高分子復(fù)合材料第二章玻璃纖維

高分子復(fù)合材料第二章玻璃纖維第二章增強(qiáng)材料在復(fù)合材料中，能夠提高基體材料力學(xué)性能的材料，稱為增強(qiáng)材料。增強(qiáng)材料是復(fù)合材料的主要組成部分，它起著提高樹脂基體的強(qiáng)度、

模量、耐熱和耐磨等性能的作用，同時(shí)，增強(qiáng)材料能減少復(fù)合材料成型過程中的收縮率，提高制品硬度等。2.1增強(qiáng)材料的種類:主要有纖維增強(qiáng)材料、片狀增強(qiáng)材料、顆粒狀增強(qiáng)材料。玻璃纖維短切玻纖云母片陶瓷微珠第2頁,共28頁，2024年2月25日，星期天第二章增強(qiáng)材料高分子復(fù)合材料的增強(qiáng)材料的基本特征①增強(qiáng)材料應(yīng)具有能明顯提高樹脂基體某種所需特性的性能，以便賦予復(fù)合材料所需的特性和綜合性能；②增強(qiáng)材料應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性；③與樹脂有良好的浸潤性和適當(dāng)?shù)慕缑娣磻?yīng)，使增強(qiáng)材料與基體樹脂有良好的界面結(jié)合；④價(jià)格低廉。第3頁,共28頁，2024年2月25日，星期天2.2.1玻璃纖維的發(fā)展現(xiàn)狀2.2玻璃纖維及其制品2.2.1玻璃纖維的發(fā)展現(xiàn)狀玻璃纖維是一種綜合性能優(yōu)異的無機(jī)非金屬材料，通常作為復(fù)合材料增強(qiáng)基材、電絕緣材料、耐熱絕熱材料、光導(dǎo)材料、耐蝕材料和過濾材料等，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域。玻璃纖維作為增強(qiáng)材料，是樹脂基復(fù)合材料的絕對主體，占應(yīng)用量的98%以上。全球玻璃纖維制造的先驅(qū)是美國的歐文斯（OwensCorning）公司，該公司年產(chǎn)玻纖65萬噸。我國玻纖工業(yè)起步于1958年，當(dāng)年產(chǎn)能500噸，產(chǎn)量106噸。2000年以后，隨著玻璃纖維池窯拉絲工藝的迅速發(fā)展，我國玻纖產(chǎn)量2007年達(dá)到160萬噸,成為世界玻纖產(chǎn)能第一大國。2010年我國玻纖產(chǎn)量超過260萬噸。第4頁,共28頁，2024年2月25日，星期天2.2.1玻璃纖維的發(fā)展現(xiàn)狀2.2.1玻璃纖維的發(fā)展現(xiàn)狀

2005年以前，全球玻纖行業(yè)一直是國外壟斷格局。由美國歐文斯科寧、PPG和法國圣戈班占據(jù)60%以上的份額。近5年來，隨著中國三大廠商巨石集團(tuán)、重慶國際和泰山玻纖每年30%的持續(xù)高速產(chǎn)能投入，中國三強(qiáng)不僅壟斷著國內(nèi)市場，也成為全球格局中新的寡頭。目前全球有六大玻纖供應(yīng)商：巨石、OC、重慶、PPG、泰山、JohnsManivel。玻纖行業(yè)集中度高，六大廠商產(chǎn)能占到全球的70%。第5頁,共28頁，2024年2月25日，星期天2.2.2玻璃纖維的分類2.2.2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(jìn)行分類。（1）以玻璃原料成份分類1、無堿玻璃纖維2、中堿玻璃纖維堿金屬氧化物含量為11.5％－12.5％；耐酸性能好，強(qiáng)度不如E玻璃纖維。3、特種玻璃纖維(通稱E玻璃)國內(nèi)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；以鈣鋁硼硅酸鹽組成的玻璃纖維。由純鎂鋁硅三元組成的高強(qiáng)玻璃纖維；鎂鋁硅系高強(qiáng)、高彈玻璃纖維；硅鋁鈣鎂系耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕玻璃纖維；含鉛纖維；高硅氧纖維；石英纖維等。第6頁,共28頁，2024年2月25日，星期天2.2.2玻璃纖維的分類（2）以單絲直徑分類頭發(fā)絲的直徑50-80μm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(xì)纖維：單絲直徑小于4μm

。（3）以纖維外觀分類

1、連續(xù)纖維，其中有無捻粗紗及有捻粗紗(用于紡織)；2、短切纖維；

3、空心玻璃纖維；4、玻璃粉及磨細(xì)纖維等。第7頁,共28頁，2024年2月25日，星期天2.2.2玻璃纖維的分類（4）以纖維特性分類以纖維本身具有的性能可分為：高強(qiáng)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)。

第8頁,共28頁，2024年2月25日，星期天2.2.3玻璃纖維的玻璃纖維的結(jié)構(gòu)2.2.3玻璃纖維的玻璃纖維的結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成（1）玻璃纖維的物態(tài)玻璃是無色透明具有光澤的脆性固體。由熔融態(tài)過冷時(shí)因粘度增加而具有固體物理機(jī)械性能的無定形物體，各向同性的均質(zhì)材料。特點(diǎn)：沒有固定的熔點(diǎn)玻璃纖維是將玻璃材料通過拉絲形成的纖維狀的玻璃。第9頁,共28頁，2024年2月25日，星期天2.2.3玻璃纖維的玻璃纖維的結(jié)構(gòu)（2）玻璃纖維的結(jié)構(gòu)微晶結(jié)構(gòu)假說：玻璃是由硅酸鹽或二氧化硅的“微晶子”組成，在結(jié)構(gòu)上是高度變形的晶體，在“微晶子”之間由硅酸鹽過冷溶液所填充。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(luò)，網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)是決定玻璃性能的基礎(chǔ)，填充的Na、Ca等陽離子稱為網(wǎng)絡(luò)改性物。第10頁,共28頁，2024年2月25日，星期天2.2.3玻璃纖維的玻璃纖維的結(jié)構(gòu)（2）玻璃纖維的結(jié)構(gòu)玻璃纖維結(jié)構(gòu)示意圖第11頁,共28頁，2024年2月25日，星期天2.2.3玻璃纖維的玻璃纖維的結(jié)構(gòu)（3）玻璃纖維的化學(xué)組成玻璃纖維的化學(xué)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(jié)構(gòu)疏松，從而達(dá)到助溶的目的。氧化鈉和氧化鉀的含量越高，玻璃纖維的強(qiáng)度、電絕緣性和化學(xué)穩(wěn)定性會相應(yīng)的降低。第12頁,共28頁，2024年2月25日，星期天玻璃纖維種類國內(nèi)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(qiáng)；G-20抗堿；A—普通有堿第13頁,共28頁，2024年2月25日，星期天2.2.4玻璃纖維的物理性能2.2.4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，其橫斷面幾乎是完整的圓形。因表面光滑，纖維之間的抱合力非常小。玻璃鋼使用的玻璃纖維直徑1.5μm~30μm，一般為4~14μm。其密度為2.16~4.30g/cm3，比有機(jī)纖維大很多，但比一般金屬密度要低。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第14頁,共28頁，2024年2月25日，星期天2.2.4玻璃纖維的物理性能

（2）玻璃纖維力學(xué)性能

1、玻璃纖維拉伸強(qiáng)度玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度比同成分的塊狀玻璃高幾十倍。塊狀有堿玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度：40MPa~100MPa，玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度1500~4000MPa，是一般合成纖維的10倍。

微裂紋假說：玻璃的理論強(qiáng)度很高，可達(dá)2000~12000MPa，但實(shí)測強(qiáng)度比較低。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(qiáng)度。微裂紋分布在玻璃或玻璃纖維的整個(gè)體積內(nèi)，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(chǎn)生應(yīng)力集中，從而使強(qiáng)度下降。第15頁,共28頁，2024年2月25日，星期天2.2.4玻璃纖維的物理性能影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素a.纖維直徑和長度對拉伸強(qiáng)度的影響直徑越細(xì)，拉伸強(qiáng)度越高；隨著纖維長度的增加，拉伸強(qiáng)度顯著下降。直徑(μm)性能457911拉伸強(qiáng)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(qiáng)度(MPa)51315002012.512109012.7360156013720第16頁,共28頁，2024年2月25日，星期天2.2.4玻璃纖維的物理性能影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素b.化學(xué)組成對拉伸強(qiáng)度的影響含堿量越高，強(qiáng)度越低；無堿玻璃纖維比有堿玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度高20%。無堿玻璃纖維成型溫度高、硬化速度快、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)疏松，從而達(dá)到助溶的目的。氧化鈉和氧化鉀的含量越高，玻璃纖維的強(qiáng)度會相應(yīng)的降低。玻璃纖維纖維直徑(μm)拉伸強(qiáng)度(MPa)無堿5.012000有堿4.701600第17頁,共28頁，2024年2月25日，星期天2.2.4玻璃纖維的物理性能影響玻璃纖維強(qiáng)度的因素c.存放時(shí)間對強(qiáng)度的影響玻璃纖維存放一段時(shí)間后其強(qiáng)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。d.施加負(fù)荷時(shí)間對強(qiáng)度的影響玻璃纖維強(qiáng)度隨著施加負(fù)荷時(shí)間的增長而降低，環(huán)境濕度較高

時(shí)，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(kuò)展

速度加速。e.玻璃纖維成型方法和條件對強(qiáng)度的影響玻璃硬化速度快，纖維強(qiáng)度也越高。第18頁,共28頁，2024年2月25日，星期天2.2.4玻璃纖維的物理性能

2、玻璃纖維彈性模量影響玻璃纖維的彈性模量的主要因素：化學(xué)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第19頁,共28頁，2024年2月25日，星期天2.2.4玻璃纖維的物理性能（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(kuò)展。纖維的柔性一般以斷裂前的彎曲半徑大小表示，彎曲半徑越小，柔性越好。通訊光纖第20頁,共28頁，2024年2月25日，星期天2.2.4玻璃纖維的物理性能2、玻璃纖維的耐熱性

玻璃纖維的耐熱性較高，軟化點(diǎn)為550℃~580℃，熱膨脹系數(shù)為4.8×10-6℃；200℃~250℃以下，玻璃纖維強(qiáng)度不變。（4）玻璃纖維的熱性能1、玻璃纖維的導(dǎo)熱性玻璃導(dǎo)熱系數(shù)：0.69W/(m·K)~1.16W/(m·K)玻璃纖維導(dǎo)熱系數(shù)：0.035W/(m·K)原因：纖維間的空隙較大，容積密度較小，空氣導(dǎo)熱系數(shù)低。第21頁,共28頁，2024年2月25日，星期天2.2.4玻璃纖維的物理性能（5）玻璃纖維的電性能玻璃材料及玻璃纖維在外電場的作用下，玻璃纖維內(nèi)的離子產(chǎn)生遷移而具有一定的導(dǎo)電性能。玻璃纖維的導(dǎo)電主要取決于化學(xué)組成、溫度和濕度。無堿纖維絕緣性能比有堿纖維好，因?yàn)闊o堿纖維中的金屬離子少?？諝鉂穸葘ΣＡЮw維的電阻率影響很大，濕度增加，電阻下降。（6）玻璃纖維的光學(xué)性能

玻璃本身可作為優(yōu)良的透光材料，但制成玻璃纖維后，其透光性能大大下降，遠(yuǎn)不如塊狀玻璃。第22頁,共28頁，2024年2月25日，星期天2.2.5玻璃纖維的化學(xué)性能化學(xué)成分對玻璃纖維化學(xué)穩(wěn)定性的影響：

1、

玻璃纖維除氫氟酸(HF)、濃堿(NaOH)、濃磷酸外，對所有化學(xué)藥品和有機(jī)溶劑有很好的化學(xué)穩(wěn)定性。

2、玻璃纖維的化學(xué)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(xué)穩(wěn)定性；堿金屬氧化物會使化學(xué)穩(wěn)定性降低。

原因：二氧化硅四面體相互連接構(gòu)成的玻璃纖維骨架，很難與水和酸反應(yīng)（磷酸、HF除外）；玻璃纖維中還有鈉、鉀、鈣等金屬離子及二氧化硅與金屬離子結(jié)合的硅酸鹽部分，多數(shù)侵蝕是溶解玻璃纖維中的金屬離子或破壞硅酸鹽部分。第23頁,共28頁，2024年2月25日，星期天2.2.6玻璃纖維及其制品玻璃纖維織物常見品種

玻璃纖維品種主要有玻璃纖維布、玻璃纖維氈、玻璃纖維帶等。玻璃纖維布玻璃纖維氈第24頁,共28頁，2024年2月25日，星期天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（1）玻璃纖維的生產(chǎn)工藝坩堝法拉絲、池窯漏板法拉絲1、坩堝法拉絲工藝生