第三篇第三篇 复合材料增强材料 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 7 玻璃纤维及其制品 本节主要内容本节主要内容 • 7.1 概述 – 7.1.1 玻璃纤维的发展状况 – 7.1.2 玻璃纤维的分类 • 7.2 玻璃纤维的结构与组成 – 7.2.1 玻璃纤维的物态 – 7.2.2 玻璃纤维的结构 – 7.2.3 玻璃纤维的化学组成 • 7.3 玻璃纤维的性能 – 7.3.1 玻璃纤维的物理性能 – 7.3.2 玻璃纤维的物理性能 • 7.4 玻璃纤维及其制品 – 7.4.1 玻璃纤维及其制品的生产工艺 – 7.4.2 玻璃纤维纱的规格及性能 • 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？ • 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 • 纤维光缆的结 构和单个的纤 维。
注意光缆 的横切面至少 30％被低折射 指数的金属包 层和非传导性 填充材料所占 据 工业内窥镜工业内窥镜 玻璃纤维是复合材料中使用量最大的一种增强材料 7.1.1 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14~24μm，甚至达到 27μm 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 7.1.2 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) 以玻璃原料成分分类 这种分类方法主要用于连续玻璃纤维的分类 一般以不同的含碱量来区分： 无碱玻璃纤维(通称E玻璃)： 国内目前规定碱金属氧化物含量不大于0.5％，国外 一般为1％左右； 中碱玻璃纤维：碱金属氧化物含量为11.5％－12.5％； 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4μm 单丝直径的不同，不仅纤维的性能有差异， 而且影响到纤维的生产工艺、产量和成本一般 5μm－10μm纤维作为纺织制品用；10μm－14μm 的纤维一般做无捻粗纱、无纺布、短切纤维毡等 较为适宜 (3) 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 (4) 以纤维特性分类 以纤维本身具有的性能可分为：高强玻璃 纤维；高模量玻璃纤维；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) 无捻粗纱 短切纤维 玻璃粉 7.2 玻璃纤维的结构与组成 7.2.1 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 7.2.2 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 7.2.3 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 以二氧化硅为主的称为硅酸盐玻璃； 以三氧化二硼为主的称为硼酸盐玻璃 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 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、电 绝缘性和化学稳定性会相应的降低 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 玻璃纤维化学成分的制定一方面要满足玻璃纤维 物理和化学性能的要求，具有良好的化学稳定性；另 一方面要满足制造工艺的要求，如合适的成型温度、 硬化速度及粘度范围 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. 5 16.5±0. 5 4.5± 0.5 9.0± 0.50.5 无碱2#54.5±0. 7 13.8±0. 5 16.2±0. 5 4.0± 0.5 9.0± 0.52.0 无碱5#67.5±0. 7 6.6± 0.5 9.5± 0.5 4.2± 0.5 11.5± 0.5 0.5 中碱 B17 66.84.78.54.2312 E53.516.317.34.480~3 C65.0414368 S64.325.010.30.3 G-2071.01.016.02.49 A72.00.6102.514.2 E—无碱玻璃纤维；C—耐酸；S—高强；G-20抗碱；A—普通有碱 7.3 玻璃纤维的性能 7.3.1 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/cm3 1.28~ 1.33 1.30~ 1.45 1.50~ 1.60 1.50~ 1.60 1.141.4 2.6~ 2.7 2.4~ 2.6 玻璃钢使用的玻璃纤维直径5μm~20μm，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：40MPa~100MPa 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 (μm) ~15 16~ 50 10~ 20 18块状块状块状块状5~8 拉伸 强度 (MPa ) 100~ 300 350 300~ 700 440 300~ 600 1600 40~ 460 20~ 120 1000~ 3000 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 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： ① 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(μm) 性能 457911 拉伸强度 (MPa) 3000~ 3800 2400~ 2900 1750~ 2150 1250~1 700 1050~1 250 玻璃纤维长度(mm)纤维直径(μm)平均拉伸强度(MPa) 5131500 2012.51210 9012.7360 156013720 ② 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(μm)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 ③ 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 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：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 (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. 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/(m·K)~1.3W/(m·K) 玻璃纤维导热系数：0.034W/(m·K) 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/(m·K)] 物质 种类 容积密度 (kg/m3) 导热系数 [W/(m·K) ] 羊毛80 0.034~0.046 玻璃纤维800.034 蚕丝100 0.046~0.052 玻璃0.7~1.3 亚麻130 0.046~0.053 空气0.0246 原棉81 0.058~0.062 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550℃~580℃ ，热膨胀系数为4.8×10-6 ℃；200℃ ~250℃以下， 玻璃纤维强度不变 7.3.2 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。