第2章 增强体-玻璃纤维-Good.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章增 强 体,定义,提高基体力学性能,改善基体理化性能,分 类,陶瓷类氧化物：,Al,2,O,3,、Al,2,O,3,(SiO,2,),3,、K,2,TiO,3,非氧化物：,SiC、Si,3,N,4,、TiB,2,高聚物类：聚芳酰胺纤维、聚乙烯纤维,金属类：金属丝，如：,W、Mo,碳纤维类,玻璃纤维,按来源：天然和人造,按形态：颗粒；纤维（长短之分，粗细之分）；晶须,按物质结合键和物化性能：,综 合 评 价,对金属和陶瓷：,碳、石墨纤维、各种陶瓷纤维、晶须,对有机材料：,SiO,2,、,石墨、高聚物纤维,对水泥,碳、石墨纤维,玻璃纤维,玻璃纤维,玻璃纤维具有成本低、不燃烧、耐热、耐化学腐蚀性好、拉伸强度和冲击强度高、断裂延伸率小、绝热性及绝缘性好。,玻璃纤维布,中国玻纤行业寡头竞争格局,全球玻纤产量增长情况（万吨）,中国玻纤出口量（万吨）,玻纤价格走势（元,/,吨）,玻璃纤维的分类,以玻璃原料成分分类,以不同的含碱量区分,无碱玻璃纤维（玻纤）,由钙铝硼硅酸盐组成,中碱玻璃纤维,有碱玻璃（玻璃）纤维,特种玻璃纤维,碱金属氧化物含量不大于,0.5%,，纤维强度较高，耐热性和电性能优良，抗大气腐蚀，化学稳定性好但不耐酸，最大特点是电性能好，也称电气玻璃,碱金属氧化物含量为,11.5-12.5%,，国外没有该纤维，主要特点耐酸性好，价格便宜,含碱量高，对潮气侵蚀敏感，很少做增强材料,以单丝直径分类,粗纤维微米,初级纤维微米,中级纤维微米,高级纤维微米（纺织纤维）,单丝直径小于微米的玻璃纤维称超细纤,维。,玻璃纤维的分类,以纤维外观分类,连续纤维包括无捻粗纱和有捻粗纱,短切纤维,空心玻璃纤维,玻璃粉,磨细纤维,玻璃纤维的分类,以纤维特性分类,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（无碱及中碱玻璃纤维）,玻璃纤维的分类,180,109,28,o,二氧化硅的晶体结构示意图,Si,结构,硅氧四面体,玻璃纤维的结构,玻璃纤维结构与玻璃相同,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。,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络结构是玻璃性能的基础，填充的,Na,、,Ca,等阳离子称网络改性物。,微观不均匀，宏观均匀，,具有各向异性,玻璃纤维的化学组成,SiO,2,、,B,2,O,3,、,CaO,、,Al,2,O,3,氧化钠,、,氧化钾等碱性氧化物为,助熔氧化物,，,降低玻璃的熔化温度和粘度,，使玻璃熔液中的气泡易排除。它主要通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，从而达到助熔目的,.,其含量愈高，玻璃纤维强度，电绝缘性能和化学稳定性会降低。,CaO,取代,SiO,2,，可降低拉丝温度。,Al,2,O,3,可提高耐水性。,玻璃纤维的物理性能,优点：拉伸强度高，防火,、,防雾,、,防蛀，耐高温和电绝缘性好。,缺点：脆性，不耐腐，对人皮肤有刺激。,（）外观和比重,表面光滑，圆柱，断面完整的圆形。,直径在,.,-,微米,.,。,密度为,.,.,g/cm,3,，大于有机纤维，低于金属，与铝相当。,无碱玻璃纤维比有碱玻璃纤维比重大。,（）表面积大,（）力学性能,拉伸强度高,微裂纹假说，玻璃的理论强度取决于分子或原子间的引力，其理论强度很高，实测低是因为在玻璃或玻璃纤维中存在着数量不等，尺寸不同的,微裂纹,，因而降低了强度。微裂纹分布在玻璃或玻璃纤维的整个体积内,但以,表面的微裂纹危害最大,。由于微裂纹的存在，使玻璃在外力作用下受力不均，在危害最大的微裂纹处，产生应力集中，从而使强度降低,玻璃纤维比玻璃强度高,，是因为玻璃纤维高温成型时减少了玻璃溶液的不均一性，使微裂纹产生的机会减少。玻璃纤维的断面小，使微裂纹存在的几率减少。,玻璃纤维的物理性能,玻璃纤维较玻璃耐腐蚀性差,影响玻璃纤维强度的因素,直径变细强度增加,长度增加强度降低,化学组成,存放时间纤维老化,施加负荷时间纤维疲劳,原因：在于吸附作用的影响，即,水分,吸附并渗透到纤维裂纹中，在外力作用下，,加速裂纹,的,扩展,。,成型方法和成型条件硬化速度快，强度高,玻璃纤维的物理性能,微裂纹理论,含碱量越高，强度越低,水分侵蚀,弹性,延伸率比有机纤维低,弹性模量应力与应变关系的比例常数,710,4,MPa,（）耐腐蚀性、耐磨性和耐折性,耐腐蚀性差（表面积大，受化学介质腐蚀面积大）,表面改性（阳离子活性剂）,玻璃纤维的物理性能,（）热性能,导热性,纤维,0.03,千卡米,度,时,主要是纤维间的空隙大，容重较小；容重越小，导热系数越小。,受潮导热系数增大。,玻璃纤维的物理性能,耐热性,耐热性高，软化点,550-580,。,热处理，强度下降；温度愈高，强度下降愈显著（热处理使微裂纹增加）。,（）电性能,无碱玻璃纤维电绝缘性比有碱高。电阻率随温度升高下降。空气湿度增加电阻率下降。,加入氧化铁，氧化铅，氧化铜，氧化铋呈半导体。,玻璃纤维的物理性能,（）光学性质,透光性不如玻璃,反射系数,透过系数,亮度系数,玻璃纤维的物理性能,布厚度及密度,玻璃纤维的化学性能,（）侵蚀介质对玻璃纤维的腐蚀情况,二氧化硅相互连接构成玻璃纤维结构骨架，它很难与水,、,酸（,H,3,PO,3,、,HF,除外）反应；有,Na,、,Ca,、,K,等金属离子及,SiO,2,与金属离子结合的硅酸盐部分，当侵蚀时，多数是溶解玻璃纤维结构中的金属离子或破坏硅酸盐部分；对于浓碱,、,氢氟酸,、,磷酸等，将使纤维结构全部溶解。,（）影响玻璃纤维化学稳定性的因素,化学成分,中碱对酸稳定性好，对水稳定性差。,无碱耐酸性差，耐水性好。,受酸作用后，首先是,Na,2,O,、,K,2,O,的离析,、,溶解；另一方面酸与硅酸盐作用生成硅酸，硅酸迅速聚合并凝成胶体，结果在玻璃表面上形成一层极薄的氧化硅保护膜，这层膜使酸的侵析与离子交换过程迅速减缓，使强度下降缓慢。实践证明,Na,2,O,、,K,2,O,有利于保护膜的形成，所以中碱比无碱纤维耐酸性好。,玻璃纤维的化学性能,纤维表面情况对化学稳定性的影响,玻璃纤维耐腐蚀性比玻璃差（比表面积大）,侵蚀介质体积和温度对玻璃纤维化学稳定性的影响,介质体积愈大，侵蚀愈严重；,温度升高，破坏速度增加。,玻璃纤维的化学性能,玻 璃 纤 维,制作方法：,玻璃球,熔池,铂坩锅,坩埚法,二次成型工艺：玻璃球,二次熔化,池窑漏板法拉丝工艺,国内玻纤窑炉和产能（万吨）,连续纤维毡,的生产工艺过程是电熔池窑拉丝连续纤维,经过机械装置的作用,将玻璃纤维原纱均匀分布在金属网带上,同时向连续纤维上施加浸润剂和喷射乳状粘结剂,然后经过固化装置固化,收卷备用。,短切纤维毡,是将连续纤维,切割,成短切纤维,不规则的分布在金属网带上,同时喷射粘结剂,(,聚酯树脂,),；另一方法是,吹制法,当玻璃液从漏板出来时,立即受到高速压缩空气的冲击,同时加入浸润剂,短切纤维受到真空滚筒的作用而均匀分布到金属网带上。,玻璃纤维制品的生产工艺,玻璃纤维的表面处理,浸润剂,作用,-,玻璃纤维较脆且不耐磨，之间的摩擦系数大，在拉丝和纺织过程容易断裂，此外，刚拉出的纤维易受空气水蒸气侵蚀，强度会降低。涂浸润剂后：原丝中的纤维不散乱而能相互粘附在一起,(,使多根单丝集中成股,),；防止纤维间的磨损；原丝相互间不粘结在一起；便于纺织加工；保护纤维免受大气和水分的侵蚀。,玻璃纤维表面处理,表面处理的,定义,在玻璃纤维表面被覆一种叫做表面处理剂的特殊物质，使玻璃纤维与合成树脂牢固地粘结在一起，以达到提高玻璃钢性能的目的。,表面处理剂也叫偶联剂或架桥剂。,表面处理剂的,作用,保护玻璃纤维表面，增强了玻璃与树脂的粘结，防止水分或其他有害介质的侵入，减少或消除界面的弱点，有效传递了应力，机械强度提高，耐热性和电性能改善，耐化学腐蚀性提高等。,玻璃纤维表面处理剂,玻璃纤维表面处理剂的,种类,有机铬 有机硅 钛酸酯,1.,有机铬处理剂的代表 沃兰,(,Volan,),化学名称叫甲基丙烯酸氯化铬铬合物,2.,有机硅处理剂的结构通式,R,n,SiX,4-n,R,是有机基团，它含有能与合成树脂作用形成化学键的活性基团，,X,是易水解的基团，水解后能与玻璃作用，,n,为,1,、,2,或,3,，大多数为,1,。,玻璃纤维表面处理剂,表面处理方法,A.,前处理,B.,后处理,C.,迁移法,前处理,是用偶联剂代替石蜡型浸润剂，直接用于玻璃纤维拉丝集束，当用这种纤维制作复合材料时不需要脱蜡处理，故纤维不会受到损伤，纤维强度比其他两种方法高，但纤维柔软性稍差。,玻璃纤维表面处理方法,后处理,方法是将纤维先经热处理脱蜡，然后浸渗偶联剂，再经预烘，用蒸馏水洗涤，干燥。,迁移法,是将偶联剂直接加入树脂配方中，让偶联剂在浸胶和成型过程中迁移到纤维表面发生偶联作用，因其简单，应用较多。,玻璃纤维表面处理方法,高强度玻璃纤维,A.,镁铝硅酸盐,B.,硼硅酸盐,1.,镁铝硅酸盐玻璃纤维也称,S,玻璃纤维,化学成分,SiO,2,65%,，,Al,2,O,3,25%,，,MgO10%,比强度高，疲劳极限高,拉丝温度高，需要特殊拉丝工艺,特种玻璃纤维,2.,硼硅酸盐玻璃纤维,化学成分,SiO,2,:40%50%,，,Al,2,O,3,:19%29%,，,B,2,O,3,:10%20%,，,Li,2,O:0.1%1%,液相温度低，不需要特殊拉丝工艺,特种玻璃纤维,高模量玻璃纤维,1.,高模量玻璃也称,M,玻璃或,YM-35-A,玻璃。,2.BeO,具有大幅度提高玻璃纤维弹性模量的效能，分为含,BeO,和不含,BeO,两种。,3.BeO,有剧毒，研究不含,BeO,的高弹纤维成分，在低铝的钙镁硅酸盐中加入铬、钽、铌等氧化物，提高弹性模量。但拉丝成型困难。,特种玻璃纤维,耐高温玻璃纤维,(1),石英纤维,A.,仅限于用高纯度,(99.95%SiO,2,),天然石英晶体制成的纤维。,B.,比较脆，故纺织价格比一般玻璃纱高。,特种玻璃纤维,石英纤维的主要性能,:,1.,软化温度高,2.,膨胀系数小,3.,电性能好,4.,能耐,100200,浓酸的浸蚀，耐碱及碱性盐的能力差,5.,在,2504700,微米的光谱区内，透光率高,特种玻璃纤维,(2),高硅氧玻璃纤维,A.,它是用浸析法将高钙硼硅酸盐玻璃中的可溶物析出，而制得的,SiO,2,含量达,95%,以上的纤维。,B.,耐热性与石英纤维相似。,C.,强度低，普通无碱纤维强度的十分之一。,特种玻璃纤维,(3),铝硅酸盐玻璃纤维,A.,它是以高岭土，铝矾土，蓝晶石等为原料，在高频炉，电弧炉或其他高温炉中熔化，用吹制法制成的玻璃纤维。,B.,化学组成特点,Al,2,O,3,占,50%,以上，其熔化温度为,1760,，最高使用温度为,1260,。,C.,绝缘和隔热材料。,特种玻璃纤维,空心玻璃纤维,A.,它是采用铝硼硅酸盐玻璃原料，用特制拔丝炉拔丝制成。,B.,呈中空状态，轻质，刚性好，弹性模量高。,C.,电性能好，导热系数低，但性质较脆。,特种玻璃纤维,光导纤维,光导纤维组成的光缆可以代替通讯电缆，用于光纤通信，传送高强度的激光。光纤通信的容量比微波通信大,10,3,10,4,倍，而且传输速度快。用光缆代替通讯电缆可以节约大量有色金属。据统计，生产,lkm,长的光缆只需几克超纯石英玻璃，约可节省铜,1.1t,。,光导纤维的制造与应用,把氧气和四氯化硅蒸气的混合气体通过在高温炉中旋转和移动的石英管，能反应生成二氧化硅。,把得到的沉积在管内的二氧化硅熔化，形成,“,玻璃棒,”,，在,1900,2000,的高温下再将其熔化、拉制成粗细均匀的光纤细丝。,SiCl,4,(g),O,2,(g),1300,SiO,2,2Cl,2,(g),用于铺设光纤通讯线路的光导纤维是由若干条柔韧、没有脆性、有高折射率的光纤细丝,(,直径在,10,m,以下,),用聚丙烯或尼龙套包裹制成的。,研究对象：光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题,损耗原因：,1),玻璃纤维中含有过量的铬、铜、铁、锰、,OH,-,2),光纤拉制工艺造成芯、包层分界面不均匀及其,所引起的折射率不均匀,新的发,现：玻璃纤维在红外光区的损耗较小,现代光纤通信的大发展：光纤损耗的解决,光纤之父：高锟,1966,年英国标准电信研究所,1970年，美国康宁公司研制成功损耗20,dB/km,的石英光纤。,1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4,dB/km。,1973,年，美国贝尔实验室的光纤损耗降低到2.5,dB/km。,1974,年，贝尔实验室将损耗进一步降低到1.1,dB/km。,1976,年，日本电报电话(,NTT),公司将光纤损耗降低到0.47,dB/km(,工作波长1.2,m,m)。,目前，波长为1.55,m,m,的标准光纤损耗为,0.2 dB/km,。,低损耗光纤的研制,光纤通信的主要特性,大容量：马路越宽，容许通过的车辆越多，交通运输能力也越,大。如果把通信线路比作马路，那么应该说是通信线路的频带,越宽，容许传输的信息越多，通信容量就越大。,目前的光纤容量已经达到十多个,Tb/s,损耗低、中继距离长,中继站多：传输线路的成本高、维护不方便、运行不可靠,石英光纤在1.55,mm,波长区的损耗可低到0.18,dB/km,例：,同轴电缆通信的中继距离只有几公里,最长的微波通信是,50,公里左右,光纤通信系统的最长中继距离已达数千公里,抗干扰能力强,现有的电通信系统无法令人满意地解决抗干扰问题。,例,1,：电话线和电缆一般是不能跟高压电线平行架设的，也不,能在电气铁化路附近铺设,例,2,：据专家测算，如果在美国本土中心上空,463,公里处爆炸,一颗原子弹，,1,秒钟内即可使全美所有的电缆通信系统,失效。但光纤通信线路却能基本不受影响,光纤为什么具有强抗干扰能力？,1.,光纤属绝缘体，不怕雷电和高压,2.,电磁源干扰不了频率比它们高得多的光,3.,杰出的抗核辐射能力,保密性强,电通信方式很容易被人窃听,1.,电缆通信：只要在电缆附近(甚至几公里以外)设置一个特别,的接收装置，就可以获取明线或电缆中传送的信息。,2.,无线通信方式：无线电波在大气中传播，甚至充斥全球，很,容易被人窃听。,3.,密码学的发展使加密往往也无济于事,光纤通信是保密性能最好的通信方式之一,-,光在光纤中传输时不会跑出光纤和向外辐射电磁波。即使在,拐弯非常厉害的地方，漏出包层的光微乎其微。,体积小、重量轻,1,千克高纯度石英玻璃,成千上万公里光纤,120,吨铜和,500,吨铅,1000,公里的,8,管同轴电缆,18,管同轴电缆每米重,11,千克，而同等容量的光缆每米重,90,克,光纤体积小、重量轻、柔软易弯曲、铺设非常方便。,光纤的原材料取之不竭,电线主材：铜、铅等有色金属，预计只够使用,50,年左右,光纤主材：普通的石英砂,(SiO,2,),，它在地壳的化学成分中占了,一半以上，可以说是取之不尽、用之不竭,其它优点,不怕腐蚀,耐高低温,能力较强,(-65200,度,),可实现多功能传输,(,同时传递话音、数据、图像等信息,),缺点,1.,容易折断,(,比如经常被挖断,),2.,光纤连接困难,(,断面是否垂直、焊接点是否有气泡等,),3.,光纤通信过程中怕水、怕冰,(OH,-,根吸收增大损耗,),4.,光纤怕弯曲,(,导致损耗增加,),案例：新疆某地区大雪导致光纤故障,(2006,年,10,月报道,),原因：光缆没有防护好被冰雪包裹，并由于冰雪压力和热胀冷缩导致光纤弯曲,Application 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