玻璃钢力学性能

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1、玻璃 钢 的基本性能 力学 性能玻璃 钢 的力 学性能突出的一点是比强度高，这是金 属材料和其 它 材料无法相比的。这里，我 们要提一下强度的概 念。强度通常是指单 位面 积所能承受的最大荷载 ，超 过这个 荷 载，材料就破坏了。强度又分为拉伸强度、压缩 强度、 弯曲强度和剪切强度。例如说聚 酯玻璃 钢抗拉强度290MPa ，是指每平方厘米截面可承受2900Kg 的拉力。玻璃 钢轻质 高强的性能，来 源于 较低的 树脂密度（ 浇铸 体密度 1.27 左右）以及玻璃纤维 的高抗伸强度（普通 钢材的 5 倍以上）。玻璃钢的密度 随着树脂含量的不同而有所不同。从高 树脂含量的玻璃毡制品到低 树 脂含

2、量的玻璃钢缠绕 制品（密度2.2），玻璃 钢的密度只有普碳钢 的 1/4-1/5，比 铝还轻1/3 左右。玻璃 经 高温熔融、快速拉成细丝时 ，由于比表面积 增大，玻璃 纤维内 部及表面就 难 以存在大缺陷，所以玻璃 纤维 的强度就非常高，常用的是无碱铝 硼硅酸 盐纤维 ，其一般性能如表下所示。性能：密度（g/cm3 ）性能 数 据： 2.53-2.55 性能：折射率（25 ）折射率（ 25 ）性能 数 据： 1.454-1.549 性能：拉伸强度（MPa) ）性能 数 据： 100-300 性能：介 电常数102 赫兹性能 数 据：赫 兹性能：拉伸 弹性模量（ MPa）性能 数 据： 700

3、0 性能：介 电常数106 赫 兹性能 数 据： 6.32 性能： 断裂时的伸 长率（ % ）性能 数 据： 1.5-4 性能：介 电常数1010 赫兹性能 数 据： 6.11 性能性能 数据性能性能 数据泊松比（ 块玻璃） 0.22 正切 损失 102 赫兹 0.0042 线膨胀 系数 -1 4.8*10-4 正切 损失 1010 赫兹 0.006 比热 KJ/(Kg/.K) 0.80 体积电 阻（ cm）体积电 阻（ cm）1011-1013 导热 系 数W/m K）1.0 声速声速5500 软化温 度（ ） 850 玻璃 钢 中常用的玻璃纤维 直 径是 。近年 来各国所用的玻璃 纤维趋

4、向于向粗直 径发 展，通用的是 18 ，采用池 窑拉丝。采用粗直 径纤维既 不影 响玻璃 钢的性能， 纤维 的产量又可以大幅度提高（因 为产 量和直 径成平方 关 系）。也有采用直径 以上的玻璃纤维 。玻璃 钢所用的玻璃 纤维一般是把 单丝并 成线或粗 纱，或 进一步制成 织物及做成 毡来 使用。 从下表所得的各种纤维 强度比 较来 看，玻璃 纤维 的强度是相 当高的。性能：拉伸强度MPa 羊毛： - 棉纱： 34.54 亚麻： 35 尼龙： 30-60 生丝： 44 玻纤： 100-300 钢： 50-200 性能：延伸率% 羊毛： 24-28 棉纱： 6-12 亚麻： - 尼龙： 15-4

5、0 生丝： 15-86 玻纤： 2.5-4 钢： - 玻璃 纤维 可按三 种方向排列 : （一） 单向纤维 增强的玻璃 钢这一类 玻璃 钢，玻璃 纤维 定向排列在一个方向， 它是用 连续纱 或单丝 片铺层 的。在 纤维 方向上，有很高的弹性模量和强度，其纤维 方向的强度可高达，但在垂直纤维 方向上，其强度很低。只有严格的 单向受力情 况下，才使用 这类 玻璃 钢。其 纤维 体积含量可以高 达（二） 双向纤维 增强的玻璃 钢这类 玻璃 钢是用 双向织物铺 展的，其玻璃纤维 体积含量可 达。在 两个 正交的 纤维 方向上，有 较高的强度。 它适用于矩形的平板或薄壳结构 物。（三）准各向同性玻璃钢这

6、类 玻璃 钢是用短切 纤维毡 或模塑料制成的，制品中各向强度基本接近，纤维 体积含量一般小于，适用于强度、刚度要求不高或荷载不很 清楚而只能要求各向同性的产品。在玻璃 钢 复合材料中，力学性能在相 当大的程度上取决 于增强材料，有人把它 比做是材料的筋骨。古代增强材料主要是麻和棉纤维以及 丝绸类 。到了年代，玻璃纤维开 始占增强材料的绝大多 数。在此后相 当长 一段 时期里，用玻璃纤维 作增强材料的复合材料（即玻璃钢）仍然占主要地位、但随 着工 业 的发展，不同的 时期相 继出 现了新的材料，在年代研制了高模量碳纤维 、硼 纤维 。年代，又改变了玻璃成分，研究了及型高强玻璃 纤维 。到了年代，

7、先后又开发 了凯芙拉 纤维 等。 见 表下所示。增强材料多品种 的开发 ，为复合材料的 应用开辟了新的 领域和广 阔的途 径。纤维种类 ： A玻璃 纤维密度： 2.45 拉伸强度 极限 GPa： 3.1 拉伸膜量GPa： 72 比拉伸强度GPa： 1.26 比膜量 GPa： 29 纤维种类 ： E玻璃 纤维密度： 2.56 拉伸强度 极限 GPa： 3.6 拉伸膜量GPa： 76 比拉伸强度GPa： 1.40 比膜量 GPa： 29 纤维种类 ： R玻璃 纤维密度： 2.58 拉伸强度 极限 GPa： 4.4 拉伸膜量GPa： 85 比拉伸强度GPa： 1.70 比膜量 GPa： 33 纤维种

8、类 ： S 玻璃 纤维密度： 2.49 拉伸强度 极限 GPa： 4.9 拉伸膜量GPa： 86 比拉伸强度GPa： 1.8 比膜量 GPa： 34 纤维种类 ： I 型高模量 碳纤维密度： 1.87 拉伸强度 极限 GPa： 2.1 拉伸膜量GPa： 330 比拉伸强度GPa： 1.12 比膜量 GPa： 176 纤维种类 ：II 型高强度 碳纤维密度： 1.76 拉伸强度 极限 GPa： 2.6 拉伸膜量GPa： 235 比拉伸强度GPa： 1.48 比膜量 GPa： 133 纤维种类 ：聚芳香 酰胺纤维kevlar-29 密度： 1.44 拉伸强度 极限 GPa： 2.76 拉伸膜量GP

9、a： 58 比拉伸强度GPa： 1.92 比膜量 GPa： 10 纤维种类 ：聚芳香 酰胺纤维kevlar-29 密度： 1.45 拉伸强度 极限 GPa： 2.94 拉伸膜量GPa： 130 比拉伸强度GPa： 2.03 比膜量 GPa： 90 纤维种类 ：剑麻密度： 1.3 拉伸强度 极限 GPa： 0.8 拉伸膜量GPa： - 比拉伸强度GPa： 0.61 比膜量 GPa： - 纤维种类 ：硼 纤维密度： 2.62 拉伸强度 极限 GPa： 3.4 拉伸膜量GPa： 344 比拉伸强度GPa： 1.30 比膜量 GPa： 130 纤维种类 ：碳化硅 纤维密度： 2.55 拉伸强度 极限

10、GPa： 3.0 拉伸膜量GPa： 2000 比拉伸强度GPa：比膜量 GPa：玻璃 钢!复 合材料的力学性能具有明显的方向性，这 是与金属 材料不同的。金属 材料，不 论在任何方向，强度和 弹性模量几乎完全相同。而对 于木材、玻璃钢等，沿 纤维 方向的强度和弹性模量就比垂直于纤维方向上的要高得多。象金属那 样强度不 随方向 变化而 变化的材料 称为 各向同性材料，而象玻璃钢、木材、钢筋混凝土等，它们 的强度 随方向不同而 变化， 称它们 是各向 异性材料。玻璃钢 等人造的 复合材料 还可以人 为 地变化纤维 方向和 数 量来达 到某 种特定的强度要求。例如，我们 采用：玻璃布（指经向 纤维和

11、纬 向纤维 量为：）制造的玻璃钢，其 经向和 纬 向强度几乎是相等的。但在其它方向上强度 则较 低，如在 方向上强度比经 、纬 向强度还要低 见下表：性能0 15 30 45 60 75 90拉伸强度MPa 比例 极 限 178 84 50 45 50 80 160 拉伸强度MPa 破坏强度 269 210 173 158 163 194 263 拉伸 弹 性模量（ GPa） 16.7 13.3 11.1 10 11.1 12.5 15.2 伸长率 % 1.6 2.5 4.8 4.8 4.5 2.6 1.9 如果我 们采用 经向和 纬向纤维 量 为$# “ 的玻璃布制成 环氧 玻璃 钢 ，它们

12、经 向和 纬向 纤维 量差 别较 大，因此在 这两个 方向上的拉伸、压缩 、扭转 强度都大不相同，如下表所列。性能拉伸拉伸 压缩压缩扭转扭转性能经向纬向经向纬向经向纬向极限强度 MPa 373 142.4 310 230 67 43 弹性模量 MPa 26 12 24 13 2.9 2.9 泊松比 0.20 0.10 0.24 0.12 强度的 概念前面已 经讲过 ，它 是指材料破坏时，物体 内 的最大 应力值，按照受力情况可分 为拉伸、 压缩 、弯曲、 扭转 、剪切等。如图下 图所示矩形杆的受力状态称为 拉伸。此 时我 们取拉伸荷 载 等于，杆的横断 面积为 ，那 么 拉伸应力就等于 如果杆

13、件在拉伸到破坏时的荷 载（称为 最大荷 载或 极限荷 载）为 ， 则材料的 极 限强度，即拉伸强度 等于 超过极 限强度杆件就要破坏，所以又称它为 破坏强度。材料在初始受力时，有一段 时间内它 的应力 与其应变 （受拉伸 长变 形与原长度之比）成正比，我们称它为弹 性阶段。 弹性阶段的最大 应力 值，称为 比例 极限。材料在比例极 限内是不 会 破坏的。所以，也常称之为设计 强度。在弹性 阶段， 应力!和应变 “成正比， 变成等式后加 进一个常数 !，就是 弹性模 数 ，是常 数值 ，它只与材料有关： （）不同的材料，当应 力 一定 时， 弹性模量大，应变 就小； 弹性模量小，应变 就 大。

14、这说 明常 数是反映材料抵抗变形能力大小的参数 。若把截面 积的大小也考虑在 内，那 么又 称为 抗拉 刚 度。用刚度 概念来具体 说明该构 件抵抗抗伸 变形的能力就更全面了。当图 构件上作用的是与它 相反方向荷 载时 。这时构 件就受 压缩 ， 见图 所示。构件受 压缩时 也有 应力、 应变 、强度、 弹性模量、 刚度等，其定 义和拉伸 时一样 ，只是荷 载方向相反而已。值得注意的是人们常常有一 种误 解， 认为资 料中所列 举 的强度 数据就是 实际构 件的强度 数据。其 实这两者截然不同，差异较 大。例如手糊聚酯玻璃 钢板，小 试 件抗伸强度可 达 ，而在同样原材料的的大型构件上取下一 块试样 ，它 的抗伸强度只有。这是因 为两 者的制造操作 条件不同，大 块板工 艺条 件不如小 试件那 样理想。因此，在采用各类资 料、 书籍所 给出的强度数据时 ，一定要注意你所设计 的构件工 艺制造 条件和一般小 试件之 间的差 异，否 则将会 出现问题 。此外， 还要注意玻璃 钢/复合材料 层间 强度和 弹性模量低的特点。层间 是薄弱 环节 ，因 为层间没 有增强纤维 ，所以 它的层间 剪切和