(完整word版)玻璃钢力学性能

玻璃钢的基本性能——力学性能
玻璃钢的力学性能突出的一点是比强度高，这是金属材料和其它材料无法相比的。

这里，我们要提一下强度的概念。

强度通常是指单位面积所能承受的最大荷载，超过这个荷载，材料就
破坏了。

强度又分为拉伸强度、压缩强度、弯曲强度和剪切强度。

例如说聚酯玻璃钢抗拉强度290MPa，是指每平方厘米截面可承受2900Kg的拉力。

玻璃钢轻质高强的性能，来源于较低的树脂密度（浇铸体密度1.27左右）以及玻璃纤维的高抗伸强度（普通钢材的5倍以上）。

玻璃钢的密度随着树脂含量的不同而有所不同。

从高树脂含量的玻璃毡制品
到低树脂含量的玻璃钢缠绕制品（密度2.2），玻璃钢的密度只有普碳钢的1/4-1/5，比铝还轻1/3左右。

玻璃经高温熔融、快速拉成细丝时，由于比表面积增大，玻璃纤维内部及表面就难以存在大缺陷，所以
玻璃纤维的强度就非常高，常用的是无碱铝硼硅酸盐纤维，其一般性能如表下所示。

性能：密度（g/cm3 ）
性能数据： 2.53-2.55
性能：折射率（25℃）
折射率（25℃）
性能数据： 1.454-1.549
性能：拉伸强度（MPa)）
性能数据： 100-300
性能：介电常数
102赫兹
性能数据：赫兹
性能：拉伸弹性模量（MPa）
性能数据： 7000
性能：介电常数
106赫兹
性能数据： 6.32
性能：断裂时的伸长率（% ）
性能数据： 1.5-4
性能：介电常数
1010赫兹
性能数据： 6.11
性能性能数据性能性能数据
泊松比（块玻璃） 0.22 正切损失 102赫兹 0.0042
线膨胀系数℃-1 4.8*10-4 正切损失 1010赫兹 0.006
比热〔KJ/(Kg/.K)〕
0.80
体积电阻（Ω·cm ）
体积电阻（Ω·cm ）
1011-1013
导热系数〔W/m·K）〕
1.0
声速ｍ／ｓ
声速ｍ／ｓ
5500
软化温度（℃） 850
玻璃钢中常用的玻璃纤维直径是８－１３µｍ。

近年来各国所用的玻璃纤维趋向于向粗直径发展，通用
的是１３∼18µｍ，采用池窑拉丝。

采用粗直径纤维既不影响玻璃钢的性能，纤维的产量又可以大幅度
提高（因为产量和直径成平方关系）。

也有采用直径２０µｍ以上的玻璃纤维。

玻璃钢所用的玻璃纤维
一般是把单丝并成线或粗纱，或进一步制成织物及做成毡来使用。

从下表所得的各种纤维强度比较来看，玻璃纤维的强度是相当高的。

性能：拉伸强度MPa
羊毛： -
棉纱： 34.54
亚麻： 35
尼龙： 30-60
生丝： 44
玻纤： 100-300
钢： 50-200
性能：延伸率%
羊毛： 24-28
棉纱： 6-12
亚麻： -
尼龙： 15-40
生丝： 15-86
玻纤： 2.5-4
钢： -
玻璃纤维可按三种方向排列:
（一）单向纤维增强的玻璃钢
这一类玻璃钢，玻璃纤维定向排列在一个方向，它是用连续纱或单丝片铺层的。

在纤维方向上，有很高
的弹性模量和强度，其纤维方向的强度可高达１０００ＭＰａ，但在垂直纤维方向上，其强度很低。

只
有严格的单向受力情况下，才使用这类玻璃钢。

其纤维体积含量可以高达６０％．
（二）双向纤维增强的玻璃钢
这类玻璃钢是用双向织物铺展的，其玻璃纤维体积含量可达５０％。

在两个正交的纤维方向上，有较高
的强度。

它适用于矩形的平板或薄壳结构物。

（三）准各向同性玻璃钢
这类玻璃钢是用短切纤维毡或模塑料制成的，制品中各向强度基本接近，纤维体积含量一般小于３０％，适用于强度、刚度要求不高或荷载不很清楚而只能要求各向同性的产品。

在玻璃钢／复合材料中，力学
性能在相当大的程度上取决于增强材料，有人把它比做是材料的筋骨。

古代增强材料主要是麻和棉纤维
以及丝绸类。

到了４０年代，玻璃纤维开始占增强材料的绝大多数。

在此后相当长一段时期里，用玻璃
纤维作增强材料的复合材料（即玻璃钢）仍然占主要地位、但随着工业的发展，不同的时期相继出现了
新的材料，在５０年代研制了高模量碳纤维、硼纤维。

６０年代，又改变了玻璃成分，研究了Ｓ及Ｒ型
高强玻璃纤维。

到了７０年代，先后又开发了凯芙拉纤维等。

见表下所示。

增强材料多品种的开发，为
复合材料的应用开辟了新的领域和广阔的途径。

纤维种类： A—玻璃纤维
密度： 2.45
拉伸强度极限GPa： 3.1
拉伸膜量GPa： 72
比拉伸强度GPa ： 1.26
比膜量GPa ： 29
纤维种类： E—玻璃纤维
密度： 2.56
拉伸强度极限GPa： 3.6
拉伸膜量GPa： 76
比拉伸强度GPa ： 1.40
比膜量GPa ： 29
纤维种类： R—玻璃纤维
密度：2.58
拉伸强度极限GPa： 4.4
拉伸膜量GPa： 85
比拉伸强度GPa ： 1.70
比膜量GPa ： 33
纤维种类： S—玻璃纤维
密度： 2.49
拉伸强度极限GPa： 4.9
拉伸膜量GPa： 86
比拉伸强度GPa ： 1.8
比膜量GPa ： 34
纤维种类： I型高模量碳纤维
密度：1.87
拉伸强度极限GPa： 2.1
拉伸膜量GPa： 330
比拉伸强度GPa ： 1.12
比膜量GPa ： 176
纤维种类：II型高强度碳纤维
密度： 1.76
拉伸强度极限GPa： 2.6
拉伸膜量GPa： 235
比拉伸强度GPa ： 1.48
比膜量GPa ： 133
纤维种类：聚芳香酰胺纤维kevlar-29
密度： 1.44
拉伸强度极限GPa： 2.76
拉伸膜量GPa： 58
比拉伸强度GPa ： 1.92
比膜量GPa ： 10
纤维种类：聚芳香酰胺纤维kevlar-29
密度： 1.45
拉伸强度极限GPa： 2.94
拉伸膜量GPa： 130
比拉伸强度GPa ： 2.03
比膜量GPa ： 90
纤维种类：剑麻
密度：1.3
拉伸强度极限GPa： 0.8
拉伸膜量GPa： -
比拉伸强度GPa ： 0.61
比膜量GPa ： -
纤维种类：硼纤维
密度： 2.62
拉伸强度极限GPa： 3.4
拉伸膜量GPa： 344
比拉伸强度GPa ： 1.30
比膜量GPa ： 130
纤维种类：碳化硅纤维
密度： 2.55
拉伸强度极限GPa： 3.0
拉伸膜量GPa： 2000
比拉伸强度GPa ：
比膜量GPa ：
玻璃钢!复合材料的力学性能具有明显的方向性，这是与金属材料不同的。

金属材料，不论在任何方向，强度和弹性模量几乎完全相同。

而对于木材、玻璃钢等，沿纤维方向的强度和弹性模量就比垂直于纤维
方向上的要高得多。

象金属那样强度不随方向变化而变化的材料称为各向同性材料，而象玻璃钢、木材、钢筋混凝土等，它们的强度随方向不同而变化，称它们是各向异性材料。

玻璃钢等人造的复合材料还可
以人为地变化纤维方向和数量来达到某种特定的强度要求。

例如，我们采用１：１玻璃布（指经向纤维
和纬向纤维量为１：１）制造的玻璃钢，其经向和纬向强度几乎是相等的。

但在其它方向上强度则较低，如在４５℃方向上强度比经、纬向强度１／２还要低．见下表：
性能
0℃ 15℃ 30℃ 45℃ 60℃ 75℃ 90℃
拉伸强度MPa比例极限 178 84 50 45 50 80 160
拉伸强度MPa 破坏强度 269 210 173 158 163 194 263
拉伸弹性模量（GPa） 16.7 13.3 11.1 10 11.1 12.5 15.2
伸长率% 1.6 2.5 4.8 4.8 4.5 2.6 1.9
如果我们采用经向和纬向纤维量为$# "的玻璃布制成环氧玻璃钢，它们经向和纬向纤维量差别较大，因
此在这两个方向上的拉伸、压缩、扭转强度都大不相同，如下表所列。

性能
拉伸拉伸压缩压缩扭转扭转
性能
经向
纬向
经向
纬向
经向
纬向
极限强度MPa
373
142.4
310
230
67
43
弹性模量MPa
26
12
24
13
2.9
2.9
泊松比 0.20 0.10 0.24 0.12
强度的概念前面已经讲过，它是指材料破坏时，物体内的最大应力值，按照受力情况可分为拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切等。

如图下图所示矩形杆的受力状态称为拉伸。

此时我们取拉伸荷载等于Ｐ，杆的横断面积为Ｆ，那么拉伸
应力就等于σ＝Ｐ／Ｆ
如果杆件在拉伸到破坏时的荷载（称为最大荷载或极限荷载）为ＰＢ，则材料的极限强度，即拉伸强度σＢ等于
σＢ＝ＰＢ／Ｆ
超过极限强度杆件就要破坏，所以又称它为破坏强度。

材料在初始受力时，有一段时间内它的应力σ与其应变（受拉伸长变形与原长度之比）成正比，我们称
它为弹性阶段。

弹性阶段的最大应力值，称为比例极限。

材料在比例极限内是不会破坏的。

所以，也常
称之为设计强度。

在弹性阶段，应力!和应变"成正比，变成等式后加进一个常数!，就是弹性模数，是常数值，它只与材料有关：
σ＝ＥＳ（２－３）
不同的材料，当应力σ一定时，弹性模量Ｅ大，应变ε就小；弹性模量Ｅ小，应变就ε大。

这说明常数
Ｅ是反映材料抵抗变形能力大小的参数。

若把截面积Ｆ的大小也考虑在内，那么ＥＦ又称为抗拉刚度。

用刚度概念来具体说明该构件抵抗抗伸变形的能力就更全面了。

当图２－２构件上作用的是与它相反方向荷载时。

这时构件就受压缩，见图２－３所示。

构件受压缩时也有应力、应变、强度、弹性模量、刚度等，其定义和拉伸时一样，只是荷载方向相反而已。

值得注意的是人们常常有一种误解，认为资料中所列举的强度数据就是实际构件的强度数据。

其实这两者截然不同，差异较大。

例如手糊聚酯玻璃钢板，小试件抗伸强度可达２００－２５０ＭＰａ，而在同样原材料的３ｍ＊９ｍ的大型构件上取下一块试样，它的抗伸强度只有１００ＭＰａ。

这是因为两者的制造操作条件不同，大块板工艺条件不如小试件那样理想。

因此，在采用各类资料、书籍所给出的强度数据时，一定要注意你所设计的构件工艺制造条件和一般小试件之间的差异，否则将会出现问题。

此外，还要注意玻璃钢/复合材料层间强度和弹性模量低的特点。

层间是薄弱环节，因为层间没有增强纤维，所以它的层间剪切和层间抗伸强度都较低，充其量也只是树脂本身的强度。

这个特点告诫人们在设计和制造玻璃钢制品时，除工艺制造时尽量使布层间粘牢外，设计上应使层间应力降到最低，防止层间破坏情况出现。

例如，３０６＃聚酯玻璃钢的层间剪切强度只有８．９－２６ＭＰａ，层间抗伸强度还要低些。

玻璃钢的弹性模量比木材大２倍，但比一般结构钢小１０倍。

因此，在玻璃钢结构中，常感刚性不足，会出现较大的变形。

为了改善这一缺点，可采用夹层结构，亦可通过应用高模量纤维或中空纤维等来解决。

可以看成：ＥＲＰ刚性＞优质木材≈竹材。