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1、知识点二 玻璃纤维高分子材料专业 聚合物复合材料增强材料的概念及分类特征v概念：增强材料是复合材料的主要组成部分，它起着提高树脂 基体的强度、模量、韧性、耐热和耐磨等性能的作用，增强 材料还有减少复合材料成型过程中的收缩率、提高制品硬度 等作用。增强材料增强材料有时也称作增强体增强体、增强剂增强剂等。高分子材料专业 聚合物复合材料增强材料具备的特性： 应能明显提高某种所需特性的性能； 具有良好的化学稳定性； 与基体有良好的润湿性和适当的界面反应 价廉增强材料的概念及分类特征高分子材料专业 聚合物复合材料分类： 纤维类（连续长纤维和短纤维） 颗粒类 晶须类 金属丝 片状物增强材料的概念及分类特征
2、高分子材料专业 聚合物复合材料纤维类增强材料）v1.无机纤维1）玻璃纤维 fiberglass Owens corning 美国；泰山、巨石、重庆复合材料有限公司；2）碳纤维：聚丙烯腈基、沥青基； 日本: 东丽 三菱3）硼纤维 boron4）碳化硅纤维 SiC5）氧化铝纤维 Alumina2. 有机纤维1）刚性分子链对位芳酰胺： kevlar, twaron；聚苯并双噁唑；聚苯并咪唑；聚芳酯；2）柔性分子链聚乙烯；聚乙烯醇高分子材料专业 聚合物复合材料拉伸应变，%拉伸应力, GPa各种纤维的应力-应变曲线高分子材料专业 聚合物复合材料v2.1 概述 2.1.1 玻璃纤维的发展状况 2.1.2
3、玻璃纤维的分类 2.1.3 玻璃纤维的制备 v2.2 玻璃纤维的结构与组成 2.2.1 玻璃纤维的物态 2.2.2 玻璃纤维的结构 2.2.3 玻璃纤维的化学组成 v2.3 玻璃纤维的性能 2.3.1 玻璃纤维的物理性能 2.3.2 玻璃纤维的化学性能 v2.4 玻璃纤维及其制品 2.4.1 玻璃纤维及其制品的生产工艺 2.4.2 玻璃纤维纱的规格及性能 2.4.3 玻璃纤维制品知识点二 玻璃纤维v 玻璃是一种以脆闻名的物质。有趣的是，玻璃一旦经加热，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？知识点二 玻璃
4、纤维高分子材料专业 聚合物复合材料2.1 概述玻璃纤维：将熔融的玻璃液以极快的速度拉成细丝而成。 质地柔软，具有弹性，可并股、加捻、纺织成各种玻璃布， 玻璃带等织物。玻璃纤维无捻粗纱 Glass Fiber Roving短切纤维 AR-Glass Fiber Chopped Strand知识点二 玻璃纤维高分子材料专业 聚合物复合材料玻璃纤维是复合材料中使用量最大的一种增强材料。2.1.1 玻璃纤维的发展状况国外玻璃纤维特点： 1. 技术上先进，普遍采用池窑拉丝技术，发展多排多孔拉 丝工艺 。 2. 直径越来越粗，纤维直径为1424m，甚至达到27m 。 3. 大量生产无碱玻纤，无纺织玻璃纤维
5、织物。知识点二 玻璃纤维高分子材料专业 聚合物复合材料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 维方向发展，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。高分子材料专业 聚合物复合材料知识点二 玻璃纤维2.1.2 玻璃纤维的分类玻璃纤维的分类方法很多，一般可从玻璃原料成分、单丝直径、纤维外观及纤维特性等方面进行分类。 （1）按化学组成（碱金属氧化物含量）有碱玻璃纤维 12%;中碱玻璃纤维 6%
6、 12%；低碱玻璃纤维 2% 6% ；微碱玻璃纤维 2%（无碱玻璃纤维）高分子材料专业 聚合物复合材料（2）按纤维使用特性分普通玻璃纤维（A-GF：average） 电工用玻璃纤维（E玻璃纤维：electrical）高强型玻璃纤维（S 玻璃纤维 strength ） 高模量型玻璃纤维（M-GF：modulus）耐化学药品玻璃纤维（C玻璃纤维：chemical） 耐碱玻璃纤维（ AR玻璃纤维：alkali-resistant ）低介玻璃纤维（ D玻璃纤维：dielectric ）高硅氧玻璃纤维 石英玻璃纤维 高分子材料专业 聚合物复合材料按纤维长短分：定长纤维（650mm）连续纤维 按纤维直径的
7、大小：粗纤维（单丝直径30um）初级纤维（单丝直径20um） 中级纤维（单丝直径1020um） 高级纤维（单丝直径39um）； 按纤维外观分：连续纤维短切纤维空心玻璃纤维磨细纤维玻璃粉中空玻璃纤维玻璃粉高分子材料专业 聚合物复合材料2.2.2 玻璃纤维及玻纤制品的制备2.1.3 玻璃纤维的制备砂 石灰石 硼酸熔炼炉造球机玻璃球铂金坩埚漏丝板玻璃纤维12601518mm320um10003000m/min1300坩埚拉丝法坩埚拉丝法：制球制球和和拉丝拉丝 （102、204、408 孔，d=1.52mm, 玻璃液为1190）高分子材料专业 聚合物复合材料单丝 filament：从坩埚中拉出的每根纤
8、维叫单丝； 原纱 strand：一个坩埚拉出的所有单丝经过浸润剂槽后，集束 成一根原纱； 池窑法将玻璃配合料投入熔窑熔化后直接拉制成各种支数的连续 玻璃纤维。省去制球工艺生产能力高可自动化控制，产品质量稳定；适用于生产粗玻璃纤维；高分子材料专业 聚合物复合材料池窑拉丝是国际上普遍采用的玻璃纤维生产新工艺，该 技术特点是，采用重油或燃气加热单元窑，粉料直接熔化成 玻璃，经燃气加热的成型通路，由多台（数十到上百台）漏 板同时拉制各种规格的玻璃纤维原丝。具有生产规模大、效 率高、能耗低、产品质量好等优点，能适应800至4000孔大漏 板拉丝成型的要求，是生产高质量、低成本玻璃纤维材料的 最佳方法。
9、高分子材料专业 聚合物复合材料2）玻纤制品的制造玻纤经原纱退绕后可以制成各种制品，如无捻粗纱、短切 纤维毡等。设备：纺纱机和织布机。高分子材料专业 聚合物复合材料2.2 玻璃纤维的结构与组成 2.2.1 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。 特点：没有固定的熔点知识点二 玻璃纤维高分子材料专业 聚合物复合材料2.2.2 玻璃纤维的结构微晶结构假说： 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
10、四面体、铝氧三面体或硼氧三面体相 互连成不规则三维网络，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 决定玻璃性能的基础，填充的Na、Ca等阳离子称为网络 改性物。 知识点二 玻璃纤维高分子材料专业 聚合物复合材料玻璃纤维结纤维结 构示意图图 知识点二 玻璃纤维高分子材料专业 聚合物复合材料2.2.1 玻璃纤维的组成及分类vSiO2及各种金属氧化物组成的硅酸盐类混合物，属于无定形离 子结构物质。（1） SiO2：作用：形成基本骨架，高熔点（2） 金属氧化物Al2O3、 CaO、MgO、Na2O、BeO、B2O3等， 作用： 改善制备玻璃纤维的工艺条件： N
11、a2O、 K 2O；使玻纤具有一定特性。BeO：提高模量；B2O3：提高耐酸性，改善电性能，降低熔点、黏度。但模量和强度下降。高分子材料专业 聚合物复合材料2.2.3 玻璃纤维的化学组成2.3 玻璃纤维的性能2.3.1 玻璃纤维的物理性能1. 外观和密度玻璃纤维呈表面光滑的圆柱体，表面光滑，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，空隙填充得较为密实，有利于提高玻璃钢制品的玻 璃含量。知识点二 玻璃纤维高分子材料专业 聚合物复合材料纤维 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/cm31.28 1.331.30 1.451.50 1.601.50 1.6
12、01.141.42.6 2.72.4 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。知识点二 玻璃纤维高分子材料专业 聚合物复合材料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 强度 (MPa )100 300350300 700440300 600160040 46020 1201000
13、 3000高分子材料专业 聚合物复合材料微裂纹假说：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，但以表面的微裂纹危害最大。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，使微裂纹产生的机会减少；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。知识点二 玻璃纤维高分子材料专业 聚合物复合材料分子取向假说：在玻璃纤维成型过程中，由于拉丝机的牵引作用，使玻璃
14、纤维分子产生定向排列，从而提高了玻璃纤维强度。知识点二 玻璃纤维高分子材料专业 聚合物复合材料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 215012501 70010501 250玻璃纤维长度(mm)纤维直径(m)平均拉伸强度(MPa)5131500 2012.51210 9012.7360156013720高分子材料专业 聚合物复合材料 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%
15、。玻璃纤维纤维直径(m)拉伸强度 (MPa) 无碱5.012000有碱4.701600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，从而达到助溶的目的。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。高分子材料专业 聚合物复合材料 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。高分子材料专业 聚合物复合材料(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 影响玻璃纤维的弹性模量的主要因素：化学组成 加入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高分子材料专业 聚合物复合材料(
