玻璃纤维概述

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•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---30mm,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27μm3.大量生产无碱玻纤，无纺玻璃纤维织物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±0.715.0±0.516.5±0.54.5±0.59.0±0.50.5无碱2#54.5±0.713.8±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B1766.84.78.54.2312E53.516.317.34.480~3C65.0414368S64.325.010.30.3G-2071.01.016.02.49A72.00.6102.514.2E—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/cm31.28~1.331.30~1.451.50~1.601.50~1.601.141.42.6~2.72.4~2.6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)~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：玻璃的理论强度很高，可达2000~12000MPa，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)3000~38002400~29001750~21501250~17001050~1250玻璃纤维长度(mm)纤维直径(μm)平均拉伸强度(MPa)51315002012.512109012.7360156013720②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(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。玻璃纤维的化学稳定性主要取决于其成分中的二氧化硅及碱金属氧化物的含量。二氧化硅含量多能提高玻璃纤维的化学稳定性；碱金属氧化物会使化学稳定性降低。7.4玻璃纤维及其制品7.4.1.1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7.4.1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