纤维增强改性聚合物复合材料.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,*,-,*,增强材料共分为三类：,纤维及其织物,晶须,颗粒,1,-,一、纤维,如，植物纤维棉花、麻类；,动物纤维丝、毛；,矿物纤维石棉。,天然纤维 强度较低，,现代复合材料的增强材料 用合成纤维。,2,-,纤维,在复合材料中起,增强作用,，是主要,承力组分,。,纤维,不仅能使材料显示出,较高的抗张强度,和,刚度,，而且能,减少收缩,，提高,热变形温度,和,低温冲击强度,等。,3,-,复合材料的性能,在很大程度上取决于,纤维的性能,、,含量,及,使用状态,。,如,聚苯乙烯塑料,，加入,玻璃纤维,后，,拉伸强度,可从600 MPa提高到1000 MPa，,弹性模量,可从3000 MPa提高到8000 MPa，其,热变形温度,可从85,提高到105,，使-40,以下的,冲击强度,可提高10倍。,4,-,纤维,可分为,有机纤维,和,无机纤维,5,-,（一）有机纤维,芳纶,纤维,聚乙烯,纤维,尼龙,纤维,6,-,、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,。,7,-,芳纶纤维的历史,很短，发展很快。,1968午美国,杜邦公司,开始研制。,1972年以,B纤维为名,发表了专利并提供产品。1972年又研制了以,PRD-49,命名的纤维。,1973年正式登记的商品名称为,ARAMID,纤维。,8,-,ARAMID纤维,包括三种牌号的产品，并重改名称。,PRD-49-IV,改称为,芳纶-29,；,PRD-49-III,改称为,芳纶-49,；,B纤维,改称为,芳纶,。,9,-,芳纶、芳纶-29、芳纶-49,这三种牌号纤维的用途各不相同。,芳纶,主要用于,橡胶增强,，,制造轮胎,、,三角皮带,、,同步带,等；,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。,10,-,自1972年,芳纶纤维,作为商品出售以来，,产量逐年增加,。,其原因是由于该,纤维具有独特的功能,，使之广泛应用到,军工,和,国民经济,各个部门。,11,-,(1)芳纶纤维的性能特点,A、芳纶纤维的,力学性能,；,、芳纶纤维的,热稳定性,；,、芳纶纤维的,化学性能,。,12,-,A、芳纶纤维的力学性能,芳纶纤维的特点,是,拉伸强度高,。单丝强度可达3773 MPa；254mm长的纤维束的拉伸强度为2744 MPa，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0.8倍。,13,-,芳纶纤维,的,弹性模量高,，可达1.27 1.577 MPa，比,玻璃纤维,高一倍，为,碳纤维,0.8倍。,芳纶纤维,的,断裂伸长,在3左右，接近,玻璃纤维,，高于其他纤维。,14,-,芳纶纤维,与,碳纤维,混杂将能大大,提高,纤维复合材料的,冲击性能,。,芳纶纤维,的,密度小,，比重为1.44 1.45，只有铝的一半。因此，它有高的,比强度,与,比模量,。,15,-,下表为芳纶纤维的基本性能,16,-,、芳纶纤维的热稳定性,芳纶纤维,有,良好的热稳定性,，,耐火而不熔,，当温度达487 时尚,不熔化,，但开始,碳化,。,17,-,因此，,芳纶纤维,在高温作用下，不发生变形，直至分解。,如，能长期在180下使用；在150下作用一周后,强度,、,模量,不会下降；即使在200下，一周后,强度降低,15，,模量降低,4；,另外，在低温(-60)不发生,脆化,亦不,降解,。,18,-,和碳纤维一样，芳纶纤维的,热膨胀系数,具有,各向异性,的特点。,如，芳纶纤维的,纵向热膨胀系数,在0 100时为-2,10,-6,/；在100 200时为-4,10,6,/。,横向热膨胀系数,为59,10,-6,/,19,-,、芳纶纤维的化学性能,芳纶纤维,具有良好的,耐介质,性能，对,中性化学药品,的,抵抗力,一般是很强的，但易受各种,酸碱的侵蚀,，尤其是,强酸的侵蚀,；,20,-,芳纶纤维的,耐水性,也不好，这是由于在分子结构中存在着,极性酰氨基,；,湿度,对纤维的影响，类似于,尼龙或聚酯,。在,低湿度,(20相对湿度)下芳纶纤维的吸湿率为1，但在,高湿度,(85相对湿度)下，可达到7。,21,-,（）芳纶纤维的结构,芳纶纤维是,对苯二甲酰,与,对苯二胺,的聚合体，经溶解转为,液晶,纺丝而成。它的化学结构式如下：,22,-,从上述化学结构可知，,芳纶纤维,材料的,基体结构,是长链状,聚酰胺,，即结构中含有,酰氨键,，其中至少85的酰氨直接键合在芳香环上.,23,-,键合在芳香环上,刚硬的直线状分子键在,纤维轴向,是,高度定向,的，各,聚合物链,是由,氢键,作横向连结。,这种在,沿纤维方向的强共价键,和,横向弱的氢键,，是造成芳纶纤维,力学性能各向异性,的原因，即纤维的,纵向强度高,，而,横向强度低,。,24,-,芳纶纤维的,化学链,主要由,芳环,组成。这种,芳环结构,具有,高的刚性,，并使,聚合物链,呈,伸展,状态而不是,折叠,状态，形成,棒状,结构，因而纤维具有,高的模量,。,25,-,芳纶纤维,分子链,是,线性结构,，这又使纤维能,有效地利用空间,而具有,高的填充效率,的能力，在单位体积内可容纳很多聚合物。这种高密度的聚合物具有,较高的强度,。,26,-,由于,芳纶纤维,具有,规整的晶体结构,，因此，它具有,化学稳定性,、,高温尺寸稳定性,、,不发生高温分解,以及在很高温度下,不致热塑化,等特点。,27,-,通过电镜对纤维观察表明，芳纶是一种,沿轴向排列,的有规则的,褶叠层结构,。,这种,褶叠层,结构的模型，可以很好地解释,横向强度低,、,压缩和剪切性能差,及,容易劈裂,的现象。,28,-,(3)用 途,目前，芳纶纤维的总产量43用于,轮胎的帘子线,(芳纶-29)，31用于,复合材料,，17.5用于,绳索类,和,防弹衣,，8.5用于,其他,。,29,-,以,树脂,作为,基体,，,芳纶纤维,作为,增强相,所形成的,增强塑料,，简称KFRP，它在,航空航天方面,的应用，仅次于,碳纤维,，成为必不可少的材料。,30,-,、聚乙烯纤维（Polyethylene,PE）,聚乙烯纤维作为目前,国际上最新的,一种有机纤维，它具有以下四个特点：,超轻,、,高比强度,、,高比模量,、,成本较低,。,31,-,通常情况下，,聚乙烯纤维,的,分子量,大于10,6,，纤维的,拉伸强度,为3.5 GPa，,弹性模量,为11,6,GPa，,延伸率,为3.4%，,密度,为0.97 g/cm,3,。可用于制做,武器装甲,、,防弹背心,、,航天航空部件,等。,32,-,相比于其它各种纤维材料，,聚乙烯纤维,具有许多种,优点,。,如：高,比强度,、高,比模量,以及,耐冲击,、,耐磨,、,自润滑,、,耐腐蚀,、,耐紫外线,、,耐低温,、,电绝缘,等。,33,-,聚乙烯纤维,的不足之处：,(1),熔点较低,（约135）,(2)高温容易蠕变,。,因此仅能在100以下使用。,34,-,（二）无机纤维,1、,玻璃,纤维 2、,特种玻璃,纤维,3、,碳,纤维 4、,硼,纤维,5、,氧化铝,纤维 6、,碳化硅,纤维,7、,氮化硼,纤维 8、,其他,纤维,35,-,、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,。,36,-,1.1 玻璃纤维及其制品,概 述,随着,玻璃钢,工业的发展，,玻璃纤维,工业也得到迅速发展。,国外,玻璃纤维的主要特点如下：,37,-,、普遍采用,池窑拉丝,新技术；,、大力发展,多排多孔拉丝,工艺；,、用于玻璃钢的,纤维直径,逐渐,向粗的方向,发展，纤维直径为14-24um，甚至达27um；,、大量生产,无碱纤维,；,38,-,、大力发展,无纺织,玻璃纤维织物,，,无捻粗纱,和,短切纤维毡片,所占比例增加；,、重视纤维-树脂,界面,的研究，,偶联剂的品种,不断增加，玻璃纤维的,前处理,受到普遍重视。,39,-,我国,玻璃纤维工业,诞生于1950年，当时只能生产,绝缘材料用,的,初级纤维,。,1958年以后，,玻璃纤维工业,得到迅速发展。现在全国有大、小,玻璃纤维厂家,200多个，玻璃纤维,年产量,为5万吨，其中,无碱纤维,占20，,中碱纤维,占80，,纤维直径,多数为6-8um，正向粗纤维方向发展。,40,-,池窑拉丝工艺,正在推广，重视,纤维-树脂界面,的研究，,新型偶联剂,不断出现，许多玻璃纤维厂使用,前处理工艺,，,玻璃纤维工业的不断发展,促进了我国复合材料及尖端科学技术的发展。,41,-,玻璃纤维的分类,玻璃纤维的分类方法很多。通常从玻璃,原料成分,、,单丝直径,、,纤维外观,及,纤维特性,等方面进行分类。,42,-,1以玻璃原料成分分类,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：,(1),无碱,玻璃纤维,(2),中碱,玻璃纤维,(3),有碱,玻璃纤维,(4),特种,玻璃纤维,43,-,(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,)。,44,-,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,破璃纤维,作为复合材料的,原材料,。,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。,45,-,(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,。,46,-,(3)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。,47,-,(4)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。,48,-,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,可以分为以下几种：,粗,纤维：30 um；,初级,纤维：20 um;,中级,纤维：10 20 um；,高级,纤维：3 10um(亦称,纺织,纤维)。,对于,单丝直径,小于4 um的玻璃纤维称为,超细纤维,。,49,-,单丝直径,不同，不仅使纤维的,性能,有差异，而且影响到纤维的,生产工艺,、,产量,和,成本,。,一般5 10 um的纤维作为,纺织制品,使用，10 14 um的纤维一般做,无捻粗纱,、,无纺布,、,短切纤维毡,等较为适宜。,50,-,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。,51,-,4以纤维特性分类,根据,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)。,52,-,1.2 玻璃纤维的结构及化学组成,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,”。,53,-,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“,微晶子,”之间由,硅酸块过冷溶液,所填充。,54,-,网络结构假说的要点,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,。,55,-,大量资料证明，,玻璃结构,是,近似有序,的。主要是因为在,玻璃结构中,存在,一定数量和大小,比较,有规则排列的区域,，这种规则性是由,一定数目的多面体,遵循类似,晶体结构的规则排列,造成的。,56,-,但是，,玻璃结构,的这种,有序区域,不像晶体结构那样有严格的周期性，,微观上是不均匀,的，,宏观上却又是均匀的,，反映到玻璃的,性能,上是,各向同性的,。,57,-,玻璃纤维的化学组成,玻璃纤维的,化学组成,主要是,二氧化硅,、,三氧化二硼,、,氧化钙,、,三氧化二铝,等。,玻璃纤维的,化学组成,对玻璃纤维的,性质和生产工艺,起决定性作用，以,二氧化硅,为主的称为,硅酸盐破璃,，以,三氧化二硼,为主的称为,硼酸盐玻璃,。,58,-,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,，使玻璃熔液中的气泡容易排除。,助熔氧化物,主要通过,破坏玻璃骨架,，使,结构疏松,，从而达到助熔的目的。,因此,氧化钠和氢化钾的含量越高,，玻璃纤维的,强度,、,电绝缘性能,和,化学稳定性,都会相应的降低。,59,-,加入,氧化钙,、,三氧化二铝,等，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能。,例如，用,氧化钙,取代,二氧化硅,可,降低拉丝温度,；加入三,氧化二铝,可,提高耐水性。,60,-,总之，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,。,61,-,1.3 玻璃纤维的物理性能,玻璃纤维具有一系列,优良性能,，,拉伸强度高,，,防火,、,防霉,、,防蛀,、,耐高温,和,电绝缘性能好,等。,玻璃纤维的,缺点,是具有,脆性,，,不耐腐,，对人的皮肤有刺激性等。,62,-,(1)外观和比重,一般,天然或人造的有机纤维,，其表面都有较深的,皱纹,；,而对于,玻璃纤维,来说，其,表面,呈,光滑的圆柱,，其,横断面,几乎都是,完整的圆形,。,63,-,宏观看来，由于,表面光滑,，纤维之间的抱合力非常小，,不利于和树脂粘结,；,又由于,呈圆柱状,，所以玻璃纤维彼此相靠近时，,空隙填充的较为密实,，这对于提高复合材料制品的,玻璃含量,是有利的。,64,-,玻璃纤维直径,从1.5 25 um，大多数为4 14 um。,玻璃纤维的密度,为2.16 4.30 gcm,3,，其比重较有机纤维大很多，但比一般的金属比重要低，与铝相比几乎一样。所以在航空工业上用,复合材料,代替,铝钛合金,就成为可能。,此外，一般情况下，,无碱玻璃纤维的比重,大于,有碱纤维,。,65,-,(2)表面积大,由于玻璃纤维的,表面积大,，使得纤维,表面处理的效果,对,性能的影响,很大。,66,-,(3)玻璃纤维的力学性能,玻璃纤维的拉伸强度,玻璃纤维的最大特点是,拉伸强度高,。一般,玻璃制品,的拉伸强度只有40 100 MPa，而直径3 9 um的,玻璃纤维,拉伸强度则高达1500 4000 MPa，较一般合成纤维高约10倍，比合金钢还高2倍。,67,-,几种,纤维和全属,材料的强度如下表所示：,几种纤维材料和金属材料的强度,68,-,玻璃纤维高强的原因,对玻璃纤维高强的原因，许多学者提出了不同的假说，其中比较有说服力的是,微裂纹假说,。,微裂纹假说,认为，,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,，可达到200 l 200kgmm,2,。,69,-,但通常情况下，玻璃或玻璃纤维的,实测强度,很低。这是因为，在它们当中，存在着,数量不等,，,尺小不同,的,微裂纹,，从而大大降低了其强度。,70,-,微裂纹,分布在,破璃或玻璃纤维,的,整个体积,内，但以,表面的微裂纹,危害最大。,出于,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,强度下降,。,71,-,玻璃纤维,比玻璃的,强度高,很多，主要有两方面的原因：,、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,断面较小,，随着,表面积的减小,，使,微裂纹存在的几率,也减少，从而使纤维强度增高。,72,-,有人更明确地提出，,直径小的,玻璃纤维强度比,直径粗的,纤维强度高的原因是由于,表面微裂纹尺寸和数量较小,，从而,减少了应力集中,，使纤维具有较高的强度。,73,-,影响玻璃纤维强度的因素,A、一般情况，玻璃纤维的,拉伸强度,随,直径,变细而拉伸强度增加，如下表所示：,74,-,玻璃纤维拉伸强度与直径的关系,75,-,B、,拉伸强度,也与,纤维的长度,有关，随着,长度增加,拉伸强度显著下降,。如下表所示：,76,-,纤维,直径和长度,对,拉伸强度,的影响，可用“,微裂纹理论,”给予解释：,随着纤维,直径的减小,和,长度的缩短,，纤维中,微裂纹的,数量和大小,就会相应地,减小,，这样,强度,就会相应地,增加,。,77,-,、化学组成对强度的影响,纤维的,强度,与玻璃,化学成分,关系密切。,对于,同一系统,(即,基本组分,)来说，部分,改变氧化物的种类和数量,，纤维强度改变不大(2030)。,而,改变系统,(即,改变它的基本组分,)，强度会产生大幅度地变化。,78,-,一般来说，含碱量越高，纤维的强度越低。,高强玻璃纤维,强度明显地高于,无碱玻璃纤维,，而,有碱纤维,强度更低。,研究表明，,高强,和,无碱玻璃纤维,由于,成型温度高,、,硬化速度快,、,结构键能大,等原因，而具有很,高的拉伸强度,。,79,-,纤维的,表面缺陷,对,强度影响,巨大。如下表所示：,纤维强度与化学组成的关系,80,-,从上表可以看出，当各种纤维,都有微裂纹时,强度相近；只有当,表面缺陷减小到一定程度,时，,纤维强度,对其,化学组成,的依赖关系才会表现出来。,81,-,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。,82,-,例如，直径6 um的,无碱玻璃纤维,和含17的Na,2,O,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。,83,-,E、纤维的疲劳影响,玻璃纤维的疲劳,一般是指,纤维强度,随,施加负荷时间的增加而降低,的情况。,纤维疲劳现象是,普遍,的，当相对湿度为60 65%时，玻璃纤维在,长期张力作用下,，都会有很大程度的疲劳。,84,-,纤维强度,受施加负荷,时间,的影响，即,纤维的疲劳,是普通存在的。,例如，在施加60的,断裂负荷,的作用力下，2 6昼夜，纤维会全部断裂。,85,-,玻璃纤维,疲劳的原因,，在于,吸附作用的影响,，即,水分吸附,并,渗透到纤维微裂纹,中，在外力的作用下，加速裂纹的扩展。,玻璃纤维,疲劳的程度,取决于,微型纹,扩展和范围,。这与,应力,、,尺寸,、,湿度,、,介质种类,等方面有关。,86,-,F、成型方法和成型条件强度的影响,玻璃纤维,成型方法,和,成型条件,对强度也有很大影响。,如玻璃,硬化速度越快,，拉制的,纤维强度也越高,。,87,-,玻璃纤维的弹性,A、玻璃纤维的延伸率,纤维的延伸率(又称,断裂伸长率,)是指纤维,在外力作用下,直至拉断时,的伸长百分率。,玻璃纤维的延伸率,比其它,有机纤维的延伸率,低,，一般为3左右。,88,-,B、玻璃纤维的弹性模量,玻璃纤维的,弹性模量,是指,在弹性范围,内,应力和应变关系,的,比例常数,。,玻璃纤维的,弹性模量,约为7,10,4,MPa，与铝相当，只有普通钢的三分之一，致使复合材料的,刚度较低,。,89,-,对玻璃纤维的,弹性模量,起主要作用的是其,化学组成,。,实践证明，加入,BeO,、,MgO,能够提高玻璃纤维的弹性模量。,90,-,含BeO的高,弹玻璃纤维,(M)，其弹性模量比,无碱玻璃纤维,(E)提高60。它取决于玻璃纤维,结构的本身,，与,直径大小,、,磨损程度,等无关。,另外，,不同直径的玻璃纤维,弹性模量相同,，也证明了它们具有,近似的分子结构,。,91,-,(4)玻璃纤维的耐磨性与耐折性,玻璃纤维的,耐磨性,是指纤维,抵抗,磨擦,的能力,；,玻璃纤维的,耐折性,是指纤维,抵抗,折断,的能力,。玻璃纤维这,两个性能都很差,，经过揉搓摩擦容易受伤或断裂，这是玻纤的严重缺点。,92,-,当,纤维表面,吸附水分,后,能加速,微裂纹扩展,，使纤维,耐磨性和耐折性,降低。,为了提高玻璃纤维的,柔性,以满足纺织工艺的工求，可以采用适当的,表面处理,，如经0.2,阳离子活性剂水溶液,处理后，玻璃纤维的耐磨性比未处理的高200倍。,93,-,纤维的,柔性,一般以,断裂前弯曲半径的大小,来表示；,弯曲半径越小，柔性越好,。,如,玻璃纤维,直径为9 um时，其弯曲半径为0.094 mm；而,超细纤维,直径为3.6 um时，其弯曲半径为0.038 mm。,94,-,(5)玻璃纤维的热性能,玻璃纤维的导热性,导热系数,是指通过,单位传热面积,1m,2,，,温度梯度,为1度/m，,时间,为1小时,所通过的热量,。,95,-,玻璃,的,导热系数,为,0.6 1.1,千卡/米,度,时，但拉制成,玻璃纤维,后，其导热系数只有,0.03,千卡米度,时。,96,-,产生这种现象的原因，主要是,纤维间的空隙较大,，,容重较小,所致；,容重越小,，其,导热系数越小,，主要是因为,空气导热系数低,所致；,导热系数,越小，,隔热性能,越好。,97,-,温度的变化,对玻璃纤维的,导热系数影响不大,。,例如，当玻璃纤维的使用温度升高到200300 ，其导热系数只升高10。,因此，,玻璃纤维,是一种,优良的绝热材料,。当,玻璃纤维受潮,时，,导热系数增大,，,隔热性能降低,。,98,-,破璃纤维的耐热性,玻璃纤维,耐热性较高,，软化点为550 580，其,热膨胀系数,为4.8,10,6,/。,玻璃纤维,是一种,无机纤维,，不会引起燃烧。将玻璃纤维加温，直到,某一强度界限,以前，强度基本不变。,99,-,玻璃纤维的,耐热性,是由,化学成分,决定的。,一般情况下，,钠钙,玻璃纤维加热到470之前（不降温），强度变化不大；,石英,和,高硅氧,玻璃纤维的耐热性则可达到2000以上。,100,-,如果将,玻璃纤维,加热至250以上后,再冷却,(通常称为热处理)，则,强度明显下降,。,温度越高,，,强度下降越显著,。,例如：300下经24小时，强度下降20；,400下经24小时、强度下降50；,500下经24小时、强度下降70；,600下经24小时，强度下降80。,101,-,玻璃纤维的,强度降低,与,热作用时间,有关。,因此，,玻璃布,热处理温度,虽然很高，但因,受热时间短,，故,强度降低不大,。,玻璃纤维,热处理后,强度下降,，可能是,热处理,使,微裂纹增加,所引起的.,102,-,(6)玻璃纤维的电性能,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,电绝缘性能,比,有碱,纤维优越得多。,这主要是因为,无碱纤维中碱金属离子少,的缘故。碱金属离子越多，电绝缘性能越差；,玻璃纤维的,电阻率,随着,温度的升高,而,下降,。,103,-,虽然玻璃纤维的,吸附能力较小,，但,空气湿度,对玻璃纤维的,电阻率影响很大,。,湿度增加,，,电阻率下降,。如下表所示：,空气湿度对玻璃布电阻率影响,104,-,在玻璃纤维的,化学组成,中，加入大量的,氧化铁,、,氧化铅,、,氧化铜,、,氧化银,或,氧化钒,，会使纤维具有,半导体性能,。,在玻璃纤维上,涂敷,金属或石墨,，能获得,导电纤维,。,105,-,(7)玻璃纤维及制品的光学性能,玻璃,是优良的,透光材料,，但制成,玻璃纤维,制品后，其,透光性,远不如玻璃。,玻璃纤维制品的,光学性能,以,反射系数,、,透光系数,和,亮度系数,来表示。,106,-,反射系数P,是指玻璃布,反射的光强度,与,入射到玻璃布上的光强度,之比，即,式中：-反射系数；I,p,-反射光强度;,I,o,-入射光强度。,107,-,在一般情况下，,玻璃布的反射系数,与布的,织纹特点,、,密度,及,厚度,有关，平均为40-70;如将透光性较弱的,半透明材料,垫在下边玻璃布的,反射系数,可达87。,108,-,透过系数,是指,透过玻璃布的光强度,与,入射光强度,之比，即,式中，,-透光系数；I-透过光强度；,Io-入射光强度,109,-,玻璃布的,透光系数,与,布的厚度,及,密度,有关。,密度小而薄,的玻璃布，透光系数可达65；,密度大而厚,的玻璃布，透光系数只有1820。,110,-,亮度系数,是用,试样的亮度,与,绝对白的表面亮度,(标准器),之比,来测得。,不同织纹玻璃布的光学性能如下表所示：,不同织纹玻璃布的光学性能,111,-,由于,玻璃纤维,具有,优良的光学性能,，因而可以制成,透明玻璃钢,，进而制成各种,采光材料,、,导光管,以,传送光束,或,光学物像,。这在现代,通信技术,等方面也得到了广泛应用。,112,-,1.4 玻璃纤维的化学性能,玻璃纤维,除对,氢氟酸,、,浓碱,、,浓磷酸,外，对,所有化学药品,和,有机溶剂,都有,良好的化学稳定性,。,113,-,化学稳定性,在很大程度上,决定了,不同纤维的使用范围,。,玻璃纤维的,性能,一般认为与,水、湿度,有关。,114,-,玻璃纤维在,相对湿度80,以上的环境中存放，强度有所下降；,玻璃纤维在,l00相对湿度,下，强度保持率在50左右。,115,-,但是，,玻璃纤维单纤,即使,与水接触,，,强度也不发生变化,；,只有在,含碱玻璃纤维,中，由于玻璃纤维中所含的,碱分溶出,，,强度,才会,下降,。,116,-,(1)侵蚀介质对玻璃纤维制品的腐蚀情况,根据,网络结构假说,可知，,二氧化硅四面体,相互连结构成,玻璃纤维结构的骨架,，它是很难与,水,、,酸,(H,3,PO,3,，HF除外)起反应的。,117,-,在,玻璃纤维结构,中，还有,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,侵蚀介质,与,玻璃纤维制品,作用时，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,浓碱溶液,、,氢氟酸,、,磷酸,等，将使,玻璃纤维结构,全部,溶解,。,118,-,(2)影响玻璃纤维化学稳定性的因素,A玻璃纤维的,化学成分,；,B、纤维,表面情况,；,C、侵蚀介质,体积,和,温度,；,D玻璃纤维纱的,规格,及,性能,。,119,-,A玻璃纤维的化学成分,中碱玻璃纤维,对酸的稳定性,是较高的，但,对水的稳定性,是较差的；,无碱玻璃纤维,耐酸性较差,，但,耐水性,较好；如下表所示：,120,-,无碱与中碱玻璃纤维性能对比,121,-,中碱,玻璃纤维和,无碱,玻璃纤维，从,弱碱液对玻璃纤维强度的影响看,，二者的,耐碱性相接近,；如下表所示：,122,-,经NaOH溶液(5)浸润后方格布的变化,123,-,中碱纤维,含Na,2,O，K,2,O比,无碱纤维,高二十多倍，,受酸作用后,，首先从表面上，有较多的金属氧化物侵析出来，但主要是Na,2,O，K,2,O的离析、溶解。,124,-,另一方面，,中碱纤维,受酸作用后,，,酸,与玻璃纤维中,硅酸盐作用,生成,硅酸,，而,硅酸,迅速聚合,并凝成,胶体,，结果,在玻璃表面上,会形成一层极薄的,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,也缓慢。,实践证明Na,2,O，K,2,O有利于这层保护膜的形成。所以,中碱纤维,比,无碱纤维,的,耐酸性好,。,125,-,水与玻璃纤维,作用,，首先是侵蚀,玻璃纤维表面的,碱金属氧化物,，主要是,Na,2,O，K,2,O,的溶解，使水呈现,碱性,。,随着时间的增加，,玻璃纤维与碱液,继续作用、直至使,二氧化硅骨架,破坏。由于,无碱玻璃纤维,的,碱金属氧化物含量,较低，所以,对水的稳定性,较高。,126,-,无碱纤维,与,中碱纤维,受到NaOH溶液侵蚀后，几乎,所有玻璃成分,，包括SiO,2,在内，,均匀溶解,，使纤维变细。,但是，随,浸碱时间的增加,，,化学成分含量,基本不发生变化,，即,内部结构,并未破坏，因而,单位面积的强度,基本不变。,127,-,总之，玻璃纤维的,化学稳定性,主要取决于其成分中的,二氧化硅,及,碱金属氧化物,的含量。,显然，,二氧化硅含量多,能提高玻璃纤维的化学稳定性,，而,碱金属氧化物,则会,使化学稳定性降低,。,128,-,在玻璃纤维成分中,增加SiO,2,或A1,2,O,3,含量,，或,加入ZrO,2,及TiO,2,都可以提高玻璃纤维的,耐酸性,；,增加SiO,2,含量，或加入CaO，ZrO,2,及ZnO能提高玻璃纤维的,耐碱性,；,129,-,在玻璃纤维中加入A1,2,O,3,、ZrO,2,及TiO,2,等氧化物，可大大提高,耐水性,。,石英,、,高硅氧玻璃纤维,对,水,、,酸,的,化学稳定性较好,，,耐碱性,远比普通纤维高。,130,-,B、纤维表面情况对化学稳定性影响,玻璃,是一种非常好的,耐腐蚀材料,，但拉制成,玻璃纤维,后，其性能远不如玻璃。,这主要是由于,玻璃纤维的比表面积大,所造成的。,131,-,例如，克重的2mm厚的玻璃，只有5.1cm,2,表面积；而克玻璃纤维(直径5um)的表面积则有3100cm,2,，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。,132,-,侵蚀介质体积和温度对玻璃纤维化学稳定性的影响,同样的玻璃纤维，受不同体积的侵蚀介质作用，其化学稳定性不同。,介质的体积越大，对纤维的侵蚀越严重。,133,-,温度,对玻璃纤维的,化学稳定性,有很大影响。在,100以下,时，温度每升高10，纤维在介质侵蚀下的破坏速度增加50-l00；,温度升高到,l00以上,时，破坏作用将更剧烈。,134,-,D玻璃纤维纱的规格及性能,玻璃纤维纱,可分,无捻纱,及,有捻纱,两种。,无捻纱,一般用,增强型浸润剂,，由原纱直接并股、络纱制成。,有捻纱,则多用纺织型浸润剂，由原纱经过,退绕,、,加捻,、并股、络纱而制成。,135,-,由于生产,玻璃纤维纱,的,直径,、,支数,及,股数,不同，使,无捻纱和有捻纱的规格,有许多种。,纤维支数,有两种表示方法；,定重法,2定长法,136,-,定重法,是用一克重原纱的长度来表示。,纤维支数,纤维长度纤维重量,例如：40支纱，就是指一克重的原纱长40m。,137,-,2定长法,是目前,国际统一使用的方法,，通称“TE”(公制称号)，是指1000m长的原纱的克重量。例如：4“TEX”就是指1000m原纱重4g。,138,-,捻度,是指,单位长度内,纤维与纤维之间,所加的转数,，以捻米为单位。,捻度有,Z捻,和,S捻,，Z捻一般称为左捻，顺时针方向加捻；S捻称为右捻，是逆时针方向加捻。,139,-,通过,加捻,可,提高纤维的抱合力,，改善了单纤维的受力状况，有利于纺织工序的进行。,但是，当玻璃纤维的,捻度过大,时,，不易被树脂浸透。,140,-,无捻粗纱,中的纤维具有,平行排列,、,拉伸强度很高,、,易,被树脂,浸透,等特点。,因此，,无捻粗纱,多用于缠绕,高压容器,及,管道,等，同时也用于,挤拉成型,、,喷射成型,等工艺中。,141,-,2、特种玻璃纤维,2.1,高强度,及,高模量,玻璃纤维,2.2,耐高温,玻璃纤维,2.3,空心,玻璃纤维,142,-,2.1 高强度及高模量玻璃纤维,(1)高强度玻璃纤维,高强度玻璃纤维有,镁铝硅酸盐,和,硼硅酸盐,两个系统。,143,-,镁铝硅酸盐玻璃纤维,也称,S玻璃纤维,。其化学成分主要是SiO,2,-65，Al,2,O,3,-25，MgO-10。,S玻璃纤维与E玻璃纤维相比，,拉伸强度高,33%，,弹性模量,提高20。,144,-,S玻璃纤维,具有高的比强度，在高温下有,良好的强度保留率,及,高的疲劳极限,。,直径为9 um的,镁铝硅酸盐纤维,，经过,无水增强型浸润剂,“HTS”处理后，其,拉伸强度,可达4900 MPa，,弹性模量,为9,10,4,MPa，其,耐热性,比较高。,145,-,S玻璃纤维,的拉丝温度很高，一般要在1400以上，需要特殊的拉丝工艺。,因此，国外又开始研究,硼硅酸盐玻璃纤维,。这种纤维的化学成分为SiO,2,：40-50，A1,2,O,3,：19-29，B,2,O,3,：10-20，Li,2,O：0.1-1。,146,-,硼硅酸盐,玻璃纤维的,液相温度,较低，不需特殊拉丝工艺条件，一般用含量15-25的,铂拉丝炉,即可拉丝。,硼硅酸盐,玻璃纤维的,拉伸强度,为4400 MPa，,弹性模量,为7.4,l0,4,MPa。,有时，为了提高,硼硅酸盐玻璃纤维,弹性模量，常常在其配方中人为引入BeO。,147,-,(2)高模量玻璃纤维,高模量玻璃,，也称,M玻璃,或,YM-35-A玻璃,。M玻璃纤维的,模量,为9.4,10,4,MPa，比一般玻璃纤维的模量提高1/3以上，,拉伸强度,和E玻璃纤维相似，,玻璃液相温度,为1110 。,148,-,由,M玻璃纤维,制成的,玻璃钢制品,刚性特别好,，,在外力作用下,不易变形，更适合于要求,高强度和高模量制品,，以及,航空、宇航所用的制品,。,国内这种玻璃的成分质量比如下：,149,-,2.2 耐高温玻璃纤维,(1)石英纤维,(2)铝硅酸盐玻璃纤维,150,-,(1)石英纤维,石英纤维,是一种优良的耐高温材料，这种纤维仅限于用高纯度(99.95二氧化硅),天然石英晶体,制成的纤维，它保持了,固体石英的特点和性能,。,151,-,石英纤维的直径一般为10-100 um，由于其,纤维比较脆,，故纺织品价格比一般玻璃纱高很多。,石英纤维的具有以下五个方面的性能：,152,-,软化温度高,一般玻璃纤维,的,软化温度,只有550-580，而,石英纤维,的,软化温度,可达1250 以上。,153,-,膨胀系数小,室温下，,石英纤维,的膨胀系数为5,10,7,/，当温度升高到1200 时、仅增大为11,10,-7,/，为普通玻璃纤维的1/10-1/20。,另外，,石英纤维,加热到800-1000 后，用水冷却，其性能无损伤。,154,-,电性能好,石英纤维,在高温下,的,电绝缘性能,良好，其导电率只有10,-16,-1,.cm,1,，为一般纤维的干分之一至万分之一。,155,-,石英纤维,能,耐,100-200,浓酸的浸蚀,，但,耐碱及碱性盐,的能力差些。,石英纤维,在250-4700 um的光谱区内，有较高的透光率。,石英纤维,广泛用在,电机制造,、,光通讯,、,火箭,及,原子反应堆工程,等方面。,156,-,()铝硅酸盐玻璃纤维,铝硅酸盐玻璃纤维,是以,高岭土,、,铝矾土,、,蓝晶石,等为原料，在高频炉、电弧炉或其它高温炉中熔化，用,吹制法,制成的玻璃纤维。,吹制法制,成的,纤维较短,，可以,捻丝成线,，但,强度较低,。,157,-,铝硅酸盐玻璃纤维,的,化学组成特点,是A1,2,O,3,占50以上，其,熔化温度,为1760，,最高使用温度,为1260。,铝硅酸盐玻璃纤维,的主要用途是作,绝缘材料,和,隔热材料,，多用于,火箭,、,喷气发动机,、,原子反应堆,等。,158,-,2.3 空心玻璃纤维,空心玻璃纤维,是采用,铝硼硅酸盐玻璃,原料，用特制,拔丝炉,拔丝制成。,空心玻璃纤维,呈,