典型纤维的机械和热属性

1  纤维

纤维构成用于制造结构复合材料的增强材料的主体。常见的低密度纤维是由较轻的材料制成的,尤其是那些基于原子序数较低的元素(例如H,Be,B,C,N,O,Al,Si等)的材料。纤维的横截面可以是圆形的,例如在玻璃纤维,硼纤维和凯夫拉尔纤维的情况下,但是某些纤维可以具有规则的棱柱形横截面(例如晶须)或任意横截面(例如PAN,人造丝和特殊沥青基碳纤维)。横截面的不规则性可能会在光纤中引入各向异性。

从微观结构的角度来看,纤维可以是非晶态(玻璃),多晶态(碳,硼,氧化铝等)或单晶(碳化硅,氧化铝,铍和其他晶须)。与形成纤维的散装材料相比,纤维的强度和刚度特性明显更高。大多数普通纤维本质上都是脆性的。块状脆性材料的抗张强度明显低于理论强度,因为它受块状材料可能包含的缺陷的形状和大小控制。由于纤维的直径非常小,因此可能包含的瑕疵必须小于纤维的直径。较小的缺陷尺寸继而降低了缺陷的临界度,从而提高了拉伸强度。例如,普通玻璃(体)的抗张强度可以低至100-200MPa,而S-glass玻璃纤维的抗张强度可以高至5000MPa。但是,基于分子间力,理想的玻璃纤维的拉伸强度为10350 MPa。此外,微晶沿着纤维方向的取向也大大有助于改善强度性能。与多晶纤维不同,晶须是单晶,不易出现晶体缺陷,并具有很高的强度和刚度。石墨晶须的拉伸强度和拉伸模量分别高达25000 MPa和1050 GPa。与商业纤维相比,这些值非常重要。市售的PAN基T300纤维的典型纵向拉伸性能为2415 MPa(强度)和220 GPa(模量)。

无机和有机纤维均用于制造结构复合材料。最常用的是玻璃,硼,碳,碳化硅,二氧化硅,氧化铝等无机纤维(包括陶瓷纤维)。结构等级的有机纤维的数量相对很少。芳族聚酰胺纤维是最流行的有机纤维。最近又增加了一种高强度聚乙烯纤维(Spectra 900),它具有非常低的密度和出色的抗冲击性能。碳纤维也可以与有机纤维组合在一起,尽管它们通常被视为陶瓷(无机)纤维。

无机纤维通常坚固,坚硬,热稳定并且对湿气不敏感。它们表现出良好的抗疲劳性能,但能量吸收特性低。

有机纤维通常更便宜,更轻且更有弹性。它们具有高强度和更好的抗冲击性能。

2 典型纤维机械属性

3 典型纤维热属性

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