bob客户端下载《复合材料指南》（五）增强纤维详解
bob客户端下载强在复合材料中的作用基本上是提高纯树脂体系的力学性能。复合材料中使用的所有不同纤维都具有不同的性能，因此会以不同的方式影响复合材料的性能。下面说明普通纤维的性能和特点。
然而，单个纤维或纤维束只能单独用于少数工艺，如丝缠绕(稍后介绍)。对于大多数其他应用，纤维需要排列成某种形式的薄片，称为织物，以便处理。将纤维组装成薄片的不同方法和纤维取向的不同可能导致有许多不同类型的织物，每一种都有自己的特点。这些不同的织物类型和结构将在后面解释。
大多数增强纤维的力学性能明显高于未增强的树脂体系。因此，纤维/树脂复合材料的机械性能主要取决于纤维对复合材料的贡献。
下表列出了最常用纤维的基本力学性能。纤维和树脂的表面相互作用由两者之间的结合程度所控制。这在很大程度上受到纤维表面处理的影响，这里还给出了不同表面处理和“表面处理”的描述。
复合材料中纤维的数量很大程度上取决于所使用的制造工艺。然而，与那些由较粗纤维制成的织物或纤维束之间有较大间隙的织物相比，纤维紧密填充的增强织物在层压板中具有更高的纤维体积分数(FVF)。纤维直径是这里的一个重要因素，更昂贵的小直径纤维提供了更高的纤维表面积bob客户端下载，分散了纤维/基质界面负载。作为一般规则，层压板的刚度和强度将与纤维的数量成比例地增加。然而，在大约60-70%的FVF(取决于纤维的组合方式)以上时，尽管拉伸刚度可能会继续增加，但由于缺乏足够的树脂将纤维适当地固定在一起，薄片的强度将达到峰值，然后开始下降。
最后，由于增强纤维被设计成沿其长度加载，而不是沿其宽度加载，纤维的取向在复合材料中产生了高度的“特定方向”支撑。复合材料的这种“各向异性”特征可以在设计中得到很好的利用，大多数纤维沿着主要载荷路径的方向放置。这将最大限度地减少在载荷很少或没有载荷的方向上放置材料的数量。
以上所给出的纤维的性质只是部分说明。复合材料的性能将来自纤维的性能，但也取决于它与所用树脂系统的相互作用方式、树脂本身的性能、复合材料中纤维的体积及其取向。下面的图表显示了在典型的高性能单向环氧预浸料中使用的主要纤维类型的基本比较，纤维体积分数通常用于航空航天部件。
这些图表显示了不同复合材料在失效时的强度和最大应变。每个图形的梯度也表示复合材料的刚度(模量);梯度越陡，刚度越高。该图还显示了一些纤维，如芳纶，在压缩加载和拉伸加载时显示出非常不同的特性。
在非常薄的层压板中使用高刚度纤维时，冲击损伤会造成特别的问题。在一些使用芯的结构中，层压板外壳的厚度可能小于0.3mm。尽管其他因素如编织风格和纤维取向会显著影响抗冲击性，但在冲击关键应用中，碳经常与其他纤维之一结合在一起。这可以是一种混合织物，在织物结构中使用一种以上的纤维类型。后面将更详细地描述这些内容。
以上数字是根据300克机织织物的典型价格计算的。对于这种轻质织物中使用的小束尺寸(tex)，大多数纤维的价格都要高得多。在可以使用较重的纤维束的情况下，例如单向织物，成本比较略有不同。
通过混合采石场产品(沙子，高岭土，石灰石，硬硼钙石)在1600°℃，液态玻璃形成。液体通过微细套管，同时冷却，生产直径为5-24mm的玻璃纤维细丝。这些细丝被拉在一起形成一股(紧密相连)或粗纱(松散相连)，并涂上一层“浆料”，以提供细丝的凝聚力，保护玻璃不受磨损。
E-glass (electrical)—碱含量较低，比 A glass (alkali)更坚固。抗拉、抗压强度和刚度好，电气性能好且成本相对较低，但抗冲击性能相对较差。根据E-glass的类型，价格约为 £1-2/kg.。E-glass是聚合物基复合材料中最常见的增强纤维。
C-glass (chemical)—最佳的抗化学攻击能力。主要以表面组织的形式应用于化工和给水管道和水箱的外层层压板。
R, S or T-glass—与E-glass相比，同等纤维具有更高的抗拉强度和模量bob客户端下载，具有更好的湿强度保持性。灯丝直径越小，ILSS越高，湿化性能越好。S-glass由OCF在美国生产，R-glass由Vetrotex在欧洲生产，T-glass由Nittobo在日本生产。为航空航天和国防工业开发，并用于一些硬弹道装甲应用。这一因素加上低产量意味着相对较高的价格。根据R或S-glass的类型，价格约为 £12-20/kg。
纱线 — 紧密相连的一束扭曲的细丝或股。纱线中每根丝的直径都是相同的，通常在4-13mm之间。纱线有不同的重量，用“TEX”(1000线米的重量单位为克)或“ denier”(10,000码的重量单位为磅)来描述，典型的tex范围通常在5到400之间。
粗纱 — 一束松散相连的未缠绕的细丝或股粗纱中每根细丝直径相同，一般在13-24m之间。粗纱也有不同的重量，特克斯范围通常在300到4800之间。在熔炼过程后，将细丝直接聚集在一起，得到的纤维束称为直接粗纱。几股也可以在玻璃制造后分别组合在一起，形成所谓的组合粗纱。
组合粗纱通常比直接粗纱具有更小的丝径，具有更好的湿润和机械性能，但它们可能存在悬链线问题(股张力不等)，并且由于涉及更多的制造工艺，成本通常更高。
也可以通过纺丝从短纤维中获得长纤维。这些纺纱纤维具有更高的表面积，更能吸收树脂，但它们的结构性能比等效的连续拉伸纤维低。
芳纶纤维是一种人造有机聚合物(芳香族聚酰胺)，由液态化学共混物纺丝固体纤维而成。所生产的明亮的金细丝可以具有一系列性能，但都具有高强度和低密度，具有非常高的比强度。所有等级都具有良好的抗冲击性能，低模量等级广泛用于弹道应用。然而，抗压强度仅与E级（E-glass）玻璃纤维相似。
虽然最广为人知的是杜邦公司的商品名“Kevlar”，但现在有很多这种纤维的供应商，最著名的是阿克苏诺贝尔公司的“Twaron”。每个供应商提供几个等级的芳纶模数和表面光洁度的不同组合，以适应各种应用。除了高强度性能外，该纤维还具有良好的耐磨性、耐化学和热降解性。然而，当暴露在紫外线下时，纤维会缓慢降解。
芳纶纤维通常以粗纱的形式出现，长度从20根到800根不等。通常情况下，高模量类型的价格在 £15-to £25/kg之间。
碳纤维是通过控制氧化，汽车碳化和石墨化的富碳有机前体，已经在纤维形式。最常见的前驱体是聚丙烯腈(PAN)，因为它具有最好的碳纤维性能，但纤维也可以由沥青或纤维素制成。石墨化工艺的变化可以产生高强度纤维(@ ~ 2600℃)或高模量纤维(@ ~ 3000℃)以及介于两者之间的其他类型。
当碳纤维在60年代末首次生产时，基本高强度等级的价格约为£200/kg。到1996年，全球年产能已增加到约7000吨，同等(高强度)等级的价格为 £15-40/kg。碳纤维通常根据其性能下降的模量带进行分组。这些带通常被称为:高强度(HS)，中等模量(IM)，高模量(HM)和超高模量(UHM)。大多数类型的灯丝直径约为5-7mm。碳纤维具有最高的比刚度的任何商业纤维，非常高的强度在10倍和压缩，并具有很高的抗腐蚀，蠕变和疲劳。然而，它们的冲击强度低于玻璃或芳纶，HM和UHM纤维表现出特别脆的特征。
比较所有纤维类型的性能，表明它们都有明显的优点和缺点。这使得不同类型的纤维比其他类型更适合某些应用。下表提供了一般纤维类型的主要可取特性之间的基本比较。“A”表示纤维得分较高的特征，“C”表示纤维得分较低的特征。
一种低密度、高强度纤维，具有良好的抗冲击性，但模量低。它缺乏刚度，通常排除在复合材料组件，但它是有用的低重量，高冲击或耐磨性，和低成本的要求。它主要用作表面材料，因为它可以非常光滑，保持重量下降，并与大多数树脂类型合作良好。
在随机取向下，超高分子量聚乙烯分子的力学性能很低。然而，如果通过一种叫做凝胶纺丝的过程溶解并从溶液中析出成细丝，这些分子就会被解开，并朝着细丝的方向排列。分子排列促进了纤维和纤维的高拉伸强度。加上它们的低S.G (1.0)，这些纤维具有此处所述纤维的最高比强度。然而，纤维的拉伸模量和极限强度仅略好于E-glass，低于芳纶或碳纤维。该纤维在层压形式下也表现出非常低的抗压强度。这些因素，再加上价格高，更重要的是难以建立良好的纤维/基质结合bob客户端下载，意味着聚乙烯纤维通常不用于复合材料组件。
一种非常高的硅玻璃，具有更高的机械性能和优异的耐高温性能(1000℃+)。然而，制造工艺和低产量导致了非常高的价格(14mm-£74/kg, 9mm-£120/kg)。
碳纤维或金属纤维涂上一层硼，以改善纤维的整体性能。这种纤维的极高成本限制了它在高温航空航天应用和专门的运动设备中的应用。在环氧树脂基体中，由碳纤维分散在80-100mm硼纤维中组成的硼/碳复合材料，其抗弯强度和刚度是HS碳纤维的两倍，硼的1.4倍，抗剪强度超过任何一种纤维。
陶瓷纤维通常以非常短的“晶须”形式主要用于需要耐高温的领域。它们更常与非聚合物基质如金属合金相结合。
在降解的另一端，可以使用纤维植物材料，如黄麻和剑麻作为“低技术”应用的增强材料。在这些应用中，纤维的低S.G(通常为0.5-0.6)意味着可以获得相当高的比强度。