复合材料的增强材料解析课件

复合材料原理江苏大学材料学院1复合材料原理江苏大学材料学院1第二章复合材料的复合原理及界面2.1复合原则2.2弥散增强及颗粒增强原理2.3单向连续纤维增强原理

2.4短纤维增强原理2.5混杂增强原理2.6复合材料界面及其改性2.7复合材料界面表征2第二章复合材料的复合原理及界面2.1复合原则22.7复合材料界面表征界面形态及界面层结构的表征界面结合强度的表征界面残余应力的表征增强体表面性能的表征32.7复合材料界面表征界面形态及界面层结构的表征3思考题1、界面结合强度表征有哪些方法？你认为哪一种或哪几种方法比较具有发展前途，为什么？(脱粘、顶出、拔出、动态加载、声发射、扭辫分析、宏观)2、你认为在复合材料界面结构表征与复合材料宏观力学性能之间还有哪些工作需要完善，你有什么好的建议？(界面层厚度与结构——图像分析，快速获得统计结果和分布、结构与界面结合强度之间的关系、非破坏性观察)4思考题1、界面结合强度表征有哪些方法？你认为哪一种或哪几种方在复合材料中，粘结在基体内以改进其机械性能的高强度材料称为增强材料。增强材料有时也称作增强体、增强剂等。增强材料共分为三类：纤维及其织物、晶须、颗粒。第三章复合材料的增强材料5在复合材料中，粘结在基体内以改进其机械性能的高强度材料称为增一、纤维及其织物玻璃纤维碳纤维硼纤维氧化铝纤维碳化硅纤维芳纶纤维6一、纤维及其织物玻璃纤维6纤维简介天然纤维强度较低，来源有限。植物纤维——棉花、麻类；动物纤维——丝、毛；矿物纤维——石棉。现代复合材料的增强材料用合成纤维。纤维在复合材料中起增强作用，是主要承力组分。纤维不仅能使材料显示出较高的抗拉强度和刚度，而且能减少收缩，提高热变形温度和低温冲击强度等。7纤维简介7纤维可分为无机纤维和有机纤维。纤维增强复合材料的性能在很大程度上取决于纤维的性能、含量及使用状态。如聚苯乙烯塑料，加入玻璃纤维后，拉伸强度可从25MPa提高到100MPa，弹性模量可从3000MPa提高到8000MPa，其热变形温度可从85℃提高到105℃，-40℃以下的冲击强度可提高10倍。8纤维可分为无机纤维和有机纤维。81、玻璃纤维2、碳纤维3、硼纤维4、氧化铝纤维5、碳化硅纤维6、其他纤维（一）无机纤维91、玻璃纤维（一）无机纤维9玻璃纤维简介及分类玻璃纤维的结构及化学组成玻璃纤维的物理性能与化学性能玻璃纤维及其制品的制造工艺玻璃纤维制品的性能及应用１、玻璃纤维（GlassFiber,GF）10玻璃纤维简介及分类１、玻璃纤维（GlassFiber,G1）玻璃纤维简介及分类随着玻璃钢工业的发展，玻璃纤维工业也得到迅速发展。国外玻璃纤维的主要特点如下： Ａ、普遍采用池窑拉丝新技术； Ｂ、大力发展多排多孔拉丝工艺；111）玻璃纤维简介及分类随着玻璃钢工业的发展，玻璃纤维工业也得C、大量生产无碱纤维；Ｄ、大力发展无纺织玻璃纤维织物，无捻粗纱和短切纤维毡片所占比例增加；Ｅ、重视纤维—树脂界面的研究，偶联剂的品种不断增加，玻璃纤维的前处理受到普遍重视。12C、大量生产无碱纤维；12图1玻璃纤维和玻璃钢制品13图1玻璃纤维和玻璃钢制品13我国玻璃纤维工业诞生于1950年，当时只能生产绝缘材料用的初级纤维。1958年以后，玻璃纤维工业得到迅速发展，纤维品种呈现出多样化特点。现在全国有大、小玻璃纤维厂家200多个，玻璃纤维年产量为5万吨，纤维直径多数为6-8um，正向粗纤维方向发展。14我国玻璃纤维工业诞生于1950年，当时只能生产绝缘材料用的初玻璃纤维的分类玻璃纤维的分类方法很多。通常从玻璃原料成分、单丝直径、纤维外观及纤维特性等方面进行分类。以玻璃原料成分分类主要用于连续玻璃纤维的分类。一般以不同的含碱量分为四类。无碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维、有碱玻璃纤维、特种玻璃纤维。15玻璃纤维的分类玻璃纤维的分类方法很多。通常从玻璃原料成分、单无碱玻璃纤维(通称E玻纤)，以钙铝硼硅酸盐组成的玻璃纤维，强度较高，耐热性和电性能优良，能抗大气侵蚀，化学稳定性也好(但不耐酸)。无碱玻璃纤维最大的特点是电性能好，因此也把它称做电气玻璃。国内外大多数都使用这种Ｅ破璃纤维作为复合材料的原材料。国内规定其碱金属氧化物含量不大于0.5％，国外一般为1％左右。无碱玻璃纤维16无碱玻璃纤维(通称E玻纤)，以钙铝硼硅酸盐组成的玻璃纤维，强中碱玻璃纤维它是指碱金属氧化物含量在11.5％~12.5％之间的玻璃纤维。国外没有这种玻璃纤维，它的主要特点是耐酸性好，但强度不如E玻璃纤维高。它主要用于耐腐蚀领域中，价格较便宜。17中碱玻璃纤维它是指碱金属氧化物含量在11.5％~12.5有碱玻璃(A玻璃)纤维有碱玻璃称A玻璃，类似于窗玻璃及玻璃瓶的钠钙玻璃。此种玻璃由于含碱量高，强度低，对潮气侵蚀极为敏感，因而很少作为增强材料。18有碱玻璃(A玻璃)纤维有碱玻璃称A玻璃，类似于窗玻璃及玻璃瓶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。19特种玻璃纤维如由纯镁铝硅三元组成的高强玻璃纤维，镁铝硅系高强玻璃纤维的其它分类方法以单丝直径分类，单丝呈圆柱形，以其直径的不同可以分为以下几种。名称粗纤维初级纤维中级纤维高级纤维（纺织纤维)超细纤维直径（um）≥30≥20um10~20um3~10um≤4um20玻璃纤维的其它分类方法以单丝直径分类，单丝呈圆柱形，以其直径单丝直径不同，不仅使纤维的性能有差异，而且影响到纤维的生产工艺、产量和成本。一般5~10um的纤维作为纺织制品使用，10~14um的纤维一般做无捻粗纱、无纺布、短切纤维毡等较为适宜。21单丝直径不同，不仅使纤维的性能有差异，而且影响到纤维的生产工以纤维外观分类，有连续纤维，其中有无捻粗纱及加捻粗纱(用于纺织)、短切纤维、空心玻璃纤维、玻璃粉及磨细纤维等。以纤维特性分类，高强玻璃纤维、高模量玻璃纤维、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)。22以纤维外观分类，有连续纤维，其中有无捻粗纱及加捻粗纱(用于纺2）玻璃纤维的结构及化学组成玻璃纤维的拉伸强度比块状玻璃高许多倍，但经研究证明，玻璃纤维的结构与玻璃相同。关于玻璃结构的假说到目前为止，比较能够反映实际情况的是“微晶结构假说”和“网络结构假说”。232）玻璃纤维的结构及化学组成玻璃纤维的拉伸强度比块状玻璃高许微晶结构假说的要点：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。网络结构假说的要点：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。24微晶结构假说的要点：玻璃是由硅酸块或二氧化硅的“微晶子”组成图2微晶结构和网络结构模型25图2微晶结构和网络结构模型25大量资料证明，玻璃结构是近似有序的。在玻璃结构中存在一定数量和大小比较有规则排列的区域，这种规则性是由一定数目的多面体遵循类似晶体结构的规则排列造成的。但是，玻璃结构的这种有序区域不像晶体结构那样有严格的周期性，微观上是不均匀的，宏观上却又是均匀的，反映到玻璃的性能上是各向同性的。26大量资料证明，玻璃结构是近似有序的。26玻璃纤维的化学组成主要是二氧化硅、三氧化二硼、氧化钙、三氧化二铝等。玻璃纤维的化学组成对玻璃纤维的性质和生产工艺起决定性作用，以二氧化硅为主的称为硅酸盐破璃，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，使玻璃熔液中的气泡容易排除。助熔氧化物主要通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，从而达到助熔的目的。氧化钠和氢化钾的含量高，玻璃纤维的强度、电绝缘性能和化学稳定性都会相应的降低。27玻璃纤维的化学组成主要是二氧化硅、三氧化二硼、氧化钙、三氧化加入氧化钙、三氧化二铝等，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能。例如，用氧化钙取代二氧化硅．可降低拉丝温度；加入三氧化二铝可提高耐水性。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。28加入氧化钙、三氧化二铝等，能在一定条件下构成玻璃网络的一部分3）玻璃纤维的物理性能与化学性能玻璃纤维具有一系列优良的物理性能，拉伸强度高，防火、防霉、防蛀、耐高温和电绝缘性能好等。玻璃纤维的缺点是具有脆性，不耐腐蚀，对人的皮肤有刺激性等。外观：一般天然或人造的有机纤维表面都有较深的皱纹，而玻璃纤维表面呈光滑的圆柱，其横断面几乎是完整的圆形。由于表面光滑，纤维之间抱合力非常小，不利于和树脂粘结；又由于呈圆柱状，所以玻璃纤维彼此相靠近时，空隙填充得较为密实。293）玻璃纤维的物理性能与化学性能玻璃纤维具有一系列优良的物理玻璃纤维的密度为2.16~4.30g／cm3，其密度较有机纤维大很多，但比一般的金属要低，几乎与铝相似。由于玻璃纤维的表面积大，使得纤维表面处理的效果对性能的影响很大。30玻璃纤维的密度为2.16~4.30g／cm3，其密度较玻璃纤维的最大特点是拉伸强度高。一般玻璃制品的拉伸强度只有40~100MPa，而直径3~9um的玻璃纤维拉伸强度则高达1500~4000MPa，较一般合成纤维高约10倍，比合金钢还高2倍。对玻璃纤维高强的原因，许多学者提出了不同的假说，其中比较有说服力的是微裂纹假说。微裂纹假说认为，玻璃的理论强度取决于分子或原子间的引力，其理论强度很高，可达到2000~12000MPa。31玻璃纤维的最大特点是拉伸强度高。31表1几种纤维材料和块体材料的强度32表1几种纤维材料和块体材料的强度32玻璃纤维比玻璃的强度高很多，主要有两方面的原因：

a）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。

b）玻璃纤维的断面较小，随着表面积的减小，使微裂纹存在的几率也减少，从而使纤维强度增高。直径小的玻璃纤维强度比直径粗的纤维强度高的原因是由于表面微裂纹尺寸和数量较小，从而减少了应力集中，使纤维具有较高的强度。33玻璃纤维比玻璃的强度高很多，主要有两方面的原因：33表2玻璃纤维拉伸强度与直径的关系34表2玻璃纤维拉伸强度与直径的关系34表3玻璃纤维拉伸强度与纤维长度的关系35表3玻璃纤维拉伸强度与纤维长度的关系35一般来说，含碱量越高，纤维的强度越低。高强玻璃纤维强度明显地高于无碱玻璃纤维，而有碱纤维强度更低。研究表明，高强和无碱玻璃纤维由于成型温度高、硬化速度快、结构键能大等原因，而具有很高的拉伸强度。当纤维存放一段时间后，会出现强度下降的现象，称为纤维的老化。纤维的老化主要取决于纤维对大气水分的化学稳定性。36一般来说，含碱量越高，纤维的强度越低。高强玻璃纤维强度明显地表4纤维强度与化学组成、表面缺陷的关系37表4纤维强度与化学组成、表面缺陷的关系37玻璃纤维的疲劳、成型方法和条件对强度也有很大影响。玻璃硬化速度越快，拉制的纤维强度也越高。38玻璃纤维的疲劳、成型方法和条件对强度也有很大影响。38玻璃纤维的延伸率比有机纤维低，一般为3％左右。玻璃纤维的弹性模量是指在弹性范围内应力和应变关系的比例常数。玻璃纤维的弹性模量约为7104MPa，与铝相当，只有普通钢的三分之一，致使复合材料的刚度较低。对玻璃纤维的弹性模量起主要作用的是其化学组成。加入BeO、MgO能够提高玻璃纤维的弹性模量。不同直径的玻璃纤维弹性模量相同，证明它们具有近似的分子结构。39玻璃纤维的延伸率比有机纤维低，一般为3％左右。39玻璃纤维的耐磨性是指纤维抵抗磨损的能力，耐折性是指纤维抵抗折断的能力。玻璃纤维这两个性能都很差，经过揉搓摩擦容易受伤或断裂，这是玻纤的严重缺点。玻璃的导热系数为0.6~1.1千卡/米·度·时，但拉制成玻璃纤维后，其导热系数只有0.03千卡／米·度·时。纤维间的空隙较大，容重较小，其导热系数小，主要是因为空气导热系数低所致；而导热系数越小，隔热性能越好。温度的变化对玻璃纤维的导热系数影响不大。40玻璃纤维的耐磨性是指纤维抵抗磨损的能力，耐折性是指纤维抵抗折玻璃纤维耐热性较高，软化点为550~580℃，其热膨胀系数为4.810–6/℃。玻璃纤维是一种无机纤维，不会引起燃烧。将玻璃纤维加温，直到某一强度界限以前，强度基本不变。一般情况下，钠钙玻璃纤维加热到470℃之前（不降温），强度变化不大；石英和高硅氧玻璃纤维的耐热性则可达到2000℃以上。41玻璃纤维耐热性较高，软化点为550~580℃，其热膨胀系玻璃纤维的导电性主要取决于化学组成、温度和湿度。无碱纤维的电绝缘性能比有碱纤维优越得多。这主要是因为无碱纤维中碱金属离子少的缘故。碱金属离子越少，电绝缘性能越好；玻璃纤维的电阻率随着温度的升高而下降。42玻璃纤维的导电性主要取决于化学组成、温度和湿度。42表5空气湿度对玻璃布电阻率影响43表5空气湿度对玻璃布电阻率影响43玻璃是优良的透光材料，但制成玻璃纤维制品后，其透光性远不如玻璃。玻璃纤维制品的光学性能以反射系数、透光系数和亮度系数来表示。密度小而薄的玻璃布，透光系数可达65％；密度大而厚的玻璃布，透光系数只有18％～20％。44玻璃是优良的透光材料，但制成玻璃纤维制品后，其透光性远不如玻表6不同织纹玻璃布的光学性能45表6不同织纹玻璃布的光学性能45玻璃纤维除对氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对所有化学药品和有机溶剂都有良好的化学稳定性。玻璃纤维单纤即使与水接触，强度也不发生变化。只有在含碱玻璃纤维中，由于玻璃纤维中所含的碱分溶出，强度才会下降。影响玻璃纤维化学稳定性的因素：化学成分、纤维表面情况、侵蚀介质体积和温度、玻璃纤维纱的规格及性能。46玻璃纤维除对氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对所有化学药品和有机溶剂玻璃是一种非常好的耐腐蚀材料，但拉制成玻璃纤维后，其性能远不如玻璃。主要是由于玻璃纤维的比表面积大所造成的。同样的玻璃纤维，受不同体积的侵蚀介质作用，其化学稳定性不同。介质的体积越大，对纤维的侵蚀越严重。温度升高到l00℃以上时，破坏作用将更剧烈。47玻璃是一种非常好的耐腐蚀材料，但拉制成玻璃纤维后，其性能远不4）玻璃纤维及其制品的制造工艺玻璃纤维的制造工艺有坩埚法和池窑法两种。坩埚法的基本过程：也称“二步法”，是将矿物原料根据要求的配方制成玻璃小球，而后送入代铂拉丝坩埚内再熔后拉丝。坩埚法不仅存在能源的二次浪费，而且单机产量低，产品质量差，生产成本高，不能满足多品种生产的需要。池窑法的基本过程：也称“一步法”，它不需要先制成玻璃小球，而是直接将各组分天然矿石原料按配比同时投人池窑内熔融拉丝。484）玻璃纤维及其制品的制造工艺玻璃纤维的制造工艺有坩埚法和池图3坩埚法的示意图及装置49图3坩埚法的示意图及装置49图4池窑法的示意图50图4池窑法的示意图50浸润剂的作用和类型玻璃纤维很容易由表面缺陷引起损伤，为了减少损伤和便于纤维的操作，而采用浸润剂涂覆处理。润滑作用，防止纤维间的磨损，使纤维的表面得到保护；黏结作用，使单丝集束成原纱或丝束；抗静电作用，防止纤维表面聚集静电荷；增强作用，使纤维能够获得与基体材料良好的黏结性能。51浸润剂的作用和类型玻璃纤维很容易由表面缺陷引起损伤，为了减少图5典型的方格布浸润剂配方环氧或聚酯乳液成膜剂，赋予玻纤以良好的浸透性，制成玻璃钢制品清澈、透明，无白丝，界面结合力强，耐老化、耐候性好。52图5典型的方格布浸润剂配方环氧或聚酯乳液成膜剂，赋予玻纤以常用的浸润剂有石蜡乳剂和聚酯酸乙烯酯两种，前者属于纺织型，后者属于增强型。石蜡乳剂有利于纺织加工，但严重阻碍树脂对玻璃布的浸润，因此使用时要经过脱蜡处理。聚酯酸乙烯酯对玻璃钢的性能影响不大，使用时不需清除。53常用的浸润剂有石蜡乳剂和聚酯酸乙烯酯两种，前者属于纺织型，后5）玻璃纤维制品的性能及应用玻璃纤维纱一般分为加捻纱和无捻纱两种。玻璃纤维的规格，国际上通常用“tex”来表示，即1000m长原丝的质量（单位为g）。玻璃纤维作为聚酯、环氧树脂和酚醛树脂等的增强体被广泛使用，这种复合材料又称为“玻璃钢”。玻璃纤维的主要制品有：无捻粗纱、无捻粗纱方格布、玻璃纤维毡片、缝合毡、加捻玻璃纤维布、玻璃带、三向织物、组合增强材料以及特种玻璃纤维（高强度、高模量、耐高温、空心玻璃纤维）等。545）玻璃纤维制品的性能及应用玻璃纤维纱一般分为加捻纱和无捻纱图6主要玻璃纤维制品（一）55图6主要玻璃纤维制品（一）55图7主要玻璃纤维制品（二）56图7主要玻璃纤维制品（二）56图8特种玻璃纤维制品（耐高温、中空玻璃纤维）57图8特种玻璃纤维制品（耐高温、中空玻璃纤维）57玻璃纤维简介及分类玻璃纤维的结构及化学组成玻璃纤维的物理性能与化学性能玻璃纤维及其制品的制造工艺玻璃纤维制品的性能及应用１、玻璃纤维58玻璃纤维简介及分类１、玻璃纤维58思考题1、玻璃纤维有哪些主要物理和化学特性，这些性能在玻璃钢制品中发挥怎样的作用？2、玻璃纤维有哪些制品，它们主要应用在哪些场合？你觉得还可以开发哪些玻璃纤维制品？59思考题1、玻璃纤维有哪些主要物理和化学特性，这些性能在玻璃钢6060复合材料原理江苏大学材料学院61复合材料原理江苏大学材料学院1第二章复合材料的复合原理及界面2.1复合原则2.2弥散增强及颗粒增强原理2.3单向连续纤维增强原理

2.4短纤维增强原理2.5混杂增强原理2.6复合材料界面及其改性2.7复合材料界面表征62第二章复合材料的复合原理及界面2.1复合原则22.7复合材料界面表征界面形态及界面层结构的表征界面结合强度的表征界面残余应力的表征增强体表面性能的表征632.7复合材料界面表征界面形态及界面层结构的表征3思考题1、界面结合强度表征有哪些方法？你认为哪一种或哪几种方法比较具有发展前途，为什么？(脱粘、顶出、拔出、动态加载、声发射、扭辫分析、宏观)2、你认为在复合材料界面结构表征与复合材料宏观力学性能之间还有哪些工作需要完善，你有什么好的建议？(界面层厚度与结构——图像分析，快速获得统计结果和分布、结构与界面结合强度之间的关系、非破坏性观察)64思考题1、界面结合强度表征有哪些方法？你认为哪一种或哪几种方在复合材料中，粘结在基体内以改进其机械性能的高强度材料称为增强材料。增强材料有时也称作增强体、增强剂等。增强材料共分为三类：纤维及其织物、晶须、颗粒。第三章复合材料的增强材料65在复合材料中，粘结在基体内以改进其机械性能的高强度材料称为增一、纤维及其织物玻璃纤维碳纤维硼纤维氧化铝纤维碳化硅纤维芳纶纤维66一、纤维及其织物玻璃纤维6纤维简介天然纤维强度较低，来源有限。植物纤维——棉花、麻类；动物纤维——丝、毛；矿物纤维——石棉。现代复合材料的增强材料用合成纤维。纤维在复合材料中起增强作用，是主要承力组分。纤维不仅能使材料显示出较高的抗拉强度和刚度，而且能减少收缩，提高热变形温度和低温冲击强度等。67纤维简介7纤维可分为无机纤维和有机纤维。纤维增强复合材料的性能在很大程度上取决于纤维的性能、含量及使用状态。如聚苯乙烯塑料，加入玻璃纤维后，拉伸强度可从25MPa提高到100MPa，弹性模量可从3000MPa提高到8000MPa，其热变形温度可从85℃提高到105℃，-40℃以下的冲击强度可提高10倍。68纤维可分为无机纤维和有机纤维。81、玻璃纤维2、碳纤维3、硼纤维4、氧化铝纤维5、碳化硅纤维6、其他纤维（一）无机纤维691、玻璃纤维（一）无机纤维9玻璃纤维简介及分类玻璃纤维的结构及化学组成玻璃纤维的物理性能与化学性能玻璃纤维及其制品的制造工艺玻璃纤维制品的性能及应用１、玻璃纤维（GlassFiber,GF）70玻璃纤维简介及分类１、玻璃纤维（GlassFiber,G1）玻璃纤维简介及分类随着玻璃钢工业的发展，玻璃纤维工业也得到迅速发展。国外玻璃纤维的主要特点如下： Ａ、普遍采用池窑拉丝新技术； Ｂ、大力发展多排多孔拉丝工艺；711）玻璃纤维简介及分类随着玻璃钢工业的发展，玻璃纤维工业也得C、大量生产无碱纤维；Ｄ、大力发展无纺织玻璃纤维织物，无捻粗纱和短切纤维毡片所占比例增加；Ｅ、重视纤维—树脂界面的研究，偶联剂的品种不断增加，玻璃纤维的前处理受到普遍重视。72C、大量生产无碱纤维；12图1玻璃纤维和玻璃钢制品73图1玻璃纤维和玻璃钢制品13我国玻璃纤维工业诞生于1950年，当时只能生产绝缘材料用的初级纤维。1958年以后，玻璃纤维工业得到迅速发展，纤维品种呈现出多样化特点。现在全国有大、小玻璃纤维厂家200多个，玻璃纤维年产量为5万吨，纤维直径多数为6-8um，正向粗纤维方向发展。74我国玻璃纤维工业诞生于1950年，当时只能生产绝缘材料用的初玻璃纤维的分类玻璃纤维的分类方法很多。通常从玻璃原料成分、单丝直径、纤维外观及纤维特性等方面进行分类。以玻璃原料成分分类主要用于连续玻璃纤维的分类。一般以不同的含碱量分为四类。无碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维、有碱玻璃纤维、特种玻璃纤维。75玻璃纤维的分类玻璃纤维的分类方法很多。通常从玻璃原料成分、单无碱玻璃纤维(通称E玻纤)，以钙铝硼硅酸盐组成的玻璃纤维，强度较高，耐热性和电性能优良，能抗大气侵蚀，化学稳定性也好(但不耐酸)。无碱玻璃纤维最大的特点是电性能好，因此也把它称做电气玻璃。国内外大多数都使用这种Ｅ破璃纤维作为复合材料的原材料。国内规定其碱金属氧化物含量不大于0.5％，国外一般为1％左右。无碱玻璃纤维76无碱玻璃纤维(通称E玻纤)，以钙铝硼硅酸盐组成的玻璃纤维，强中碱玻璃纤维它是指碱金属氧化物含量在11.5％~12.5％之间的玻璃纤维。国外没有这种玻璃纤维，它的主要特点是耐酸性好，但强度不如E玻璃纤维高。它主要用于耐腐蚀领域中，价格较便宜。77中碱玻璃纤维它是指碱金属氧化物含量在11.5％~12.5有碱玻璃(A玻璃)纤维有碱玻璃称A玻璃，类似于窗玻璃及玻璃瓶的钠钙玻璃。此种玻璃由于含碱量高，强度低，对潮气侵蚀极为敏感，因而很少作为增强材料。78有碱玻璃(A玻璃)纤维有碱玻璃称A玻璃，类似于窗玻璃及玻璃瓶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。79特种玻璃纤维如由纯镁铝硅三元组成的高强玻璃纤维，镁铝硅系高强玻璃纤维的其它分类方法以单丝直径分类，单丝呈圆柱形，以其直径的不同可以分为以下几种。名称粗纤维初级纤维中级纤维高级纤维（纺织纤维)超细纤维直径（um）≥30≥20um10~20um3~10um≤4um80玻璃纤维的其它分类方法以单丝直径分类，单丝呈圆柱形，以其直径单丝直径不同，不仅使纤维的性能有差异，而且影响到纤维的生产工艺、产量和成本。一般5~10um的纤维作为纺织制品使用，10~14um的纤维一般做无捻粗纱、无纺布、短切纤维毡等较为适宜。81单丝直径不同，不仅使纤维的性能有差异，而且影响到纤维的生产工以纤维外观分类，有连续纤维，其中有无捻粗纱及加捻粗纱(用于纺织)、短切纤维、空心玻璃纤维、玻璃粉及磨细纤维等。以纤维特性分类，高强玻璃纤维、高模量玻璃纤维、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)。82以纤维外观分类，有连续纤维，其中有无捻粗纱及加捻粗纱(用于纺2）玻璃纤维的结构及化学组成玻璃纤维的拉伸强度比块状玻璃高许多倍，但经研究证明，玻璃纤维的结构与玻璃相同。关于玻璃结构的假说到目前为止，比较能够反映实际情况的是“微晶结构假说”和“网络结构假说”。832）玻璃纤维的结构及化学组成玻璃纤维的拉伸强度比块状玻璃高许微晶结构假说的要点：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。网络结构假说的要点：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。84微晶结构假说的要点：玻璃是由硅酸块或二氧化硅的“微晶子”组成图2微晶结构和网络结构模型85图2微晶结构和网络结构模型25大量资料证明，玻璃结构是近似有序的。在玻璃结构中存在一定数量和大小比较有规则排列的区域，这种规则性是由一定数目的多面体遵循类似晶体结构的规则排列造成的。但是，玻璃结构的这种有序区域不像晶体结构那样有严格的周期性，微观上是不均匀的，宏观上却又是均匀的，反映到玻璃的性能上是各向同性的。86大量资料证明，玻璃结构是近似有序的。26玻璃纤维的化学组成主要是二氧化硅、三氧化二硼、氧化钙、三氧化二铝等。玻璃纤维的化学组成对玻璃纤维的性质和生产工艺起决定性作用，以二氧化硅为主的称为硅酸盐破璃，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，使玻璃熔液中的气泡容易排除。助熔氧化物主要通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，从而达到助熔的目的。氧化钠和氢化钾的含量高，玻璃纤维的强度、电绝缘性能和化学稳定性都会相应的降低。87玻璃纤维的化学组成主要是二氧化硅、三氧化二硼、氧化钙、三氧化加入氧化钙、三氧化二铝等，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能。例如，用氧化钙取代二氧化硅．可降低拉丝温度；加入三氧化二铝可提高耐水性。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。88加入氧化钙、三氧化二铝等，能在一定条件下构成玻璃网络的一部分3）玻璃纤维的物理性能与化学性能玻璃纤维具有一系列优良的物理性能，拉伸强度高，防火、防霉、防蛀、耐高温和电绝缘性能好等。玻璃纤维的缺点是具有脆性，不耐腐蚀，对人的皮肤有刺激性等。外观：一般天然或人造的有机纤维表面都有较深的皱纹，而玻璃纤维表面呈光滑的圆柱，其横断面几乎是完整的圆形。由于表面光滑，纤维之间抱合力非常小，不利于和树脂粘结；又由于呈圆柱状，所以玻璃纤维彼此相靠近时，空隙填充得较为密实。893）玻璃纤维的物理性能与化学性能玻璃纤维具有一系列优良的物理玻璃纤维的密度为2.16~4.30g／cm3，其密度较有机纤维大很多，但比一般的金属要低，几乎与铝相似。由于玻璃纤维的表面积大，使得纤维表面处理的效果对性能的影响很大。90玻璃纤维的密度为2.16~4.30g／cm3，其密度较玻璃纤维的最大特点是拉伸强度高。一般玻璃制品的拉伸强度只有40~100MPa，而直径3~9um的玻璃纤维拉伸强度则高达1500~4000MPa，较一般合成纤维高约10倍，比合金钢还高2倍。对玻璃纤维高强的原因，许多学者提出了不同的假说，其中比较有说服力的是微裂纹假说。微裂纹假说认为，玻璃的理论强度取决于分子或原子间的引力，其理论强度很高，可达到2000~12000MPa。91玻璃纤维的最大特点是拉伸强度高。31表1几种纤维材料和块体材料的强度92表1几种纤维材料和块体材料的强度32玻璃纤维比玻璃的强度高很多，主要有两方面的原因：

a）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。

b）玻璃纤维的断面较小，随着表面积的减小，使微裂纹存在的几率也减少，从而使纤维强度增高。直径小的玻璃纤维强度比直径粗的纤维强度高的原因是由于表面微裂纹尺寸和数量较小，从而减少了应力集中，使纤维具有较高的强度。93玻璃纤维比玻璃的强度高很多，主要有两方面的原因：33表2玻璃纤维拉伸强度与直径的关系94表2玻璃纤维拉伸强度与直径的关系34表3玻璃纤维拉伸强度与纤维长度的关系95表3玻璃纤维拉伸强度与纤维长度的关系35一般来说，含碱量越高，纤维的强度越低。高强玻璃纤维强度明显地高于无碱玻璃纤维，而有碱纤维强度更低。研究表明，高强和无碱玻璃纤维由于成型温度高、硬化速度快、结构键能大等原因，而具有很高的拉伸强度。当纤维存放一段时间后，会出现强度下降的现象，称为纤维的老化。纤维的老化主要取决于纤维对大气水分的化学稳定性。96一般来说，含碱量越高，纤维的强度越低。高强玻璃纤维强度明显地表4纤维强度与化学组成、表面缺陷的关系97表4纤维强度与化学组成、表面缺陷的关系37玻璃纤维的疲劳、成型方法和条件对强度也有很大影响。玻璃硬化速度越快，拉制的纤维强度也越高。98玻璃纤维的疲劳、成型方法和条件对强度也有很大影响。38玻璃纤维的延伸率比有机纤维低，一般为3％左右。玻璃纤维的弹性模量是指在弹性范围内应力和应变关系的比例常数。玻璃纤维的弹性模量约为7104MPa，与铝相当，只有普通钢的三分之一，致使复合材料的刚度较低。对玻璃纤维的弹性模量起主要作用的是其化学组成。加入BeO、MgO能够提高玻璃纤维的弹性模量。不同直径的玻璃纤维弹性模量相同，证明它们具有近似的分子结构。99玻璃纤维的延伸率比有机纤维低，一般为3％左右。39玻璃纤维的耐磨性是指纤维抵抗磨损的能力，耐折性是指纤维抵抗折断的能力。玻璃纤维这两个性能都很差，经过揉搓摩擦容易受伤或断裂，这是玻纤的严重缺点。玻璃的导热系数为0.6~1.1千卡/米·度·时，但拉制成玻璃纤维后，其导热系数只有0.03千卡／米·度·时。纤维间的空隙较大，容重较小，其导热系数小，主要是因为空气导热系数低所致；而导热系数越小，隔热性能越好。温度的变化对玻璃纤维的导热系数影响不大。100玻璃纤维的耐磨性是指纤维抵抗磨损的能力，耐折性是指纤维抵抗折玻璃纤维耐热性较高，软化点为550~580℃，其热膨胀系数为4.810–6/℃。玻璃纤维是一种无机纤维，不会引起燃烧。将玻璃纤维加温，直到某一强度界限以前，强度基本不变。一般情况下，钠钙玻璃纤维加热到470℃之前（不降温），强度变化不大；石英和高硅氧玻璃纤维的耐热性则可达到2000℃以上。101玻璃纤维耐热性较高，软化点为550~580℃，其热膨胀系玻璃纤维的导电性主要取决于化学组成、温度和湿度。无碱纤维的电绝缘性能比有碱纤维优越得多。这主要是因为无碱纤维中碱金属离子少的缘故。碱金属离子越少，电绝缘性能越好；玻璃纤维的电阻率随着温度的升高而下降。102玻璃纤维的导电性主要取决于化学组成、温度和湿度。42表5空气湿度对玻璃布电阻率影响103表5空气湿度对玻璃布电阻率影响43玻璃是优良的透光材料，但制成玻璃纤维制品后，其透光性远不如玻璃。玻璃纤维制品的光学性能以反射系数、透光系数和亮度系数来表示。密度小而薄的玻璃布，透光系数可达65％；密度大而厚的玻璃布，透光系数只有18％～20％。104玻璃是优良的透光材料，但制成玻璃纤维制品后，其透光性远不如玻表6不同织纹玻璃布的光学性能105表6不同织纹玻璃布的光学性能45玻璃纤维除对氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对所有化学药品和有机溶剂都有良好的化学稳定性。玻璃纤维单纤即使与水接触，强度也不发生变化。只有