玻璃纤维基础知识

玻璃纤维小知识

1 玻璃纤维是以二氧化硅为主要原料的天然矿物，添加特定的金属氧化物矿物原料，混合均匀后，在高温下熔融，熔融玻璃液流经漏嘴流出，在高速拉引力的作用被牵伸并急速冷却固化成为极细的连续的纤维。

2 玻璃纤维的基本性质

2.1 外观特性

玻璃纤维为表面光滑的圆柱状，截面呈完整的圆形。这主要是成形时熔融玻璃液表面张力所致。有机纤维为非圆形结构的截面，且表面有较深的皱纹。

玻璃纤维圆形截面承受载荷能力强；气体和液体通过阻力小，但表面光滑使纤维的抱合力小，不利于与树脂的结合。

2.2 密度

玻璃纤维密度一般在2.50-2.70 g/cm3，主要取决于玻璃成分。所以有时工厂生产控制时也用密度的变化来考察成分的波动。

2.3 抗拉强度

玻璃纤维的抗拉强度比其他天然纤维、合成纤维要高。

玻璃纤维强度情况比较复杂，通常一些资料中给出的数据是“新生态纤维”的强度，即在漏嘴下直接取出的纤维所测的强度。缠绕在绕丝筒上后强度很快下降。通常认为绕丝筒上纤维的强度低于新生态15%-25%。

格里菲斯微裂纹缺陷理论：玻璃纤维的理论强度取决于分子之间的引力（与玻璃成分和结构有关），其理论强度很高。但由于玻璃纤维中存在着数量不等、尺寸不同的微裂纹，使实际强度大大降低。微裂纹分布在玻璃纤维的整个体积内，但以表面裂纹危害最大，在外力作用下，微裂纹处产生应力集中而发生破坏。

2.3 影响玻璃纤维强度的因素

(1)化学成分：玻璃组成不同，制成的纤维强度也不同。

(2)玻璃纤维的直径：直径越细强度越大。

(3）存放时间增加，强度下降。

(4）玻璃液的缺陷，如化学不均匀、结晶杂质、结石、气泡等影响纤维强度。研究结果认为：当玻璃中存在结晶物时会降低强度，最大降低52%:当存在微小气泡时，强度降低20%，玻璃液质量对保证纤维强度至关重要。

(5)成型温度影响：当温度从1200℃升高到1 370℃，纤维强度可提高一倍。“玻璃是一定状态下的无机物质，这种状态是该物质液态的继续，并与液态类似”，也就是说玻璃是具有液态结构的坚硬材料。由于玻璃纤维是在高速急冷条件下成形，所以具有接近于高温熔体的微观结构。通常说玻璃结构是远程无序，近程有序。近程有序的程度本身取决于熔融玻璃液的温度和从熔融玻璃液冷却为固态的速度，因此玻璃纤维的物理性质不仅受其成分的影响，还受其热历史的影响。

(6）冷却的速度：冷却速度越快，玻璃纤维的结构越接近熔融体的结构，析出的超显微晶体的数量和尺寸越少，缺陷和微裂纹也越少，强度越高。

(7)拉丝张力：拉丝作业不可避免地会产生微裂纹，在拉丝力的作用下每根纤维都受到一定的应力，这种应力作用于先硬化的纤维外壳时就产生了表面微裂纹。减少纤维成形时的张力，有利于提高纤维的强度。

2.4 弹性模量

玻璃纤维弹性模量高，伸长率小且没有塑性伸长，它的弹性模量与玻璃组成和结构密切相关。

比极限抗拉强度和比极限弹性模量：极限抗拉强度（或弹性模量）与其自身密度的比值，单位为m。

2.5 柔性（脆性）

玻璃纤维是脆性材料，其断裂伸长率很小。这使得其在作为编织材料方面受到限制，它的脆性与它单纤维直径的4次方成正比。直径小于3.8 μm称为“贝他纱”，它比普通涤纶柔软，可作宇航服、防护衣。

由于脆性，其抗扭、耐磨、抗折性能差。在纺织加工和材料包装等方而必须充分注意，尽量减少挠曲，卷绕纤维的芯轴直径不能太小，但脆性与其作为增强材料的关系不大。

2.6 化学稳定性

玻璃纤维化学稳定性是指抵抗水、酸、碱等介质侵蚀的能力。通常以受介质侵蚀后的重量损失、析出的碱量及进入侵蚀液中玻璃组分量、侵蚀后的强度损失和纤维直径减少率等项指标来度量。不同的玻璃成分对不同的侵蚀介质的抵抗能力不一样。

玻璃纤维的耐水性和耐酸性较好，而耐碱性较差。在耐水性方面，E玻璃(无碱玻璃)优于C玻璃(中碱玻璃)；在耐酸性方面，C玻璃优于E玻璃：而耐碱性方面，C玻璃优于E玻璃