纤维及其纤维复合材料

纤维及其作用

纤维材料是指由连续或不连续的细丝组成的物质。纤维用途广泛可织成细线、线头和麻绳，造纸或织毡时还可以织成纤维层;同时也常用来制造其它物料，及与其它物料共同组成复合材料。

材料经一定的机械加工（牵引、拉伸、定型等）后形成细而柔软的细丝，形成纤维。纤维具有弹性模量大，受力时形变小，强度高等特点。

纤维材料通常作为复合材料的增强材料。复合材料是以一种材料为基体，另一种材料为增强体组合而成的材料，各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。

增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。复合材料的性能优越且具有可设计性。

纤维的分类

纤维可被分作天然纤维及人造纤维。

天然纤维

天然纤维是在动物、植物和地质过程中形成的。根据来源，天然纤维分为如下几类。

植物纤维:由纤维素和木质素排列组成。出自棉、麻、亚麻、黄麻、苎麻、剑麻等作物。用于造纸及织布。

木纤维∶出自树木，用于造纸。主要的使用形式有磨木纸浆、预热磨木浆、(未）漂白（亚）硫酸盐纸浆等。

动物纤维:主要由蛋白质组成。如蛛丝、蚕丝，毛、发，肌腱，羊肠线等。

天然矿物纤维∶例如石棉。石棉是自然存在的矿物中唯一能形成长纤维结构的。另有些矿物呈短的束状结构，如硅灰石、绿坡缕石和多水高岭石。

人造纤维

人造纤维是指经加工过而制成的纤维，包括玻璃纤维、尼龙等。可以由天然原料加工而得（如玄武岩纤维)，也可以通过化学方法合成。

基于天然纤维素的人造纤维有很多种，包括人造丝、以及纤维素纤维。这一类纤维又可以分为两类，一是由纯纤维素或再生纤维素形成的，二是由纤维素乙酸酯等衍生物形成的。·最常见的人造矿物纤维是玻璃纤维和金属纤维。玻璃纤维由一种特殊的玻璃制成（而玻璃光纤，由纯石英制成)。金属纤维由铜银金等易延展金属可拉制纤维;镍、铝、铁等较韧性金属可通过挤压或沉积等手段制备。

碳纤维，由碳化高分子形成，属于合成纤维

合成纤维

合成纤维是从一些本身并不含有纤维素或蛋白质的物质如石油、煤、天然气、石灰石或农副产品加工提炼出来的有机物质，再用化学合成与机械加工的方法制成纤维。如涤纶、锦纶、腈纶、丙纶、氯纶等。

常用纤维材料

玻璃纤维

玻璃纤维是用熔融玻璃制成的极细的纤维，绝缘性、耐热性、抗腐蚀性好，机械强度高，是用做绝缘材料和玻璃钢的原料等。

玻璃纤维是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺。是一种性能优异的无机非金属材料，成分为二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化硼、氧化镁、氧化钠等。

普通的玻璃是一种脆性材料，如果将熔融的玻璃拉成很细的玻璃纤维之后，其性能发生很大变化。玻璃纤维很柔软，可以织成布。同时，玻璃纤维越细，它的强度越高。

玻璃纤维单丝的直径从几个微米到二十几米个微米，相当于一根头发丝的1/20-1/5，每束纤维原丝都有数百根甚至上千根单丝组成，作为复材料中的增强材料，电绝缘材料和绝热保温材料，电路基板等，广泛应用于国民经济各个领域。

玻璃纤维的特性

玻璃在抽成丝后，其强度大幅度增加且具有柔软性，配合树脂赋予一定形状以后可以成为优良结构材料。玻璃纤维随其直径变小其强度增高。玻璃纤维比有机纤维耐温高,不燃,抗腐，隔热、隔音性好(特别是玻璃棉)，抗拉强度高，电绝缘性好（如无碱玻璃纤维)。·但性脆，耐磨性较差。玻璃纤维可作为增强材料，用来制造增强塑料或增强橡胶、增强石膏和增强水泥等制品。用有机材料被覆玻璃纤维可提高其柔韧性，用以制成包装布、窗纱、贴墙布、覆盖布、防护服和绝电、隔音材料。

玻璃纤维的分类

玻璃纤维按形态和长度，可分为连续纤维、定长纤维和玻璃棉;按玻璃成分，可分为无碱、耐化学、高碱、中碱、高强度、高弹性模量和抗碱玻璃纤维等。

通过铂合金板以机械拉丝方法拉制的无限长的纤维，称为连续玻璃纤维，通称长纤维。

通过辑筒或气流制成的非连续纤维,称为定长玻璃纤维,通称短纤维。

借离心力或高速气流制成的细、短、絮状纤维，称为玻璃棉。

玻璃纤维经加工，可制成多种形态的制品，如纱、无捻粗纱、短切原丝、布、带、毡、板、管等。

玻璃纤维按组成、性质和用途，分为不同的级别。E级玻璃纤维使用最普遍，广泛用于电绝缘材料;S级为特殊纤维，虽然产量小，但很重要，因具有超强度，主要用于军事防御，如防弹箱等;C级比E级更具耐化学性，用于电池隔离板、化学滤毒器;A级为碱性玻璃纤维,用于生产增强材料。

玻璃纤维按照碱含量的多少，可分为无碱玻璃纤维(氧化钠O%~2%，属铝硼硅酸盐玻璃）、中碱玻璃纤维（氧化钠8%~12%,属含硼或不含硼的钠钙硅酸盐玻璃）和高碱玻璃纤维(氧化钠13%以上，属钠钙硅酸盐玻璃）。

常用玻璃纤维

E-玻璃和C-玻璃

E-玻璃亦称无碱玻璃，是一种硼硅酸盐玻璃。应用最广泛，其具有良好的电气绝缘性及机械性能，广泛用于生产电绝缘和玻璃钢产品，它的缺点是易被无机酸侵蚀，故不适于用在酸性环境。

C-玻璃亦称中碱玻璃，其特点是耐化学性特别是耐酸性优于无碱玻璃。可用于生产耐腐蚀的玻璃纤维产品，如玻璃纤维表面毡等，也用于增强沥青屋面材料。我国中碱玻璃纤维占据玻璃纤维产量的一大半（约60%)，广泛用于玻璃钢的增强以及过滤织物，包扎织物等的生产。

S-玻璃纤维

又称高强玻璃纤维，其特点是高强度、高模量，它的单纤维抗拉强度为OMPa，比无碱玻纤抗拉强度高25%左右，弹性模量OMPa，比E-玻璃纤维的强度高。用它们生产的玻璃钢制品多用于军工、空间、防弹盔甲及运动器械。但是由于价格昂贵，目前在民用方面还没有推广。

AR玻璃纤维和E-CR玻璃

AR玻璃纤维亦称耐碱玻璃纤维，主要是为了增强水泥而研制的。因为水化水泥是高碱度环境，玻璃纤维在硬化水泥中容易被腐蚀。E-CR玻璃是—种改进的无碱玻璃，用于生产耐酸耐水性好的玻璃纤维，其耐水性比无碱玻纤改善7～8倍，耐酸性比中碱玻纤也优越不少，是专为地下管道、贮罐等开发的新品种。

碳纤维

碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维，当其中含碳量高于99%的称石墨纤维。碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得。

碳纤维的性能特点

碳纤维是高科技合成纤维材料，力学性能优异，它的比重不到钢的1/4。碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。

具备纺织纤维的柔软可加工性，与传统的玻璃纤维(GF)相比，弹性模量是其3倍多。但耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。

碳纤维的种类

按状态分为长丝、短纤维和短切纤维。

按力学性能分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为MPa、模量为GPa左右。高性能型碳纤维又分为高强型（强度MPa、模量GPa)和高模型（模量GPa以上)。强度大于MPa的又称为超高强型;模量大于GPa的称为超高模型。高强高伸型碳纤维，其延伸率大于2%。用量最大的是聚丙烯腈基碳纤维。

依原料可分为聚丙烯腈系碳纤维、沥青系碳纤维。其中前者具有高强度、高弹性。沥青系碳纤维的弹性模量、导热性等特性比聚丙烯腈系碳纤维还要高，通常以长纤维形态被利用。沥青系碳纤维为高模量级纤维，比弹性模量显著优良，故适合于支配刚性结构物轻量化并赋予其结构刚性。另外，沥青系碳纤维具有高导热性、低电阻、低热线性膨胀率及化学稳定性好等特性。

碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料，除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。

芳纶纤维

芳轮纤维全称为“聚对苯二甲酰对苯二胺”，(杜邦公言的商总茗为Kevlar)，具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能其强度是钢丝的5~6倍，模量为钢丝或玻璃纤维的2~3倍，韧性是钢丝的2倍，而董量仅为钢丝的左右，在度的温度下，不分解、不融化。真有良好的绝缘性和抗老化性能，具有很长的生命周期。

超高分子量聚乙烯纤维

又称高强高模聚乙烯纤维，是目前比强度和比模量最高的纤维,其分子量在万~万的聚乙烯所纺出的纤维。超高分子量聚乙烯纤维与芳纶、碳纤维一起被并称为当今世界三大高性能纤维，其具有以下特性。

超高分子量聚乙烯纤维具有高比强度，高比模量，比强度是同等截面钢丝的十多倍，比模量仅次于特级碳纤维。纤维密度低，密度是0.97g/cm3，可浮于水面。断裂伸长低、断裂功大，具有很强的吸收能量的能力，因而具有突出的抗冲击性和抗切割性。抗紫外线辐射，防中子和y射线，能量吸收高、介电常数低、电磁波透射率高。耐化学腐蚀、耐磨性、有较长的挠曲寿命。耐磨性好，摩擦系数小，但应力下熔点只有~°℃。

聚丙烯纤维

是以聚丙烯为原材料，通过特殊工艺制造而成的，被称为混凝土的“次要加强筋”。掺入聚丙烯纤维的混凝土品质得到改善，综合使用性能得到提高，具有掺加工艺简单、价格低廉、性能优异等特点。

作为一混凝土增强纤维，聚丙烯网状纤维已为继玻璃纤维、钢纤维后纤维混凝土科学研究和应用领域的新热点。

常用的聚丙烯工程纤维可分为单丝和网状两种形式。单丝聚丙烯纤维是一种高强聚丙烯束状单丝纤维，经特殊的表面处理技术，确保了纤维在混凝土中具有极佳的分散性及与水泥机体的握裹力。一般使用于细石混凝土。

钢纤维

以切断细钢丝法、冷轧带钢剪切、钢锭铣削或钢水快速冷凝法制成长径比(纤维长度与其直径的比值，当纤维截面为非圆形时采用换算等效截面圆面积的直径)为40～80的纤维。

因制取方法的不同钢纤维的性能有很大不同，如冷拔钢丝拉伸强度为-MPa、冷轧带钢剪切法拉伸强度为-MPa、钢锭铣削法为70OMPa;钢水冷凝法虽为MPa,但是适合生产耐热纤维。

钢纤维主要用于制造钢纤维混凝土，任何方法生产的钢纤维都能起到强化混凝土的作用。

加入钢纤维的混凝土其抗压强度、拉伸强度、抗弯强度、冲击强度、韧性、冲击韧性等性能均得到较大提高。

钢纤维的增强效果主要取决于基体强度，纤维的长径比、纤维的体积率(钢纤维混凝土中钢纤维所占体积百分数)、纤维与基体间的粘结强度、以及纤维在基体中的分布和取向的影响。

当钢纤维混凝土破坏时，大都是纤维被拔出而不是被拉断，因此改善纤维与基体间的粘结强度是改善纤维增强效果的主要控制因素之一。

有机仿钢纤维

改性聚丙烯仿钢丝纤维(简称仿钢纤维)形状类似于钢纤维，是针对钢纤维而制的替代产品，同时兼顾合成细纤维的一些特点。以合成树脂为原料，经特殊工艺加工而成。仿钢纤维与钢纤维相比有以下一些优点。

聚丙烯仿钢丝纤维化学稳定性极好，耐腐蚀;凸凹不平的表面及特殊的亲水处理,增加了与基体的粘结力和握裹力,使纤维不易被拔出,提高了纤维混凝土的抗弯韧性;在混凝土中分散好,不易结团，施工操作方便;重量轻,易于运输及拌和;在喷射混凝土中添加量少,回弹率低,喷射厚度大。另外，聚丙烯仿钢丝纤维对拌合设备无损伤，可以克服钢纤维腐蚀生锈、易结团、磨损机械、运输困难、反弹伤人等缺陷。

玄武岩纤维

玄武岩纤维是玄武岩石料在1°℃~1°℃熔融后，通过高速拉制而成的连续纤维。类似于玻璃纤维,其性能介于高强度S-玻璃纤维和无碱E-玻璃纤维之间,纯天然玄武岩纤维的颜色一般为褐色,有些似金色。

玄武岩纤维材料

玄武岩纤维无捻粗纱，是用多股平行原丝或单股平行原丝在不加捻的状态下并合而成的玄武岩纤维制品。

玄武岩纤维纺织纱,是由多根玄武岩纤维原丝经过加捻和并股而成的纱线，单丝直径一般≤9um。纺织纱大体上可分为织造用纱和其他工业用纱。

玄武岩纤维短切纱,是用连续玄武岩纤维原丝短切而成的产品。纤维上涂有（硅烷）浸润剂。玄武岩纤维短切纱是增强热塑性树脂的首选材料，同时还是增强混凝土的最佳材料。

其它的还包括，玄武岩纤维布、玄武岩纤维毡和玄武岩纤维复合材料等。

玄武岩纤维的性能

玄武岩是一种高性能的火山岩组份，这种特殊的硅酸盐，使玄武岩纤维具有优良的耐化学性，特别具有耐碱性的优点。

因此，玄武岩纤维是替代聚丙烯、聚丙烯腈用于增强水泥混凝土的优良材料;也是替代聚酯纤维、木质素纤维等用于沥青混凝土极具竞争力的产品，可以提高沥青混凝土的高温稳定性、低温抗裂性和抗疲劳性等。

玄武岩纤维与碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维等高技术纤维相比，除了具有高技术纤维高强度、高模量的特点外，玄武岩纤维还具有耐高温性佳、抗氧化、抗辐射、绝热隔音、过滤性好、抗压缩强度和剪切强度高、适应于各种环境下使用等优异性能，且性价比好，是一种纯天然的无机非金属材料，是一种可以满足国民经济基础产业发展需求的新的基础材料和高技术纤维。

玄武岩纤维及其复合材料可以较好地满足国防建设、交通运输、建筑、石油化工、环保、电子、航空、航天等领域结构材料的需求，对国防建设、重大工程和产业结构升级具有重要的推动作用。

往期回顾：

先进土木工程材料系列01-先进水泥材料

先进土木工程材料系列02-生态友好型混凝土材料

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