常用的增强材料是玻璃纤维及其织物课件

第二章增强材料常规测试技术复合材料测试技术第2章增强材料常规测试技术2.1纤维及其织物2.2粉状填料

2.1纤维及其织物增强材料主要有玻璃纤维，碳纤维，聚丙烯纤维，钢纤维，植物纤维，芳纶纤维等。常用的增强材料是玻璃纤维及其织物。我们所说的玻璃通常是以二氧化硅为主要成分，加入各种金属氧化物或碳酸盐，经高温熔融，在末析出结晶时即被急剧冷却凝固而成的无定形物质。其结构是[SiO4]-4四面体组成的无规则网络，网络的空隙间嵌有结合力较弱的各种金属离子。玻璃纤维就是把熔化后的玻璃拉成品质均匀的直径为0.5－30um的细丝，具有不燃烧、耐腐蚀、拉伸强度高、光学性能好、价廉及原材料易得等优点。它是玻璃钢中的主要承力组分，不仅能提高基体的强度与弹性模量，而且能减少收缩、提高热变形温度。

玻纤高强的原因（1）微裂纹假说。微裂纹假说认为，玻璃的理论强度取决于分子或原于间的引力，其理论强度很高，可达到2000－l2000MPa，而实际强度达不到理论强度，这是因为在玻璃中存在着数量不等、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，但以表面的微裂纹危害最大。在外力作用下，危害大的微裂纹处产生应力集中而发生破坏。玻璃纤维比玻璃的强度高得多，这是因为玻璃纤维经高温成型时，减少了玻璃熔液的不均一性，使微裂纹产生的机会减少。此外，玻璃纤维的断面面积小，微裂纹存在的机率也减少，所以纤维的强度高。（2）“冻结”高温结构假说。该理论认为，玻璃纤维在成型过程中由于冷却速度很快，使熔融态玻璃的结构冻结，因而玻璃纤维中的结晶及微观分层等都较块状玻璃少得多，使玻璃纤维的强度提高。（3）分子取向假说。该理论认为，在玻璃纤维成形过程中，由于拉丝机的牵引力作用，使玻璃纤维分子产生定向排列，从而提高了玻璃纤维的强度。目前生产玻璃纤维最先进的方法是池窑拉丝。熔化成液态的玻璃，借助自重从漏板孔中流出，在迅速冷却的过程中，用高速拉丝机拉制成直径很细的玻璃纤维单丝，单丝经过浸润剂槽集束成原纱，原纱经排纱器缠到绕丝筒上。

玻纤的生产工艺浸润剂的作用是使纤维粘合集束，润滑耐磨，消除静电。浸润剂分为两类:一类称为纺织型浸润剂，主要是适应纺织加工的需要，其成分中含有石蜡、凡士林、硬脂酸，固色剂等，这类浸润剂的缺点是减弱了树脂与玻璃纤维的粘结力，因此使用时要经脱蜡处理。

另一类是增强型浸润剂、如聚醋酸乙烯型浸润剂、聚酯型浸润剂等，在制造玻璃钢时不需清除这类浸润剂。生产玻璃纤维制品的主要设备是纺纱机和织布机。A.单丝直径单丝直径的测试方法很多，常用的是显微镜法。显微镜法是采用透射式或反射式具有分格线目镜的显微镜。2.1.1单丝单丝的主要测试项目有直径，密度，强度和模量。利用单丝与周围介质对光透射率和反射率的差异可以在视野中清晰地看到单根纤维的轮廓。通过数纤维两边缘间的格数，再进行计算，就可以得到单丝直径。测试原理

d=p.N

p:目镜中每分格的标定宽度;N:格数.至少应测量25根纤维，取平均值。透射式显微镜法制备试样的方法是：剪一小截纤维束放在载物玻片上，加一滴甘油，用干净针尖拨散纤维，盖上盖玻片。试样制备反射式显微镜法制备试样的方法是：将多束平行排布的纤维浇上已加固化剂的环氧树脂。固化后，在垂直纤维轴方向切断，将断面湿法磨平，抛光，洗净，擦干既可。测定纤维密度的方法有比重瓶浸液法，浮沉法和密度梯度管法，下面一一介绍。

B.纤维密度比重瓶浸液法一定质量的纤维（或粉料）在一定容积的比重瓶中，当液体对其完全浸润时，它占容积大小一定是它空间体积的大小。测试原理已知比重瓶重量m0,纤维质量mf,总重量msL及比重瓶中装满液体时的总重量mL。则纤维密度：ρf=mf/vf=mfρL/(mL-msL+mf)

比重瓶的总容积：V=(mL－m0)／ρL加入纤维后液体所占体积：VL=(msL-m0-mf)/ρL纤维所占体积：Vf=V-VL=(mL-msL+mf)/ρL整个过程需要温度恒定，否则ρL不同，影响测量结果。纤维或粉料浸在某液体中时必定停留在相同密度的液体中，否则必沉底或浮于液面上。浮沉法已知透明有机液体密度最大的是三溴甲烷，可以与密度小的相溶性透明液体配成不同的混合液体。当纤维浮在液面就滴加轻液，反之则滴加重液，直至纤维停留在混合液中，用比重计测混合液密度，即为纤维密度。

密度梯度管法先配好一组不同密度的混合液体，然后将液体由轻到重依次通过一个插到管底部的漏斗，注入管中。注入时避免对液体搅动和震荡，使液体在管中自上到下保持由轻到重的密度梯度状态。对此管内放入标准密度空心小球，标定管中高度h与密度ρ的对应值，并画成图，要求h－ρ成直线关系。由公式可计算出纤维密度。注意：配制的液体不能对试样起化学反应或溶解溶胀。

C单丝强度与模量在测量单丝拉伸强度和模量时，我们采用很灵敏的拉力机。测试前必须对仪器进行校核。用标准砝码对仪器进行调满和1/2量程校正，并用秒表对走纸速度和拉伸速度进行校正。

先以坐标纸做成纸框，再用镊子夹一根足够长的单丝，置于纸框空格中央，用浆糊固定，使纤维与纸框边平行，再用另一半纸框折叠盖压将单丝夹于中间，试样就准备好了。试样制备S=4P/πd2E=4Δpl/πd2Δl将试样夹好，使纸框中线与夹具中线重合，然后打开记录仪开关。用剪刀将纸框剪断，留单丝独立承载，最后计算得到：A纤维束拉伸强度在拉伸纤维束时，有可能各单丝受力不均而断裂参差不齐，这是由于夹头对各根纤维夹力松紧不一，或各单根纤维伸直的程度不一所致。如果用树脂将纤维粘结起来，依靠树脂传递应力，则可较好地克服上述缺点，其试验步骤与单丝的基本一致。2.1.2纤维束纱的粗细通常以支数表示，其定义是：每股纤维1克质量的长度米数值，量纲与线密度互为倒数。

B纤维束线密度定义为单位长度纤维束地质量.可按下式计算线密度:t=m/lABC在一水平线上，中间悬挂一小重物（2－3g）,使纤维呈ADB绷紧状态。当温度升高时，纤维束长度发生变化，D点的位置就下移到E点或上升到E’点，根据公式可求得平均热膨胀系数AC=BC=l）

C平均热膨胀系数—中垂法该法的优点是只要CD与CB的比例选择得当，纤维长度的微小变化即可由DE或DE’的大小反映出来。M=DE/(BE-BD)为放大倍数，不能过大，否则重物使纤维绷的过紧，会给测量带来误差。2.1.3纤维织物（布）布面厚度：GB7689.1规定布应自然铺平，施加98Kpa压力，读取布面厚度值。经，纬密度：GB7689.2定义经，纬密度分别为经向和纬向每厘米宽度各自纱线的根数。当布自然铺平后，查点宽度为50mm或100mm的纱根数ni，经，纬密度：Ni=ni×10/l单位面积质量（参阅GB6007）：以正方形的平滑且直的金属模框取样，将待测织物平放于平台上，不加张力，距布边沿不少于50mm，将模框正压其上，用小刀沿边框划割织物，取样至少3块，按下式计算织物单位面积质量：PA=m/A经纬断裂强力（参阅GJB84）：经纬方向单位宽度上的断裂载荷，Si=P/b

2.2粉状填料粉状填料的主要测试项目有：视密度，平均粒径和吸油值。2.2.1视密度（表观密度）将漏斗与量筒安装好，漏斗下口与量筒入口对正并相距20—30mm，用平板堵住漏斗下口，将粉料自由下落流入漏斗中，然后抽撤平板，使粉料自由落入量筒内，不允许震动或敲击量筒。待装满后，刮去量筒上多余的粉料，称量筒内粉料质量m，按下式计算粉料的视密度

ρ=m/v

v—量筒的容积视密度定义为单位体积粉状料的质量。平均粒径及粒径分布是粉料的常规指标，它直接与表面积有关，其测量方法有筛目分级、沉积天平分级及激光测粒仪。2.2.2平均粒径标准筛目是指一平方英寸的正方形分成x2个目数，具有x2个大小相等的筛孔。筛孔是由丝线织网形成的，形状为正方形。在单位面积中丝线占有相当多的位置，所以筛孔的大小与丝线的粗细有关。在标准中对丝线的规格作了严格规定。A标准筛分级

由于筛孔孔径还没有真正统一。平常选用粉料只称目数，所称目数是该目的筛下物。它的粒径对应筛目以下的所有级分。如170目粉料，它的粒径是88微米以下的所有级分。

过筛分级有湿法和干法两种。湿法是用水冲洗筛上物，使之顺利通过筛孔。用水分散粉料，防止粉料分散和成团。通常平均粒径小于100µm的粉料用湿法过筛更准确。均匀分散在液体中的微粒，由于液体粘度作用使其沉降速度随粒径的不同而不同。处于同一高度的微粒，大颗粒沉降的快，小颗粒沉降的慢。各物理量之间的关系可用斯托克斯公式表示：B.颗粒沉积天平分级v=h/t=d2(ρf-ρl)g/18η沉积天平工作原理：当颗粒开始沉降时称盘中逐渐有试样沉积积累。天平横梁产生倾斜，固定在横量上的遮光片也随之产生倾斜。当称盘中沉积量达2mg时，遮光片移至使光电二极管受光照产生电流，使控制器开动，驱动计录器和加载装置，使天平平衡，重新遮断光路。第二次沉降积累2mg,上述过程再循环一次，最后记录纸上得到一曲线。对曲线进行分析和计算，可得到颗粒粒径分布情况。

c衍射式激光测粒仪激光器发出的光束经针孔滤波及扩速器后变成一直径为8－10mm的平行单色光。当该光照射到测量区中的颗粒群时便会发生衍射现象。衍射光的强度分布与测量区中被照射的颗粒直径和数量有关。用接收透镜使各个颗粒散射出来的相同方向的光聚焦到焦平面上，用多元光电探测器接收衍射光，然后转换成电信号输出，通过计算机处理，可以很快得到颗粒的粒径分布。吸油值反映粉料比表面积大小和表面吸附能力强弱，其定义为1g炭黑吸附邻苯二甲酸二丁酯的毫升数。广义说来，也有定义颜料和其它粉料吸附亚麻仁油的，单位都是ml/g.

2.2.2吸油值其操作要点：用