玻璃钢基本性质介绍

玻璃钢基础知识--玻璃钢的基本特性

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、纤维和树脂间的间面。使用最广泛的热固性树脂是不饱和聚酯树脂。此外还有环氧树脂、乙烯基树脂和酚醛树脂，以及某些特种用途的树脂（如有机硅、聚酞亚胺、苯并咪唑等）。由热固性树脂制成的玻璃钢俗称热固性玻璃钢。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为热塑性玻璃钢。常用的热塑性树脂有聚氯乙稀、聚乙烯、聚丙烯、饱和树脂、丙烯氰一丁二烯一苯乙烯（ABS)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。因此，玻璃钢己经成为国防和国民经济建设中不可缺少的重要材料之一。

（一）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载荷，材料就破坏了。强度又分为拉伸强度、压缩强度、弯曲强度、剪切强度。例如说聚酯树脂玻璃钢抗拉强度290MPa,是指每平方厘米截面可以承受2900kg的拉力。

玻璃钢轻质高强的性能，来源于较低的树脂密度（浇注体密度1.27左右）以及玻璃纤维的高抗拉强度（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纤维毡制品到低树脂含量的玻璃纤维缠绕制品（密度2.2)，玻璃钢的密度只有普通碳钢的1/4~1/5，比铝还轻1/3。

玻璃经高温熔融，快速拉成细丝时，由于比表面积比较大，玻璃纤维内部及表面就难以存在大缺陷，所有玻璃纤维的强度就非常高。常用的无碱铝硼硅酸盐纤维，其一般性能如表2一1所示。

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20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。从表2—2所得的各种纤维强度比较来看，玻璃纤维的强度是非常高的。

玻璃纤维可按三种方向排列。如图2—1所示

（1）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，很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，才能使用这类玻璃钢。其纤维体积含量高达60%。

(2）双向增强的玻璃钢

这类玻璃钢是用双向织物铺层的，其玻璃纤维体积含量可达50 %。在两个正交的方向上，有较高的强度。它适用于矩形的平板或薄壳的结构物。

(3)准可向同性玻璃钢

几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、刚度要求不高或载荷不很清楚而只能要求可向同性的产品。

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。在此后相当长的一段时间里，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年代研制了高模量纤维、硼纤维。60年代，又改变了玻璃钢成分，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2—3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。

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，强度和弹性模量几何完全相同。而对于木材，玻璃钢等，沿纤维方向的强度和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，它们的强度随着方向不同而变化，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何是相等的。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还有低，见表2-4所示。

如果我们采用经向和纬向纤维量为4: 1的玻璃布制成环氧玻璃钢，它们经向和纬向差别较大，因此在这两个方向上的拉伸、压缩、扭曲都大不相同，如表2-5所示。

强度的概念前面己经讲过，它是指材料破坏时，物体内的最大应力值，按照受力情况分为拉伸、弯曲、压缩、扭转、剪切等。

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ε就大。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拉伸变形的能力就更全面了。

当图2-2构件上作用的是它与相反的方向载荷时，这时构件就会就会受压缩，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己。

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，差异较大的如手糊聚酯玻璃，小试件抗拉伸强度可达20～250MPa,而在同样原材料的3m X 9m的大型构件上取下一块试样，它的抗伸强度只有

100MPa。这是因为两者一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拉伸强度都较低，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，设计上应使居间应力降到最低，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，层间抗拉伸强度还要低些。

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，常盛刚性不足，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。

可以认为FRP刚性＞优质木材=竹材。

（二）物理性能

玻璃钢具有密度小，良好的介电绝缘性能、隔热性能、抗吸水和抗热膨胀性能等。

（1)密度

玻璃钢密度介于2.5~2.0之间，只有普通炭的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、弯曲和压缩强度均达到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。

玻璃钢与几种金属的密度、拉伸和比强度比较见表2-6所示。