各种增强纤维的主要性能
出处：按学科分类—工业技术 北京出版社《现代综合机械设计手册上》第607页（2962字）
4．2．1 玻璃纤维
玻璃纤维可以直接用作增强材料，也可以用玻璃纤维制成的织物(如毡、布、带等)作为增强材料。纤维有连续纤维、短切纤维(长度一般为6～50mm)及切碎纤维(长度约为0．4～6mm)等几种型式，用量一般为20%～40%。单丝直径为4～10um的纤维(高级纤维)一般用于纺织制品，9～14μm直径或更粗的纤维则常以无捻粗纱、单向顶浸料及短纤维毡等形式使用。国内外常用玻璃纤维的成分、常用玻璃纤维的主要物理及力学性能、常用几种玻璃纤维的主要特性分别见表2．2－26、2．2－27及2．2－28，耐高温的高硅氧纤维(含95%以上SiO2的高纯度玻璃纤维)和石英纤维(含99．95%SiO2的天然石英结晶)的性能见表2．2－29。
表2．2－26 常用玻璃纤维的成分
注：①*－D玻璃组成物，总共4%。
②代号：A－高碱纤维、C－耐酸纤维、D－低介电纤维，E－无碱纤维、S－高强度纤维、M－高模量纤维。R纤维与S纤维强度相近，常用于欧洲。
表2．2－27 玻纤的物理及力学性能
注：代号含义见表2．2－26注②。
表2．2－28 几种玻璃纤维的主要特性
注：代号含义见表2．2－26之注②。
表2．2－29 高硅氧纤维和石英纤维的性能
4．2．2 碳纤维
碳纤维是统指纤维中含碳量在95%左右的碳纤维和含碳量在99%左右的石墨纤维。含碳量95%左右的碳纤维是由人造纤维在隔绝空气的条件下经高温碳化而成的；而含碳量99%左右的石墨纤维则是再将此碳纤维置于氩气气氛中进行高温石墨化处理后所得到的纤维，也可称为高模量碳纤维。
碳纤维具有很高的模量，耐热性也很好，且耐疲劳、抗蠕变性均优于玻璃纤维。石墨纤维还有良好的自润滑性能，且热膨胀系数极小，导热率很高(但随温度升高导热率明显下降)，是良好的高温隔热材料。碳纤维的耐蚀性极强，且耐油，能抗放射性照射，导电性也好。碳纤维还可和其它纤维混合使用，如和Kevlar－49纤维、玻璃纤维或硼纤维等混合而得到的纤维复合材料，能够体现出两种纤维的优点。但是，碳纤维目前还存在价格高、层间剪切强度低、冲击强度差等缺点。
碳纤维也有连续纤维、短切纤维、毡、布、带等各种类别。根据原材料的不同，可分为聚丙烯腈基碳纤维(PAN－CF)、人造丝基碳纤维和沥青基碳纤维；按力学性能又可分为高性能和低性能两大类。高性能碳纤维又有高强型(HT)、高模量型(HM)、普通型(AS)、超高强型(UHT)及超高模量型(UHM)等。目前主要应用的是聚丙烯腈基碳纤维。国产PAN－CF的性能与国外同类纤维性能的比较见表2．2－30。
表2．2－30 聚丙烯睛基碳纤维(PAN－CF)的性能比较表
碳纤维的电阻率为10－2～10－4Ω·cm。其线胀系数在纤维轴方向：高模量型为－1×10－6K－1，高强型为－0．5×10－6K－1；在横向约为16．8×10－6K－1，热导率在纤维轴方向为83．7～125．6W／(m·K)，在纤维的横方向为0．84W／(m·K)，并随温度上升而下降，在1500℃时热导率为常温时的15～30%，纤维在3000℃非氧化气氛的高温下不融化、不软化。石墨纤维在1500℃以上才达到其强度的最大值。碳纤维能被强氧化剂氧化，但耐酸、碱性很好。
4．2．3 有机合成纤维
目前，性能优良且产量最大的有机合成纤维是芳香族聚酰胺纤维(也有的称其为芳酰胺纤维或芳纶等)。芳香族聚酰胺纤维有凯芙拉(Kevlar)纤维、诺曼克斯(Nomex)纤维及比(B)纤维等。国产的芳纶1414(相当于Kevlar－49，又称芳纶Ⅱ)的化学名为聚对苯二甲酰对苯二胺纤维(PPTA)，芳纶14(相当于B纤维)的化学名为聚对苯甲酰胺(PBA)。
Kevlar纤维的特点是：具有高强度和高模量。其拉伸强度约为钢丝的1．3倍、铝合金的5倍，Kevlar－49的弹性模量比E玻璃纤维高约1倍；密度小，仅为钢的1／5左右，故比强度极高，相当于钢丝的3～4倍，超过玻璃纤维、碳纤维与硼纤维，比模量为钢丝和玻璃纤维的2～3倍，与碳纤维相近；耐高温性优良；尺寸稳定性良好；不燃烧，且在冲击韧性、耐疲劳性、绝缘性和加工性能等方面都较优良；有较好的振动阻尼性；耐海水腐蚀及化学药剂性好，除少数几种强酸和强碱外，对其它药剂都很稳定；对氧稳定，但耐紫外光较差；原料易得，成本低。常用芳纶纤维的主要性能和用途见表2．2－31。
表2．2－31 芳纶纤维的主要性能和用途
注：①括号内所列为上海合成纤维所的产品性能。
②为上海合成树脂所的产品性能。
除芳纶纤维外，开发研制的还有超高强度聚乙烯纤维(简称UHS－PE纤维)。它除具有普通PE的化学稳定性、介电性、耐寒性(－80℃)外，还具有高强度、高模量、高冲击强度等特性；它的拉伸强度可为钢的10倍、碳纤维和芳纶纤维的2倍；其密度比水小，耐水、耐药品及耐磨性良好。但耐热性较差，约在140℃熔融。
4．2．4 其它纤维
见表2．2－32。
表2．2－32 其它各种纤维的性能
注：①硼纤维为B－W结构。
②1200℃时，只有室温强度的1／3。
③在1000℃空气中，强度保持率92%。
④是隔热材料使用的最高温度。