復合材料的增強材料

第三章復合材料的增強材料定義：復合材料中凡能提高基體材料力學性能的物質。纖維：在復合材料中起增強作用，是主要承力組分?？墒箯秃喜牧系膹姸取偠纫约澳蜔嵝?、韌性得到較大幅度提高，且可減小收縮。例如：PS塑料中加入玻璃纖維后拉伸強度可從600MPa提高到1000MPa,

彈性模量可從3GPa提高到8GPa，熱變形溫度可從85℃提高到105℃，使-40℃下的沖擊強度提高10倍。當前1頁，總共119頁。能明顯提高基體某種所需的性能，如比強度、比模量、耐熱性、耐磨性或低膨脹性等良好的化學穩(wěn)定性；良好的浸潤性；復合材料的增強材料應具備的基本特性當前2頁，總共119頁。增強體的分類按纖維形狀分類按纖維組成分類當前3頁，總共119頁。1）按纖維形狀分類纖維類增強體顆粒類增強體

晶須類增強體片狀物增強體：主要為陶瓷薄片，用于陶瓷薄片疊壓成型CMC。當前4頁，總共119頁。纖維類增強體連續(xù)纖維增強體：分單絲、束絲（數(shù)百至幾萬根單絲組成）長度>100m，一般直徑在1～20μm，直徑越小強度越高。短纖維增強體：長度幾十毫米，分單絲、和束絲短纖維增強體。短纖維增強復合材料的強度、剛度低于連續(xù)纖維復合材料。當前5頁，總共119頁。顆粒類增強體作用：以很細的粉狀（<50μm)加到基體中起到提高強度、模量、增韌、耐磨、耐熱等作用。按材料組成分為無機非金屬顆粒：如碳化硅、氧化鋁、碳化鈦、碳化硼、石墨、金剛石、碳酸鈣；聚合物顆粒：聚乙烯、氟樹脂、聚丙烯、聚酰胺顆粒；金屬顆粒：鐵、銅、鋁顆粒。當前6頁，總共119頁。晶須類增強體晶須：是人工制造出的細小單晶，一般呈棒狀，其直徑為0.2～1μm，長度為幾十微米。性質：由于細小組織結構、缺陷少，具有很高的強度和模量。類型：SiC、Al2O3、Si3N4等陶瓷晶須。當前7頁，總共119頁。2)按纖維組成分類無機非金屬纖維：碳纖維、玻璃纖維、硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、氮化硅纖維；有機纖維：芳綸纖維（Kevlar纖維）、超高分子聚乙烯纖維等；金屬絲：鎢絲、鈹絲、鋼絲等。當前8頁，總共119頁。玻璃是一種以脆聞名的物質。有趣的是，玻璃一旦經(jīng)加熱，被拉制成比頭發(fā)還要細得多的玻璃纖維之后，它就變得像合成纖維那樣柔軟，而堅韌的程度甚至超過了同樣粗細的不銹鋼絲！玻璃纖維有啥用處呢？當前9頁，總共119頁。玻璃繩玻璃布絕緣材料玻璃纖維復合材料玻璃棉纖維內窺鏡光導纖維當前10頁，總共119頁。用于內窺鏡的照明、冷光傳導

單絲直徑35微米,通光口徑1---30mm,保護層為不銹鋼金屬軟管+硅膠管透光率高，柔軟性好當前11頁，總共119頁。纖維光纜的結構和單個的纖維。注意光纜的橫切面至少30％被低折射指數(shù)的金屬包層和非傳導性填充材料所占據(jù)。當前12頁，總共119頁。玻璃纖維發(fā)展歷史20世紀30年代，美國歐文斯·科寧玻璃公司生產的玻璃纖維問世。1946年，在我國上海采用陶土質坩堝也生產出了成束的玻璃纖維。3.1玻璃纖維及其制品當前13頁，總共119頁。全世界的玻纖發(fā)展歷程

1.20世紀30年代末，最早的E玻璃纖維問世，并且出現(xiàn)了環(huán)氧樹脂和不飽和聚酯，為玻璃纖維電氣層材料和玻璃纖維增強材料的發(fā)展奠定了基礎。2.1958—1959年，玻璃纖維池窯拉絲工藝獲得成功，實現(xiàn)了玻璃纖維技術的重要跨越，開始了玻纖的規(guī)?；?、現(xiàn)代化生產。當時全世界95%以上的纖維都采用池窯拉絲進行生產。

3.20世紀70年代，世界性能源危機促進了玻纖的發(fā)展，世界產量近1000萬噸。

4.20世紀末，玻璃纖維增強熱固性材料、玻璃纖維增強熱塑性材料、玻璃纖維增強瀝青防水材料和用于電絕緣級建筑等企業(yè)的玻璃纖維制品已成為相對穩(wěn)定的四大玻璃纖維支柱市場。

5.目前，玻璃纖維已有幾千個品種，幾萬余不同產品在各個領域卓有成效的發(fā)揮著作用。當前14頁，總共119頁。玻璃纖維是復合材料中使用量最大的一種增強材料。國外玻璃纖維特點：1.技術上先進，普遍采用池窯拉絲技術，發(fā)展多排多孔拉絲工藝2.直徑越來越粗，纖維直徑為14~24μm，甚至達到27μm3.大量生產無堿玻纖，無紡織玻璃纖維織物當前15頁，總共119頁。4.無捻粗紗的短切纖維氈片所占比例增加，偶聯(lián)劑的品種不斷增加5.重視纖維－樹脂界面的研究，玻璃纖維的前處理受到普遍重視國內玻璃纖維特點：較國外起步較晚，中堿玻璃纖維仍然占大多數(shù)，正向粗纖維方向發(fā)展，池窯拉絲工藝正在推廣，新型偶聯(lián)劑不斷出現(xiàn)，改善了纖維－樹脂界面，重視纖維-樹脂界面的研究。當前16頁，總共119頁。3.1.2玻璃纖維的分類玻璃纖維的分類方法很多，一般可從玻璃原料成分、單絲直徑、纖維外觀及纖維特性等方面進行分類。當前17頁，總共119頁。(1)以玻璃原料成分分類這種分類方法主要用于連續(xù)玻璃纖維的分類。一般以不同的含堿量來區(qū)分：無堿玻璃纖維(通稱E玻璃)：

國內目前規(guī)定堿金屬氧化物含量不大于0.5％，國外一般為1％左右；

中堿玻璃纖維：堿金屬氧化物含量為11.5％－12.5％；

特種玻璃纖維：如由純鎂鋁硅三元組成的高強玻璃纖維；鎂鋁硅系高強、高彈玻璃纖維；硅鋁鈣鎂系耐化學介質腐蝕玻璃纖維；含鉛纖維；高硅氧纖維；石英纖維等。當前18頁，總共119頁。

⑴E-玻璃

亦稱無堿玻璃，系一種硼硅酸鹽玻璃。優(yōu)點：有良好的電氣絕緣性及機械性能，用途：廣泛用于生產電絕緣用玻璃纖維、也大量用于生產玻璃鋼用的玻璃纖維。缺點：易被無機酸侵蝕，故不適于用在酸性環(huán)境。19當前19頁，總共119頁。

⑵C-玻璃亦稱中堿玻璃，優(yōu)點：耐化學性特別是耐酸性優(yōu)于無堿玻璃,

缺點：電氣性能差，機械強度低于無堿玻璃纖維10％~20％。國外的中堿玻璃纖維含一定數(shù)量的B2O3

。我國的中堿玻璃纖維則完全不含硼。國外用途：中堿玻璃只是用于生產耐腐蝕的玻璃纖維產品，如用于生產玻璃纖維表面氈等，也用于增強瀝青屋面材料，我國用途：中堿玻璃纖維占據(jù)玻璃纖維產量的一大半(60％)，廣泛用于玻璃鋼的增強以及過濾織物，包扎織物等的生產，因其價格低于無堿玻璃纖維而有較強的競爭力。20當前20頁，總共119頁。

⑶高強玻璃纖維

美國歐文斯—科寧公司生產的牌號為S和S-2玻璃纖維、法國圣戈班公司生產的R-玻璃纖維、日本日東紡生產的T玻璃纖維及我國生產的HS玻璃纖維均屬于高強玻璃纖維。特點:高強度、高模量。用它們生產的玻璃鋼制品多用于軍工、空間、防彈盔甲及運動器械。由于價格昂貴，目前在民用方面還不能得到推廣，全世界產量也就幾千噸左右。21當前21頁，總共119頁。

⑷AR玻璃纖維

亦稱耐堿玻璃纖維，主要是為了增強水泥而研制的。普通的波特蘭水泥呈堿性，一般玻璃纖維在這種水泥中很快就被腐蝕而喪失強度。而耐堿纖維因含有16％的ZrO2，故耐堿性大為增加。目前這種耐堿纖維已在增強水泥制品中應用。我國已有生產，法國圣戈班公司也在北京建立一座專門生產耐堿玻璃纖維的工廠。22當前22頁，總共119頁。

⑸A玻璃

亦稱高堿玻璃，是一種典型的鈉硅酸鹽玻璃，它的Na2O含量高達14％，因而耐水性很差，很少用于玻璃纖維生產。在國外主要用在生產玻璃棉、屋面瀝青增強材科中，也可將A玻璃用于大輥筒拉絲工藝中，生產各種玻璃鋼用的表面氈或連續(xù)原絲氈，主要是利用其耐酸性較好，可以置于玻璃鋼表面層，提高制品耐化學性。在我國A玻璃也即平板玻璃，多為鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)用在陶土坩堝藝中生產玻璃鋼增強材料。這種陶土坩堝拉制的高堿玻璃纖維由于性能很差，國家不允許將其應用在玻璃鋼生產中。23當前23頁，總共119頁。

⑹E-CR玻璃是一種改進的無硼無堿玻璃，用于生產耐酸耐水性好的玻璃纖維，其耐水性比無堿玻纖改善7~8倍，耐酸性比中堿玻纖也優(yōu)越不少。這是美國歐文斯~科寧公司的專利，是專為地下管道、貯罐等開發(fā)的新品種。

⑺D玻璃

亦稱低介電玻璃，用于生產介電強度好的低介電玻璃纖維。24當前24頁，總共119頁。

上述玻璃纖維目前實際的產量及價格差異甚大，下表簡要地說明了這一情況，并可知無堿玻璃纖維是世界玻璃纖維的主流。注：①不包括中國生產E：電絕緣(無堿)玻璃;C：耐化學侵蝕(中堿)玻璃;A：高堿含量玻璃;D：介電性能優(yōu)良的(低介電)玻璃;S：高機械強度(高強)玻璃;AR：耐堿玻璃ECR：耐化學腐蝕無硼無堿玻璃25當前25頁，總共119頁。(2)以單絲直徑分類

玻璃纖維單絲呈圓柱形，以其直徑的不同可以分成幾種：粗纖維：30μm；初級纖維：20μm中級纖維：10μm～20μm；高級纖維：3μm～10μm(亦稱紡織纖維)；超細纖維：單絲直徑小于4μm。單絲直徑的不同，不僅纖維的性能有差異，而且影響到纖維的生產工藝、產量和成本。一般5μm－10μm纖維作為紡織制品用；10μm－14μm的纖維一般做無捻粗紗、無紡布、短切纖維氈等較為適宜。當前26頁，總共119頁。(3)

以纖維外觀分類有連續(xù)纖維，其中有無捻粗紗及有捻粗紗(用于紡織)；短切纖維；空心玻璃纖維；玻璃粉及磨細纖維等。(4)

以纖維特性分類以纖維本身具有的性能可分為：高強玻璃纖維；高模量玻璃纖維；耐高溫玻璃纖維；耐堿玻璃纖維；耐酸玻璃纖維；普通玻璃纖維(指無堿及中堿玻璃纖維)。當前27頁，總共119頁。無捻粗紗短切纖維玻璃粉當前28頁，總共119頁。3.1.3玻璃纖維的結構與組成玻璃纖維的物態(tài)玻璃纖維是纖維狀的玻璃。玻璃是無色透明具有光澤的脆性固體。定義：由熔融態(tài)過冷時因粘度增加而具有固體物理機械性能的無定形物體，各向同性的均質材料。特點：沒有固定的熔點它是由熔融態(tài)過冷時因粘度增加而具有固體物理機械性能的無定形物體，屬于各向同性的均質材料。當前29頁，總共119頁。玻璃纖維的結構微晶結構假說：玻璃是由硅酸塊或二氧化硅的“微晶子”組成，在“微晶子”之間由硅酸塊過冷溶液所填充。網(wǎng)絡結構假說玻璃是由二氧化硅的四面體、鋁氧三面體或硼氧三面體相互連成不規(guī)則三維網(wǎng)絡，網(wǎng)絡間的空隙由Na、K、Ca、Mg等陽離子所填充。二氧化硅四面體的三維網(wǎng)狀結構是決定玻璃性能的基礎，填充的Na、Ca等陽離子稱為網(wǎng)絡改性物。當前30頁，總共119頁。網(wǎng)絡結構假說

玻璃是由二氧化硅的四面體、鋁氧三面體或硼氧三面體相互連成不規(guī)則三維網(wǎng)絡，網(wǎng)絡間的空隙由Na、K、Ca、Mg等陽離子所填充。二氧化硅四面體的三維網(wǎng)狀結構是決定玻璃性能的基礎(圖)，填充的Na、Ca等陽離子稱為網(wǎng)絡改性物。

玻璃纖維結構示意圖31當前31頁，總共119頁。玻璃纖維結構示意圖當前32頁，總共119頁。玻璃纖維的化學組成玻璃纖維的化學組成主要是二氧化硅(SiO2)、三氧化二硼(B2O3)、氧化鈣(CaO)、三氧化二鋁(Al2O3)等以二氧化硅為主的稱為硅酸鹽玻璃；以三氧化二硼為主的稱為硼酸鹽玻璃。氧化鈉、氧化鉀等堿性氧化物為助熔氧化物，它可以降低玻璃的熔化溫度和粘度，使玻璃溶液中的氣泡容易排除，它主要通過破壞玻璃骨架，使結構疏松，從而達到助溶的目的。氧化鈉和氧化鉀的含量越高，玻璃纖維的強度、電絕緣性和化學穩(wěn)定性會相應的降低當前33頁，總共119頁。加入氧化鈣、三氧化二鋁能在一定條件下構成玻璃網(wǎng)絡的一部分，改善玻璃的某些性質和工藝性。玻璃纖維化學成分的制定一方面要滿足玻璃纖維物理和化學性能的要求，具有良好的化學穩(wěn)定性；另一方面要滿足制造工藝的要求，如合適的成型溫度、硬化速度及粘度范圍。當前34頁，總共119頁。

各種氧化物對處于玻璃態(tài)的玻璃行為及最終制品的玻璃的性能的影響分析如下。①SiO2是幾乎所有玻璃中的一個主要成分，它熔點高，具有很高的粘度，在熔融狀態(tài)下氣泡脫除速度很慢。對于最終玻璃，它的存在導致玻璃具有低的熱膨脹系數(shù)。②Na2O、Li2O、K2O等堿金屬氧化物使玻璃具有低的粘度，改進玻璃流動性。它們使成品玻璃具有高的膨脹系數(shù)及易受潮氣(水分)的侵蝕。③CaO、MgO使玻璃液具有中等粘度，易于析晶，在玻璃中它們能改進制品的耐化學性、耐水性及耐酸、堿性，以及耐溫性。④B2O3使玻璃熔體具有中等粘度，在玻璃熔制時起助熔劑作，使玻璃具有低的熱膨脹性及穩(wěn)定玻璃的電氣性能。

1、各種玻璃纖維的成分及性能玻璃纖維的組成及分類35當前35頁，總共119頁。⑦ZnO使玻璃液粘度稍稍上升,它在玻璃中有助于耐化學性的增加。

⑧PbO大大降低了玻璃液粘度起著助熔劑的作用,在成品玻璃中增加破璃密度以及光亮程度,導致高的熱膨脹。用在生產高品質玻璃，也可用在耐輻照玻璃纖維成分中。⑨BeO導致中等玻璃粘度,有助于增加玻玻璃產品的耐化學性及提高密度。⑩TiO2導致玻璃液粘度稍高，改善玻璃耐化學性，特別是耐堿性。?ZrO2顯著增加玻璃液粘度及析晶傾向，它大大提高了玻璃的耐堿性。⑤A12O3增加熔體粘度，使最終玻璃有高的機械性質及改進耐化學性。⑥Fe2O3作為著色劑使用，一般在玻璃中是作為雜質處理，在玻璃液中吸收紅外光，阻礙玻璃液中的傳熱。它的存在使玻璃著上綠色。36當前36頁，總共119頁。玻璃纖維種類國內外常用玻璃纖維的成分SiO2Al2O3CaOMgOZrO2B2O3Na2OK2O無堿1#54.1±0.715.0±0.516.5±0.54.5±0.59.0±0.5<0.5無堿2#54.5±0.713.8±0.516.2±0.54.0±0.59.0±0.5<2.0無堿5#67.5±0.76.6±0.59.5±0.54.2±0.511.5±0.5<0.5中堿B1766.84.78.54.2312E53.516.317.34.480~3C65.0414368S64.325.010.30.3G-2071.01.016.02.49A72.00.6102.514.2E—無堿玻璃纖維；C—耐酸；S—高強；G-20抗堿；A—普通有堿當前37頁，總共119頁。玻璃纖維的性能3.1.4.1玻璃纖維的物理性能1.外觀和密度玻璃纖維呈表面光滑的圓柱體，表面光滑，纖維之間的抱合力非常小，不利于和樹脂粘結。玻璃纖維彼此相靠近時，空隙填充得較為密實，有利于提高玻璃鋼制品的玻璃含量。當前38頁，總共119頁。纖維名稱羊毛蠶絲棉花人造絲尼龍?zhí)祭w維玻璃纖維無堿有堿密度g/cm31.28~1.331.30~1.451.50~1.601.50~1.601.141.42.6~2.72.4~2.6玻璃鋼使用的玻璃纖維直徑5μm~20μm，其密度較有機纖維大很多，但比一般金屬密度要低。當前39頁，總共119頁。2.力學性能(1)拉伸強度玻璃纖維的拉伸強度比同成分的塊狀玻璃高幾十倍例：塊狀有堿玻璃纖維的拉伸強度：40MPa~100MPa

玻璃纖維強度：2000MPa幾種纖維材料和金屬材料的強度羊毛亞麻棉花生絲尼龍高強合金鋼鋁合金玻璃玻璃纖維纖維直徑(μm)~1516~5010~2018塊狀塊狀塊狀塊狀5~8拉伸強度(MPa)100~300350300~700440300~600160040~46020~1201000~3000當前40頁，總共119頁。微裂紋假說：玻璃的理論強度很高，可達2000~12000MPa，但實測強度很低：在玻璃或玻璃纖維中存在著數(shù)量不等、尺寸不同的微裂紋，大大降低了強度。微裂紋分布在玻璃或玻璃纖維的整個體積內，但以表面的微裂紋危害最大。由于微裂紋的存在，使玻璃在外力作用下受力不均，微裂紋處產生應力集中，從而使強度下降。

玻璃纖維高溫成型時減少了玻璃溶液的不均一性，使微裂紋產生的機會減少；玻璃纖維的斷面較小，使微裂紋存在的幾率也減少，從而使玻璃纖維強度增高。當前41頁，總共119頁。分子取向假說：在玻璃纖維成型過程中，由于拉絲機的牽引作用，使玻璃纖維分子產生定向排列，從而提高了玻璃纖維強度。當前42頁，總共119頁。影響玻璃纖維強度的因素：①

纖維直徑和長度對拉伸強度的影響直徑越細，拉伸強度越高隨著纖維長度的增加，拉伸強度顯著下降

直徑(μm)性能457911拉伸強度(MPa)3000~38002400~29001750~21501250~17001050~1250玻璃纖維長度(mm)纖維直徑(μm)平均拉伸強度(MPa)51315002012.512109012.7360156013720當前43頁，總共119頁。②

化學組成對拉伸強度的影響含堿量越高，強度越低。無堿玻璃纖維比有堿玻璃纖維的拉伸強度高20%。玻璃纖維纖維直徑(μm)拉伸強度(MPa)無堿5.012000有堿4.701600無堿玻璃纖維成型溫度高、硬化速度快、結構鍵能大

氧化鈉、氧化鉀等堿性氧化物為助熔氧化物，它主要通過破壞玻璃骨架，使結構疏松，從而達到助溶的目的。

氧化鈉和氧化鉀的含量越高，玻璃纖維的強度會相應的降低當前44頁，總共119頁。③

存放時間對強度的影響玻璃纖維存放一段時間后其強度會降低—纖維的老化。原因：空氣中的水分和氧氣對纖維侵蝕④

施加負荷時間對強度的影響玻璃纖維強度隨著施加負荷時間的增長而降低環(huán)境濕度較高時，尤其明顯原因：吸附在微裂紋中的水分，在外力作用下，使微裂紋擴展速度加速。當前45頁，總共119頁。(2)玻璃纖維的彈性玻璃纖維的延伸率：纖維在外力作用下直至拉斷時的伸長百分率玻璃纖維的彈性模量：在彈性范圍內應力和應變關系的比例常數(shù)影響玻璃纖維的彈性模量的主要因素：化學組成加入BeO、MgO能提高玻璃纖維的彈性模量纖維種類彈性模量(MPa)延伸率(%)無堿纖維(E)720003.0有堿纖維(A)660002.7棉纖維10000~120007.8羊毛纖維600025~35亞麻纖維30000~500002~3芳綸纖維300020~25高合金鋼160000鋁合金42000~46000當前46頁，總共119頁。(3)玻璃纖維的耐磨性和耐折性玻璃纖維的耐磨性和耐折性能很差，尤其在潮濕環(huán)境下玻璃纖維表面吸附水分后能加速微裂紋的擴展改進玻璃纖維的柔性措施：表面處理0.2%陽離子活性劑水溶液處理當前47頁，總共119頁。3.玻璃纖維的熱性能(1)玻璃纖維的導熱性玻璃導熱系數(shù)：0.7W/(m·K)~1.3W/(m·K)玻璃纖維導熱系數(shù)：0.034W/(m·K)原因：纖維間的空隙較大，容積密度較小，空氣導熱系數(shù)低物質種類容積密度(kg/m3)導熱系數(shù)[W/(m·K)]物質種類容積密度(kg/m3)導熱系數(shù)[W/(m·K)]羊毛800.034~0.046玻璃纖維800.034蠶絲1000.046~0.052玻璃0.7~1.3亞麻1300.046~0.053空氣0.0246原棉810.058~0.062水0.60當前48頁，總共119頁。(2)玻璃纖維的耐熱性玻璃纖維的耐熱性較高，軟化點為550℃~580℃，熱膨脹系數(shù)為4.8×10-6℃；200℃

~250℃以下，玻璃纖維強度不變當前49頁，總共119頁。3.1.4.2玻璃纖維的化學性能化學成分對玻璃纖維化學穩(wěn)定性的影響：玻璃纖維除氫氟酸(HF)、濃堿(NaOH)、濃磷酸外，對所有化學藥品和有機溶劑有很好的化學穩(wěn)定性。無堿與中堿玻璃纖維性能對比種類耐酸性耐水性機械強度防老化性電絕緣性成本浸潤劑適用條件無堿一般好高較好好較高樹脂易滲透強度高的場合中堿好差較低較差低低樹脂滲透性差強度低的場合當前50頁，總共119頁。中堿玻璃纖維耐酸性好酸與玻璃纖維表面的金屬氧化物作用，金屬氧化物(Na2O、K2O)離析、溶解；酸與玻璃纖維中硅酸鹽作用生成硅酸，硅酸迅速聚合并凝成膠體，在玻璃表面形成一層極薄的氧化硅保護膜，實踐證明Na2O、K2O有利于這層保護膜的形成。無堿玻璃纖維耐水性好水與玻璃纖維作用，首先是侵蝕玻璃纖維表面的堿金屬氧化物，水呈現(xiàn)堿性，隨著時間增加，玻璃纖維與堿液繼續(xù)作用，直至使二氧化硅骨架破壞。當前51頁，總共119頁。玻璃纖維的化學穩(wěn)定性主要取決于其成分中的二氧化硅及堿金屬氧化物的含量。二氧化硅含量多能提高玻璃纖維的化學穩(wěn)定性；堿金屬氧化物會使化學穩(wěn)定性降低。當前52頁，總共119頁。

玻璃纖維的生產工藝坩堝法拉絲、池窯漏板法拉絲(1)坩堝法拉絲工藝生產工藝由制球和拉絲兩部分組成整個拉絲過程中加球和拉絲溫度控制是由自動控制裝置來完成的1—加料孔；2—鉑針；3—坩堝；4—電極板；5—玻璃液；6—漏板；7—玻璃纖維單絲；8—集束輪；9—玻璃纖維原紗；10—拉絲卷筒當前53頁，總共119頁。(2)池窯漏板法拉絲工藝池窯拉絲是連續(xù)玻璃纖維生產的一種新的工藝方法。池窯拉絲是將玻璃配合料投入熔窯熔化后直接拉制成各種支數(shù)的連續(xù)玻璃纖維。池窯拉絲與坩堝拉絲相比較，具有如下優(yōu)點：1.省去制球工藝，簡化工藝流程，效率高；2.池窯拉絲一窯可安裝10塊到上百塊漏板，熔量大，生產能力高；3.易實現(xiàn)自動化；4.適于多孔大漏板生產玻璃鋼適用的粗纖維；5.生產的廢紗便于回爐。當前54頁，總共119頁。池窯拉絲是國際上普遍采用的玻璃纖維生產新工藝，該技術特點是，采用重油或燃氣加熱單元窯，粉料直接熔化成玻璃，經(jīng)燃氣加熱的成型通路，由多臺（數(shù)十到上百臺）漏板同時拉制各種規(guī)格的玻璃纖維原絲。具有生產規(guī)模大、效率高、能耗低、產品質量好等優(yōu)點，能適應800至4000孔大漏板拉絲成型的要求，是生產高質量、低成本玻璃纖維材料的最佳方法。當前55頁，總共119頁。當前56頁，總共119頁。玻璃纖維制品的生產工藝生產玻璃纖維制品的主要設備是紡紗機和織布機1—電熔池窯爐；2—漏板；3—加浸潤劑；4—機械裝置；5—噴射粘接劑；6—金屬網(wǎng)帶；7—固化裝置；8—卷筒連續(xù)玻璃纖維氈生產示意圖當前57頁，總共119頁。玻璃纖維紗的規(guī)格及性能玻璃纖維紗可分無捻紗及有捻紗兩種。無捻紗一般用增強型浸潤劑，由原紗直接并股、絡紗制成有捻紗則多用紡織型浸潤劑，原紗經(jīng)過退繞、加捻、并股、絡紗而制成。由于生產玻璃纖維紗的纖維直徑、支數(shù)及股數(shù)不同，使無捻紗和有捻紗的規(guī)格有許多種。當前58頁，總共119頁。纖維支數(shù)有兩種表示方法：

(1)定質量法用質量為1g的原紗的長度來表示，即：例如：40支紗，就是指質量為1g的原紗長40m。(2)定長法目前國際上統(tǒng)一使用的方法，通稱“TEX”(公制號數(shù))。1000m長的原紗的克質量。例如：4“TEX”就是指1000m原紗質量為4g。當前59頁，總共119頁。捻度單位長度內纖維與纖維之間所加的轉數(shù)，以捻／m為單位Z捻(左捻)，順時針方向加捻；S捻(右捻)，逆時針方向加捻。通過加捻可提高纖維的抱合力，改善單纖維的受力狀況，有利于紡織工序的進行。捻度過大不易被樹脂浸透。無捻粗紗中的纖維是平行排列的，拉伸強度很高，易被樹脂浸透，故無捻粗紗多用于纏繞高壓容器及管道等，同時也用于拉擠成型、噴射成型等工藝中。當前60頁，總共119頁。玻璃纖維及玻璃纖維制品1、無捻粗紗無捻粗紗是由平行原絲或平行單絲集束而成。無捻粗紗是加工方格布、網(wǎng)格布的基本原料，是玻璃鋼基材最基本的原材料。噴射用無捻粗紗，纏繞型無捻粗紗，拉擠用無捻粗紗及織造用無捻粗紗等，用途十分廣泛。種類當前61頁，總共119頁。2、無堿布

無堿布是用無堿玻纖紗織造而成，具有優(yōu)異的電氣絕緣性、力學性能、耐熱性及抗吸濕性。主要用于生產各種電絕緣層壓板、印刷線路板、各種車輛車體、貯罐、船艇、模具等無堿布還適合用作玻璃漆布，玻璃布層壓制品與覆銅箔層壓的基材，以及玻璃云母制品等的補強材料。當前62頁，總共119頁。當前63頁，總共119頁。3、短切玻璃纖維短切玻璃纖維，適應于各種不同的用途。采用適當?shù)慕檮┖图鴶?shù)，切成不同長度的玻璃纖維，在熱固性，熱塑性樹脂增強材料中獲得廣泛的應用。當前64頁，總共119頁。4、無捻方格布以無捻粗紗織成的方格布，廣泛應用于手糊玻璃鋼(FRP)產品領域。當前65頁，總共119頁。5、玻璃纖維耐堿網(wǎng)布玻璃纖維耐堿網(wǎng)布是以中堿或無堿玻璃纖維織物為基礎，經(jīng)耐堿涂層處理而成。該產品強度高、粘結性好、服帖性、定位性極佳，廣泛應用于墻體增強，外墻保溫，屋面防水等方面，還可應用于水泥、塑料、瀝青、大理石、馬賽克等墻體材料的增強，是建筑行業(yè)理想的工程材料。當前66頁，總共119頁。6、膨體紗與膨體布膨體紗由玻璃纖維紗經(jīng)過高壓空氣裝置，特殊膨化而成，該產品兼有連續(xù)長纖維的高強度，又有短切纖維的蓬松性，具有耐高溫、耐腐蝕、高過濾效果、高強度等特點，被廣泛應用于過濾布、裝飾布、絕緣織物等，是石棉制品理想的替代材料，在環(huán)保工業(yè)方面應用廣泛。當前67頁，總共119頁。膨體布是由膨體紗制造而成，具有透氣性好，容塵量大、過濾效率高等特點。主要用于鋼鐵、水泥、發(fā)電等行業(yè)的高溫袋過濾器；包裝材料；裝飾材料等。當前68頁，總共119頁。7、拉擠紗具有良好的耐磨性、柔軟成性好、纖維光滑毛紗少、與苯乙烯有極好的相溶性，浸透速度非?？?。通過拉擠成型與聚酯或環(huán)氧樹脂結合成高強度的玻璃鋼制品。當前69頁，總共119頁。擠拉紗產品特性：品名產品代號浸潤劑類型含水率％選用樹脂卷裝量(Kg)無堿拉擠紗ERL-1200硅烷類＜0.18聚酯或環(huán)氧20±0.5無堿拉擠紗ERL-2400硅烷類＜0.18聚酯或環(huán)氧20±0.5中堿拉擠紗CRL-1200硅烷類＜0.2聚酯或環(huán)氧20±0.5中堿拉擠紗CRL-2400硅烷類＜0.2聚酯或環(huán)氧20±0.5當前70頁，總共119頁。8、纏繞紗具有較好的成帶性、柔軟、纖維光滑、與苯乙烯有很好的相溶性、浸透速度快。制成的玻璃鋼耐水性好。通過管道纏繞成型與聚酯或環(huán)氧樹脂結合成高強度的玻璃鋼制品。品名產品代號浸潤劑類型含水率％選用樹脂卷裝量(Kg)無堿纏繞紗ERC-1200硅烷類＜0.18聚酯或環(huán)氧20±0.5無堿纏繞紗ERC-2400硅烷類＜0.18聚酯或環(huán)氧20±0.5中堿纏繞紗CRC-2400硅烷類＜0.2聚酯或環(huán)氧20±0.5當前71頁，總共119頁。9、噴射紗具有較好的短切性能、無靜電、與苯乙烯有良好的相溶性、浸透速度較快。通過連續(xù)噴射法與聚酯或環(huán)氧樹脂結合成高強度的玻璃鋼制品。當前72頁，總共119頁。10、玻璃纖維套管玻璃纖維套管是由無堿紗編織而成，用于電視、儀表、無線電、電視機、電扇及其他家用電器上。應用玻璃纖維套管的電線和電纜能提供良好的性能和可靠的絕緣。當前73頁，總共119頁。11、短切氈把玻璃纖維短切成約50mm長，然后均勻沉降在成型帶上，并敷上特種粘結劑形成短切氈，它具有各向同性與樹脂結合良好的親和性，脫泡性、易成型等特點，廣泛使用于手糊玻璃鋼(FRP)及玻纖層壓板材上。當前74頁，總共119頁。12、連續(xù)原絲氈連續(xù)原絲氈是新型玻纖無紡增強材料，廣泛用于高質量玻璃鋼的模壓和拉擠成型工藝。該技術以玻璃纖維原絲為原料，經(jīng)機械鋪疊制成高強度無紡氈，產品規(guī)格為225～900克/平方米當前75頁，總共119頁。13、玻璃纖維方格布玻璃纖維方格布具有高強、耐腐、絕緣等特點。是制造玻璃鋼制品基布。廣泛應用于儀表、無線電貯槽建筑構件、制造游艇、汽車車體、透明玻璃鋼及手糊玻璃鋼工藝上。當前76頁，總共119頁。14、無堿纖維帶無堿玻璃纖維帶是電機及電器的良好的包扎絕緣材料，也是玻璃鋼(FRP)用基材。當前77頁，總共119頁。玻璃纖維的物理化學性能外觀特性通常玻璃纖維的外表呈光滑的圓柱狀，其橫截面呈完整的圓形。表面張力的原因。拉伸其強度玻璃纖維的強度比塊狀玻璃的強度過數(shù)十倍，而且遠遠超過其他天然纖維、合成纖維以及各種合金材料。理想的增強材料。彈性低于金屬合金，高于有機纖維。電性能有良好的絕緣性和介電性能

當前78頁，總共119頁。各種材料的拉伸強度材料3-9um玻璃纖維尼龍人造絲拉伸強（MPa）1470—4800490—680340—440材料鉻鉬鋼輕質鎂合金碳纖維拉伸強（MPa前79頁，總共119頁?；瘜W穩(wěn)定性不燃燒、耐腐蝕耐熱性耐高溫柔性柔性較小吸濕性吸水能力極小密度玻璃纖維的密度比有機纖維高，比大多數(shù)金屬合金低，大致和鋁相近。當前80頁，總共119頁。玻璃成分Glasscomposition當前81頁，總共119頁。成分與作用Componentsandtheirfunctions氧化硅SiO2：物質基礎、骨架Basisandmatrix氧化鋁Al2O3：降析晶和膨脹系數(shù),提高穩(wěn)定性和強度toreducerecrystallizationandexpansioncoefficientandincreasestabilityandstrength

氧化鈣氧化鎂

：降低高溫時粘度，促進熔化、澄清、提高拉絲速度

CaO/

MgO:Toreduceviscosityathightemperatureandpromotemelting,refiningandincreasewindingspeed.

氧化硼B(yǎng)2O氧化鐵Fe2O3堿金屬；助熔，提高流動性

Na2O/K2O；Toaidmeltingandincreasefluidity當前82頁，總共119頁。玻璃纖維的生產工藝玻璃纖維的原料玻璃纖維的融制→玻璃纖維的成型原料（1）主要原料酸性氧化物：SiO2、Al2O3、B2O3、ZrO2堿土金屬氧化物：CaO、MgO、其他二價氧化物堿金屬氧化物：CaO、K2O、Li2O→當前83頁，總共119頁。（2）輔助原料助熔劑：硝酸鹽、含硼化物、氧化物澄清劑：變價氧化物、硫酸鹽、硝酸鹽、鹵化物氧化劑：硝酸鹽、變價氧化物當前84頁，總共119頁。以E玻璃纖維為例，由于它主要用于絕緣制品和高性能FRP復合材料，因此不允許有堿金屬氧化物（R2O）。按目前的國標，

R2O的總量限制在0.8%以下。當前85頁，總共119頁。玻璃纖維的熔制（1）玻璃纖維的熔制是指將復合材料在高溫下經(jīng)過硅酸鹽反應、熔融再轉化成均質玻璃的過程。（2）熔融過程包括以下五個階段：硅酸鹽形成階段玻璃形成階段玻璃的澄清階段玻璃液的均化階段玻璃液的冷卻階段當前86頁，總共119頁。玻璃纖維的成型我國玻璃纖維自進入工業(yè)化生產以來所采用的成型工藝方式總的可分為球法坩堝拉絲和池窯法直接拉絲兩大類。1.球法坩堝拉絲（1）球法坩堝拉絲的實質是制成玻璃球，在坩堝內再熔后進行拉絲。（2）按照不同的坩堝形式，球法坩堝拉絲分為：陶土坩堝拉絲金鉑坩堝拉絲代鉑坩堝拉絲組合爐拉絲當前87頁，總共119頁。池窯拉絲池窯拉絲是當今世界上最先進的玻璃纖維成型工藝方式。它的規(guī)模和生產能力遠大于坩堝拉絲。我國池窯拉絲工藝的開發(fā)，起始于20世紀60年代，在1965年，由南京玻璃纖維院研究、設計和建造了第一個日產0.8tC玻璃全電熔池窯拉絲生產線。當前88頁，總共119頁。玻璃纖維的成型原理高溫粘性的玻璃液呈滴狀從漏嘴流出后，被下面的拉絲機以恒定的速度牽伸并固化成一定直徑的連續(xù)玻璃纖維。當前89頁，總共119頁。影響纖維成型的玻璃性能結晶性能粘度和硬化速度表面張力指液體與另一相接觸的相界面上，在恒溫恒容下增加一個單位面積所需做的功。流變性能指材料受外力作用時發(fā)生的流動或變形的一些特性。潤濕性能在玻璃纖維生產中，玻璃液與漏板材料之間的潤濕程度，對拉絲作業(yè)有一定的影響。當前90頁，總共119頁。玻璃纖維的應用及其制品玻璃纖維是一種工程材料，具有不燃、耐腐蝕、吸濕小、伸長小等優(yōu)良性能。玻璃纖維的生產已成為一門獨立的工業(yè)體系，成為現(xiàn)代非金屬材料家族中具有獨特功能的材料。它們屬于微米級玻璃態(tài)纖維，又借鑒了傳統(tǒng)的紡織技術，創(chuàng)造出獨特的后加工體系。制造出玻璃纖維材質的制品，在機械、電學、光學、絕熱及吸聲等方面發(fā)揮出獨特的性能。應用領域遍及電子、電器、交通、建筑、航空、航天、環(huán)保和國防軍工等國民經(jīng)濟的各個部門。當前91頁，總共119頁。玻璃纖維窗紗當前92頁，總共119頁。玻璃纖維方管當前93頁，總共119頁。玻璃纖維縫編粘產品當前94頁，總共119頁。玻璃纖維管當前95頁，總共119頁。玻璃纖維傘骨、帳篷竿當前96頁，總共119頁。玻璃纖維自粘膠帶當前97頁，總共119頁。玻璃纖維自粘膠帶當前98頁，總共119頁。3.2碳纖維

概述：碳（石墨）纖維是由C元素組成的高性能纖維。最高強度已達7000MPa，最高模量達900GPa，而其密度約為1.8～2.1，具有低熱膨脹、高導熱、耐高溫等優(yōu)異的性能。制造：以有機物為原料采用氣相法和有機纖維碳化法。主要類型：

1）聚丙烯晴(PAN)碳纖維

2）黏膠碳纖維

3）瀝青碳纖維當前99頁，總共119頁。3.2.1.碳纖維的性能力學性能物理性能化學性能當前100頁，總共119頁。1）碳纖維力學性能牌號拉伸強度

（MPa)彈性模量

（GPa)延伸率（%）密度

（g/cm3）T300-600035302301.51.76T400HB-600044102501.81.8T700SC-1200049002302.11.8T800HB-1200054902941.91.81T1000GB-1200063702942.21.8M35JB-1200047003431.41.75M40JB-1200044003771.21.75M46JB-1200040204360.91.84M55JB-600040205400.81.91M60JB-600038205880.71.93M30SC-1800054902941.91.73當前101頁，總共119頁。2）碳纖維的物理性能密度?。?.5～2.0之間，石墨化程度越高，密度越大；熱膨脹系數(shù)：纖維向(-1.5～-0.5)×10-6/K

垂直纖維向（5.5～8.4）×10-6/K導熱率：纖維向16.74W/(m·K)

垂直纖維向0.837W/(m·K)導電性好：高模量CF比電阻755μΩ·cm

高強度CF比電阻1500μΩ·cm當前102頁，總共119頁。3）化學性能抗氧化性好：除能被強氧化劑氧化外，對一般酸堿是惰性的。在空氣中，溫度高于400℃時出現(xiàn)明顯的氧化，生成CO和CO2；耐熱性：在不接觸空氣和氧化氣氛時，碳纖維要在1500℃強度才開始下降；耐油、抗放射、吸收有毒氣體、減速中子等當前103頁，總共119頁。3.2玻璃纖維基本特點：使用量最大、成本低、性能好；分類：以原料成分分類無堿GF（E玻纖）：堿金屬含量不大于0.5%。強度較高、耐熱性和電性能優(yōu)良，化學穩(wěn)定性好（不耐酸）。中堿GF（C玻纖）：堿金屬含量11.5%～12.5%，耐酸性好、價格低，但強度不如無堿GF；有堿GF（A玻纖）：堿金屬含量>14%，強度低、耐濕熱性差；特種GF：高強GF（S玻纖）—由純鎂鋁硅三元組成，抗拉強度2800MPa；高模量GF（M玻纖）—在低鋁的鈣鎂硅酸鹽系統(tǒng)中加入鉻、鉭、鈮等氧化物，其E=120GPa。當前104頁，總共119頁。

表3-1典型GF的力學性能纖維種類密度拉伸強度MPa彈性模量GPaE-玻纖2.54350072S-玻纖2.44470087M-玻纖2.893700118棉纖維1.5300～40010～12鋁合金2.740～46072當前105頁，總共119頁。3.2.1物理性能密度：2.4～2.9；耐磨性和耐折性：都很差；熱性能：導熱率小0.035W/（m·K），隔熱性好—優(yōu)良的絕熱材料；耐熱性好，軟化點為550～580℃；熱膨脹