增强材料 ————玻璃纤维071630 刘昌进增强材料：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*1.1 玻璃纤维的结构与组成1.1.1 玻璃纤维的物态1.1.2 玻璃纤维的结构1.1.3 玻璃纤维的化学组成1.2 玻璃纤维的性能1.2.1 玻璃纤维的物理性能1.2.2 玻璃纤维的化学性能1.3玻璃纤维及其制品1.3.1 玻璃纤维及其制品的生产工艺1.3.2 玻璃纤维纱的规格及性能*1.1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）以玻璃原料成分分类（用于连续GF的分类） 无碱玻璃纤维（E玻璃纤维）碱金属氧化物含量0.5%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一般以不同碱金属含量来划分中碱玻璃纤维（C玻璃纤维）碱金属氧化物含量11.5-12.5%含碱量高，不能用作电绝缘材料，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 料成本较低，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、防潮材料特种玻璃纤维：如由纯镁铝硅三元组成的高 强玻璃纤维；镁铝硅系高强、高弹玻璃纤 维；硅铝钙镁系耐化学介质腐蚀玻璃纤维 ；含铅纤维；高硅氧纤维；石英纤维等 (2) 以单丝直径分类 玻璃纤维单丝呈圆柱形，以其直径的不同可以分 成几种： 粗纤维： 30μm；初级纤维：20μm 中级纤维：10μm～20μm； 高级纤维：3μm～10μm(亦称纺织纤维)； 超细纤维：单丝直径小于4μm3) 以纤维外观分类 有连续纤维，其中有无捻粗纱及有捻粗纱(用于纺织)；短切纤维；空心玻璃纤维；玻璃粉 及磨细纤维等1.1960年美国AF-944玻璃纤维高强度玻璃纤维（S）纯的镁铝硅三元组成标志着国外玻纤新的研究领域的出现以纤维特性来分2.镁铝硅高强高弹玻璃纤维美国喷气式汽车飞机玻纤成分美国匹兹堡平板玻璃公司4.硅铝钙镁系耐化学腐蚀玻璃纤维5.D玻璃纤维6.半导体玻璃纤维7.核燃料堆玻璃纤维8.耐高温玻璃纤维无捻粗纱短切纤维玻璃粉*2 玻璃纤维的结构与组成2.1玻璃纤维的物态*具有玻璃的共性•各向同性• 无固定的熔点•亚稳定性•性质连续变化的连续性、可逆性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 *玻璃纤维结构示意图 *2.3 玻璃纤维的化学组成玻璃纤维的化学组成主要是二氧化硅(SiO2)、三 氧化二硼(B2O3)、氧化钙(CaO)、三氧化二铝(Al2O3) 等 *n 以SiO2为主——称硅酸盐玻璃n 以Be2O3为主——称硼酸盐玻璃n以P2O5为主——称磷酸盐玻璃除主要成分以外，尚须加入其他的氧化物等各种氧化物在玻璃中的作用是比较复杂的• 加入K2O， Na2O• 加入Al2O3， CaO加入氧化钙、三氧化二铝能在一定条件下构成玻璃网络的一部分，改善玻璃的某些性质和工艺性氧化钠、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，从而达到助溶的目的玻璃 纤维 种类国内外常用玻璃纤维的成分 SiO2Al2O3CaOMgOZrO2B2O3Na2OK2O无碱1#54.1±0.7 15.0± 0.516.5±0. 54.5± 0.59.0± 0.50.5无碱2#54.5±0.7 13.8± 0.516.2±0. 54.0± 0.59.0± 0.52.0无碱5#67.5±0.76.6± 0.59.5± 0.54.2± 0.511.5± 0.50.5中碱 B1766.84.78.54.2312E53.516.317.34.480~3 C65.0414368 S64.325.010.30.3 G-2071.01.016.02.49 A72.00.6102.514.2E—无碱玻璃纤维；C—耐酸；S—高强；G-20抗碱；A—普通有碱*小结•玻纤的分类方法•玻纤的结构•化学组成1.3 玻璃纤维的性能1.3.1 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~ 1.601.141.42.6~2. 72.4~ 2.6密度比较*2. 力学性能 (1) 拉伸强度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 (μm)~1516~ 5010~ 2018块状块状块状块状5~8拉伸 强度 (MPa )100~ 300350300~ 700440300~ 600160040~ 46020~ 1201000~ 3000*微裂纹假说：玻璃结构的不均匀性，使玻璃易产生微裂纹，外力作用下，形成应力集中点玻璃纤维，更多地保留着高温熔体的结构(结构均一性提高)，微裂纹产生机会减少，且GF截面小，所以表面微裂纹比块状玻璃少影响玻纤强度的主要因素直径(μm)性能457911拉伸强度 (MPa)3000~ 38002400~ 29001750~ 21501250~1 7001050~1 250玻璃纤维长度(mm)纤维直径(μm)平均拉伸强度(MPa)5131500 2012.51210 9012.7360156013720 **③ 存放时间对强度的影响④ 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：空气中的水分和氧气对纤维侵蚀原因：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。
小结1.纤维的玻璃成分2.纤维的直径和长度3.存放时间4.施加负荷时间5.玻璃液的缺陷，如杂质，气泡等也显著影响GF的强度 2)玻璃纤维的弹性纤维种类弹性模量(MPa)延伸率(%) 无碱纤维(E)720003.0 有碱纤维(A)660002.7棉纤维10000~120007.8 羊毛纤维600025~35 亚麻纤维30000~500002~3 芳纶纤维300020~25 高合金钢160000 铝合金42000~46000*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表面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：表面处理0.2%阳离子活性剂水溶液处理*（3）耐磨性和耐折性（柔性）4. 玻璃纤维的热性能 (1) 玻璃纤维的导热性物质 种类容积密度 (kg/m3)导热系数 [W/(m·K)]物质 种类容积密度 (kg/m3)导热系数 [W/(m·K) ] 羊毛800.034~0.046玻璃纤维800.034蚕丝1000.046~0.052玻璃0.7~1.3 亚麻1300.046~0.053空气0.0246原棉810.058~0.062水0.60**4) 耐热性与有机纤维比，GF是有很高的耐热性，因为GF的软化点达500-750℃，而尼龙为230-250℃，聚苯乙烯（PS）为88-110℃。
且GF在小于500℃下使用，强度不损失但如果加热到250℃以上再冷却(热处理)，则强度明显下降如经600-700℃热处理后，其强度只有原始的20-30%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对比种类耐酸 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表面的金属氧化物作用，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 玻璃表面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表面的碱金属氧化物，水呈现碱性，随着时间增加，玻 璃纤维与碱液继续作用，直至使二氧化硅骨架破坏 影响GF化学稳定性的因素：a. 玻璃纤维的化学组成无碱玻纤：耐酸性差，耐水性较好中碱玻纤：耐酸性好，耐水性差b．温度在100℃以下，温度每升高10℃，纤维在介质侵蚀下的破坏速度增加50～100％。
温度升高到100℃以上时，破坏作用更加剧烈1.4 玻璃纤维及其制品1.4.1.1 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部分组成 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 1.4.1 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) 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是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 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. 适于多孔大漏板生产玻璃钢适用的粗纤维； 5. 生产的废纱便于回炉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。
**1.4.1.2 玻璃纤维制品的生产工艺生产玻璃纤维制品的主要设备是纺纱机和织布机 1—电熔池窑炉；2—漏板；3—加浸润剂；4—机械装置；5 —喷射粘接剂；6—金属网带；7—固化装置；8—卷筒连续玻璃纤维毡生产示意图*1.4.2 玻璃纤维纱的规格及性能玻璃纤维纱可分无捻纱及有捻纱两种无捻纱一般用增强型浸润剂，由原纱直接并股、络纱制成有捻纱则多用纺织型浸润剂，原纱经过退绕、加捻、并股、络纱而制成 由于生产玻璃纤维纱的纤维直径、支数及股数不同，使无捻纱和有捻纱的规格有许多种 *纤维支数有两种表示方法： (1) 定质量法 用质量为1g的原纱的长度来表示，即： 例如：40支纱，就是指质量为1g的原纱长40m2) 定长法 目前国际上统一使用的方法，通称“TEX”(公制号数) 1000m长的原纱的克质量 例如：4“TEX”就是指1000m原纱质量为4g捻度 单位长度内纤维与纤维之间所加的转数，以捻／m为单位 Z捻(左捻)，顺时针方向加捻； S捻(右捻)，逆时针方向加捻 通过加捻可提高纤维的抱合力，改善单纤维的受力状况，有利于纺织工序的进行捻度过大不易被树脂浸透 无捻粗纱中的纤维是平行排列的，拉伸强。