第三篇--复合材料的增强材料教学内容

1.2 玻璃纤维的结构与组成
➢ 玻璃纤维的结构
两种玻璃结构假说:
1.微晶结构假说:玻璃有 SiO2”微晶子”组成,其间有 硅酸块过冷液填充.
Si
O 2.网络结构假说,见图3-1.
Na ,Ca
GF无规网络模型 图3-1玻璃纤维结构示意图
大量资料表明,玻璃结 构是近程有序的.
1.2 玻璃纤维的结构与组成
第三篇--复合材料的增强材料
简要概述
▪ 增强材料作用: 显著提高基体材料的机械性能,即赋予复 合材料的高强度和高模量等力学性能
☆增强材料主要类型:纤维状增强材料
Baidu Nhomakorabea
材料物理形态
拉伸强度
块状石墨
689MPa
石墨纤维
1700~2800MPa
E-玻璃纤维
3450MPa
尼龙纤维
827MPa
硼纤维
3254MPa
拉丝
玻纤
1.3 玻璃纤维制备及制品
（1300℃） （102、204、408孔，d=1.5~2mm,玻璃液为1190℃） （d=3~20µ m）
（ 1000~3000m/min）
1.3 玻璃纤维制备及制品
玻璃纤维常用的术语、参数 （1）原纱 GF在制造过程中，单丝经集束后的单股纱。
（2）原纱粗细指标—纤维支数
池窑法
将玻璃配合料投入熔窑熔化后，直接拉 制成各种支数的玻纤 优点：效率高，生产能力高；
自动化控制，产品质量稳定； 节约原料，便于回收 池窑法与坩埚法最大的不同：原料直接加入窑内 窑炉的熔化面积大, 玻璃液面稳定, 澄清时间长, 池窑的温度波动小等特点,形成的玻璃液质量较好, 为纤维成型提供了良好的条件。
162
1.28
178
0.54
26
0.21
21
0.22
35
简要概述
☆纤维状材料具有较高的柔曲性. 1/(Mρ)=64/(Eπd4)
表示材料的柔曲性 直径越小，柔曲性越好；柔曲性越好，其可使纤维可以适 应复合材料的各种各样的工艺
☆纤维状材料增强体具有较大的长径比（L/d），可使得其 在复合材料中比其它几何形状的增强体更容易发挥固有的 强度
A.质量法 质量为1g的原纱的长度来表示 纤维支数（β）＝纤维长度（100m)/纤维质量（100m原纱质
量数） B.定长法 目前国际上统一使用的方法，通称“TEX”（公制号数） 指1000m长的原纱的克质量数。如：4“TEX”指1000m原纱质 量为 4克 （3）捻度：单位长度内纤维与纤维之间所加的转数，以捻/m为单 位。有Z捻（左捻）和S捻（右捻）。 （4）股数N 指由几根原纱合股组成。纱的合股数指以一根原纱为 一股，几根原纱合并起来的原纱根数即为合股纱的合股数N。玻璃 纱的公称支数为原纱支数除以股数。
1.2 玻璃纤维的结构与组成
➢玻璃纤维的组成 玻璃纤维是由SiO2及各种金属氧化物组成的硅酸盐类
混合物，属无定形离子结构物质。 SiO2：主要组分，形成基本骨架，有高的熔点 金属氧化物：（Al2O3 ，CaO ，MgO ，BeO ，Na2O,K2O，B2O3） 改善制备玻璃纤维的工艺条件(Na2O,K2O为助熔剂，降低熔点) 和性能(BeO，模量 ；B2O3，耐酸 )
d>30µm，初级纤维20µm <d<30µm ，中级纤维10µm <d<20µm ，高级纤维3µm <d<9µm ）；外观（连续 纤维，短切纤维，空心玻纤，玻璃粉）
1.3 玻璃纤维制备及制品
➢玻璃纤维的制备 坩埚拉丝法
玻璃球
d=15~18mm M≈10g
造球机
熔炼炉（1260℃）
玻璃原料（砂、 石灰石、硼酸）
➢玻璃纤维的分类
按化学组成分： 有碱玻璃纤维（碱金属氧化物MxOy含量大于2%）；
中碱玻纤（ MxOy：6~12% ）；低碱玻纤（ MxOy： 2~6% ）；微碱玻纤（ MxOy：＜2% ）
按纤维使用特性：普通玻纤；电工玻纤（E玻纤）；高强玻纤（S玻
纤或R玻纤）；耐化学药品玻纤（C玻纤） ：
按产品特点分： 长度（定长玻纤，连续玻纤）； 直径（粗纤维
1.3 玻璃纤维制备及制品
玻纤 纺织、加工 玻纤制品（布、带、毡）
玻璃纤维纱
玻璃纤维布
玻璃纤维带
1.3 玻璃纤维制备及制品
1.3 玻璃纤维制备及制品
工艺中的几个名词的定义： (1)玻璃纤维浸润剂 浸润剂：在拉制玻璃纤维的过程中，把在单根纤维表面涂覆的一种由黏
结组分、润滑组分和表面活性剂等配制而成的乳液。 浸润剂作用：使单丝集束，便于后续的并股、纺织等工序；防止原纱缠
纤维材料的拉伸强度与模量大于相应的块状材料几个数量级
常用增强纤维与金属丝性能对比
密度 g/cm3
无碱玻璃纤维
2.55
高强度碳纤维（II） 1.74
高 模 量 碳 纤 维 （ I ） 2.00
Kevlar49
1.44
硼纤维
2.36
SiC纤维（钨芯） 2.69
钢丝
7.74
钨丝
19.40
钼丝
10.20
抗拉强 度 GPa 3.40
1.3 玻璃纤维制备及制品
（5）玻璃砂的品种与规格
1）品种： 有捻砂和无砂捻
2）规 格：
纱的规格及纱的技术指标
主要有单丝直径、原纱支数、纱的公称支数、断裂 强度及捻度等
3）牌号表示法：
牌号无碱纱4-600/2
股数
单丝 直径
原纱 支数
1.3 玻璃纤维制备及制品
几种国产有捻玻璃纱的规格
1.3 玻璃纤维制备及制品
绕成卷时，纤维相互黏结；保护纤维，防止纺织时，纤维的表面磨损而降低 强度
浸润溶种类： A. 纺织型浸润剂。 主要用于玻璃纤维纺织和加工制品。
2.42 2.23 2.80 2.75 3.43 4.20 4.10 2.20
拉伸模 量
100GPa 0.71
2.16 3.75 1.26 3.82 4.80 2.00 4.10 3.60
比强度 比模量
106N.m/k 106N.m/k
g
g
1.33
28
1.39
124
1.12
188
1.94
88
1.17
纤维种类
1
玻璃纤维
2
碳纤维
3
芳纶纤维
4
其它增强纤维
1.1 概述
▪ 玻璃纤维(GF)发展概况 17世纪 ,法国人发明制备玻璃纤维 1920年,美国人发明了坩锅法制备长纤维,GF开始用于复合材料 1960-1970年,池窑拉丝法成为制备GF的主要技术,GF得到广泛应用 至今,有30多个国家生产GF,品种达5000种,其年均增长3%-5%. 国内GF发展起始1950年,1958年后形成规模。1996年，我国GF总量17.2万 t, 居世界第五位.