聚合物基复合材料初稿1

1、二、复合材料的基本理论增强机理1、纤维增强指由高强度、高弹性模量的脆性纤维作增强体与韧性基体或脆性基体经一定工艺复合而成的多相材料。复合材料的基本理论纤维增强复合材料的机理：1、增强纤维因直径较小，产生裂纹的几率降低。2、纤维的表面受到基体的保护，不易在承载中 产生裂纹，增大承载力。3、基体能阻止纤维的裂纹扩展。 4、基体对纤维的粘结作用、基体与纤维之间的摩擦 力，使得材料的强度大大提高。 无机非金属基无机非金属基复合材料增强相是具有强结合键复合材料增强相是具有强结合键玻璃纤维阻止裂纹的产生，使脆性降低。玻璃纤维阻止裂纹的产生，使脆性降低。 高分子基高分子基复合材料中纤维增强相有效阻止基体分子

2、复合材料中纤维增强相有效阻止基体分子链的运动；链的运动； 金属基金属基复合材料中纤维增强相有效复合材料中纤维增强相有效 阻止位错运阻止位错运动而强化基体。动而强化基体。钨纤维铜基复合材料中的裂纹在铜中扩展受阻碳纤维环氧树脂复合材料断裂时纤维断口电子扫描照片纤维复合材料的复合原则1、增强纤维有高于基体的强度和模量。3、纤维应有一定的含量、尺寸和分布。2、纤维与基体之间有良好的相容性。4、两者间不发生有害的化学反应增强纤维的形状、分布及数量等均影响复合材料的性能增强纤维的形状、分布及数量等均影响复合材料的性能(a) (a) 数量数量 (b) (b) 大小大小 (c) (c) 形状形状 (d) (d

3、) 分布分布 and (e) and (e) 取向取向复合材料的基本理论增强机理2、颗粒增强 指由高强度、高弹性模量的脆性颗粒作增强体与韧性基体或脆性基体经一定工艺复合而成的多相材料。纳米微细硬颗粒弥散增强，微米颗粒增强。颗粒增强复合材料的种类：复合材料的基本理论弥散强化复合材料中弥散颗粒种类金属氧化物 碳化物硼化物复合材料的基本理论颗粒增强复合材料的机理： 弥散分布基体中的硬颗粒可以有效地阻止位错运动，产生显著的强化作用。复合材料的基本理论增韧机理3、纤维增韧 由于定向、取向或无序排布的纤维加入，使得复合材料的韧性得到显著提高。 纤维吸收裂纹尖端能量是靠晶须断裂及晶须从机体中拔出实现的。要求

4、用于补强的纤维具有较高的强度且能与基体有良好的粘结。晶须增韧前后裂纹生长变化晶须增韧前后裂纹生长变化复合材料的基本理论增韧机理颗粒增韧 增韧的机理主要包括相变增韧、裂纹转向增韧和分叉增韧。聚合物基复合材料聚合物基复合材料n 聚合物基体材料聚合物基体材料热固性基体材料：热固性基体材料：环氧树脂、不饱和聚脂树脂环氧树脂、不饱和聚脂树脂、热固性、热固性酚醛树脂等。酚醛树脂等。 热塑性基体材料：热塑性基体材料：聚酰亚胺、双马来酰亚胺、热塑性酚聚酰亚胺、双马来酰亚胺、热塑性酚醛树脂、聚醚醚酮、聚醚酮酮等醛树脂、聚醚醚酮、聚醚酮酮等n 增强材料增强材料主要指纤维增强：主要指纤维增强：玻璃纤维、玻璃纤维、碳

5、纤维、芳纶纤维、其他碳纤维、芳纶纤维、其他无机纤维（硼纤维、氧化铝纤维）等无机纤维（硼纤维、氧化铝纤维）等n 聚合物基复合材料的加工成型技术聚合物基复合材料的加工成型技术（一）概念（一）概念 聚合物基复合材料聚合物基复合材料是以有机聚合物为基体，纤维类增强材是以有机聚合物为基体，纤维类增强材料为增强剂的复合材料。料为增强剂的复合材料。 纤维的高强度、高模量的特性使它成为理想的承载体。基纤维的高强度、高模量的特性使它成为理想的承载体。基体材料由于其粘结性能好，把纤维牢固的粘结起来，同时，体材料由于其粘结性能好，把纤维牢固的粘结起来，同时，基体又能使载荷均匀分布，并传递到纤维上去，并允许纤基体又能

6、使载荷均匀分布，并传递到纤维上去，并允许纤维承受压缩和剪切载荷。纤维和基体之间的良好的复合显维承受压缩和剪切载荷。纤维和基体之间的良好的复合显示了各自的优点，并能实现最佳结构设计，具有很多优良示了各自的优点，并能实现最佳结构设计，具有很多优良的特性。的特性。 是结构复合材料中是结构复合材料中发展最早、研究最多，应用最广、规模发展最早、研究最多，应用最广、规模最大最大的一类复合材料。的一类复合材料。聚合物基复合材料概述聚合物基复合材料概述（二）发展简况（二）发展简况聚合物基复合材料发展史第一阶段：聚合物基复合材料发展史第一阶段：20世纪世纪40年代初年代初20世纪世纪60年代。年代。1942年出

7、现玻璃钢，标志着聚合物复合材料诞生，年出现玻璃钢，标志着聚合物复合材料诞生，1946年出现玻璃纤维尼龙。年出现玻璃纤维尼龙。20世纪世纪80年代初年代初1964年硼纤维出现。硼纤维价格贵，年硼纤维出现。硼纤维价格贵，1965年碳纤维开始出现。年碳纤维开始出现。1972年美国杜邦研制出高强度、高模量的有机纤维年美国杜邦研制出高强度、高模量的有机纤维聚芳酰胺纤聚芳酰胺纤维（维（Kevlar）20世纪世纪80年代初年代初1964年硼纤维出现。硼纤维价格贵，年硼纤维出现。硼纤维价格贵，1965年碳纤维开始出现。年碳纤维开始出现。1972年美国杜邦研制出高强度、高模量的有机纤维年美国杜邦研制出高强度、高

8、模量的有机纤维聚芳酰胺纤聚芳酰胺纤维（维（Kevlar）凯芙拉）凯芙拉（三）聚合物基复合材料的特点（三）聚合物基复合材料的特点 1.1.比强度和比模量高比强度和比模量高 聚合物基复合材料的突出优点是聚合物基复合材料的突出优点是比强度比强度及及比模量比模量高。比强度高。比强度是材料的强度与密度之比值，比模量是材料的模量与密度之是材料的强度与密度之比值，比模量是材料的模量与密度之比值，其量纲均为长度。复合材料的高比强度和高比模量来比值，其量纲均为长度。复合材料的高比强度和高比模量来源于源于增强纤维的高性能和低密度增强纤维的高性能和低密度。玻璃纤维由于模量相对较。玻璃纤维由于模量相对较低、密度较高，

9、其玻璃纤维树脂基复合材料的比模量略低于低、密度较高，其玻璃纤维树脂基复合材料的比模量略低于金属材料。金属材料。2.2.耐疲劳性能好，破损安全性能高耐疲劳性能好，破损安全性能高 金属材料的疲劳破坏常常是没有明显预兆的突发性破坏。复合金属材料的疲劳破坏常常是没有明显预兆的突发性破坏。复合材料中纤维与基体的界面能阻止裂纹的扩展，其疲劳破坏总是材料中纤维与基体的界面能阻止裂纹的扩展，其疲劳破坏总是从纤维的薄弱环节开始，裂纹扩展或损伤逐步进行，时间长，从纤维的薄弱环节开始，裂纹扩展或损伤逐步进行，时间长，破坏前有明显的预兆。玻璃纤维复合材料的比例介中。破坏前有明显的预兆。玻璃纤维复合材料的比例介中。 复

10、合材料的破坏不像传统材料由于主裂纹的失稳扩展而突然发复合材料的破坏不像传统材料由于主裂纹的失稳扩展而突然发生，而是经历基体开裂、界而脱粘、纤维拔出、断裂等一系列生，而是经历基体开裂、界而脱粘、纤维拔出、断裂等一系列损伤的发展过程。基体中有大量独立的纤维，当少数纤维发生损伤的发展过程。基体中有大量独立的纤维，当少数纤维发生断裂时，其失支部分载荷又会通过基体的传递面迅速分散到其断裂时，其失支部分载荷又会通过基体的传递面迅速分散到其他完好的纤维上去，复合材料在短期内不会因此而丧失承载能他完好的纤维上去，复合材料在短期内不会因此而丧失承载能力。内部有缺陷、裂纹时，也不会突然发展而断裂。力。内部有缺陷、

11、裂纹时，也不会突然发展而断裂。3.3.阻尼减震性好阻尼减震性好 复合材料有较高的自振频率，其结构一般不易产生共振。同时，复复合材料有较高的自振频率，其结构一般不易产生共振。同时，复合材料基体与纤维的界面有较大的吸收振动能量的能力，致使材料合材料基体与纤维的界面有较大的吸收振动能量的能力，致使材料的振动阻尼很高，一旦旅起来，在较短时间内也可停下来。的振动阻尼很高，一旦旅起来，在较短时间内也可停下来。4.4.具有多种功能性具有多种功能性(1)(1)瞬时耐高温性、耐烧蚀性好。玻璃钢的导热系数只有金属材料的瞬时耐高温性、耐烧蚀性好。玻璃钢的导热系数只有金属材料的1 1，同，同时可制成具有较高比热容、熔

12、融热和气化热的材料，可用作导弹头锥的耐时可制成具有较高比热容、熔融热和气化热的材料，可用作导弹头锥的耐烧烛防护材料。烧烛防护材料。(2)(2)优异的电绝缘性能和高频介电性能。玻璃钢是性能优异的工频绝缘材料。优异的电绝缘性能和高频介电性能。玻璃钢是性能优异的工频绝缘材料。同时具有良好的高频介电性能，可用作雷达罩的高频透波材料。同时具有良好的高频介电性能，可用作雷达罩的高频透波材料。(3)(3)良好的摩擦性能。碳纤维的低摩擦系数和自润滑性，其复合材料具有良良好的摩擦性能。碳纤维的低摩擦系数和自润滑性，其复合材料具有良好的摩阻特性和减摩特性。好的摩阻特性和减摩特性。(4)(4)优良的耐腐蚀性。优良的

13、耐腐蚀性。(5)(5)有特殊的光学、电学、磁学的特性。有特殊的光学、电学、磁学的特性。5.5.良好的加工工艺性良好的加工工艺性(1)(1)可以根据制品的使用条件、性能要求选择纤维、基体等原材料，可以根据制品的使用条件、性能要求选择纤维、基体等原材料，即材料具有可设计性。即材料具有可设计性。(2)(2)可以根据制品的形状、大小、数量选择加工成型方法。可以根据制品的形状、大小、数量选择加工成型方法。(3)(3)可整体成型，减少装配个件的数量，节省工时，节省材料，减可整体成型，减少装配个件的数量，节省工时，节省材料，减轻质量。轻质量。6.6.各向异性和性能的可设计性各向异性和性能的可设计性 纤维复合

14、材料一个突出的特点是各向异性，与之相关的是性能纤维复合材料一个突出的特点是各向异性，与之相关的是性能的可设计性。纤维复合材料的力学、物理性能除了由纤维、树的可设计性。纤维复合材料的力学、物理性能除了由纤维、树脂的种类和体积含量而定外，还与纤维的排列方向、铺层次序脂的种类和体积含量而定外，还与纤维的排列方向、铺层次序和层数密切相关。因此，可以根据工程结构的载荷分布及使用和层数密切相关。因此，可以根据工程结构的载荷分布及使用条件的不问，选取相应的材料及铺层设计来满足既定的要求。条件的不问，选取相应的材料及铺层设计来满足既定的要求。利用这一特点，可以实现制件的优化设计，做到安全可靠，经利用这一特点，

15、可以实现制件的优化设计，做到安全可靠，经济合理。济合理。（一）聚合物基体的作用：（一）聚合物基体的作用：固结分散的增强体以形成复合材料整体和赋固结分散的增强体以形成复合材料整体和赋予制件形状予制件形状保护增强体不受或少受环境的不利影响保护增强体不受或少受环境的不利影响. .在复合材料受力时，向增强体传递载荷使它在复合材料受力时，向增强体传递载荷使它们发挥承力功能们发挥承力功能 决定复合材料的加工性能决定复合材料的加工性能聚合物基体聚合物基体聚合物基体包括聚合物基体包括热固性树脂热固性树脂和和热塑性树脂热塑性树脂两类。两类。热固性热固性树脂树脂(thermosetting resin) ：v受热

16、会软化，发生分子链的交联反应，这种固化受热会软化，发生分子链的交联反应，这种固化反应使其由线型转化为体型高分子结构，成为不反应使其由线型转化为体型高分子结构，成为不熔不溶状态。熔不溶状态。v上述为不可逆反应，冷却后再受热它不会变软和上述为不可逆反应，冷却后再受热它不会变软和熔化，强热则会分解破坏。熔化，强热则会分解破坏。v热固性树脂包括：热固性树脂包括：环氧树脂、不饱和聚脂树脂、环氧树脂、不饱和聚脂树脂、热固性酚醛树脂热固性酚醛树脂等。等。 （二）主要的聚合物基体材料介绍（二）主要的聚合物基体材料介绍不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂（Unsaturated Polyester Res

17、ins，简记为简记为UPR或或UP）是由是由不饱和二元羧酸不饱和二元羧酸（或酸酐）、（或酸酐）、饱和二元羧酸饱和二元羧酸（或酸酐）组（或酸酐）组成的混合酸与成的混合酸与多元醇多元醇缩聚而成的、具有酯键和不饱和双键的线型高分缩聚而成的、具有酯键和不饱和双键的线型高分子化合物。子化合物。通常，通常，聚酯化缩聚反应聚酯化缩聚反应是在是在190220进行，直至达到预期的酸值进行，直至达到预期的酸值（或黏度）。（或黏度）。在聚酯化缩聚反应结束后，趁热加入一定量的在聚酯化缩聚反应结束后，趁热加入一定量的乙烯基单体乙烯基单体，配成黏稠，配成黏稠的液体，这样的聚合物溶液称为不饱和聚酯树脂。的液体，这样的聚合物

18、溶液称为不饱和聚酯树脂。 用量最大，在用量最大，在80% 性能：性能：（1 1）物理性质）物理性质 不饱和聚酯树脂的密度约为不饱和聚酯树脂的密度约为1.111.20g/cm3左右，固化时左右，固化时体积收缩率较大，固化树脂的物理性质如下：体积收缩率较大，固化树脂的物理性质如下：耐热性耐热性：绝大多数不饱和聚酯树脂的：绝大多数不饱和聚酯树脂的热变形温度热变形温度HDT都在都在5060左右，一些耐热性好的可达左右，一些耐热性好的可达120；线热膨胀系线热膨胀系数数 l l为为（80100） 10-6。力学性能力学性能：不饱和聚酯树脂具有较高的：不饱和聚酯树脂具有较高的拉伸强度拉伸强度、弯曲强弯曲强

19、度度和和压缩强度压缩强度。介电性能介电性能：不饱和聚酯树脂的介电性能良好。：不饱和聚酯树脂的介电性能良好。（2 2）化学性质）化学性质不饱和聚酯树脂耐水、稀酸的性能较好，耐稀碱的性能尚可，不饱和聚酯树脂耐水、稀酸的性能较好，耐稀碱的性能尚可，但耐碱和耐有机溶剂的性能较差。树脂的耐化学腐蚀性能随其但耐碱和耐有机溶剂的性能较差。树脂的耐化学腐蚀性能随其化学结构和几何形状的不同有很大差异。化学结构和几何形状的不同有很大差异。环氧树脂环氧树脂环氧树脂（Epoxy resin）出现于出现于20世纪世纪30年代年代，由瑞士的，由瑞士的Pierre Castam和美国的和美国的 S.O.Greenlee首先

20、合成首先合成. .于于40年代年代工业化工业化60年代年代以来，广泛用于碳纤维增强复合材料，是聚合物基复合材以来，广泛用于碳纤维增强复合材料，是聚合物基复合材料料最重要的最重要的基体基体环氧树脂的定义：环氧树脂的定义：环氧树脂是指含有环氧树脂是指含有两个或两个以上环氧基团两个或两个以上环氧基团（ CH CH2 ）的有机高分子化合物。的有机高分子化合物。 O环氧树脂分子结构中活泼的环氧基团可位于分子链的环氧树脂分子结构中活泼的环氧基团可位于分子链的末端末端、中间中间或或成为环状成为环状结构。结构。环氧树脂可与环氧树脂可与多种类型的固化剂多种类型的固化剂发生发生交联反应交联反应，形成不熔不溶的、，

21、形成不熔不溶的、具有三维网络结构的高聚物。具有三维网络结构的高聚物。环氧树脂的特性（环氧树脂的特性（Characteristics）环氧树脂具有优异的环氧树脂具有优异的使用性能使用性能和和工艺性能工艺性能。环氧树脂优异的环氧树脂优异的使用性能使用性能包括：包括： 工艺性好，成型收缩率小，与基体材料粘接力大工艺性好，成型收缩率小，与基体材料粘接力大 固化后有优异的固化后有优异的力学性能；力学性能； 良好的良好的电性能电性能（它是一种具有高介电性能、耐表面漏电、耐电（它是一种具有高介电性能、耐表面漏电、耐电弧的优良绝缘材料）；弧的优良绝缘材料）； 很强的很强的化学稳定性化学稳定性（具有耐碱性、耐酸

22、性和耐溶剂性）；（具有耐碱性、耐酸性和耐溶剂性）； 良好的良好的尺寸稳定性尺寸稳定性和和环境耐久性（耐霉菌）环境耐久性（耐霉菌）, ,便于湿热环境下便于湿热环境下使用。使用。 环氧树脂的韧性虽较好，但对于某些较高的使用要求而言仍嫌环氧树脂的韧性虽较好，但对于某些较高的使用要求而言仍嫌过脆，因此常常需要进行过脆，因此常常需要进行增韧改性增韧改性。酚醛树脂 定义：定义：酚类与醛类的酚类与醛类的缩聚产物缩聚产物通称为酚醛树脂（通称为酚醛树脂（Phenolic Resins，简记为，简记为ph） 。一般常指由苯酚和甲醛经缩聚反应而得的合成树脂。是最早。一般常指由苯酚和甲醛经缩聚反应而得的合成树脂。是最

23、早发明的一类发明的一类热固性树脂热固性树脂。优点：优点：价格低廉、高温性能价格低廉、高温性能、不熔性不熔性( (infusibility) )、阻燃性阻燃性( (flame reterdance) )、突出的、突出的瞬时高温耐烧蚀性能瞬时高温耐烧蚀性能和广泛的和广泛的改性余地改性余地，是其，是其获得广泛应用的原因。获得广泛应用的原因。缺点：缺点：吸附性不好，收缩率高、成型压力高、制品空隙含量高，较少吸附性不好，收缩率高、成型压力高、制品空隙含量高，较少用在风力机叶片和碳纤维复合材料用在风力机叶片和碳纤维复合材料 在酚醛树脂的合成中，根据原料的化学结构、酚和醛在酚醛树脂的合成中，根据原料的化学结

24、构、酚和醛的用量（摩尔比）以及介质的的用量（摩尔比）以及介质的pH值的不同，所生成的值的不同，所生成的树脂有两种类型，即树脂有两种类型，即热塑性热塑性酚醛树脂和酚醛树脂和热固性热固性酚醛树酚醛树脂。脂。 热固性酚醛树脂是在热固性酚醛树脂是在碱性催化剂碱性催化剂作用下作用下苯酚与甲醛以苯酚与甲醛以摩尔比小于摩尔比小于1的情况下反应制成。的情况下反应制成。 热塑性酚醛树脂是在热塑性酚醛树脂是在酸性催化剂酸性催化剂作用下作用下苯酚与甲醛以苯酚与甲醛以摩尔比大于摩尔比大于1的情况下反应制成。的情况下反应制成。热塑性热塑性树脂树脂( thermoplastic resin)：v可以反复受热软化（或熔化）

25、和冷却凝固。可以反复受热软化（或熔化）和冷却凝固。v热塑性树脂是线型高分子化合物。热塑性树脂是线型高分子化合物。v以它为基体的复合材料能采用塑料加工的类似以它为基体的复合材料能采用塑料加工的类似工艺（如注射、模塑工艺（如注射、模塑）来加工。）来加工。v热塑性聚合物包括：热塑性聚合物包括：聚酰亚胺、双马来酰亚胺、聚酰亚胺、双马来酰亚胺、热塑性酚醛树脂、聚醚醚酮、聚醚酮酮热塑性酚醛树脂、聚醚醚酮、聚醚酮酮等。等。 增强材料：在复合材料中，能提高基体材料机械强度、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。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

26、性模量，而且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予复合材料新的性能增强材料种类增强材料种类物理形态：纤维状、片状、颗粒状增强材料等物理形态：纤维状、片状、颗粒状增强材料等增强材料增强材料纤维增强：纤维增强： 玻璃纤维、玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、金属纤维、陶瓷纤维 纤维的种类和性能纤维的种类和性能 1、玻璃纤维：、玻璃纤维：用量最大、用量最大、价格最便宜。价格最便宜。 2、碳纤维：、碳纤维：化学性能与碳化学性能与碳相似。相似。 3、硼纤维：、硼纤维：耐高温、强度、

27、耐高温、强度、弹性模高。弹性模高。 4、金属纤维：、金属纤维：成丝容易、成丝容易、弹性模量高。弹性模量高。 5、陶瓷纤维：、陶瓷纤维：用于高温、用于高温、高强复合材料。高强复合材料。玻璃纤维玻璃纤维碳纤维碳纤维SiC纤维纤维玻璃纤维及其制品玻璃纤维及其制品玻璃纤维是复合材料中使用量最大的一种增强材料。玻璃纤维是复合材料中使用量最大的一种增强材料。1.1 玻璃纤维的发展状况玻璃纤维的发展状况国外玻璃纤维特点：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 拉丝工艺拉丝工艺2. 直径越来越粗，纤维直径为直径越来越粗，纤维直径为1

28、424m，甚至达到，甚至达到27m3. 大量生产无碱玻纤，无纺织玻璃纤维织物大量生产无碱玻纤，无纺织玻璃纤维织物1 概述概述4. 无捻粗纱的短切纤维毡片所占比例增加，偶联剂的品种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 普遍重视普遍重视国内玻璃纤维特点：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

29、善了纤维树脂界面，重视纤维现，改善了纤维树脂界面，重视纤维-树脂界面的研究。树脂界面的研究。1.2 玻璃纤维的分类玻璃纤维的分类 玻璃纤维的分类方法很多，一般可从玻璃纤维的分类方法很多，一般可从玻璃原料成分玻璃原料成分、单丝直径单丝直径、纤维外观纤维外观及及纤维特性纤维特性等方面进行分类。等方面进行分类。 (1) 以玻璃原料成分分类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。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：一般以不同的含碱量来区分： 无碱玻璃纤维无碱玻璃纤维(通称通称E玻璃玻璃)： 国内目前规定碱金属氧化物含量不大于国内目前规定碱金属氧化物含

30、量不大于0.5，国外一般，国外一般为为1左右；左右； 中碱玻璃纤维：中碱玻璃纤维：碱金属氧化物含量为碱金属氧化物含量为11.512.5； 特种玻璃纤维：特种玻璃纤维：如由纯镁铝硅三元组成的高强玻璃纤维；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。蚀玻璃纤维；含铅纤维；高硅氧纤维；石英纤维等。 E玻璃纤维，无碱纤维玻璃纤维，无碱纤维C玻璃纤维，中碱纤维玻璃纤维，中碱纤维A玻璃纤维，有碱纤维，含碱玻璃纤维，有碱纤维，含碱1215S玻璃纤维，高强纤维，含碱玻璃纤维

31、，高强纤维，含碱0.3M高弹玻璃纤维高弹玻璃纤维L防辐射玻璃纤维防辐射玻璃纤维(2) 以单丝直径分类以单丝直径分类 玻璃纤维单丝呈圆柱形，以其直径的不同可以分成几种：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：粗纤维： 30m；初级纤维：；初级纤维：20m中级纤维：中级纤维：10m20m；高级纤维：高级纤维：3m10m(亦称纺织纤维亦称纺织纤维)；超细纤维：单丝直径小于超细纤维：单丝直径小于4m。 单丝直径的不同，不仅纤维的性能有差异，而且影响单丝直径的不同，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。一般到纤维的生产工艺、产量和成本。一般5m10m纤维作纤维作

32、为纺织制品用；为纺织制品用；10m14m的纤维一般做无捻粗纱、无的纤维一般做无捻粗纱、无纺布、短切纤维毡等较为适宜。纺布、短切纤维毡等较为适宜。(3) 以纤维外观分类以纤维外观分类 有连续纤维，其中有无捻粗纱及有捻粗纱有连续纤维，其中有无捻粗纱及有捻粗纱(用于纺织用于纺织)；短切纤维；空心玻璃纤维；玻璃粉及磨细纤维等。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；耐酸玻璃量玻璃纤维；耐高温玻璃纤维；耐碱玻璃纤维；耐酸玻璃纤维；

33、普通玻璃纤维纤维；普通玻璃纤维(指无碱及中碱玻璃纤维指无碱及中碱玻璃纤维)。 无捻粗纱无捻粗纱短切纤维短切纤维玻璃粉玻璃粉2 玻璃纤维的结构与组成玻璃纤维的结构与组成2.1 玻璃纤维的物态玻璃纤维的物态 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。它是由熔融态过冷时因粘度增加而具有固体的脆性固体。它是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，属于各向同性的均质材料。物理机械性能的无定形物体，属于各向同性的均质材料。 玻璃没有固定的熔点，随着温度的升高，逐渐由固玻璃没有固定的熔点，随着温度的升高，逐渐由固体变为液体，其

34、软化温度范围比较大。体变为液体，其软化温度范围比较大。 2.2 玻璃纤维的结构玻璃纤维的结构微晶结构假说：微晶结构假说： 玻璃是由硅酸块或二氧化硅玻璃是由硅酸块或二氧化硅的的“微晶子微晶子”组成，在组成，在“微晶子微晶子”之间由硅酸块过冷溶液所填充。之间由硅酸块过冷溶液所填充。 网络结构假说：网络结构假说： 玻璃是由二氧化硅的四面体、铝氧三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，网络间的空隙由络，网络间的空隙由Na、K、Ca、Mg等等阳离子所填充。二氧化硅四面体的三维网阳离子所填充。二氧化硅四面体的三维网状结构是决定玻璃性能的

35、基础，填充的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。等阳离子称为网络改性物。 玻璃纤维结构示意图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 玻璃纤维的化学组成主要是二氧化硅玻璃纤维的化学组成主要是二氧化硅(SiO2)、三氧化二、三氧化二硼硼(B2O3)、氧化钙、氧化钙(CaO)、三氧化二铝、三氧化二铝(Al2O3)等等 以二氧化硅为主的称为硅酸盐玻璃；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。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，它可以降低氧化钠、氧化钾等碱性氧化物为助熔氧化物，它可以

36、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。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。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玻璃纤维化学

37、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。制造工艺的要求，如合适的成型温度、硬化速度及粘度范围。 玻璃玻璃纤维纤维种类种类国内外常用玻璃纤维的成分国内外常用玻璃纤维的成分SiO2Al2O3CaOMgOZrO2B2O3Na2OK2O无碱无碱1#54.10.715.00.516.50.54.5 0.59.0 0.50.5无碱无碱2#54.50.713.80.516.20.54.0 0.59.0 0.52.0无碱无碱5#67.50.76.6 0.59

38、.5 0.54.2 0.511.5 0.5玻璃纤维环氧树脂玻璃纤维环氧树脂玻璃纤维聚酯树脂玻璃纤维聚酯树脂 价格：价格：与之相反与之相反当前风力机叶片主要使用的复合材料当前风力机叶片主要使用的复合材料对于高功率的大型风力机叶片材料，采用碳纤维增强环氧对于高功率的大型风力机叶片材料，采用碳纤维增强环氧树脂将是一个趋势树脂将是一个趋势MR3p E玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料l 具有较好的比强度、比模量和耐腐蚀性能，价格具有较好的比强度、比模量和耐腐蚀性能，价格较低廉，是当前风力机叶片的主流材料，与许多树较低廉，是当前风力机叶片的主流材料，与许多树脂的成型工艺匹配性好脂的成型工艺匹配性好l 各种

39、编制形式不断开发，单轴向、双轴向，三轴各种编制形式不断开发，单轴向、双轴向，三轴向等，以满足不同的使用需求向等，以满足不同的使用需求l 缺点：密度大，更大型的叶片需要选择替代材料缺点：密度大，更大型的叶片需要选择替代材料 当前风力机叶片主要使用的复合材料当前风力机叶片主要使用的复合材料p S玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料l 性能强于性能强于E玻璃纤维玻璃纤维l S 玻璃纤维也是玻璃材质，但其模量却能达到玻璃纤维也是玻璃材质，但其模量却能达到85.5GPa，比，比E 玻璃纤维高玻璃纤维高18，且强度高出，且强度高出33l 缺点：价格较贵。缺点：价格较贵。$15/Kg，玻纤，玻纤 $11/Kg

40、美国的美国的AGY公司计划扩大产能降低成本。如公司计划扩大产能降低成本。如S玻玻璃纤维与璃纤维与E玻璃纤维的成本降低到同一水平的话，玻璃纤维的成本降低到同一水平的话，将具有极大的市场前景将具有极大的市场前景 当前风力机叶片主要使用的复合材料当前风力机叶片主要使用的复合材料p 碳纤维或碳碳纤维或碳/玻混杂纤维玻混杂纤维l 如果叶片进一步加长，玻璃纤维的重量增加显著，如果叶片进一步加长，玻璃纤维的重量增加显著，碳纤维将成为主要选择的材料碳纤维将成为主要选择的材料 34m 叶片叶片 玻纤环氧树脂复合材料重量玻纤环氧树脂复合材料重量5.2T，碳纤维重量，碳纤维重量为为3.8Tl 使用性能大大优于玻璃纤

41、维复合材料，高强度、使用性能大大优于玻璃纤维复合材料，高强度、高模量，耐腐蚀性能高模量，耐腐蚀性能l 缺陷：缺陷： 价格是几种纤维中最贵的，碳纤维价格为价格是几种纤维中最贵的，碳纤维价格为玻璃纤维价格的玻璃纤维价格的10倍倍l 折中的方案：玻纤与碳纤混杂。折中的方案：玻纤与碳纤混杂。42 m以上的叶片以上的叶片采用采用 当前风力机叶片主要使用的复合材料当前风力机叶片主要使用的复合材料p 采用热塑性树脂为基体的复合材料采用热塑性树脂为基体的复合材料l 热固性树脂复合材料。难以自然降解，很难进行热固性树脂复合材料。难以自然降解，很难进行回收利用。未来几十年间，随着退役叶片不断增加，回收利用。未来几

42、十年间，随着退役叶片不断增加，退役叶片的处理将成为科学家和环境保护者面临的退役叶片的处理将成为科学家和环境保护者面临的一大现实难题一大现实难题l热塑性复合材料具有密度小、质量轻、抗冲击性热塑性复合材料具有密度小、质量轻、抗冲击性能好、生产周期短等一系列优点能好、生产周期短等一系列优点l 但该类复合材料的制造工艺技术与传统的热固性但该类复合材料的制造工艺技术与传统的热固性复合材料成型工艺差异较大复合材料成型工艺差异较大, 制造成本较高制造成本较高, 成为限成为限制热塑性复合材料用于风力机叶片的关键问题制热塑性复合材料用于风力机叶片的关键问题l各国都在开发热塑性树脂。日本的三菱重工和美各国都在开发热塑性树脂。日本的三菱重工和美国国cyclics公司签署合作协议，致力于热塑性树脂复公司签署合作协议，致力于热塑性树脂复合材料的开发合材料的开发 当前风力机叶片主要使用的复合材料当前风力机叶片主要使用的复合材料p 手糊工艺手糊工艺l 是传统复合叶片材料的主要制造工艺是传统复合叶片材料的主要制造工艺l 主要特点：主要特点： 1、手工操作、开模成型、手工操