第二章增强讲述案例

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单丝 filament：从坩埚中拉出的每根纤维叫单丝； 原纱 strand：一个坩埚拉出的所有单丝经过浸润剂槽后，集束 成一根原纱； 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连续 玻璃纤维。 省去制球工艺 生产能力高 可自动化控制，产品质量稳定； 适用于生产粗玻璃纤维；
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2011第一次课
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3）折算断裂强度
纱的截面积：
β- 玻璃纱的公称支数，1g纱的长 度，（m ） ρf- 密度（g/cm3）
折算断裂强度：
Pb- 纱的拉断力
β0 - 原纱的支数, β0=N β
注意纱和原纱的区别，纱由N股数的原纱组成。
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4）纱强度低于单丝强度的原因
①两者的测量标距不一样， 单丝：10mm；纱：200mm； ②各单丝准直不一，不可能同时受力，同时断裂， 最终断裂是强度最大的单丝； ③加捻使得纤维承受附加的扭转力。
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3. 其他玻纤制品
1）立体编织物 2）玻璃纤维毡片 ①短切原丝毡 ②连续纤维毡 ③缝合毡 ④表面毡（单丝毡） 3）缝编织物 4）无纬布
短切原丝毡
缝合毡
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2.3 碳纤维
2.3.1 碳纤维的分类 2.3.2 碳纤维的制造 2.3.3 碳纤维的结构 2.3.4 碳纤维的性能 2.3.5 碳纤维品种与规格 2.3.6 碳纤维的发展
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3.按纤维力学性能分类
水 浓碱
玻纤 玻纤
溶解玻纤所有成分，玻纤变细
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在水中浸泡后，强度降低。
碱含量越大，玻璃纤 维受水侵蚀的速率越快。
一般来说，除氢氟酸外，对酸、稀碱、盐及有机 溶剂都具有较好的耐腐蚀能力。
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（1）电绝缘性好 玻璃纤维的体积电阻率为1011~1018Ω.cm。玻璃钢大部分做 绝缘材料。 含碱量越高，电阻率越低； 湿度越大，电阻率越低； 温度越高，电阻率越低。 （2）良好的高频介电性能 玻璃纤维的介电常数较小，介质损耗很低，具有良好的高 频介电性能，可做雷达罩，微波天线的天线罩。
B2O3：提高耐酸性，改善电性能，降低熔点、黏度。
但模量和强度下降。
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（1）按化学组成（碱金属氧化物含量）
有碱玻璃纤维 >12%; 中碱玻璃纤维 6% ~12%； 低碱玻璃纤维 2% ~ 6% ； 微碱玻璃纤维 <2%（无碱玻璃纤维）
2）玻璃纤维的分类
（2）按纤维使用特性分
普通玻璃纤维（A-GF：average） 电工用玻璃纤维（E玻璃纤维：electrical） 高强型玻璃纤维（S 玻璃纤维 strength ） 高模量型玻璃纤维（M-GF：modulus） 耐化学药品玻璃纤维（C玻璃纤维：chemical） 耐碱玻璃纤维（ AR玻璃纤维：alkali-resistant ） 低介玻璃纤维（ D玻璃纤维：dielectric ） 高硅氧玻璃纤维 石英玻璃纤维
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玻璃纤维强度具有以下特点： ①单丝直径越小，拉伸强度越高； ②试样测试段长度越大，拉伸强度越低；
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③化学组成对强度的影响： ④强度的分散性较大 ⑤受湿度影响： 吸水后，湿态强度下降
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拉伸模量：70GPa 断裂伸长率2.6~3%;
密度为2.50~2.56 g/cm3，比有机纤维 大，但比一般金属 纤维密度低。
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2）热性能
类似于无定形有机高聚物，存在Tg、Tf两个转变； Tg 较高，约600℃； 拉伸强度受温度的影响较大； 200~250℃：无明显影响 300℃ 24h：↓20% 400℃ 24h：↓50% 导热系数低，良好的绝热性能；热膨胀系数较低。
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3）耐介质性能
酸 玻纤 Na2O/K2O 离析，溶解 （促进） 硅酸盐 硅酸 胶体 保护膜 （减缓溶解过程） Na2O/K2O 溶解 碱性 SiO2骨架破坏
纤维越细、 缺陷越少、 强度越高
按纤维外观分：
连续纤维 短切纤维 空心玻璃纤维 磨细纤维 玻璃粉 中 空 玻 璃 纤 维 玻 璃 粉
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2.2.2 玻璃纤维及玻纤制品的制备
1）玻璃纤维的制备
坩埚拉丝法：制球和拉丝
砂 1260℃ 石灰石 硼酸 熔炼炉
造球机
1300℃ 玻璃球 铂金坩埚 15~18mm 漏丝板 （102、204、408孔， 1000~3000m/min d=1.5~2mm,玻璃液 玻璃纤维 为1190℃） 3~20um
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2）布的折算断裂强度
2.5cm—测试时布条的宽度 b—排纱密度，根纱/cm;
3）布强度低于纱强度的原因 玻纤经过纺织以及在布中呈现弯曲和扭曲状态。
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4）布的使用特点
（1）编织情况 编织方法对布的使用特点的影响：
（2）布厚度 布越薄，纤维弯曲越小，纤维拉伸强度越高；易浸 透胶，但糊制层数多。 （3）排纱密度 排纱密度越大，越不易浸透胶。
SiO2及各种金属氧化物组成的硅酸盐类混合物，属于无定形离 子结构物质。
（1） SiO2：作用：形成基本骨架，高熔点
Байду номын сангаас
（2） 金属氧化物
Al2O3、 CaO、MgO、Na2O、BeO、B2O3等， 作用：
① 改善制备玻璃纤维的工艺条件： Na2O、 K 2O；
②使玻纤具有一定特性。 BeO：提高模量；
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浸润剂类型:
（1）纺织型浸润剂 石蜡型浸润剂
：石蜡、凡士林、矿物油、硬脂酸、表面活 性剂等； 性树脂等；
淀粉-油浸润剂 ：淀粉、动植物油、阳离子胺类化合物、水溶
（2）增强型浸润剂 主要成分： 成膜剂：聚酯、环氧、聚氨酯、聚醋酸乙烯
酯，聚丙烯酸酯等； 还包括：偶联剂、润滑剂、润湿剂、抗静电 剂等组分
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2. 有机纤维
1）刚性分子链 对位芳酰胺： kevlar,twaron； 聚苯并咪唑； 聚芳酯； 2）柔性分子链 聚乙烯；聚乙烯醇
2.2 玻璃纤维glassfiber
玻璃纤维：将熔融的玻璃液以极快的速度拉成细 丝而成。 质地柔软，具有弹性，可并股、加捻、纺织成各 种玻璃布，玻璃带等织物。
玻璃纤维无捻粗纱 Glass Fiber Roving
浸润剂：是一种乳液，包括： 粘结组分:2~15% 润滑组分:0~5% 表面活性剂
较脆而且不耐磨，纤维之间的摩擦系数大。在拉丝 和纺织过程中，纤维就难免出现断裂现象；
刚拉出的纤维容易受到空气中水蒸汽的侵蚀，使其 强度下降。

浸润剂的作用：
使单丝集束，便于后续的并股、纺织等工序； 防止原纱缠绕成卷时，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使 多根单丝集中成股，增加原纱的耐磨性和提高拉伸强度； 保护纤维免受大气和水分的侵蚀作用。
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2 玻璃布

1）布的品种与规格 （1）玻璃布的品种 按编织方法不同，分为： 平纹布、 斜纹布、 缎纹布 单向布 无纬布 无捻布（无捻方格布）
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单向布 经纬向拉断力相差悬 殊的玻璃布，经纱是密纱 或强纱，纬纱是稀纱或弱 纱。与无纬布不同。
单向布

无捻布 无捻纱编制的玻璃布， 比较常用的是平纹编织无 捻粗纱布。
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2.3.1 碳纤维的
1.按 原料类型分类
聚丙烯腈基碳纤维
沥青基碳纤维 黏胶基碳纤维 气相生长碳纤维
有机纤维炭化法 气相法
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2.按碳纤维的制造方法不同分类 碳纤维（800~1600℃） 石墨纤维（ 2000~3000℃ ） 氧化纤维（预氧化丝200~300℃ ） 活性炭纤维 气相生长碳纤维（600～1200℃）
第二章 增强材料
Reinforcement material
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2.1.2 增强纤维的品种与性能
增强材料，是聚合物基复合材料的骨架。它是 决定复合材料强度和刚度的主要因素。
颗粒、薄片和纤维
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纤维材料的性能优势
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商品化的纤维品种：

1.无机纤维
1）玻璃纤维 fiberglass Owens corning 美国； 泰山、巨石、重庆复合材 料有限公司； 2）碳纤维： 聚丙烯腈基、沥青基； 日 本: 东丽 三菱 3）硼纤维boron 4）碳化硅纤维SiC 5）氧化铝纤维Alumina
短切纤维 6 AR-Glass Fiber Chopped Strand
2.2 玻璃纤维 2.2.1 玻璃纤维的组成和分类 2.2.2 玻璃纤维及玻纤制品的制备 2.2.3 玻璃纤维的结构 2.2.4 玻璃纤维的性质 2.2.5 玻璃纤维制品的品种和规格
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2.2.1 玻璃纤维的组成及分类

1) 玻璃纤维的组成
2）玻纤制品的制造
玻纤经原纱退 绕后可以制成各种 制品，如无捻粗纱 、短切纤维毡等。 设备：纺纱机和织 布机
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无捻粗纱 Continuous Rovings
短切纤维毡 Chopped strand mat
第一次课2010
表面毡
Surface veils
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3）玻璃纤维浸润剂

玻璃纤维突出的弱点:
无捻方格布
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（2）主要规格 表2-7 编织方法： 布的厚度：反映纤维弯曲程度； 布的幅度： 排纱密度：为1cm布宽上排了多少根经纬纱， 面密度Gf：布单位面积的纤维质量，g/m2 布在经、纬向的拉断力有很大差别的，这种布即单向布。 常有4:1，7:1，11:1，14:1的单向布供应。 （3）牌号表示法 平纹-100：厚度0.1mm的平纹布； EW100A-90:E:无碱；W：布；100：0.1mm厚;A:类别； 90：幅宽90cm。
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（3）化学处理剂 偶联剂
2.2.3 玻璃纤维的结构
一次结构： 以SiO2为基本骨架的无机离子型高聚物；
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二次结构： 为各向同性的无定形结构。 拉制出的玻璃纤维处于不 稳定状态，再次受热会发生收 缩，其结构也应与玻璃的结构 相同，为无定形的离子结构。 E块状玻璃：ρ=2.58g/cm3 玻璃纤维： ρ=2.52g/cm3
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（3）捻度 纱的加捻程度，单位长度内纤维与纤维之间所加的 转数，以捻／m为单位
加捻的作用：
提高纤维的抱合力 改善单纤维的受力状况， 利于纺织工序的进行。
缺点： Z捻(左捻)，顺时针方向加捻；
S捻(右捻)，逆时针方向加捻。
捻度过大不易被树脂浸透。
（4）股数 N 由几根原纱合股组成。 玻璃纱的公称支数为原纱支数/股数
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表2-2 常用玻璃纤维的化学成分
铝硼硅酸盐。 具有良好的电 气绝缘性及机 械性能
也叫中碱玻璃纤维 中碱玻璃纤维 硅酸铝－镁玻 璃纤维,4.9GPa
碱金属氧化物 10 含量接近0
（3）按产品特点分 按纤维长短分：
定长纤维（6~50mm） 连续纤维
按纤维直径的大小：
粗纤维（单丝直径30um） 初级纤维（单丝直径20um） 中级纤维（单丝直径10~20um） 高级纤维（单丝直径3~9um）；
1190℃ 1135~1140℃
结 晶
600℃
冷却速率↑→玻璃化温度↑→自由体积↑→密度↓
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2.2.4 玻璃纤维的性质
1）力学性质 （1）玻璃纤维的拉伸应力－应变关系 应力-应变关系为一条直线，无明显的屈服、塑性 阶段; 呈脆性材料特征 （2）玻璃纤维的拉伸强度较高，但模量较低。 拉伸强度： 10um以下 1000MPa； 5um以下2400MPa；
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2）纱的品种和规格
（1）品种 有捻纱和无捻纱 随合股数的不同分：粗纱、细纱 无捻粗纱：纤维平行排列，较松散，对树脂的 浸润性好，但易断头、起毛、不易编制。 有捻细纱：刚好相反。 （2）规格 单丝直径：4um、6um、8um 原纱支数（m）:40、80、160 股数：有捻纱：2~8股；无捻纱：5~60股； 纱的公称支数（原丝支数/股数）、断裂强度及 捻度等。 （3）牌号表示法 无碱纱4－600/2： 4－单丝直径4um； 600－原纱支数； 2－股数N为2无碱玻璃纱。
4）电性能
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2.2.5 玻璃纤维制品的品种与规格
1 玻璃纤维纱 1）常用的术语、参数 （1）原纱 Strand 玻璃纤维制造过程中的单丝经集束后的单股纱； （2）表示（原）纱粗细的指标 支数: 1 g 纱的长度（m ）。 支数越大，原纱越细； 特（tex）: 1000 m 长纱的质量（g） 旦或袋（Denier）: 9000m 长纱的质量（g）， 特和旦数越大，纱越粗。
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2.3 碳纤维
——是由有机纤维如黏胶纤维、聚丙烯腈纤维或沥青纤维 在保护气氛下热处理碳化成为含碳量90~99%的纤维。 1880 爱迪生 曾经用竹炭纤维作灯丝； 1959 美国联合碳化物公司（Union Carbide Corp.） 人造丝 Thornel 1962 日本 进藤昭男 聚丙烯腈 1963 日本 大谷杉郎 沥青 20世纪70年代，中国生产碳纤维 （品种少，性能一般，产量低）