玻璃钢材料的研究与应用现状

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。玻璃钢中常用的玻璃纤维直径是8~13µm。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,玻璃纤维的强度是相当高的。在玻璃钢生产中，玻璃纤维的排列方向大致有三种。第一种：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%。第二种：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。
一、玻璃钢的力学性能：
玻璃钢的力学性能突出的一点是比强度高。何为强度？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。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，玻璃钢的密度只有普碳钢的1/4~1/5，比铝还轻1/3左右。
玻璃钢的基本性能主要取决于其两大组分和它们之间的结合，即玻璃纤维、热固性树脂或热塑性树脂、纤维和树脂间的界面。使用最广的热固性树脂是不饱和聚酯树脂。此外还有环氧树脂、乙烯基酯树脂和酚醛树脂，以及某些特种用途的树脂（如有机硅、聚酷亚胺、苯并咪唑等）。由热固性树脂制成的玻璃钢称做热固性玻璃钢。把不同树脂和各种玻璃纤维制品复合，就可制成各种不同性能的玻璃钢制品。用玻璃纤维增强热塑性树脂称做热塑性玻璃钢，常用的热塑性树脂有聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、饱和聚酯、丙烯睛—丁二烯—苯乙烯（（!"#）树脂等。我国目前大量生产的是热固性玻璃钢。常用的玻璃纤维制品有无碱、中碱的玻璃纤维布，无碱、中碱的无捻玻璃纤维布（方格布），无碱、中碱的无捻玻璃纤维纱等。 玻璃钢集中了玻璃纤维及合成树脂的特性，具有质量轻、强度高、耐化学腐蚀、电绝缘性好，透过电磁波、隔音、减震和耐瞬时高温烧蚀等特点。下面进行具体描述：
综上所述五个方面的物理性能，可见玻璃钢和金属、陶瓷等材料不同，因此在使用上要发挥其长处，注意合理使用。
三、玻璃钢的化学性能：
玻璃钢主要的化学性能就是它有突出的耐腐蚀性。它不仅不会象金属材料那样生锈腐蚀；同时，也不会象木材那样腐烂，而且几乎不被水、油等介质所侵蚀，可以代替不锈钢在化工厂中用来制造贮罐、管道、泵、阀等，不仅使用寿命长，而且不需采取防腐、防锈或防虫蛀等防护措施，减少了维降费用。玻璃钢在耐腐蚀方面的应用是很广泛的，国外一些主要工业国家，玻璃钢用作耐腐制品方面都在13%以上，其用量有逐年增高趋势。国内用量也不少，大都用作金属设备的衬里，以保护金属。
电性能。玻璃钢有优良的电绝缘性能，可作为仪表、电机及电器中的绝缘零部件，在高频作用下仍然保持良好的介电性能。在绝缘材料中，用玻璃纤维布代替纸及棉布，可提高绝缘材料的绝缘等级，在用相同树脂的情况下，至少能提高一个等级。玻璃钢占绝缘材料用量的1/3~1/2。在一些大型电机中5万KW电机， 要用几百千克玻璃钢作绝缘材料。此外玻璃钢不受电磁影响，而且有良好的透微波性能。
玻璃钢的耐腐蚀性，主要取决于树脂，作为玻璃钢用的树脂，其耐腐蚀性是好的，但单纯的用树脂涂覆在金属表面上，会出现较严重的龟裂裂缝，起不到防渗漏和保护金属的作用。在树脂中添加一定量的玻璃纤维后，将树脂中出现较严重龟裂的可能性转化为数量众多的微小裂缝，而这些小裂缝形成一个贯串裂缝的机率是很小的，而相互间还有止裂作用，这样可以阻止化学溶液介质的渗透腐蚀。
玻璃钢材料的研究与应用现状
作者:
【摘要】玻璃钢材料因其优异的性能、性价比高等诸多优点。本文以玻璃钢材料在电力行业中的应用为背景，研究玻璃钢及其应用现状，分析其基本性能、优缺点及其应用现状。
【关键词】玻璃钢力学பைடு நூலகம்能物化性质优缺点 现状
我国对玻璃钢(FRP)的研究和应用是从1958年开始的，最初FRP结构主要用在航天、造船等行业，后来逐渐应用于化工、汽车、医药和土木工程领域。FRP在土木工程方面的应用主要集中于结构加固、预应力筋和桥梁。从20世纪70年代开始，我国化工、冶金行业有关单位开始玻璃钢烟囱的研究和应用。2007年，北京国电华北电力工程有限公司为华能辛店电厂二期机组脱硫改造工程设计了一座玻璃钢内筒套筒烟囱，该烟囱FRP内筒由中国京冶建设工程承包公司现场缠绕制造和安装。在电厂中玻璃钢材料还应用于各类输送管线\电厂氨法脱硫塔\玻璃钢烟囱、“烟塔合一”玻璃钢排放烟道、风力发电叶片、碳纤维复合芯电缆等。
热性能。玻璃钢有良好的热性能，它的比热大，是金属的2~3倍，导热系数比较低，只是金属材料的1/100~1/1000。此外，某些品种玻璃钢的耐瞬时高温性能也十分突出，如酚醛型高硅氧布玻璃钢，在遇极高温度时，产生碳化层，可有效地保护火箭、导弹及宇宙飞船在穿过大气层时需要承受的5000~10000K高温及高速气流的作用。
二、玻璃钢的物理性能：
玻璃钢具有密度小，良好的介电绝缘性能和良好的隔热性能以及吸水性、热膨胀性能等。
密度。玻璃钢密度介于1.5~2.0之间，只有普通碳钢的1/4~1/5，比轻金属铝还要轻1/3左右，而机械强度却很高，某些方面甚至能接近普通碳钢的水平。例如某些环氧玻璃钢，其拉伸、弯曲和压缩强复均达到400MPa以上。按比强度计算，玻璃钢不仅大大超过普通碳钢，而且可达到和超过某些特殊合金钢的水平。
界面，所谓界面就是任何两相物质间的分界面。玻璃钢的性能不仅与所用的增强材料、合成树脂有关，同时，很大程度上还和纤维与树脂之间界面粘合的好坏及耐久性有关。由此可见，影响玻璃钢的因素主要是纤维、树脂和界面，凡是玻璃钢制品出现事故时，如有一些玻璃钢厂为降低造价追求高利润，竟采用陶土坩埚生产的玻璃纤维，生产的玻璃钢波形瓦不到半年树脂便脱落。皆可从三大要素上找原因，由此可见玻璃钢材料三大要素的重要性。
玻璃钢材料性能分析。在分析性能之前首先要明确玻璃钢材料的三大要素及其关系，即玻璃纤维、合成树脂、界面。
玻璃纤维是玻璃钢中的主要承力部分，它不仅能够提高玻璃钢的强度和弹性模量，而且能够减少收缩变形，提高热变形温度和低温冲击强度等。
合成树脂是玻璃钢的基体，松散的玻璃纤维靠它粘接成整体。树脂主要起传递应力作用，因此树脂对玻璃钢的强度起重要作用，尤其是抗压、弯曲、扭转、剪切强度更为显著。由于树脂是基体材料，它对玻璃钢的弹性模量、耐热性、电绝缘性、透电磁波性、耐化学腐蚀性、耐气候性、耐老化性等都有影响。例如玻璃钢的耐化学液体浸蚀性和耐水性，主要取决于树脂基体的性能。不同类型、不同牌号树脂其性能是不相同的。树脂含量对玻璃钢性能也有影响，通常树脂含量为20%-35%，这和成型方法、增强材料品种有关。例如，缠绕和模压成型，树脂含量偏低，而手糊成型、树脂含量则稍高。强度层树脂含量稍低，通常可在25%-40%之间；耐腐蚀、防渗层树脂含量较高，一般要超过50%用玻璃布作增强材料，树脂含量低于用玻璃毡。用玻璃纤维表面毡作增强材料时，可达85%以上的富树脂含量。
耐老化性能。任何材料都存在老化问题，玻璃钢也不例外，只是速度和程度不同而已。玻璃钢在大气曝晒、湿热、水浸泡及腐蚀介质等作用下，性能有所下降，在长期使用过程中会使光泽减退、颜色变化、树脂脱落、纤维裸露、分层等现象。但随着科学技术进步，人们可以采取必要的防老化措施，改善使用性能，提高产品的使用寿命。例如玻璃钢放在哈尔滨地区进行自然老化试验，板材拉伸强度下降最少，小于20%；弯曲强度次之，一般不超过30%；压缩强度下降最多，波动也最大，一般为25%~50%。
长期耐温性及耐燃性。玻璃钢的耐温性及耐燃性取决于所用的树脂，长期的使用温度不能超过树脂的热变形温度。 通用的环氧及聚酯玻璃钢，都是易燃的，对于有防火要求的结构物，要用阻燃树脂或加阻燃剂，因此在使用玻璃钢时，应充分注意。 一般玻璃钢不能在高温下长期使用。如聚酯玻璃钢在40~50℃以上，环氧玻璃钢在60℃以上，强度开始下降。
玻璃钢学名玻璃纤维增强塑料。它是以玻璃纤维及其制品（玻璃布、带、毡、纱等）作为增强材料，以合成树脂作基体材料的一种复合材料。复合材料的概念是指一种材料不能满足使用要求，需要由两种或两种以上的材料复合在一起，组成另一种能满足人们要求的材料，即复合材料。例如，单一种玻璃纤维，虽然强度很高，但纤维间是松散的，只能承受拉力，不能承受弯曲、剪切和压应力，还不易做成固定的几何形状，是松软体。如果用合成树脂把它们粘合在一起，可以做成各种具有固定形状的坚硬制品，既能承受拉应力，又可承受弯曲、压缩和剪切应力。这就组成了玻璃纤维增强的塑料基复合材料。由于其强度相当于钢材，又含有玻璃组分，也具有玻璃那样的色泽、形体、耐腐蚀、电绝缘、隔热等性能，象玻璃那样，历史上形成了这个通俗易懂的名称“玻璃钢”，这个名词是由原国家建筑材料工业部部长赖际发同志于1958 年提出的，由建材系统扩至全国，现在还普遍地采用着。由此可见，玻璃钢的含义就是指玻璃纤维作增强材料、合成树脂作粘结剂的增强塑料，国外称玻璃纤维增强塑料。
玻璃钢不仅对多种低浓度的酸、碱、盐介质及溶剂有较好的稳定性，而且有抗大气、海水和微生物作用的良好性能。不过，对于不同的腐蚀性介质，应选择适当的树脂和玻璃纤维及其制品。关于玻璃钢防腐，近几年来应用越来越普遍，显示了防腐投资少，使用寿命长，节约大量不锈钢材等方面的优越性，取得了显著的经济效果。 通常把玻璃钢放在不同腐蚀介质中，称量其质量的变化，来评定耐腐蚀性能好坏。质量变化小，耐腐蚀性能好；质量变化大，耐腐蚀性能就差。
在玻璃钢及复合材料中，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。玻璃钢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。
除强度外，还有塑性、韧性。塑性是衡量船体结构材料好坏的重要标志之一，材料具有良好的塑性，才能在制造过程中承受冷热加工。玻璃钢材料的断裂伸长率很小，塑性较差。韧性，大多数复合材料层合板的疲劳试验数据表明，缺口所引起的疲劳强度降低是不明显的。缺口试件的良好抗疲劳性能主要是由于损伤降低了缺口尖端附近的应力集中。玻璃钢材料在这一点上优于钢材，但如果让试件在接近于基体断裂应变的高应变环境下工作，其疲劳寿命会有所降低。
玻璃钢性能还有可设计性好。①可以根据需要，灵活地设计出各种结构产品，来满足使用要求，可以使产品有很好的整体性。②可以充分选择材料来满足产品的性能，如：可以设计出耐腐的，耐瞬时高温的、产品某方向上有特别高强度的、介电性好的，等等。其次，工艺性优良。①可以根据产品的形状、技术要求、用途及数量来灵活地选择成型工艺。②工艺简单，可以一次成型，经济效果突出，尤其对形状复杂、不易成型的数量少的产品，更突出它的工艺优越性。另外还有玻璃钢制品形成的特殊性、玻璃钢材料的使用性能。玻璃钢制品形成的特殊性是指结构物几何形状的无限制性与成型工艺的方便性。 所谓结构物形状的无限制性是相对于钢材、木材等传统材料而言的。玻璃钢在成型以前，纤维是柔松的，基体是流动的，依靠模具成型出复合材料制品，不象金属或木材一类惯用材料是用成材拼装，因此，构件的大小厚薄不受成材的影响，可以按照设计需要确定。在开始考虑复合材料结构物设计时，应尽可能地将可以合并的结构元件合并成一个零件，例如梁、肋、板面的拼装可以一次成型一个组合件。这样可减少拼装工作量及模具，既减轻结构物重量，也提高了产品质量，降低了成本。还有一层意思，就是玻璃钢成型比较方便，工艺性很好。人们根据玻璃钢制品不同的几何形状、用途、特殊的技术要求和批量，可以选择不同的成型工艺方法。一般来说，成型加工都比较简单，而且适于整体成型，减少结构的零件数量。特别是对于形状复杂而所需数量不多的非定型产品，不仅工艺简单可以一次成型，而且经济效果尤为突出。使用性能，由于玻璃钢具有良好的抗磁、隔音、电绝缘性能和不反射雷达波等特点，所以被广泛应用与扫雷艇和快艇。在同一艘船中，用于不同部位的玻璃钢要满足不同的需要。玻璃钢具有良好的阻燃性能，取决于它的组分材料。玻璃前卫本身不燃烧，而树脂易燃。树脂的比例、增强纤维的性能和编织形式将决定火灾的危险程度。当玻璃钢接触火焰时，温度升高，进而发生热分解、着火、持续燃烧现象。因此在取材料时应选取燃烧性能弱的树脂，或者自熄、燃烧无烟的树脂。在制造玻璃钢时，应保证力学性能的前提下，是玻璃纤维的含量越高越好，以便提高阻燃性。