/3），比模量高（为玻璃纤维3～6倍），模量为玻璃纤维4～5倍，拉伸强度与S型玻璃纤维相当，导电性及导热性好，线胀系数及摩擦因数小，有自润滑性，且耐磨性、耐蚀性、抗疲劳性、抗蠕变性、耐高温性和耐候性好，但冲击强度及层间抗剪切强度低，取向性明显，价格较高。因此它常用其与玻璃纤维、芳纶纤维或硼纤维配制成混杂纤维作增强材料以克服其缺点。

三种不同材料制成的碳纤维中，聚丙烯腈基纤维综合性能好，但价格高。其密度为1.8～1.9g/cm³；拉伸强度为2.0～2.7GPa；拉伸模量为200～360GPa；比强度为（1.1～1.5）×10⁷m²/s²；比模量为（1.1～1.9）×10⁸m²/s²；伸长率为1%～1.3%；电阻率为10^-4～10^-2Ω·cm；轴向线胀系数（-1.0～-0.5）×10^-6K^-1，横向线胀系数约为16.8×10^-6K^-1；轴向热导率为83.7～125.6W/（m·K），横向热导率为0.84W/（m·K）。此外，其摩擦因数小，自润滑性好，耐磨，还具有耐酸碱、防辐射和耐候性。可用其配制的增强塑料制作飞机尾翼、旋转叶片、汽车弹簧、传动轴、制动片车门嵌条及耐烧蚀、导电导热、绝热、耐磨零件和人体韧带等。

人造丝基碳纤的密度为1.3～1.9g/cm³；拉伸强度为0.69～3.40GPa；拉伸模量为690～760GPa，且模量高电导率也增高，如模量为760GPa时电导率可达1900S/cm。其他性能与聚丙烯腈基纤维相似，其配制的增强塑料可制作耐烧蚀、耐磨、隔热和导电制品。

沥青基纤维的性能不及前两种，但价格较低。其密度≥1.62g/cm³；拉伸强度及模量随不同热处理温度差别很大，拉伸强度为1.0～3.5GPa，个别品种的拉伸强度可达5.3GPa，模量为30～700GPa。它主要用于配制耐热、隔热、耐烧蚀、耐磨和导电等增强塑料，还可用其配制增强混凝土。

国外碳纤维的主要生产商有美国的联合碳化物公司、阿莫科公司和赫克里斯公司；日本的东丽、东邦、吴羽、三菱等公司；英国的皇家飞机研究所、库陶尔茨·玛格尼特公司等。此外，俄罗斯、德国和法国也大量生产碳纤维。国内碳纤维生产厂有上海碳素厂、上海合成纤维研究所、兰州化纤厂、吉林化工研究院，辽源特种纤维厂、吉林碳素厂和山西煤炭化学研究所等。

3.芳纶纤维

芳纶全称为芳香族聚酰胺聚合物，其纤维为芳香聚酰胺纤维，在我国简称为芳纶纤维，英文简称为KF。芳纶纤维大体可分为全芳香族聚酰胺和杂环芳香聚酰胺两大类。全芳香族聚酰胺常用于配制增强塑料，该类树脂主要品种有聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA）、聚间苯二甲酰间苯二胺（MPIA）、聚对苯甲酰胺（PBA）和共聚芳酰胺等系列，每一种品种还可分为许多牌号，它们各有不同特点，见表12-7。

表12-7 部分KF纤维品种及特性

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各品种芳纶纤维的基本性能可归纳如下：

1）密度小于CF和GF纤维，拉伸强度与CF和GF相似，模量高于GF，低于CF，故比模量低于CF，但比强度和比韧度高于CF和GF。此外，其抗冲击性、抗疲劳性和耐磨性好，多数KF有吸能减振性和防弹性。

2）耐热性优良，耐燃、低膨胀、低导热，分解温度高。

3）耐蚀性良好，除强酸和强碱外，多数KF纤维都有良好的耐溶剂和耐盐溶液能力。

4）介电性及绝缘性好，耐辐射，但耐紫外线性差。

KF配制的增强塑料可作高性能制品，如导弹发动机壳体、防弹装甲、机翼、小舰艇壳体、运动器材、高强绳索、传送带、光纤材料、电子电气零件、医疗器械、消防及运动服、手套护具、防弹背心和增强水泥等。

4.超高拉伸聚乙烯纤维

超高拉伸聚乙烯纤维，简称UHMWPE纤维，是以超高相对分子质量聚乙烯为原料制备而成的。国外主要生产厂商有美国Allied公司、荷兰DSM公司、日本三井公司和美国Sniefibre公司等。国内的生产商有北京同益中特种纤维技术开发公司等。

UHMWPE纤维的基本特性如下：

1）它是高性能纤维中密度最低的，一般密度约为0.97g/cm³。它有优异的力学性能，比模量和比强度高，防弹和吸冲击性能好，耐磨、抗疲劳及韧性好，挠曲寿命长，冲击强度优异，是高性能增强纤维中最好的品种。其复合材料的冲击强度是GF、CF、KF等复合材料的2～3倍，是优异的防弹材料。

因此，用它配制的增强塑料制品，比CF、KF和GF制品轻得多。部分UHMWPE及性能见表12-8和表12-9。

表12-8 部分国外工业化生产UHMWPE纤维的公司、商品牌号及性能

表12-9 几种高性能纤维的性能比较(www.xing528.com)

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2）介电性能优异，介电常数为2～3，介质损耗因数为4×10^-4，比前述各种增强材料都小得多。用其制作的复合材料有高电磁波透过率。

3）耐溶剂性好，对水、海水、洗涤剂、煤油、汽油、甲苯、过氯乙烯、强酸和强碱等质介都有耐蚀性，其这方面的性能优于KF纤维。

4）耐候性优良，其疏水性强，耐湿、耐潮、防霉、耐低温和耐紫外线性好，且原料丰富，价格比CF纤维低。

5）UHMWPE纤维的主要缺点是耐热性差，熔点低，高温抗蠕变性差，表面惰性与树脂粘附性差。

其增强塑料宜用作轻质、高强度、抗冲击、防弹、耐蚀及高频透过率制品，用于宇航、航空、油田、航海、汽车、战车、医疗和体育等领域。纤维可作牵引绳索和织物等。

5.聚苯并双唑纤维

聚苯并双唑纤维称为PBO纤维，是一种高强度、高模量、耐热性优异的超级纤维，由美国道化学公司与日本Toyobo公司联合开发，商品名称为Zylon，目前，有AS高强型和HM高模型两种品种。其基本性能如下：

1）耐热性和耐燃性优异PBO纤维的OI值>68%，且燃烧中不产生CO及氰化氢等有毒气体，其热分解温度为650℃，高于KF纤维，是有机纤维中热分解温度最高的品种。

2）力学性能优异。PBO增强塑料防弹性好，吸收冲击能量高，防弹能力是KFRP的两倍；抗蠕变性优异，在50%断裂负荷下，100h内蠕变量<0.03%；耐磨和抗弯曲疲劳性优异，在135℃下弯曲2000次（断裂循环周期为5000次）时，其强度仍可保持35%。

3）高温力学性能优异。PBO-HM纤维400℃时模量保持率为70%，500℃时强度保持率为40%。

4）尺寸稳定性好，在300℃空气中收缩率为0.1%，远优于KF纤维（0.45%～0.7%），且在室温下抗蠕变性优于KF纤维，模量高，热及水分对尺寸影响极小，故尺寸稳定性好。

5）PBO纤维还具有密度小（1.56g/cm³），耐腐蚀、耐燃烧、抗剪切等优良性能。其不足之处是压缩性差，压缩强度仅为0.2～0.4MPa。另外，PBO纤维与树脂的粘接性比KF纤维还差，且成本较高。

PBO纤维的性能及其与其他纤维性能的比较见表12-10和表12-11。

表12-10 PBO纤维的性能

表12-11 PBO与其他高性能纤维的性能比较

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PBO纤维及织物已成为新一代增强材料，常用其配制轻质、高强度、高模量、耐高温的高性能增强塑料。其纤维及织物应用领域很广，如图12-1所示。

6.其他高性能增强材料的性能

除前面介绍的以外，还有其他一些高性能增强纤维，其性能简介见表12-12。

图12-1 PBO的应用举例

表12-12 其他常见增强材料的性能

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