第三篇复合材料增强材料
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第3章复合材料增强体碳纤维
第3章复合材料增强体碳纤维
6
1968年美国金刚砂公司研制出商品名为“Kynol” 的酚醛纤维Phenolic fibers;
1980年以酚醛纤维为原丝的活性碳纤维(Fibrous activated carbon)投放市场。
第3章复合材料增强体碳纤维
7
1988年，世界碳纤维总生产能力为10054吨/年， 其中聚丙烯腈基碳纤维为7840吨，占总量的78％。 日本是最大的聚丙烯腈基碳纤维生产国，生产能力 约3400吨/年，占总量的43％。
碳纤维由高度取向的石墨片层组成，具有明显的各向异性，沿纤维 轴向性能高，沿横向性能差。
第3章复合材料增强体碳纤维
3
3.1 发展历史
碳纤维（Carbon Fibre, CF或Cf）的开发历史 可追溯到19世纪末期，美国科学家爱迪生发明的 白炽灯灯丝，而真正作为有使用价值并规模生产 的碳纤维，则出现在二十世纪50年代末期。
第3章复合材料增强体碳纤维
13
2．根据原丝类型分类
(1)聚丙烯腈基纤维； (2)粘胶基碳纤维； (3)沥青基碳纤维； (4)木质素纤维基碳纤维； (5)其他有机纤维基(各种天然纤维、再 生纤维、缩合多环芳香族合成纤维)碳纤维。
第3章复合材料增强体碳纤维
14
3．根据碳纤维功能分类
(1)受力结构用碳纤维 (2)耐焰碳纤维 (3)活性碳纤维(吸附活性) (4)导电用碳纤维 (5)润滑用碳纤维 (6)耐磨用碳纤维
美国的碳纤维主要用于航空航天领域，欧洲在
航空航天、体育用品和工业方面的需求比较均衡，
而日本则以体育器材为主。
第3章复合材料增强体碳纤维
8
碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成 的纤维状聚合物碳，是一种非金属材料。
第3章 复合材料的增强材料
１克玻璃纤维(直径5um)的表面积则有3100cm2，表面积增大
了608倍。
也就是说玻璃纤维受侵蚀介质作用的面积比玻璃大608
倍。因此，玻璃纤维的耐腐蚀性能比块玻璃差很多。
36
2、碳纤维
2.1 概 述
碳纤维的历史可追溯到19世纪末期，爱迪生发明的 白炽灯灯丝，而真正作为有使用价值并规模生产的碳纤维， 则出现在二十世纪50年代末期。
氧化钠和氧化钾的含量越高，强度会相应的降低
28
D、纤维老化的影响
当纤维存放一段时间后，会出现强度下降的现象，称为纤 维的老化。 纤维的老化主要取决于纤维对大气水分的化学稳定性。 例如，直径6 um的无碱玻璃纤维和含17％的Na2O 有碱纤 维，在空气湿度为60％ ~ 65％的条件下存放，无碱玻璃纤维存 放后强度基本不变，而有碱纤维强度不断下降。 强度变化的原因，主要是由于二种纤维对大气水分的化学 稳定性不同所致。
13
1.2 玻璃纤维的结构及化学组成
①玻璃纤维的结构
玻璃纤维的拉伸强度比块状玻璃高许多倍，但
经研究证明，玻璃纤维的结构与玻璃相同。
关于玻璃结构的假说到目前为止，比较能够反 映实际情况的是“微晶结构假说”和“网络结构假
说”。
14
微晶结构假说的要点 玻璃是由硅酸块或二氧化硅的“微晶子”
组成，在璃纤维最大的特点是电性能好，因此也把它称做
电气玻璃，应用最广泛的一种玻璃纤维用玻璃成分 规定其碱金属氧化物含量不大于0.5％。 (2)中碱玻璃纤维 碱金属氧化物含量在11.5％ ~ 12.5％之间的玻璃纤维。 国外没有这种玻璃纤维，主要特点是耐酸性好，但强度 不如E玻璃纤维高。主要用于耐腐蚀领域中，价格较便宜。
在玻璃结构中存在一定数量和大小比较有规则排列的区域，
复合材料的增强材料
3.4.4 晶须
陶瓷晶须 金属晶须 是目前强度最高的品种，接近理论强度， 是目前强度最高的品种 ， 接近理论强度 ， 比相应的长纤维高一个数量级。 比相应的长纤维高一个数量级。 复合增强效果不及长纤维， 复合增强效果不及长纤维 ， 只能作为补强 剂使用。 剂使用。 价贵，用量有限。 价贵，用量有限。
第三章 复合材料的增强材料
在复合材料中， 在复合材料中，凡是能提高基体材料 力学性能的物质，均称为增强材料。 增强材料。 力学性能的物质，均称为增强材料
玻璃纤维 碳纤维 芳纶纤维 SiC纤维 SiC纤维 B纤维 Al2O3纤维 金属丝
低档 高档 中档
20～40元/Kg 20～40元 600～1000元 600～1000元/ Kg 200～400元 200～400元/ Kg
3. 电性能 碱玻璃电绝缘性差， 随温度、 湿度↗ 碱玻璃电绝缘性差 ， 随温度 、 湿度 ↗ ， 绝缘性↘ 绝缘性↘。 无碱玻璃电绝缘性好。 无碱玻璃电绝缘性好。
4. 耐蚀性 纤维比表面积大， 化学稳定性差。 纤维比表面积大 ， 化学稳定性差 。 加 入网络形成体可改善耐蚀性。 入网络形成体可改善耐蚀性。 a. 无碱玻璃耐水性好。 无碱玻璃耐水性好。 b. 中碱玻璃耐酸性好。 中碱玻璃耐酸性好。 c. 无碱和中碱玻纤耐碱性相近。 无碱和中碱玻纤耐碱性相近。
3.1.3 玻璃纤维的制备
→制玻璃球 →铂金坩埚熔融 →小漏孔拉丝 （102、204、408孔） 102、204、408孔 →涂浸润剂 →并股成纱 →纺织成布、毡或带。 纺织成布、毡或带。
浸润剂作用：使纤维柔顺，防止磨损。 浸润剂作用：使纤维柔顺，防止磨损。 常用的有： 常用的有： 石蜡乳液 复合前须清除
③ 热稳定性
纤维的热稳定性 熔点有关。 纤维的热稳定性与熔点有关。 热稳定性与 有关 一般来讲，材料的熔点越高，热稳定性 一般来讲，材料的熔点越高， 就越好。在没有空气和氧气的条件下，碳纤 就越好。在没有空气和氧气的条件下， 具有非常好的耐高温性能 耐高温性能。 维具有非常好的耐高温性能。
复合材料教学课件-3复合材料的增强材料
(1)无碱玻璃纤维(通称E玻纤)：
是以钙铝硼硅酸盐组成的玻璃纤维，这种纤 维强度较高，耐热性和电性能优良，能抗大气侵 蚀，化学稳定性也好(但不耐酸)。
复合材料的增强材料 １、玻璃纤维 (1)无碱玻璃纤维
无碱玻璃纤维最大的特点是电性能好，因此 也把它称做电气玻璃。
现在，国内外大多数都使用这种Ｅ玻璃纤维 作为复合材料的原材料。
复合材料的增强材料
一、纤维
纤维可分为有机纤维和无机纤维
复合材料的增强材料
一、纤维
（一） 有机纤维
芳纶纤维 聚乙烯纤维
复合材料的增强材料
一、纤维
１、芳纶纤维
芳纶纤维是指日前巳工业化生产并广泛应 用的聚芳酰胺纤维。
国外商品牌号叫凯芙拉(Kevlar)纤维，我 国暂命名为芳纶纤维，有时也称有机纤维。
复合材料的增强材料
（二） 无机纤维
1、玻璃纤维 3、 碳纤维 5 、氧化铝纤维 7 、氮化硼纤维
2、 特种玻璃 纤维 4 、 硼纤维 6、碳化硅纤维 8、其他纤维
复合材料的增强材料
１、玻璃纤维
１、玻璃纤维（Glass Fibre, GF或Gt）
1.1 玻璃纤维及其制品；
1.2 玻璃纤维的结构及化学组成；（不讲）
目前，国内规定其碱金属氧化物含量不大于 0.5％，国外一般为1％左右。
复合材料的增强材料 １、玻璃纤维
(2)中碱玻璃纤维
它是指碱金属氧化物含量在11.5％ ~ 12.5％ 之间的玻璃纤维。
国外没有这种玻璃纤维，它的主要特点是 耐酸性好，但强度不如E玻璃纤维高。它主要 用于耐腐蚀领域中，价格较便宜。
复合材料的增强材料
一、纤维
１、芳纶纤维
键合在芳香环上刚硬的直线状分子键在纤维轴
是以钙铝硼硅酸盐组成的玻璃纤维，这种纤 维强度较高，耐热性和电性能优良，能抗大气侵 蚀，化学稳定性也好(但不耐酸)。
复合材料的增强材料 １、玻璃纤维 (1)无碱玻璃纤维
无碱玻璃纤维最大的特点是电性能好，因此 也把它称做电气玻璃。
现在，国内外大多数都使用这种Ｅ玻璃纤维 作为复合材料的原材料。
复合材料的增强材料
一、纤维
纤维可分为有机纤维和无机纤维
复合材料的增强材料
一、纤维
（一） 有机纤维
芳纶纤维 聚乙烯纤维
复合材料的增强材料
一、纤维
１、芳纶纤维
芳纶纤维是指日前巳工业化生产并广泛应 用的聚芳酰胺纤维。
国外商品牌号叫凯芙拉(Kevlar)纤维，我 国暂命名为芳纶纤维，有时也称有机纤维。
复合材料的增强材料
（二） 无机纤维
1、玻璃纤维 3、 碳纤维 5 、氧化铝纤维 7 、氮化硼纤维
2、 特种玻璃 纤维 4 、 硼纤维 6、碳化硅纤维 8、其他纤维
复合材料的增强材料
１、玻璃纤维
１、玻璃纤维（Glass Fibre, GF或Gt）
1.1 玻璃纤维及其制品；
1.2 玻璃纤维的结构及化学组成；（不讲）
目前，国内规定其碱金属氧化物含量不大于 0.5％，国外一般为1％左右。
复合材料的增强材料 １、玻璃纤维
(2)中碱玻璃纤维
它是指碱金属氧化物含量在11.5％ ~ 12.5％ 之间的玻璃纤维。
国外没有这种玻璃纤维，它的主要特点是 耐酸性好，但强度不如E玻璃纤维高。它主要 用于耐腐蚀领域中，价格较便宜。
复合材料的增强材料
一、纤维
１、芳纶纤维
键合在芳香环上刚硬的直线状分子键在纤维轴
第3章___复合材料的增强材料讲解
玻璃纤维的导热性 玻璃导热系数为0.6~1.1千卡/米.度.时，而玻璃纤 维的导热系数是 0.03 卡 / 米 . 度 . 时，远低于玻璃 的导热系数。玻璃纤维是一种良好的绝热材料。 一般材料的导热系数随温度而变化，但玻璃纤维 的导热系数与温度的关系不大。 玻璃纤维的热膨胀系数 玻璃纤维的热膨胀系数为4.8×10-6℃。
玻璃纤维的耐热性 耐热性较高，软化点为550~580℃。 是无机纤维，不会燃烧。 将在某一极限温度之前，纤维的强度基本不变。 但超过这极限温度，冷却下来，强度则明显下 降。加热温度越高，强度下降就越多。 300℃下24小时加热，强度下降20%； 400℃下24小时加热，强度下降50%； 500℃下24小时加热，强度下降70%； 600℃下24小时加热，强度下降80%。
纤维在复合材料中起的增强作用 承载，提高材料的抗拉强度和刚度。 减少收缩。 提高热变形温度和低温冲击性能等。 聚苯乙烯塑料+玻璃纤维: (1)抗拉强度可以从600MPa提高到1000MPa; (2)弹性模量从3000MPa提高到8000MPa; (3)热变形温度从85℃提高到105℃; (4)-40℃的冲击韧性提高10倍。
玻璃纤维的化学性能 玻璃是一种非常好的耐腐蚀材料，纤维的耐腐蚀 性能远不如玻璃。因为玻璃纤维的比表面积大。 玻璃纤维除对氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对其他 所有的化学物品和有机溶剂具有良好的化学稳定 性。
影响玻璃纤维化学性能的因素： 组分的影响 中碱玻璃纤维耐酸性较好，对水的稳定性较差； 无碱玻璃纤维耐酸性较差，但对水的稳定性却 较好。中碱玻璃纤维和无碱玻璃纤维的耐碱性 程度相接近。 表面状态和温度的影响 纤维比表面积大，耐腐蚀性能明显差。纤维越 细，化学稳定性越差。温度越高，纤维的耐蚀 性越差。
《复合材料》课件——第三章 复合材料的增强体材料
热空气干燥炉(200 ~300℃) 预氧化
多级加热炉
高温炉
(1000～1500℃) （2500℃以上）
碳化
石墨化
PAN原丝
N2 废
气
（
N2 Ar2 CO,
Ar2
CO2, H2, N2.）
PAN基碳纤维生产过程的简图
黏胶碳纤维
• 碳纤维的热稳定性与 Na等含量存在着线 性关系，Na含量愈高，热稳定性愈差。 Na是碳的氧化催化剂，它的存在促进了 碳的氧化。黏胶碳纤维因为碱、碱土金 属含量低，所以热稳定较好。
⑤化学稳定性好，除硝酸等少数强酸外， 几乎对所有药品均稳定；另外，碳纤维 对碱也稳定。
此外，还有耐油、抗辐射、抗放射、吸 收有毒气体和使中子减速等特性。
3.2.2 硼纤维
制备工艺：化学气相沉积（CVD） 2BCl3 + 3H2 2B+6HCl
中心是碳纤维或钨纤维
分两段控温
开始阶段：1100-1200℃，防止生成钨 硼化合物（H2氛围除去表面氧化物） 稳定阶段：1200-1300℃，得到较大的 沉积速度，形成硼纤维。
以氧化铝为主要纤维组分的陶瓷纤维统 称为氧化铝纤维。 影响因素主要是其微结构（气孔、瑕疵、 晶粒大小等）--提高工艺 化学稳定性好，耐高温，绝缘等。
１、玻璃纤维（Glass Fibre, GF或Gt）
1.1 玻璃纤维及其制品； 1.2 玻璃纤维的结构及化学组成； 1.3 玻璃纤维的物理性能； 1.4 玻璃纤维的化学性能。
3.2.3碳化硅纤维
碳化硅纤维（Silicon Carbide Fibre， SF或SiCf）是以碳和硅为主要组分的一 种陶瓷纤维。
界面及界 面反应层
制备SiC纤维：
第三章复合材料的增强材料PPT课件
面再沉积一层碳。 ➢ 商品牌号:SCS-2，SCS-6，SCS-8，SCS-9等。
（例如SCS-2是在纤维表面涂有1μm厚的碳层。 SCS-9是直径为80μm的较细的纤维。） ➢ 特现性出：了C优V异D的-S高iC温/C强纤度维。用于Si3N4基复合材料时表
SiC纤维
PC-SiC纤维(前驱体法) • 将以有机硅聚合物形式的硅，与碳为主的材料进行多羧硅
• 玻璃纤维的最大特征是拉伸强度高，一根连续纤维的拉伸强度，E玻 璃可达3400MPa，而S玻璃可达4800MPa。
• 玻璃长纤维的70%以上用于强化树脂，其余的多用于电绝缘，工业机 器等。
玻璃纤维
玻璃纤维
玻璃纤维
3.1.3 高熔点金属纤维
➢ 种类：Ta、Mo、W、Nb、Ni与不锈钢纤维等 ➢ 制备方法：拔丝 ➢ 特点：直径可以自由地选择。通常10～600μm。 ➢ 优点：
烷纺丝，经热氧化不熔处理后，烧成而制。 • 成分接近Si3C4O。以β-SiC为主。 • 纤维直径为～14μm • 在1200～1300℃烧成时可获得最高的抗拉强度与弹性模
量。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱiC纤维
• 结构：热分解碳呈2～5nm的结晶状态。Si的氧化 物呈非晶状态，彼此均匀分布。
• 物理性能：电阻率随烧成温度而异。可在106～ 103Ωcm的范围变化。
• 用途：该类纤维用于强化环氧树脂基复合材料， 其压缩强度和冲击强度与碳纤维强化环氧树脂相 比，可提高2倍。且由于具有电波透过性，可用于 雷达无线电罩。该类纤维也用于强化Al基复合材 料。不仅力学性能优异，且容易形变加工。
SiC纤维
• 将非晶结构Si-Ti-C-O等的材料进行纺丝，再经热氧化不融 处理，烧成制作了纤维。该类纤维的直径可达10μm以下， 且柔韧性好，所以适合于三维编织物。纤维的高温性能较 好，用其强化的复合材料不仅在与纤维平行方向强度很高， 而且在纤维垂直的方向上也获得了较高的强度。该类纤维 对金属、陶瓷的适应性较好，可望得到大的发展。
（例如SCS-2是在纤维表面涂有1μm厚的碳层。 SCS-9是直径为80μm的较细的纤维。） ➢ 特现性出：了C优V异D的-S高iC温/C强纤度维。用于Si3N4基复合材料时表
SiC纤维
PC-SiC纤维(前驱体法) • 将以有机硅聚合物形式的硅，与碳为主的材料进行多羧硅
• 玻璃纤维的最大特征是拉伸强度高，一根连续纤维的拉伸强度，E玻 璃可达3400MPa，而S玻璃可达4800MPa。
• 玻璃长纤维的70%以上用于强化树脂，其余的多用于电绝缘，工业机 器等。
玻璃纤维
玻璃纤维
玻璃纤维
3.1.3 高熔点金属纤维
➢ 种类：Ta、Mo、W、Nb、Ni与不锈钢纤维等 ➢ 制备方法：拔丝 ➢ 特点：直径可以自由地选择。通常10～600μm。 ➢ 优点：
烷纺丝，经热氧化不熔处理后，烧成而制。 • 成分接近Si3C4O。以β-SiC为主。 • 纤维直径为～14μm • 在1200～1300℃烧成时可获得最高的抗拉强度与弹性模
量。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱiC纤维
• 结构：热分解碳呈2～5nm的结晶状态。Si的氧化 物呈非晶状态，彼此均匀分布。
• 物理性能：电阻率随烧成温度而异。可在106～ 103Ωcm的范围变化。
• 用途：该类纤维用于强化环氧树脂基复合材料， 其压缩强度和冲击强度与碳纤维强化环氧树脂相 比，可提高2倍。且由于具有电波透过性，可用于 雷达无线电罩。该类纤维也用于强化Al基复合材 料。不仅力学性能优异，且容易形变加工。
SiC纤维
• 将非晶结构Si-Ti-C-O等的材料进行纺丝，再经热氧化不融 处理，烧成制作了纤维。该类纤维的直径可达10μm以下， 且柔韧性好，所以适合于三维编织物。纤维的高温性能较 好，用其强化的复合材料不仅在与纤维平行方向强度很高， 而且在纤维垂直的方向上也获得了较高的强度。该类纤维 对金属、陶瓷的适应性较好，可望得到大的发展。
复合材料的增强材料
第三章复合材料的增强材料
第一节玻璃纤维 （2）丝根冷却器 二、连续玻璃纤维制造方法
25
第三章复合材料的增强材料
第一节玻璃纤维 二、连续玻璃纤维制造方法
⑶
单
丝 涂 油 器
26
第三章复合材料的增强材料
第一节玻璃纤维 二、连续玻璃纤维制造方法 （4）喷雾器、集束器、分束器
⑶
27
第三章复合材料的增强材料
丝毡，主要是利用其耐酸性较好，可以置于玻璃钢表面层，提高制 品耐化学性。 在我国 A 玻璃也即平板玻璃，多为乡镇企业用在陶土坩埚生产 玻璃钢增强材料。这种陶土坩埚拉制的高碱玻璃纤维由于性能很差， 国家不允许将其应用在玻璃钢生产中。
12
第三章复合材料的增强材料
第一节玻璃纤维 ⑹E-CR玻璃
是一种改进的无硼无碱玻璃，用于生产耐酸耐水性好的玻璃纤 维，其耐水性比无碱玻纤改善 7~8 倍，耐酸性比中碱玻纤也优越不
3
第三章复合材料的增强材料
第一节 玻璃纤维
㈠.模压和手工制作的玻璃：要求熔融玻璃冷却时 黏度随温度变化缓慢。
㈡.管状玻璃和机械吹制的玻璃器皿：要求熔融玻 璃冷却到最低工作温度时要迅速增大黏度以使其凝固。 ㈢.对于玻璃纤维生产而言，它既要求玻璃液粘度 随温度有较快的变化速率，从而有利于在将玻璃液从 丝根处拉下时能使其在冷却下迅速硬化定形；但又要 求粘度曲线不能过快上升，以致妨碍将玻璃丝拉制到 预定的直径。
1
复合材料概论
第三章 复合材料的增强材料
二、复合材料的基体
聚合物基体(热固性包括不饱和聚酯树脂、环氧树 脂、酚醛树脂等和热塑性树脂）、金属基体和陶瓷基 体。
2
复合材料概论
第三章 复合材料的增强材料
3复合材料的增强材料(精)
18
特种玻璃纤维
如由纯镁铝硅三元组成的高强玻璃纤维，镁铝硅 系高强高弹玻璃纤维，硅铝钙镁系耐化学介质腐 蚀玻璃纤维，含铅纤维，高硅氧纤维，石英纤维 等。
19
玻璃纤维的其它分类方法
以单丝直径分类，单丝呈圆柱形，以其直径的不同可以分为 以下几种。
名称
粗纤维
初级纤维
中级纤维
高级纤维 （纺织纤维)
复合材料原理
江苏大学材料学院
1
第二章 复合材料的复合原理及界面
2.1 复合原则
2.2 弥散增强及颗粒增强原理
2.3 单向连续纤维增强原理 2.4 短纤维增强原理 2.5 混杂增强原理 2.6 复合材料界面及其改性 2.7 复合材料界面表征
2
2.7 复合材料界面表征
界面形态及界面层结构的表征
16
中碱玻璃纤维
它是指碱金属氧化物含量在11.5％ ~ 12.5％之间
的玻璃纤维。
国外没有这种玻璃纤维，它的主要特点是耐酸 性好，但强度不如E玻璃纤维高。
它主要用于耐腐蚀领域中，价格较便宜。
17
有碱玻璃(A玻璃)纤维
有碱玻璃称A玻璃，类似于窗玻璃及玻璃瓶 的钠钙玻璃。 此种玻璃由于含碱量高，强度低，对潮气侵 蚀极为敏感，因而很少作为增强材料。
(界面层厚度与结构——图像分析，快速获得统计结果和分 布、结构与界面结合强度之间的关系、非破坏性观察)
4
第三章 复合材料的增强材料
在复合材料中，粘结在基体内以改进其机械 性能的高强度材料称为增强材料。 增强材料有时也称作增强体、增强剂等。 增强材料共分为三类：纤维及其织物、晶须、 颗粒。
复合材料学 第三章 复合材料的增强材料02.
开始下降，而其它材料包括 Al2O3 晶须性能已 大大下降。另外，碳纤维还有良好的耐低温 性能，如在液氮温度下也不脆化。它还有耐 油、抗放射、抗辐射、吸收有毒气体和减速 中子等特性。
3.3 芳纶纤维(有机纤维)
芳纶纤维是指聚芳酰胺纤维。国外商品牌 号叫凯芙拉(Kevlar)纤维，我国暂命名为芳纶 纤维，有时也称有机纤维。 芳纶纤维有三种牌号：芳纶、芳纶-29、芳 纶-49它们的用途各不相同，芳纶主要用于橡 胶增强，制造轮胎、三角皮带、同步带等。
化处理变成耐焰纤维，然后再在惰性气氛中， 于高温下进行焙烧碳化，使有机纤维失去部 分碳和其它非碳原子，形成以碳为主要成分 的纤维状物。此法可制造连续长纤维。 天然纤维，再生纤维和合成纤维都可用来制 备碳纤维。选择的条件是加热时不熔融，可 牵伸，且碳纤维产率高。 到目前为止，制作碳纤维的主要原料有三种： ①人造丝(粘胶纤维)； ②聚丙烯腈 (PAN)纤维，它不同于腈纶毛线； ③沥青， 它或是通过熔融拉丝成各向同性
碳化硅纤维在通量为 3.2×1010 中子／秒的 快中子辐照1.5小时，碳化硅纤维强度无明显 降低。 2、碳化硅纤维的应用 由于碳化硅纤维具有耐高温、耐腐蚀、耐辐 射的三耐性能，是一种耐热的理想材料。用 碳化硅纤维编织成双向和三向织物，已用于 高温传送带、过滤材料，如汽车的废气过滤 器等。碳化硅复合材料已用于喷气发动机涡 轮叶片，飞机螺旋桨等受力部件透平主动轴 等。 在军事上，作为大口径军用步枪金属基复
的纤维，或者是从液晶中间相拉丝而成的，这 种纤维是具有高模量的各向异性纤维。制造 高强度高模量碳纤维多选聚丙烯腈为原料。 无论用何种原丝纤维来制造碳纤维，都要 经过五个阶段： (1)拉丝：可用湿法、干法或者熔融状态三 种任意一种方法进行。 (2)牵伸：在室温以上，通常是100～300℃ 范围内进行，W.Watt首先发现结晶定向纤维 的拉伸效应，而且这效应控制着最终纤维的 模量。 (3)稳定：通过400℃加热氧化的方法。这
第3章 复合材料的增强材料
35
硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体支柱
36
3.1.4 碳化硅纤维
Silicon Carbide Fibre，SF 目前SiC纤维的生产有有机合成法和CVD法两 种。 特点： 高强度高模量 有良好的耐化学腐蚀性、耐高温和耐辐射性 能。比碳纤维和硼纤维具有更好的高温稳定 性。 具有半导体性能。 与金属相容性好，常用于金属基和陶瓷基复 合材料。
14
玻璃钢建筑材料用于 上海东方明珠电视塔大堂装潢
7.4.1 聚合物基
玻璃钢天线反射面
15
(1)GFRP
玻璃钢应用于体育用品
16
2、结构与组成 化学组成：主要成分二氧化硅，三氧化硼以及 纳、钾、钙、铝的氧化物等。 以二氧化硅为主——硅酸盐玻璃 以三氧化硼为主——硼酸盐玻璃 其他成分的加入量为改进玻璃性能工艺。 结构：结晶态（有序网络）玻璃态（无序网络） 玻璃态特点：①各向同性 ②无固定熔点 ③介稳态（右向晶态转变的趋势）
5
短纤维毡——由不规则的短切纤维随意交叉重叠铺 成毡状簿片，随机器的移动均匀排列，用树脂粘结 而成。 连续纤维毡——由纤维本身的卷缠而形成并由少量 粘合剂粘合。这种毡蓬松而具有弹性。 纤维织物(c1oth)——用加了捻的纤维以不同方式 编织的织物，依织法不同可以分为平纹布、斜纹布、 缎纹布和单向布等。 无纬布——用胶液将平行的纤维连在一起的布．不 加任何纬向纤维。横向粘结强度由树脂决定。 预浸料(Prepreg)——用于制造复合材料浸渍树脂 基体的纤维或其织物经烘干或预聚的一种中间材料。
31
石墨化过程： 当温度升到2000 C 3000C时，非 碳原子进一步排除，反应形成的芳环平 面逐步增加，排列也较规则，取向度显 著提高，由二维乱层石墨结构向三维有 序结构转化，此阶段称为石墨化过程。 形成的石墨纤维弹性模量大大提高。
硼纤维增强铝基复合材料用于航天飞机主舱体支柱
36
3.1.4 碳化硅纤维
Silicon Carbide Fibre，SF 目前SiC纤维的生产有有机合成法和CVD法两 种。 特点： 高强度高模量 有良好的耐化学腐蚀性、耐高温和耐辐射性 能。比碳纤维和硼纤维具有更好的高温稳定 性。 具有半导体性能。 与金属相容性好，常用于金属基和陶瓷基复 合材料。
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玻璃钢建筑材料用于 上海东方明珠电视塔大堂装潢
7.4.1 聚合物基
玻璃钢天线反射面
15
(1)GFRP
玻璃钢应用于体育用品
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2、结构与组成 化学组成：主要成分二氧化硅，三氧化硼以及 纳、钾、钙、铝的氧化物等。 以二氧化硅为主——硅酸盐玻璃 以三氧化硼为主——硼酸盐玻璃 其他成分的加入量为改进玻璃性能工艺。 结构：结晶态（有序网络）玻璃态（无序网络） 玻璃态特点：①各向同性 ②无固定熔点 ③介稳态（右向晶态转变的趋势）
5
短纤维毡——由不规则的短切纤维随意交叉重叠铺 成毡状簿片，随机器的移动均匀排列，用树脂粘结 而成。 连续纤维毡——由纤维本身的卷缠而形成并由少量 粘合剂粘合。这种毡蓬松而具有弹性。 纤维织物(c1oth)——用加了捻的纤维以不同方式 编织的织物，依织法不同可以分为平纹布、斜纹布、 缎纹布和单向布等。 无纬布——用胶液将平行的纤维连在一起的布．不 加任何纬向纤维。横向粘结强度由树脂决定。 预浸料(Prepreg)——用于制造复合材料浸渍树脂 基体的纤维或其织物经烘干或预聚的一种中间材料。
31
石墨化过程： 当温度升到2000 C 3000C时，非 碳原子进一步排除，反应形成的芳环平 面逐步增加，排列也较规则，取向度显 著提高，由二维乱层石墨结构向三维有 序结构转化，此阶段称为石墨化过程。 形成的石墨纤维弹性模量大大提高。
第三章--复合材料的增强体
400℃下经24h，强度下降50%；
500℃下经24h，强度下降70%；
600℃下经24h，强度下降80%；
26
（6）电性能：
玻璃纤维的导电性主要取决于化学组成、温度和湿度。
无碱纤维的电绝缘性比有碱纤维优越，碱金属离子增加，
电绝缘性能变差；温度升高，电阻率下降；湿度增加电阻率下
降。
在玻璃纤维中加入大量的氧化铁、氧化铅、氧化铜、氧化
强度不如E玻纤，价格便宜。
有碱玻璃（A玻璃）纤维：含碱量高，强度低，对潮气侵蚀敏感，很少
用作增强材料。碱性氧化物含量大于12%。
特种玻璃纤维
20
玻璃纤维的化学组成：
化学组成主要为：二氧化硅、三氧化二硼、氧化钙、
三氧化二铝等。
玻璃纤维中加入氢化纳、氢化钾等碱性物质为助熔剂：
通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，从而降低玻璃的熔化温
5
13.0
1500
20
12.5
1210
90
12.7
860
1560
13.0
720
25
（4）耐磨性和耐折性差：
纤维表面吸附水分后能加速裂纹扩展，降低其耐磨性
和耐折性。
（5）热性能：导热系数小0.035W/(m.K)，
耐热性较高（软化点550~580℃）
热处理对强度的影响：300℃下经24h，强度下降20%；
层处理（增加硼纤维的辅助保护层，使其在高温下不与基材
反应）
11
三、碳化硅纤维（SiC）
碳化硅纤维具有优异的力学性能（如直径为
10~15μm的纤维，拉伸强度为2500~3000MPa，弹性模
量为180~200GPa，密度为2.55g/cm3）、耐热氧化性
500℃下经24h，强度下降70%；
600℃下经24h，强度下降80%；
26
（6）电性能：
玻璃纤维的导电性主要取决于化学组成、温度和湿度。
无碱纤维的电绝缘性比有碱纤维优越，碱金属离子增加，
电绝缘性能变差；温度升高，电阻率下降；湿度增加电阻率下
降。
在玻璃纤维中加入大量的氧化铁、氧化铅、氧化铜、氧化
强度不如E玻纤，价格便宜。
有碱玻璃（A玻璃）纤维：含碱量高，强度低，对潮气侵蚀敏感，很少
用作增强材料。碱性氧化物含量大于12%。
特种玻璃纤维
20
玻璃纤维的化学组成：
化学组成主要为：二氧化硅、三氧化二硼、氧化钙、
三氧化二铝等。
玻璃纤维中加入氢化纳、氢化钾等碱性物质为助熔剂：
通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，从而降低玻璃的熔化温
5
13.0
1500
20
12.5
1210
90
12.7
860
1560
13.0
720
25
（4）耐磨性和耐折性差：
纤维表面吸附水分后能加速裂纹扩展，降低其耐磨性
和耐折性。
（5）热性能：导热系数小0.035W/(m.K)，
耐热性较高（软化点550~580℃）
热处理对强度的影响：300℃下经24h，强度下降20%；
层处理（增加硼纤维的辅助保护层，使其在高温下不与基材
反应）
11
三、碳化硅纤维（SiC）
碳化硅纤维具有优异的力学性能（如直径为
10~15μm的纤维，拉伸强度为2500~3000MPa，弹性模
量为180~200GPa，密度为2.55g/cm3）、耐热氧化性
复合材料学 第三章 复合材料的增强材料02.
芳纶-29主要用于绳索、电缆、涂漆织物、带和 带状物，以及防弹背心等。芳纶-49用于航空、 宇航、造船工业的复合材料制件。 一、芳纶纤维的性能特点 1、力学性能 芳纶纤维的特点是拉伸强度高。单丝强度 可达 3773MPa ； 254mm长的纤维束的拉伸强 度为2744Mpa，大约为铝的5倍。芳纶纤维的 冲击性能好，大约为石墨纤维的6倍，为硼纤 维的3倍，为玻璃纤维的0.8倍。 芳 纶 纤 维 的 弹 性 模 量 高 ， 可 达 1.27 ～ 1.577×105 MPa， 比玻璃纤维高一倍， 为碳
化处理变成耐焰纤维，然后再在惰性气氛中， 于高温下进行焙烧碳化，使有机纤维失去部 分碳和其它非碳原子，形成以碳为主要成分 的纤维状物。此法可制造连续长纤维。 天然纤维，再生纤维和合成纤维都可用来制 备碳纤维。选择的条件是加热时不熔融，可 牵伸，且碳纤维产率高。 到目前为止，制作碳纤维的主要原料有三种： ①人造丝(粘胶纤维)； ②聚丙烯腈 (PAN)纤维，它不同于腈纶毛线； ③沥青维的制造 碳纤维是一种以碳为主要成分的纤维状材 料。它不同于有机纤维或无机纤维，不能用 熔融法或溶液法直接纺丝，只能以有机物为 原料，采用间接方法制造。制造方法可分为 两种类型，即气相法和有机纤维碳化法。 气相法是在惰性气氛中小分子有机物 ( 如 烃或芳烃等)在高温下沉积成纤维。用这种方 法只能制造晶须或短纤维，不能制造连续长 丝。 有机纤维碳化法是先将有机纤维经过稳定
2、碳纤维的物理性能 比重在1.5～2.0之间，这除与原丝结构有关 外，主要决定于碳化处理的温度。一般经过 高温(3000℃)石墨化处理，比重可达2.0。 热膨胀系数与其它类型纤维不同，它有各 向异性的特点。平行于纤维方向是负值(-0.72 ～ -0.90×10-6℃-1) ，而垂直于纤维方向是正值 (32～22×10-6℃-1)。 比热一般为 7.12×10-1KJ(㎏· ℃)。导热率有 方向性，平行于纤维方向导热率为 0.04 卡 / 秒· 厘米· 度，而垂直于纤维轴方向为0.002卡/ 秒· 厘米· 度。导热率随温度升高而下降。
复合材料概论课件 王国荣 第三章 复合材料的增强材料
第三章 复合材料的增强材料
• 定义：复合材料中凡能提高基体材料力学性能的物质。
• 纤维：在复合材料中起增强作用，是主要承 力组分。可使复合材料的强度、刚度以及耐 热性、韧性得到较大幅度提高，且可减小收 缩。
• 例如：PS塑料中加入玻璃纤维后 拉伸强度可从600MPa提高到1000MPa, 弹性模量可从3GPa提高到8GPa， 热变形温度可从85℃提高到105 ℃， 使-40 ℃下的冲击强度提高10倍。
纤维种类
E-玻纤 S-玻纤 M-玻纤 棉纤维 铝合金
密度
2.54 2.44 2.89 1.5 2.7
拉伸强度 MPa 3500
4700
3700 300～400 40～460
弹性模量 GPa 72 87
118 10～12
72
3.2.1 物理性能
• 密度: 2.4～2.9； • 耐磨性和耐折性: 都很差； • 热性能: 导热率小0.035W/（m·K），隔热
表3-2 各种金属丝的性能
金属丝 W
密度 19.4
弹性模量 拉伸强度
GPa
MPa
407
4020
熔点 /K
3673
Mo
10.2
329
2160 2895
钢
7.74
196
4120 1673
不锈钢 7.8
196
3430 1673
Be
1.83
245
1270 1553
3.4 有机纤维（芳纶纤维）
➢芳纶纤维（Kevlar纤维)是芳香族聚酰胺类纤 维的总称。最常用的为Kevlar-49。
性好、价格低，但强度不如无碱GF； ➢ 有碱GF（A玻纤）: 碱金属含量>14%，强度低、耐湿热
• 定义：复合材料中凡能提高基体材料力学性能的物质。
• 纤维：在复合材料中起增强作用，是主要承 力组分。可使复合材料的强度、刚度以及耐 热性、韧性得到较大幅度提高，且可减小收 缩。
• 例如：PS塑料中加入玻璃纤维后 拉伸强度可从600MPa提高到1000MPa, 弹性模量可从3GPa提高到8GPa， 热变形温度可从85℃提高到105 ℃， 使-40 ℃下的冲击强度提高10倍。
纤维种类
E-玻纤 S-玻纤 M-玻纤 棉纤维 铝合金
密度
2.54 2.44 2.89 1.5 2.7
拉伸强度 MPa 3500
4700
3700 300～400 40～460
弹性模量 GPa 72 87
118 10～12
72
3.2.1 物理性能
• 密度: 2.4～2.9； • 耐磨性和耐折性: 都很差； • 热性能: 导热率小0.035W/（m·K），隔热
表3-2 各种金属丝的性能
金属丝 W
密度 19.4
弹性模量 拉伸强度
GPa
MPa
407
4020
熔点 /K
3673
Mo
10.2
329
2160 2895
钢
7.74
196
4120 1673
不锈钢 7.8
196
3430 1673
Be
1.83
245
1270 1553
3.4 有机纤维（芳纶纤维）
➢芳纶纤维（Kevlar纤维)是芳香族聚酰胺类纤 维的总称。最常用的为Kevlar-49。
性好、价格低，但强度不如无碱GF； ➢ 有碱GF（A玻纤）: 碱金属含量>14%，强度低、耐湿热
复合材料第三章(1)复合材料的增强体
导热性：
玻璃热导率为 0.697 - 1.278 W/m/K
玻璃纤维 0.034 W/m/K（优良的绝热材料）
（纤维间空隙较大，容积密度小，纤维之间是热导率 更小的空气）
表3.4 几种物质的导热系数
导热系数 （W/m/K） 0.034~0.046 0.046~0.052 物质种类 玻璃 玻璃纤维 80 100
的黏结，但却有利于复合材料制备过程中增强体
体积含量的提高。玻璃纤维的直径为1.5 ~ 25 微
米，大多数为 4 ~ 14 微米。玻璃纤维的密度为 2.16 ~ 4.30 g/cm3，较有机纤维大很多，但比 一般的金属密度低，跟铝相当。
41
表3.1 各种纤维的密度
纤维种类 密度 （g/cm3） 纤维种类 密度 （g/cm3）
织工艺可制成各种玻璃布。 （ 4 ）玻璃纤维制品的制造 ：除了以上的各种制品，
玻璃纤维还可制成其它制品，如滤布、防虫网等。
32
33
34
（ 4 ）玻璃纤维制品的制造 ： 除了以上的各
种制品，玻璃纤维还可制成其它制品，如滤布、 防虫网等。
35
2.3 玻璃纤维的结构和化学组成
（1）玻璃纤维的结构：
绝缘材料，过滤布等
粗 纤 维：
直径为9.2 - 21.6 微米 与树脂浸透性好，成本低、产量高 经济性和工艺性好，有多种用途
29
2.2 玻璃纤维的制造
（1）原丝的制造：原丝由若干根单丝组成 原丝制造工艺流程： (1) 按要求配料并送入熔窑制成 玻璃液 (2) 玻璃液经制球机制成玻璃球 (3) 玻璃球加入加料斗并在铂金 坩埚中熔化 (4) 熔化玻璃液自小漏孔流出并 冷却形成单纤维 (5) 单纤维经过浸润、集丝后形 成单股原丝 (6) 单股原丝被绕到控丝机头上 30 的卷筒 图3.3 拉丝玻璃纤维示意图
第三篇--复合材料的增强材料教学内容
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
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
1.4 玻璃纤维的性能
4).耐腐蚀性能
玻璃除了氢氟酸、浓碱、浓磷酸外，对酸、碱、盐以及有 机溶剂具有较好的耐腐蚀能力。玻纤表面积大，故比块状玻璃 耐腐蚀性差。
中碱玻纤耐酸，不耐水不耐碱； 无碱玻纤耐水，不耐酸不耐碱。 （化学介质温度升高，玻纤腐蚀加剧；温度上升10℃， 腐蚀速度提高50%~100% 。）
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.
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• 7.4 玻璃纤维及其制品
– 7.4.1 玻璃纤维及其制品的生产工艺 – 7.4.2 玻璃纤维纱的规格及性能
• 玻璃是一种以脆闻名的物质。有趣的 是，玻璃一旦经加热，被拉制成比头 发还要细得多的玻璃纤维之后，它就 变得像合成纤维那样柔软，而坚韧的 程度甚至超过了同样粗细的不锈钢丝！
玻璃纤维有啥用处呢？
• 玻璃绳 • 玻璃布 • 绝缘材料 • 玻璃纤维复合材料 • 玻璃棉 • 纤维内窥镜 • 光导纤维
• 用于内窥镜的照明、冷光传导 单丝直径35微米,通光口径1---30 mm,保护层为不锈钢金 属软管+硅胶管
• 透光率高，柔软性好
• 纤维光缆的结 构和单个的纤 维。注意光缆 的横切面至少 30％被低折射 指数的金属包 层和非传导性 填充材料所占 据。
玻璃粉 短切纤维
7.2 玻璃纤维的结构与组成
7.2.1 玻璃纤维的物态
•玻璃纤维是纤维状的玻璃。 •玻璃是无色透明具有光泽的脆性固体。 •定义：
由熔融态过冷时因粘度增加而具有固体物理机 械性能的无定形物体，各向同性的均质材料。
•特点：没有固定的熔点
7.2.2 玻璃纤维的结构
微晶结构假说：
玻璃是由硅酸块或二氧化硅的“微晶子” 组成，在“微晶子”之间由硅酸块过冷溶 液所填充。
以二氧化硅为主的称为硅酸盐玻璃； 以三氧化二硼为主的称为硼酸盐玻璃。 氧化钠、氧化钾等碱性氧化物为助熔氧化物，它可 以降低玻璃的熔化温度和粘度，使玻璃溶液中的气泡容 易排除，它主要通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，从而 达到助溶的目的。 氧化钠和氧化钾的含量越高，玻璃纤维的强度、电 绝缘性和化学稳定性会相应的降低
这种分类方法主要用于连续玻璃纤维的分类。 一般以不同的含碱量来区分：
无碱玻璃纤维(通称E玻璃)： 国内目前规定碱金属氧化物含量不大于0.5％，国外 一般为1％左右；
中碱玻璃纤维：碱金属氧化物含量为11.5％－12.5％；
特种玻璃纤维：如由纯镁铝硅三元组成的高强玻璃 纤维；镁铝硅系高强、高弹玻璃纤维；硅铝钙镁系 耐化学介质腐蚀玻璃纤维；含铅纤维；高硅氧纤维； 石英纤维等。
E C S G-20 A
SiO2
54.1± 0.7
54.5± 0.7
67.5± 0.7 66.8
53.5 65.0 64.3 71.0 72.0
Al2O3
15.0± 0.5
13.8± 0.5 6.6± 0.5 4.7
16.3 4
25.0 1.0 0.6
国内外常用玻璃纤维的成分 CaO MgO ZrO2 B2O3
国内玻璃纤维特点：
较国外起步较晚，中碱玻璃纤维仍然占大多 数，正向粗纤维方向发展，池窑拉丝工艺正在推 广，新型偶联剂不断出现，改善了纤维－树脂界 面，重视纤维-树脂界面的研究。
7.1.2 玻璃纤维的分类
玻璃纤维的分类方法很多，一般可从玻 璃原料成分、单丝直径、纤维外观及纤维 特性等方面进行分类。
(1) 以玻璃原料成分分类
7 玻璃纤维及其制品
本节主要内容
• 7.1 概述
– 7.1.1 玻璃纤维的发展状况 – 7.1.2 玻璃纤维的分类
• 7.2 玻璃纤维的结构与组成
– 7.2.1 玻璃纤维的物态 – 7.2.2 玻璃纤维的结构 – 7.2.3 玻璃纤维的化学组成
• 7.3 玻璃纤维的性能
– 7.3.1 玻璃纤维的物理性能 – 7.3.2 玻璃纤维的物理性能
(3) 以纤维外观分类
有连续纤维，其中有无捻粗纱及有捻粗纱(用 于纺织)；短切纤维；空心玻璃纤维；玻璃粉及 磨细纤维等。
(4) 以纤维特性分类 以纤维本身具有的性能可分为：高强玻璃纤
维；高模量玻璃纤维；耐高温玻璃纤维；耐碱 玻璃纤维；耐酸玻璃纤维；普通玻璃纤维(指 无碱及中碱玻璃纤维)。
无捻粗纱
(2) 以单丝直径分类
玻璃纤维单丝呈圆柱形，以其直径的不同可以分 成几种：
粗纤维： 30μm；初级纤维：20μm 中级纤维：10μm～20μm； 高级纤维：3μm～10μm(亦称纺织纤维)； 超细纤维：单丝直径小于4μm。
单丝直径的不同，不仅纤维的性能有差异， 而且影响到纤维的生产工艺、产量和成本。一般 5μm－10μm纤维作为纺织制品用；10μm－14μm 的纤维一般做无捻粗纱、无纺布、短切纤维毡等 较为适宜。
网络结构假说
玻璃是由二氧化硅的四面体、铝氧三面体或 硼氧三面体相互连成不规则三维网络，网络 间的空隙由Na、K、Ca、Mg等阳离子所填充。 二氧化硅四面体的三维网状结构是决定玻璃 性能的基础，填充的Na、Ca等阳离子称为网 络改性物。
玻璃纤维结构示意图
7.2.3 玻Βιβλιοθήκη 纤维的化学组成玻璃纤维的化学组成主要是二氧化硅(SiO2)、三 氧化二硼(B2O3)、氧化钙(CaO)、三氧化二铝(Al2O3) 等
第三篇 复合材料增强材料
增强材料：在复合材料中，能提高基体材料机械强度、弹 性模量等力学性能的材料。
增强材料不仅能提高复合材料的强度和弹性模量，而且能 降低收缩率，提高热变形温度，并在热、电、磁等方面赋予 复合材料新的性能
增强材料种类 物理形态：纤维状、片状、颗粒状增强材料等
玻璃纤维、碳纤维 与石墨纤维、硼纤 维、芳纶纤维等
加入氧化钙、三氧化二铝能在一定条件下构成玻 璃网络的一部分，改善玻璃的某些性质和工艺性。
玻璃纤维化学成分的制定一方面要满足玻璃纤维 物理和化学性能的要求，具有良好的化学稳定性；另 一方面要满足制造工艺的要求，如合适的成型温度、 硬化速度及粘度范围。
玻璃 纤维 种类 无碱1#
无碱2#
无碱5#
中碱 B17
16.5± 0.5
16.2± 0.5
9.5± 0.5
8.5
4.5± 0.5 4.0± 0.5
4.2± 0.5
4.2
9.0± 0.5 9.0± 0.5
工业内窥镜
7.1.1 玻璃纤维的发展状况
玻璃纤维是复合材料中使用量最大的一种增强材料。
国外玻璃纤维特点：
1. 技术上先进，普遍采用池窑拉丝技术，发展多排 多孔拉丝工艺
2. 直径越来越粗，纤维直径为14~24μm，甚至达到 27μm
3. 大量生产无碱玻纤，无纺织玻璃纤维织物
4. 无捻粗纱的短切纤维毡片所占比例增加，偶 联剂的品种不断增加 5. 重视纤维－树脂界面的研究，玻璃纤维的前 处理受到普遍重视
– 7.4.1 玻璃纤维及其制品的生产工艺 – 7.4.2 玻璃纤维纱的规格及性能
• 玻璃是一种以脆闻名的物质。有趣的 是，玻璃一旦经加热，被拉制成比头 发还要细得多的玻璃纤维之后，它就 变得像合成纤维那样柔软，而坚韧的 程度甚至超过了同样粗细的不锈钢丝！
玻璃纤维有啥用处呢？
• 玻璃绳 • 玻璃布 • 绝缘材料 • 玻璃纤维复合材料 • 玻璃棉 • 纤维内窥镜 • 光导纤维
• 用于内窥镜的照明、冷光传导 单丝直径35微米,通光口径1---30 mm,保护层为不锈钢金 属软管+硅胶管
• 透光率高，柔软性好
• 纤维光缆的结 构和单个的纤 维。注意光缆 的横切面至少 30％被低折射 指数的金属包 层和非传导性 填充材料所占 据。
玻璃粉 短切纤维
7.2 玻璃纤维的结构与组成
7.2.1 玻璃纤维的物态
•玻璃纤维是纤维状的玻璃。 •玻璃是无色透明具有光泽的脆性固体。 •定义：
由熔融态过冷时因粘度增加而具有固体物理机 械性能的无定形物体，各向同性的均质材料。
•特点：没有固定的熔点
7.2.2 玻璃纤维的结构
微晶结构假说：
玻璃是由硅酸块或二氧化硅的“微晶子” 组成，在“微晶子”之间由硅酸块过冷溶 液所填充。
以二氧化硅为主的称为硅酸盐玻璃； 以三氧化二硼为主的称为硼酸盐玻璃。 氧化钠、氧化钾等碱性氧化物为助熔氧化物，它可 以降低玻璃的熔化温度和粘度，使玻璃溶液中的气泡容 易排除，它主要通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，从而 达到助溶的目的。 氧化钠和氧化钾的含量越高，玻璃纤维的强度、电 绝缘性和化学稳定性会相应的降低
这种分类方法主要用于连续玻璃纤维的分类。 一般以不同的含碱量来区分：
无碱玻璃纤维(通称E玻璃)： 国内目前规定碱金属氧化物含量不大于0.5％，国外 一般为1％左右；
中碱玻璃纤维：碱金属氧化物含量为11.5％－12.5％；
特种玻璃纤维：如由纯镁铝硅三元组成的高强玻璃 纤维；镁铝硅系高强、高弹玻璃纤维；硅铝钙镁系 耐化学介质腐蚀玻璃纤维；含铅纤维；高硅氧纤维； 石英纤维等。
E C S G-20 A
SiO2
54.1± 0.7
54.5± 0.7
67.5± 0.7 66.8
53.5 65.0 64.3 71.0 72.0
Al2O3
15.0± 0.5
13.8± 0.5 6.6± 0.5 4.7
16.3 4
25.0 1.0 0.6
国内外常用玻璃纤维的成分 CaO MgO ZrO2 B2O3
国内玻璃纤维特点：
较国外起步较晚，中碱玻璃纤维仍然占大多 数，正向粗纤维方向发展，池窑拉丝工艺正在推 广，新型偶联剂不断出现，改善了纤维－树脂界 面，重视纤维-树脂界面的研究。
7.1.2 玻璃纤维的分类
玻璃纤维的分类方法很多，一般可从玻 璃原料成分、单丝直径、纤维外观及纤维 特性等方面进行分类。
(1) 以玻璃原料成分分类
7 玻璃纤维及其制品
本节主要内容
• 7.1 概述
– 7.1.1 玻璃纤维的发展状况 – 7.1.2 玻璃纤维的分类
• 7.2 玻璃纤维的结构与组成
– 7.2.1 玻璃纤维的物态 – 7.2.2 玻璃纤维的结构 – 7.2.3 玻璃纤维的化学组成
• 7.3 玻璃纤维的性能
– 7.3.1 玻璃纤维的物理性能 – 7.3.2 玻璃纤维的物理性能
(3) 以纤维外观分类
有连续纤维，其中有无捻粗纱及有捻粗纱(用 于纺织)；短切纤维；空心玻璃纤维；玻璃粉及 磨细纤维等。
(4) 以纤维特性分类 以纤维本身具有的性能可分为：高强玻璃纤
维；高模量玻璃纤维；耐高温玻璃纤维；耐碱 玻璃纤维；耐酸玻璃纤维；普通玻璃纤维(指 无碱及中碱玻璃纤维)。
无捻粗纱
(2) 以单丝直径分类
玻璃纤维单丝呈圆柱形，以其直径的不同可以分 成几种：
粗纤维： 30μm；初级纤维：20μm 中级纤维：10μm～20μm； 高级纤维：3μm～10μm(亦称纺织纤维)； 超细纤维：单丝直径小于4μm。
单丝直径的不同，不仅纤维的性能有差异， 而且影响到纤维的生产工艺、产量和成本。一般 5μm－10μm纤维作为纺织制品用；10μm－14μm 的纤维一般做无捻粗纱、无纺布、短切纤维毡等 较为适宜。
网络结构假说
玻璃是由二氧化硅的四面体、铝氧三面体或 硼氧三面体相互连成不规则三维网络，网络 间的空隙由Na、K、Ca、Mg等阳离子所填充。 二氧化硅四面体的三维网状结构是决定玻璃 性能的基础，填充的Na、Ca等阳离子称为网 络改性物。
玻璃纤维结构示意图
7.2.3 玻Βιβλιοθήκη 纤维的化学组成玻璃纤维的化学组成主要是二氧化硅(SiO2)、三 氧化二硼(B2O3)、氧化钙(CaO)、三氧化二铝(Al2O3) 等
第三篇 复合材料增强材料
增强材料：在复合材料中，能提高基体材料机械强度、弹 性模量等力学性能的材料。
增强材料不仅能提高复合材料的强度和弹性模量，而且能 降低收缩率，提高热变形温度，并在热、电、磁等方面赋予 复合材料新的性能
增强材料种类 物理形态：纤维状、片状、颗粒状增强材料等
玻璃纤维、碳纤维 与石墨纤维、硼纤 维、芳纶纤维等
加入氧化钙、三氧化二铝能在一定条件下构成玻 璃网络的一部分，改善玻璃的某些性质和工艺性。
玻璃纤维化学成分的制定一方面要满足玻璃纤维 物理和化学性能的要求，具有良好的化学稳定性；另 一方面要满足制造工艺的要求，如合适的成型温度、 硬化速度及粘度范围。
玻璃 纤维 种类 无碱1#
无碱2#
无碱5#
中碱 B17
16.5± 0.5
16.2± 0.5
9.5± 0.5
8.5
4.5± 0.5 4.0± 0.5
4.2± 0.5
4.2
9.0± 0.5 9.0± 0.5
工业内窥镜
7.1.1 玻璃纤维的发展状况
玻璃纤维是复合材料中使用量最大的一种增强材料。
国外玻璃纤维特点：
1. 技术上先进，普遍采用池窑拉丝技术，发展多排 多孔拉丝工艺
2. 直径越来越粗，纤维直径为14~24μm，甚至达到 27μm
3. 大量生产无碱玻纤，无纺织玻璃纤维织物
4. 无捻粗纱的短切纤维毡片所占比例增加，偶 联剂的品种不断增加 5. 重视纤维－树脂界面的研究，玻璃纤维的前 处理受到普遍重视