凡是能使材料的強(qiáng)度性能提高的材料統(tǒng)稱為增強(qiáng)材料。環(huán)氧樹脂所用的增強(qiáng)材料主要以纖維為主，其他的還有晶須及起增強(qiáng)作用的填料。

   一、纖維增強(qiáng)材料

   環(huán)氧樹脂用纖維類增強(qiáng)材料主要有碳纖維、玻璃纖維、有機(jī)纖維等。 

   1.玻璃纖維的特性、品種規(guī)格、成分和單絲直徑的合理選用

   玻璃纖維是非結(jié)晶型無機(jī)纖維、不燃燒、伸長(zhǎng)率和線膨脹系數(shù)小，能耐許多介質(zhì)的腐蝕。耐高溫，E-玻纖的軟化點(diǎn)為846℃，C—玻纖的軟化點(diǎn)為688℃，S—玻纖的軟化點(diǎn)為970℃，適宜于較高溫度下使用。缺點(diǎn)是不耐磨、易折斷、易受機(jī)械損傷，長(zhǎng)期放置強(qiáng)度下降。

   按玻璃纖維的成分可分為：有堿玻璃纖維、中堿玻璃纖維、低堿玻璃纖維和微堿玻璃纖維；按使用特性分為：普通玻璃纖維、耐酸玻璃纖維、耐堿玻璃纖維、高強(qiáng)玻璃纖維、高模量玻璃纖維等。其性能指標(biāo)見表5-1。

   國(guó)際上對(duì)玻璃鋼用的纖維直徑進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，證明纖維直徑的加粗對(duì)玻璃鋼強(qiáng)度的影響并不顯著。因此現(xiàn)在國(guó)外玻璃鋼用的玻纖單絲直徑已從9～10/μm逐漸增加到13～14、15～17、19～20μm。單絲直徑加粗后，提高了玻纖產(chǎn)量，減少了合股工序，有利于樹脂的浸潤(rùn)。但玻纖的脆性與它的直徑四次方成正比，單絲越細(xì)，其柔軟性、耐折性、耐磨性也越好。從經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)工藝角度考慮，直徑越細(xì)，拉絲難度越大，產(chǎn)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率越低，成本越高。因此，必須根據(jù)使用要求選用最合理的單絲直徑。

   玻璃纖維紗可分無捻紗及有捻紗兩種。無捻紗一般用增強(qiáng)型浸潤(rùn)劑，由原紗直接并股、絡(luò)紗制成。有捻紗則多用紡織型浸潤(rùn)劑，原紗經(jīng)過退繞、加捻、并股、絡(luò)紗而制成。無捻紗對(duì)膠液的浸潤(rùn)性較好，強(qiáng)度較高、成本較低，但在成型產(chǎn)品過程中易磨損、起毛和斷頭；有捻紗的特點(diǎn)與其相反。

   由于生產(chǎn)玻璃纖維紗的纖維直徑、支數(shù)及股數(shù)不同，使無捻紗和有捻紗的規(guī)格有許多種。紗的牌號(hào)表示法為：成分一單絲直徑一原紗支數(shù)/股數(shù)，國(guó)產(chǎn)玻璃纖維紗的規(guī)格及性能見表5-2～表5-4。

   玻璃纖維織物的品種很多，主要有玻璃纖維布、玻璃纖維氈、玻璃纖維帶等。玻璃纖維布又可分平紋布、斜紋布、緞紋布、無捻粗紗布、單向布、無紡布等。玻璃布的牌號(hào)表示法為：成分—布的厚度×1000。國(guó)產(chǎn)玻璃纖維布的部分品種和規(guī)格見表5-5～表5-7。各種玻纖的用途見表5-8。

   選擇玻璃纖維及織物作增強(qiáng)材料時(shí)，必須根據(jù)玻璃鋼的使用條件、性能要求、幾何形狀、成型條件及經(jīng)濟(jì)效果等綜合考慮。 

   2.碳纖維

   碳纖維是一種高強(qiáng)度、高模量材料。它一般采用人造纖維（如：膠粘纖維、醋酸纖維或聚丙烯腈纖維）來制造，也可采用瀝青纖維、木質(zhì)素纖維等制造。但目前各國(guó)多采用聚丙烯腈纖維為原料制造碳纖維。

   碳纖維的類型是按照它們的力學(xué)性能來區(qū)分的，可分為：普通型（低性能型）、中強(qiáng)中模型和高強(qiáng)高模型。它們的力學(xué)性能見表5-9。

   碳纖維具有較高的強(qiáng)度和模量，是與它的結(jié)構(gòu)分不開的。碳纖維是由小的亂層結(jié)構(gòu)類同石墨晶體所組成的多晶體如圖 5-1所示。

   這種晶體與完善的石墨主要差別是：碳纖維的層面空間約0.342nm，石墨的層面空間約0.335nm；碳纖維的各平行層原子不是規(guī)則堆積，因而稱之為亂層結(jié)構(gòu)，而石墨層面上的原子與平行層面的原子有特殊的空間關(guān)系。碳纖維由于晶體的擇優(yōu)取向，即晶體的強(qiáng)力面平行于纖維軸而沿著圓周排列，故模量高。 

   碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧的主要優(yōu)點(diǎn)是，比強(qiáng)度、比剛度高，耐疲勞、耐蠕變、耐摩擦和耐熱性好。缺點(diǎn)是價(jià)格高，沖擊韌性、層間剪切強(qiáng)度低于玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂。環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料制品幾乎有一半以上是應(yīng)用于宇航、軍用或民用飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈，也用于防火、防靜電、防核輻射及防生物武器等方面，成為國(guó)防工業(yè)中不可缺少的結(jié)構(gòu)材料。以飛機(jī)為例環(huán)氧樹脂碳纖維材料主要用作機(jī)翼、蒙皮、中央翼盒、尾翼、機(jī)翼壁板。這種材料在直升機(jī)上應(yīng)用已達(dá)到自重的50%以上，在軍用飛機(jī)上的應(yīng)用已超過25%。另外，環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料的另一大用途是用于制造運(yùn)動(dòng)器械，如高爾夫棒、滑雪板、雪橇、網(wǎng)球拍、釣魚桿、撐桿跳桿等，主要是利用環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合材料的質(zhì)量輕，高度的韌性、抗磨損性和高剛性。 

   3.芳香族聚酰胺纖維

   芳香族聚酰胺纖維又稱為Kevlar纖維，化學(xué)名為聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺纖維，結(jié)構(gòu)式為： 

   Kevlar一類的纖維具有比重?。ㄖ挥袖摻z的1/5～1/5.5）、熱穩(wěn)定性好、可耐240℃、拉伸強(qiáng)度高、模量中等、耐屈折、耐疲勞、耐磨、耐腐蝕、線脹系數(shù)小等特點(diǎn)，故有“人造鋼絲”之稱。Kevlar-49的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量為玻璃纖維的2.5～3倍，但是碳纖維的1/2或比1/2還要低。此外Kevlar纖維的沖擊韌度與耐疲勞性能也較一般纖維的要高。環(huán)氧樹脂和芳綸制成的復(fù)合材料主要用于航空、航天工業(yè)中，例如：火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體和壓力容器，宇宙飛船、航天飛機(jī)的駕駛艙、各種氣體的容器等。在飛機(jī)上作為機(jī)翼前緣、襟翼、方向舵、窗框、艙壁、艙門、行李架，它的特點(diǎn)是比玻璃纖維增強(qiáng)材料減輕質(zhì)量30%。

   芳綸和其他有機(jī)纖維一樣，很容易紡織成織物。將這些織物和環(huán)氧樹脂制成復(fù)合材料的性能見表5-10～表5-11。

   4.其他纖維增強(qiáng)材料

   除了上面提到的三種纖維外，像硼纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、金屬纖維和氧化鋁、氮化鋯等晶須，起增強(qiáng)作用的填料，以及混雜纖維等也可作為環(huán)氧樹脂的增強(qiáng)材料。

   二、選用原則

   環(huán)氧樹脂作為高性能復(fù)合材料使用時(shí)，增強(qiáng)材料主要選用的是纖維增強(qiáng)材料。至于選用哪一種纖維，主要由產(chǎn)品的性能要求、使用的環(huán)境等因素所決定，在滿足要求的條件下，價(jià)格也是需要考慮的一個(gè)因素。纖維復(fù)合材料中，纖維一般占復(fù)合材料體積含量的60%～70%左右，短纖維增強(qiáng)材料中，纖維一般占體系重量的20%～30%。

   環(huán)氧涂料或澆注料中，增強(qiáng)材料大都為起增強(qiáng)作用的填料，也可以是短切玻璃纖維、石棉纖維等。有關(guān)起增強(qiáng)作用的填料的選擇見第六章。