高分子复合材料第二章玻璃纤维

高分子复合材料第二章玻璃纤维第二章增强材料在复合材料中，能够提高基体材料力学性能的材料，称为增强材料。增强材料是复合材料的主要组成部分，它起着提高树脂基体的强度、

模量、耐热和耐磨等性能的作用，同时，增强材料能减少复合材料成型过程中的收缩率，提高制品硬度等。2.1增强材料的种类:主要有纤维增强材料、片状增强材料、颗粒状增强材料。玻璃纤维短切玻纤云母片陶瓷微珠第2页,共28页，2024年2月25日，星期天第二章增强材料高分子复合材料的增强材料的基本特征①增强材料应具有能明显提高树脂基体某种所需特性的性能，以便赋予复合材料所需的特性和综合性能；②增强材料应具有良好的化学稳定性；③与树脂有良好的浸润性和适当的界面反应，使增强材料与基体树脂有良好的界面结合；④价格低廉。第3页,共28页，2024年2月25日，星期天2.2.1玻璃纤维的发展现状2.2玻璃纤维及其制品2.2.1玻璃纤维的发展现状玻璃纤维是一种综合性能优异的无机非金属材料，通常作为复合材料增强基材、电绝缘材料、耐热绝热材料、光导材料、耐蚀材料和过滤材料等，广泛应用于国民经济各个领域。玻璃纤维作为增强材料，是树脂基复合材料的绝对主体，占应用量的98%以上。全球玻璃纤维制造的先驱是美国的欧文斯（OwensCorning）公司，该公司年产玻纤65万吨。我国玻纤工业起步于1958年，当年产能500吨，产量106吨。2000年以后，随着玻璃纤维池窑拉丝工艺的迅速发展，我国玻纤产量2007年达到160万吨,成为世界玻纤产能第一大国。2010年我国玻纤产量超过260万吨。第4页,共28页，2024年2月25日，星期天2.2.1玻璃纤维的发展现状2.2.1玻璃纤维的发展现状

2005年以前，全球玻纤行业一直是国外垄断格局。由美国欧文斯科宁、PPG和法国圣戈班占据60%以上的份额。近5年来，随着中国三大厂商巨石集团、重庆国际和泰山玻纤每年30%的持续高速产能投入，中国三强不仅垄断着国内市场，也成为全球格局中新的寡头。目前全球有六大玻纤供应商：巨石、OC、重庆、PPG、泰山、JohnsManivel。玻纤行业集中度高，六大厂商产能占到全球的70%。第5页,共28页，2024年2月25日，星期天2.2.2玻璃纤维的分类2.2.2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）以玻璃原料成份分类1、无碱玻璃纤维2、中碱玻璃纤维碱金属氧化物含量为11.5％－12.5％；耐酸性能好，强度不如E玻璃纤维。3、特种玻璃纤维(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；以钙铝硼硅酸盐组成的玻璃纤维。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。第6页,共28页，2024年2月25日，星期天2.2.2玻璃纤维的分类（2）以单丝直径分类头发丝的直径50-80μm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

。（3）以纤维外观分类

1、连续纤维，其中有无捻粗纱及有捻粗纱(用于纺织)；2、短切纤维；

3、空心玻璃纤维；4、玻璃粉及磨细纤维等。第7页,共28页，2024年2月25日，星期天2.2.2玻璃纤维的分类（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)。

第8页,共28页，2024年2月25日，星期天2.2.3玻璃纤维的玻璃纤维的结构2.2.3玻璃纤维的玻璃纤维的结构与化学组成（1）玻璃纤维的物态玻璃是无色透明具有光泽的脆性固体。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：没有固定的熔点玻璃纤维是将玻璃材料通过拉丝形成的纤维状的玻璃。第9页,共28页，2024年2月25日，星期天2.2.3玻璃纤维的玻璃纤维的结构（2）玻璃纤维的结构微晶结构假说：玻璃是由硅酸盐或二氧化硅的“微晶子”组成，在结构上是高度变形的晶体，在“微晶子”之间由硅酸盐过冷溶液所填充。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。第10页,共28页，2024年2月25日，星期天2.2.3玻璃纤维的玻璃纤维的结构（2）玻璃纤维的结构玻璃纤维结构示意图第11页,共28页，2024年2月25日，星期天2.2.3玻璃纤维的玻璃纤维的结构（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。第12页,共28页，2024年2月25日，星期天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±0.5<0.5无碱2#54.5±0.713.8±0.516.2±0.54.0±0.59.0±0.5<2.0无碱5#67.5±0.76.6±0.59.5±0.54.2±0.511.5±0.5<0.5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—普通有碱第13页,共28页，2024年2月25日，星期天2.2.4玻璃纤维的物理性能2.2.4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，其横断面几乎是完整的圆形。因表面光滑，纤维之间的抱合力非常小。玻璃钢使用的玻璃纤维直径1.5μm~30μm，一般为4~14μm。其密度为2.16~4.30g/cm3，比有机纤维大很多，但比一般金属密度要低。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第14页,共28页，2024年2月25日，星期天2.2.4玻璃纤维的物理性能

（2）玻璃纤维力学性能

1、玻璃纤维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。块状有碱玻璃纤维的拉伸强度：40MPa~100MPa，玻璃纤维的拉伸强度1500~4000MPa，是一般合成纤维的10倍。

微裂纹假说：玻璃的理论强度很高，可达2000~12000MPa，但实测强度比较低。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。第15页,共28页，2024年2月25日，星期天2.2.4玻璃纤维的物理性能影响玻璃纤维强度的因素a.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)51315002012.512109012.7360156013720第16页,共28页，2024年2月25日，星期天2.2.4玻璃纤维的物理性能影响玻璃纤维强度的因素b.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%。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。玻璃纤维纤维直径(μm)拉伸强度(MPa)无碱5.012000有碱4.701600第17页,共28页，2024年2月25日，星期天2.2.4玻璃纤维的物理性能影响玻璃纤维强度的因素c.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。d.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。e.玻璃纤维成型方法和条件对强度的影响玻璃硬化速度快，纤维强度也越高。第18页,共28页，2024年2月25日，星期天2.2.4玻璃纤维的物理性能

2、玻璃纤维弹性模量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第19页,共28页，2024年2月25日，星期天2.2.4玻璃纤维的物理性能（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。纤维的柔性一般以断裂前的弯曲半径大小表示，弯曲半径越小，柔性越好。通讯光纤第20页,共28页，2024年2月25日，星期天2.2.4玻璃纤维的物理性能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。（4）玻璃纤维的热性能1、玻璃纤维的导热性玻璃导热系数：0.69W/(m·K)~1.16W/(m·K)玻璃纤维导热系数：0.035W/(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。第21页,共28页，2024年2月25日，星期天2.2.4玻璃纤维的物理性能（5）玻璃纤维的电性能玻璃材料及玻璃纤维在外电场的作用下，玻璃纤维内的离子产生迁移而具有一定的导电性能。玻璃纤维的导电主要取决于化学组成、温度和湿度。无碱纤维绝缘性能比有碱纤维好，因为无碱纤维中的金属离子少。空气湿度对玻璃纤维的电阻率影响很大，湿度增加，电阻下降。（6）玻璃纤维的光学性能

玻璃本身可作为优良的透光材料，但制成玻璃纤维后，其透光性能大大下降，远不如块状玻璃。第22页,共28页，2024年2月25日，星期天2.2.5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：

1、

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。

2、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。

原因：二氧化硅四面体相互连接构成的玻璃纤维骨架，很难与水和酸反应（磷酸、HF除外）；玻璃纤维中还有钠、钾、钙等金属离子及二氧化硅与金属离子结合的硅酸盐部分，多数侵蚀是溶解玻璃纤维中的金属离子或破坏硅酸盐部分。第23页,共28页，2024年2月25日，星期天2.2.6玻璃纤维及其制品玻璃纤维织物常见品种

玻璃纤维品种主要有玻璃纤维布、玻璃纤维毡、玻璃纤维带等。玻璃纤维布玻璃纤维毡第24页,共28页，2024年2月25日，星期天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（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