增强材料玻璃纤维

1、第四章 复合材料的增强材料 增强材料：在复合材料中，能提高基体材料机械强度、弹性模量等力学性能的材料。 增强材料不仅能提高复合材料的强度和弹性模量，而且能降低收缩率，提高热变形温度，并在热、电、磁等方面赋予复合材料新的性能增强材料种类物理形态：纤维状、片状、颗粒状增强材料等玻璃纤维、碳纤维与石墨纤维、硼纤维、芳纶纤维等本节主要内容 概述 玻璃纤维的开展状况 玻璃纤维的分类 玻璃纤维的结构与组成 玻璃纤维的物态 玻璃纤维的结构 玻璃纤维的化学组成 玻璃纤维的性能 玻璃纤维的物理性能 玻璃纤维的化学性能 玻璃纤维及其制品 玻璃纤维及其制品的生产工艺玻璃是一种以脆闻名的物质。有趣的是，玻璃一旦经加热

2、，被拉制成比头发还要细得多的玻璃纤维之后，它就变得像合成纤维那样柔软，而坚韧的程度甚至超过了同样粗细的不锈钢丝！玻璃纤维有啥用处呢？玻璃绳 玻璃布 绝缘材料 玻璃纤维复合材料 玻璃棉 纤维内窥镜 光导纤维 用于内窥镜的照明、冷光传导单丝直径35微米,通光口径1-30 mm,保护层为不锈钢金属软管+硅胶管透光率高，柔软性好 玻璃纤维是复合材料中使用量最大的一种增强材料。 玻璃纤维的开展状况1938年，世界上第一家玻璃纤维企业-欧文斯康宁玻璃纤维公司 1940年，美国发表了最早的E玻璃纤维专利 1958年到1959年，美国最大的两个玻璃钢厂商欧文斯康宁公司和匹兹堡平板玻璃公司相继建成了池窑拉丝工厂

3、 1971年建成以重油为热源的全火焰中碱拉丝池窑 碱金属氧化物R2O含量在0.05%以下的钙铝硼硅酸盐玻璃纤维 国外玻璃纤维特点：1. 技术上先进，普遍采用池窑拉丝技术，开展多排多孔拉丝工艺 2. 直径越来越粗，纤维直径为1424m，甚至到达27m 3. 大量生产无碱玻纤，无纺织玻璃纤维织物4. 无捻粗纱的短切纤维毡片所占比例增加，偶联剂的品种不断增加5. 重视纤维树脂界面的研究，玻璃纤维的前处理受到普遍重视国内玻璃纤维特点： 较国外起步较晚，中碱玻璃纤维仍然占大多数，正向粗纤维方向开展，池窑拉丝工艺正在推广，新型偶联剂不断出现，改善了纤维树脂界面，重视纤维-树脂界面的研究。 GF的分类1以玻

4、璃原料成分分类用于连续GF的分类 一般以不同的碱金属氧化物含量来区分。无碱玻璃纤维E玻璃纤维 碱金属氧化物含量0.05% 化学稳定性、电绝缘性能、强度好 主要用作电绝缘材料、玻璃钢的增强材料等缺点：是易被稀无机酸侵蚀 中碱玻璃纤维C玻璃纤维 碱金属氧化物含量11.5-12.5%，钠硼硅酸盐玻璃 含碱量高，不能用作电绝缘材料，耐酸性、耐水性好，但其化学稳定性和强度尚好。 一般用作乳胶布、方格布基材、酸性过滤布、窗纱基材等，也可作对电性能和强度要求不很严格的玻璃钢增强材料。 本钱较低，用途较广。 高碱玻璃纤维A玻璃纤维碱金属氧化物含量15 如采用碎的平板玻璃、碎瓶子玻璃等作原料拉制而成的玻璃纤维均

5、属此类。 可用作蓄电瓶的隔离片、管道包扎布和毡片等防水、防潮材料。A玻璃纤维由于碱金属氧化物含量高，对潮气的侵蚀极为敏感，耐老化性差，耐酸性比C玻璃纤维差，因此很少生产和使用我国已于1963年停止生产和使用，但国外仍有厂家用它来制造连续纤维外表毡。特种玻璃纤维 由纯镁铝硅三元组成的高强玻璃纤维Sglass； 镁铝硅系高强高弹玻璃纤维； 硅铝钙镁系耐化学腐蚀玻璃纤维； 含铅纤维； 高硅氧纤维： 石英纤维等。 S玻璃纤维的拉伸强度比无碱E玻璃纤维约高35%，杨氏模量高10%20%，高温下仍能保持良好的强度和疲劳性能 high-silica glass fiber,其SiO2含量96% 碱金属氧化物

6、：一般指氧化钠、氧化钾。碱金属氧化物是普通玻璃的主要成分之一，主要作用是降低玻璃的熔点。碱金属氧化物含量越高，玻璃纤维的化学稳定性、电绝缘性能、强度都会相应下降。2以单丝直径分类粗 纤 维：单丝直径一般为30um初级纤维：单丝直径大于20um；中级纤维：单丝直径10-20um高级纤维：纺织纤维其单丝直径3-10um。超细纤维：单丝直径小于4um。 一般：5-10um的纤维作为纺织制品用； 10-14um的纤维一般做无捻粗纱、无纺布、短切纤维毡等较为适宜。 3按纤维性能分类 这是一类为适应特殊使用要求，新开展起来的，纤维本身具有某些特殊优异性能的新型玻璃纤维，大致可分为： 高强玻璃纤维； 高模量

7、玻璃纤维； 耐高温玻璃纤维； 耐碱玻璃纤维； 耐酸玻璃纤维； 普通玻璃纤维指无碱及中碱玻璃纤维； 光学纤维； 低介电常数玻璃纤维； 导电纤维 等 玻璃纤维的物态玻璃纤维是纤维状的玻璃。玻璃是无色透明具有光泽的脆性固体。定义：由熔融态过冷时因粘度增加而具有固体物理机械性能的无定形物体，各向同性的均质材料。4. 1.2 GF的结构及组成GF的特点 玻璃：无规那么的非晶态结构，近程有序，远程无序 玻璃的共性：各向同性无固定熔点亚稳定性性质变化的连续性，可逆性 亚稳定性 玻璃是由熔融液体过冷得到的，在冷却过程中粘度急剧提高，质点来不及做有规那么的排列而形成晶体，没有释放出结晶潜热(凝固热)。所以玻璃态

8、物质比相应的结晶态物质具有较大的能量，不是处于能量最低的稳定态，而属于亚稳态。性质变化的连续性、可逆性： 玻璃在由熔融态冷却或加热过程中，其物理化学性质变化是逐渐、连续的变化，而且是可逆的。 微晶结构假说： 玻璃是由硅酸块或二氧化硅的“微晶子组成，在“微晶子之间由硅酸块过冷溶液所填充。 网络结构假说 玻璃是由二氧化硅的四面体、铝氧三面体或硼氧三面体相互连成不规那么三维网络，网络间的空隙由Na、K、Ca、Mg等阳离子所填充。二氧化硅四面体的三维网状结构是决定玻璃性能的根底，填充的Na、Ca等阳离子称为网络改性物。 5.1.2.2 玻璃纤维的结构玻璃纤维结构示意图 GF的化学组成 玻璃纤维的化学组

9、成主要有SiO2、Be2O3、CaO、Al2O3等。这些物质对玻璃纤维的性质和生产工艺起决定性作用。以SiO2为主称硅酸盐玻璃以Be2O3为主称硼酸盐玻璃以P2O5为主称磷酸盐玻璃 氧化钠、氧化钾等碱性氧化物为助熔氧化物，它可以降低玻璃的熔化温度和粘度，使玻璃溶液中的气泡容易排除，它主要通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，从而到达助溶的目的。氧化钠和氧化钾的含量越高，玻璃纤维的强度、电绝缘性和化学稳定性会相应的降低5.1.3 玻璃纤维的性能5.1.3.1 玻璃纤维的物理性能1. 外观和密度 玻璃纤维呈外表光滑的圆柱体，外表光滑，纤维之间的抱合力非常小，不利于和树脂粘结。玻璃纤维彼此相靠近时，空隙填充

10、得较为密实，有利于提高玻璃钢制品的玻璃含量。纤维名称羊毛蚕丝棉花人造丝尼龙碳纤维玻璃纤维无碱有碱密度g/cm31.281.331.301.451.501.601.50 1.601.141.42.62.72.4 2.6 玻璃钢使用的玻璃纤维直径5m20m，其密度较有机纤维大很多，但比一般金属密度要低。2. 力学性能(1) 拉伸强度玻璃纤维的拉伸强度比同成分的块状玻璃高几十倍例：块状有碱玻璃纤维的拉伸强度：40MPa100MPa 玻璃纤维强度：2000MPa几种纤维材料和金属材料的强度羊毛亚麻棉花生丝尼龙高强合金钢铝合金玻璃玻璃纤维纤维直径(m)1516 5010 2018块状块状块状块状58拉伸

11、强度(MPa)100300350300700440300600160040 46020 12010003000微裂纹假说： 玻璃的理论强度很高，可达2000 12000 MPa，但实测强度很低：在玻璃或玻璃纤维中存在着数量不等、尺寸不同的微裂纹，大大降低了强度。微裂纹分布在玻璃或玻璃纤维的整个体积内，但以外表的微裂纹危害最大。由于微裂纹的存在，使玻璃在外力作用下受力不均，微裂纹处产生应力集中，从而使强度下降。 玻璃纤维高温成型时减少了玻璃溶液的不均一性，使微裂纹产生的时机减少；玻璃纤维的断面较小，使微裂纹存在的几率也减少，从而使玻璃纤维强度增高。分子取向假说： 在玻璃纤维成型过程中，由于拉丝机

12、的牵引作用，使玻璃纤维分子产生定向排列，从而提高了玻璃纤维强度。影响玻璃纤维强度的因素： 纤维直径和长度对拉伸强度的影响直径越细，拉伸强度越高随着纤维长度的增加，拉伸强度显著下降 直径(m)性能457911拉伸强度(MPa)3000 38002400 29001750 21501250170010501250玻璃纤维长度(mm)纤维直径(m)平均拉伸强度(MPa)51315002012.512109012.7860156013720 化学组成对拉伸强度的影响含碱量越高，强度越低。无碱玻璃纤维比有碱玻璃纤维的拉伸强度高20%。玻璃纤维纤维直径(m)拉伸强度(MPa)无碱5.012000有碱4.7

13、01600 无碱玻璃纤维成型温度高、硬化速度快、结构键能大 氧化钠、氧化钾等碱性氧化物为助熔氧化物，它主要通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，从而到达助溶的目的。 氧化钠和氧化钾的含量越高，玻璃纤维的强度会相应的降低 存放时间对强度的影响玻璃纤维存放一段时间后其强度会降低纤维的老化。原因：空气中的水分和氧气对纤维侵蚀 施加负荷时间对强度的影响玻璃纤维强度随着施加负荷时间的增长而降低环境湿度较高时，尤其明显原因：吸附在微裂纹中的水分，在外力作用下，使微裂纹扩展速度加速。(2)玻璃纤维的弹性玻璃纤维的延伸率：纤维在外力作用下直至拉断时的伸长百分率玻璃纤维的弹性模量：在弹性范围内应力和应变关系的比例常数影

14、响玻璃纤维的弹性模量的主要因素：化学组成参加BeO、MgO能提高玻璃纤维的弹性模量纤维种类弹性模量(MPa)延伸率(%)无碱纤维(E)720003.0有碱纤维(A)660002.7棉纤维10000120007.8羊毛纤维60002535亚麻纤维300005000023芳纶纤维30002025高合金钢160000铝合金4200046000(3)玻璃纤维的耐磨性和耐折性玻璃纤维的耐磨性和耐折性能很差，尤其在潮湿环境下玻璃纤维外表吸附水分后能加速微裂纹的扩展改进玻璃纤维的柔性措施：外表处理0.2%阳离子活性剂水溶液处理3. 玻璃纤维的热性能(1) 玻璃纤维的导热性玻璃导热系数：0.7W/(mK)1.

15、3W/(mK)玻璃纤维导热系数：0.034W/(mK)原因：纤维间的空隙较大，容积密度较小，空气导热系数低物质种类容积密度(kg/m3)导热系数W/(mK)物质种类容积密度(kg/m3)导热系数W/(mK)羊毛800.0340.046玻璃纤维800.034蚕丝1000.0460.052玻璃0.71.3亚麻1300.0460.053空气0.0246原棉810.0580.062水0.60(2) 玻璃纤维的耐热性玻璃纤维的耐热性较高，软化点为550850，热膨胀系数为4.810-6 /；200 250以下，玻璃纤维强度不变5.1.3.2 玻璃纤维的化学性能化学成分对玻璃纤维化学稳定性的影响： 玻璃纤

16、维除氢氟酸(HF)、浓碱(NaOH)、浓磷酸外，对所有化学药品和有机溶剂有很好的化学稳定性。无碱与中碱玻璃纤维性能比照种类耐酸性耐水性机械强度防老化性电绝缘性成本浸润剂适用条件无碱一般好高较好好较高树脂易渗透强度高的场合中碱好差较低较差低低树脂渗透性差强度低的场合中碱玻璃纤维耐酸性好 酸与玻璃纤维外表的金属氧化物作用，金属氧化物(Na2O、K2O)离析、溶解；酸与玻璃纤维中硅酸盐作用生成硅酸，硅酸迅速聚合并凝成胶体，在玻璃外表形成一层极薄的氧化硅保护膜，实践证明Na2O、K2O有利于这层保护膜的形成。无碱玻璃纤维耐水性好 水与玻璃纤维作用，首先是侵蚀玻璃纤维外表的碱金属氧化物，水呈现碱性，随着

17、时间增加，玻璃纤维与碱液继续作用，直至使二氧化硅骨架破坏。 玻璃纤维的化学稳定性主要取决于其成分中的二氧化硅及碱金属氧化物的含量。二氧化硅含量多能提高玻璃纤维的化学稳定性；碱金属氧化物会使化学稳定性降低。7.4 玻璃纤维及其制品 玻璃纤维的生产工艺 坩埚法拉丝、池窑漏板法拉丝(1) 坩埚法拉丝工艺 生产工艺由制球和拉丝两局部组成整个拉丝过程中加球和拉丝温度控制是由自动控制装置来完成的 7.4.1 玻璃纤维及其制品的生产工艺1加料孔；2铂针；3坩埚； 4电极板；5玻璃液；6漏板；7玻璃纤维单丝；8集束轮；9玻璃纤维原纱；10拉丝卷筒2 玻璃纤维漏板上有数百个小孔直径为12mm的圆面积内有200400个孔，它们称为喷丝孔。拉丝机的机头上套有卷筒，由电机带动作高速旋转，将从喷丝孔流出的玻璃纤维绕在卷筒上，套筒的高速转动使玻璃液从拉丝孔拉出，冷却成玻璃纤维。(2) 池窑漏板法拉丝工艺 池窑拉丝是连续玻璃纤维生产的一种新的工艺方法。池窑拉丝与坩埚拉丝相比较，具有如下优点： 1. 省去制球工艺，简化工艺流程，效率高；2. 池窑拉丝一窑可安装10块到上百块漏板，熔量大，生产能力高；3. 易实现自动化；4. 适于多孔大