1、第三章第三章 复合材料的增强材料复合材料的增强材料第三章复合材料的增强材料第1页，共52页。复合材料的组成复合材料的组成基体基体Matrix增强体增强体Reinforcement界面界面Interface第三章复合材料的增强材料第2页，共52页。v增强材料的作用：增强材料的作用：a 承受外界施加载荷承受外界施加载荷，提高树脂基体的力学性能。，提高树脂基体的力学性能。b 显示功能显示功能：可提高耐热性，降低收缩率，以及赋予一些：可提高耐热性，降低收缩率，以及赋予一些功能性（如磁学、电学等功能）功能性（如磁学、电学等功能）v增强材料的外观形状：增强材料的外观形状：纤维状纤维状：增强作用最明显：增强
2、作用最明显 片状片状 颗粒状颗粒状第三章复合材料的增强材料第3页，共52页。玻璃纤维玻璃纤维碳纤维碳纤维硼纤维硼纤维碳化硅纤维碳化硅纤维Kevlar等有机物纤维等有机物纤维 第三章复合材料的增强材料第4页，共52页。vGF及其制品及其制品:第一节第一节 玻璃纤维玻璃纤维什么是玻璃钢？什么是玻璃钢？玻璃纤维与树脂基体形成的复合材料玻璃纤维与树脂基体形成的复合材料第三章复合材料的增强材料第5页，共52页。玻璃纤维长纤玻璃纤维布玻璃纤维绳玻璃纤维纸玻璃纤维短纤第三章复合材料的增强材料第6页，共52页。第三章复合材料的增强材料第7页，共52页。第三章复合材料的增强材料第8页，共52页。v1.1.GF的
3、分类的分类1.1.1 以玻璃原料成分分类（用于连续以玻璃原料成分分类（用于连续GF的分类）的分类）一般以不同的碱金属氧化物含量来区分。一般以不同的碱金属氧化物含量来区分。v无碱玻璃纤维（无碱玻璃纤维（E E玻璃纤维）玻璃纤维）v中碱玻璃纤维（中碱玻璃纤维（C玻璃纤维）玻璃纤维）v高碱玻璃纤维（高碱玻璃纤维（A A玻璃纤维）玻璃纤维）第三章复合材料的增强材料第9页，共52页。碱金属氧化物含量碱金属氧化物含量 0.05%化学稳定性、电绝缘性能、强度好化学稳定性、电绝缘性能、强度好 主要用作电绝缘材料、玻璃钢的增强材料主要用作电绝缘材料、玻璃钢的增强材料 等等 back第三章复合材料的增强材料第10
4、页，共52页。v碱金属氧化物碱金属氧化物：一般指氧化钠、氧化钾。：一般指氧化钠、氧化钾。v碱金属氧化物碱金属氧化物是普通玻璃的主要成分之一，主要作是普通玻璃的主要成分之一，主要作用是降低玻璃的熔点。用是降低玻璃的熔点。v碱金属氧化物碱金属氧化物含量越高，玻璃纤维的化学稳定性、电含量越高，玻璃纤维的化学稳定性、电绝缘性能、强度都会相应下降。绝缘性能、强度都会相应下降。back第三章复合材料的增强材料第11页，共52页。碱金属氧化物含量碱金属氧化物含量11.5-12.5%11.5-12.5%含碱量高，不能用作电绝缘材料，但其化学稳定性和强含碱量高，不能用作电绝缘材料，但其化学稳定性和强度尚好。度尚
5、好。一般用作乳胶布、方格布基材、酸性过滤布、窗纱基材等，也可一般用作乳胶布、方格布基材、酸性过滤布、窗纱基材等，也可作对电性能和强度要求不很严格的玻璃钢增强材料。作对电性能和强度要求不很严格的玻璃钢增强材料。成本较低，用途较广。成本较低，用途较广。back第三章复合材料的增强材料第12页，共52页。碱金属氧化物含量碱金属氧化物含量 1515 如采用碎的平板玻璃、碎瓶子玻璃等作原料拉制而成的玻璃纤维如采用碎的平板玻璃、碎瓶子玻璃等作原料拉制而成的玻璃纤维均属此类。均属此类。可用作蓄电瓶的隔离片、管道包扎布和毡片等防水、防潮材料。可用作蓄电瓶的隔离片、管道包扎布和毡片等防水、防潮材料。backba
6、ck第三章复合材料的增强材料第13页，共52页。1.1.2 1.1.2 以单丝直径分类以单丝直径分类v粗纤维粗纤维：单丝直径一般为：单丝直径一般为30umv初级纤维初级纤维：单丝直径大于：单丝直径大于20um；v中级纤维中级纤维：单丝直径：单丝直径10-20umv高级纤维高级纤维：（亦称：（亦称纺织纤维纺织纤维）其单丝直径）其单丝直径3-10um。对于单丝直径。对于单丝直径小于小于4um的玻璃纤维又称为的玻璃纤维又称为超细纤维超细纤维。一般：一般：5-10um的纤维作为纺织制品用的纤维作为纺织制品用 10-14um的纤维一般做无捻粗纱、无纺布、短切纤维毡等较为适的纤维一般做无捻粗纱、无纺布、短
7、切纤维毡等较为适宜。宜。第三章复合材料的增强材料第14页，共52页。1.1.3 1.1.3 按纤维性能分类按纤维性能分类 这是一类为适应特殊使用要求，新发展起来的，纤维本身具有某些这是一类为适应特殊使用要求，新发展起来的，纤维本身具有某些特殊优异性能的新型玻璃纤维，大致可分为：特殊优异性能的新型玻璃纤维，大致可分为：高强玻璃纤维；高强玻璃纤维；高模量玻璃纤维；高模量玻璃纤维；耐高温玻璃纤维；耐高温玻璃纤维；耐碱玻璃纤维；耐碱玻璃纤维；耐酸玻璃纤维；耐酸玻璃纤维；普通玻璃纤维（指无碱及中碱玻璃纤维）；普通玻璃纤维（指无碱及中碱玻璃纤维）；光学纤维；光学纤维；低介电常数玻璃纤维；低介电常数玻璃纤维
8、；导电纤维等导电纤维等第三章复合材料的增强材料第15页，共52页。1.2 1.2 GF的组成及结构的组成及结构1 1）GFGF的化学组成的化学组成 玻璃纤维的化学组成主要有玻璃纤维的化学组成主要有SiO2、Be2O3、CaO、Al2O3等。等。这些物质对玻璃纤维的性质和生产工艺起决定性作用这些物质对玻璃纤维的性质和生产工艺起决定性作用。v以以SiO2为主为主称称硅酸盐玻璃硅酸盐玻璃v以以Be2O3为主为主称称硼酸盐玻璃硼酸盐玻璃v以以P2O5为主为主称称磷酸盐玻璃磷酸盐玻璃 除主要成分以外，尚须加入其他的氧化物等。除主要成分以外，尚须加入其他的氧化物等。第三章复合材料的增强材料第16页，共52
9、页。2 2）GF的结构的结构 无规则网络学说无规则网络学说：硅氧四面体，铝氧三面体，硼氧三面体相互连成不规则的三维结构。硅氧四面体，铝氧三面体，硼氧三面体相互连成不规则的三维结构。网络间的空隙由网络间的空隙由Ca、Na、K、Mg等阳离子所填充。等阳离子所填充。SiO2的四面体组成的三维网络 强度和模量主要取决于组成氧 化物的三维结构第三章复合材料的增强材料第17页，共52页。1.3 GF1.3 GF的性能的性能1.3.11.3.1物理性能物理性能va.外观：光滑，圆柱形。纤维之间抱合力小，外观：光滑，圆柱形。纤维之间抱合力小，影响了与树脂的复合效果。但光滑表面，对影响了与树脂的复合效果。但光滑
10、表面，对气体和液体通过的阻力小，所以制作过滤材气体和液体通过的阻力小，所以制作过滤材料较理想。并可提高堆砌度。料较理想。并可提高堆砌度。vb.密度：密度：2.5左右，比金属纤维轻左右，比金属纤维轻第三章复合材料的增强材料第18页，共52页。1.3.2 1.3.2 力学性能力学性能a.a.拉伸强度拉伸强度 GF的拉伸强度比玻璃高几十倍第三章复合材料的增强材料第19页，共52页。v影响玻璃纤维强度的因素：纤维直径和长度纤维直径和长度：直径越大，长度越小，强度越大；直径越大，长度越小，强度越大；化学组成化学组成：含碱量越大，强度越小；含碱量越大，强度越小；存放时间存放时间：存放时间越长，强度越小存放
11、时间越长，强度越小(空气中水分的侵蚀空气中水分的侵蚀)施加负荷时间施加负荷时间：施加负荷时间越长，强度越小施加负荷时间越长，强度越小 除此之外，玻璃液的缺陷，如杂质，气泡等也显著影响除此之外，玻璃液的缺陷，如杂质，气泡等也显著影响GF的强度。的强度。第三章复合材料的增强材料第20页，共52页。b.b.弹性模量弹性模量(刚性刚性)GF的弹性模量小于金属合金。但大于其它人造纤维的弹性模量小于金属合金。但大于其它人造纤维5-8倍。倍。GF的弹性伸长率低，如的弹性伸长率低，如E玻璃纤维仅玻璃纤维仅3%左右，左右，S玻璃纤维玻璃纤维5.4%，这，这说明说明GF只有存在弹性变形，是只有存在弹性变形，是完全
12、弹性体完全弹性体。拉伸时，不存在屈服点。拉伸时，不存在屈服点。第三章复合材料的增强材料第21页，共52页。3)3)耐热性耐热性与有机纤维比，与有机纤维比，GF是有很高的耐热性，是有很高的耐热性，玻璃纤维是完全不燃烧的纤维，所以可以作为玻璃纤维是完全不燃烧的纤维，所以可以作为 电气绝缘材料和防火材料电气绝缘材料和防火材料纤维GFPAPS软化点（）500-750230-25088-110第三章复合材料的增强材料第22页，共52页。4 4）GFGF的化学性质的化学性质vGF与与Glass相比，由于具有较大的比表面积，因此受介质侵蚀度剧烈。相比，由于具有较大的比表面积，因此受介质侵蚀度剧烈。vGF对除
13、对除HF，浓碱，浓碱，H3PO4以外的化学药品及有机溶剂具有良好以外的化学药品及有机溶剂具有良好的化学稳定性。的化学稳定性。第三章复合材料的增强材料第23页，共52页。2 GF2 GF的生产工艺的生产工艺2.1 2.1 坩埚拉丝坩埚拉丝铂金坩埚拉丝铂金坩埚拉丝：坩埚：坩埚：锅身：耐火硅材；锅身：耐火硅材；漏板：铂铑合金漏板：铂铑合金玻璃珠第三章复合材料的增强材料第24页，共52页。2.2 2.2 池窑拉丝（新技术）池窑拉丝（新技术）v池窑拉丝是生产玻璃纤维的先进工艺，规模及生产能力远远大池窑拉丝是生产玻璃纤维的先进工艺，规模及生产能力远远大于坩埚拉丝。于坩埚拉丝。v我国在我国在19901990
14、年才有第一座从国外引进的年产年才有第一座从国外引进的年产40004000吨无碱玻璃纤维吨无碱玻璃纤维池窑拉丝投产，其生产能力不足当年全国产量的百分之五。池窑拉丝投产，其生产能力不足当年全国产量的百分之五。第三章复合材料的增强材料第25页，共52页。v不经制球、坩埚再熔工序。不经制球、坩埚再熔工序。v工序简化，原丝质量好，产量高。工序简化，原丝质量好，产量高。v产量高产量高(可以实现可以实现1600孔，孔，2000孔，更多孔的大漏板拉丝孔，更多孔的大漏板拉丝)。池窑拉丝法的特点池窑拉丝法的特点第三章复合材料的增强材料第26页，共52页。3 GF3 GF的表面处理的表面处理3.1 3.1 浸润剂浸
15、润剂 作用作用v润滑润滑保护作用保护作用v粘结粘结集束作用集束作用v防止防止GFGF表面静电荷的积累表面静电荷的积累v使使GFGF获得与基体树脂有良好的相容性及界面化学结合或化学吸附等性能获得与基体树脂有良好的相容性及界面化学结合或化学吸附等性能第三章复合材料的增强材料第27页，共52页。3.2 3.2 表面处理剂表面处理剂 又称为又称为偶联剂偶联剂，架桥剂架桥剂，是一种能够改变，是一种能够改变GF增强增强CM界面能的化合物。界面能的化合物。3.2.1 3.2.1 偶联剂的分类偶联剂的分类二种基团：一种可与二种基团：一种可与GFGF表面结合，另一种可与基体通过物理或表面结合，另一种可与基体通过
16、物理或化学作用相结合。化学作用相结合。第三章复合材料的增强材料第28页，共52页。偶联剂主要可分为以下几大类：偶联剂主要可分为以下几大类：v硅烷偶联剂硅烷偶联剂v有机铬偶联剂有机铬偶联剂(沃兰沃兰)v钛酸酯类偶联剂钛酸酯类偶联剂v其他偶联剂其他偶联剂第三章复合材料的增强材料第29页，共52页。v硅烷偶联剂硅烷偶联剂 通式可写为：通式可写为：R Rn nSiXSiX4-n4-n 其中：其中：R R为有机功能基团，如为有机功能基团，如NH2，SH，X X为易水解基团，为易水解基团，Cl,OR,O(OCHCl,OR,O(OCH3 3)等等 CHCH2OCHCH2，水解水解-SiOH可与可与GF中的中
17、的Si-OH 作用作用第三章复合材料的增强材料第30页，共52页。偶联机理如下：偶联机理如下：i.e.甲基三氧甲基硅烷v硅烷偶联剂水解：硅烷偶联剂水解：v三醇基硅烷与三醇基硅烷与GF表面的表面的SiOH形成氢键形成氢键vGF在烘干过程中，硅烷偶联剂与在烘干过程中，硅烷偶联剂与GF表面以表面以H键形式结合的键形式结合的OH，在高，在高温下发生醚化反应，脱去温下发生醚化反应，脱去1分子水形成醚键，以形成的共价键结合分子水形成醚键，以形成的共价键结合 第三章复合材料的增强材料第31页，共52页。XRSiXXH2OHOSiROHOH三醇基硅烷RHOSiOHOHHOSiRHOSiOHOHHOSiSiOH
18、HOSiSiSiOH2O(玻璃)(玻璃)u u u 与与EP的相容性如何的相容性如何第三章复合材料的增强材料第32页，共52页。环氧树脂固化，生成仲羟基，也可以与偶联剂形成氢键和醚键环氧树脂固化，生成仲羟基，也可以与偶联剂形成氢键和醚键OOHCH2CH2CHCH2OH你答对了吗？back.NRCH2CHOHCH2CHOH第三章复合材料的增强材料第33页，共52页。v有机铬偶联剂有机铬偶联剂 由不饱和有机酸与三价铬离子形成的金属铬络合物。由不饱和有机酸与三价铬离子形成的金属铬络合物。最常用的有机铬偶联剂：最常用的有机铬偶联剂：甲基丙烯酸氯化铬络合物甲基丙烯酸氯化铬络合物(沃兰沃兰)第三章复合材料
19、的增强材料第34页，共52页。CH2CCH3COOCl2CrCrCl2OHCH2CCH3COO(OH)2CrCr(OH)2OHSiOH与玻纤表面形成氢键高温醚化形成共价键水解结构式：偶联机理：第三章复合材料的增强材料第35页，共52页。3.2.2 3.2.2 偶联剂的作用偶联剂的作用：v偶联作用偶联作用（既能与玻璃纤维相连，又能与树脂间发生作用，从而增强既能与玻璃纤维相连，又能与树脂间发生作用，从而增强界面的粘结）界面的粘结）v保护作用保护作用（保护玻璃纤维的表面，防止水分或其他有害介质侵入）（保护玻璃纤维的表面，防止水分或其他有害介质侵入）v改善界面状态改善界面状态（减少或消除界面弱点，改善
20、界面状态，使应力有（减少或消除界面弱点，改善界面状态，使应力有效传递）效传递）v改善复合材料的性能改善复合材料的性能（改善玻璃钢性能，如耐水性、耐化学腐蚀性、（改善玻璃钢性能，如耐水性、耐化学腐蚀性、力学性能、耐热性等）力学性能、耐热性等）第三章复合材料的增强材料第36页，共52页。（a）是未加相容剂的玻纤增强体系）是未加相容剂的玻纤增强体系的冲击试样断口扫描电镜照片的冲击试样断口扫描电镜照片从中可以看出，（从中可以看出，（a）中）中有大量的玻纤从基体中有大量的玻纤从基体中拔出，证明与基体的粘拔出，证明与基体的粘接性较差，因而体系的接性较差，因而体系的力学性能不高。力学性能不高。第三章复合材料
21、的增强材料第37页，共52页。b是玻纤增强是玻纤增强PP的冲击试样的断口扫描电镜照片，的冲击试样的断口扫描电镜照片，（b）是加入）是加入MPP相容剂的玻纤增强相容剂的玻纤增强体系，其中玻璃纤体系，其中玻璃纤维与基体的结合较维与基体的结合较好，纤维拔出较少好，纤维拔出较少.第三章复合材料的增强材料第38页，共52页。vMPP的加入，明显改善了GF与PP的粘结作用。为什么？为什么？友情提示：参照反应性增容机理友情提示：参照反应性增容机理第三章复合材料的增强材料第39页，共52页。v4 特种玻纤v4.1 高强、高模GF 高强、高模玻璃纤维的主要成分是：SiO2、CaO、MgO三元组成。有高达1442
22、1453的结晶上限温度，因此纤维成型温度高达1500。CaO对模量的贡献 应用：宇航领域第三章复合材料的增强材料第40页，共52页。火箭火箭 的翼面的翼面 第三章复合材料的增强材料第41页，共52页。v4.2 低介电玻璃纤维：SiO2、Be2O3的含量占总重的的含量占总重的95%以上以上有效降低介电性具有良好的吸波性隐身材料第三章复合材料的增强材料第42页，共52页。v雷达吸波结构复合材料简称吸波复合材料 性能要求：比重低、比强度高、比模量高，吸波复合材料在有效吸收衰减雷达波使飞机隐身的同时，本身还是一种结构料，起着承载和减重的作用。减重对隐身飞机来讲有着更为特殊的意义。美国道尔化学公司研制的
23、材料型号为Fibalog，第三章复合材料的增强材料第43页，共52页。美国F117隐形战斗机第三章复合材料的增强材料第44页，共52页。4.3 异型截面玻璃纤维v椭圆形、扁圆形、茧形，二叶形、三叶形、三角形、十字形、月芽形、带形等 第三章复合材料的增强材料第45页，共52页。v v作用：（1）填充率提高，更能发挥各向异性；(2)比表面积大。因而有利于玻璃纤维与树脂之间的界面粘结，从而提高复合材料的力学性能；（3）表面有凹凸的异形玻璃纤维（如茧形、三叶形纤维）在制品中相互嵌合，提高了纤维间的摩擦力，从而提高了复合材料的强度；（4）异形纤维对液体的保持力提高。第三章复合材料的增强材料第46页，共5
24、2页。v本节思考题：v1 玻璃纤维的结构特性v2 玻璃纤维的表面改性及机理v3 特种玻璃纤维的处理方法第三章复合材料的增强材料第47页，共52页。单链单链双链双链第三章复合材料的增强材料第48页，共52页。热塑性玻璃钢分类：以热塑性树脂为粘接剂的玻璃纤维增强材料，如尼龙、ABS、聚苯乙烯等。特点：强度不如热固性玻璃钢,但成形性好、生产率高，且比强度不低。用途：尼龙66玻璃钢 刚度、强度、减摩性好，作轴承、轴承架、齿轮等精密件、电工件、汽车仪表、前后灯等 ABS玻璃钢 化工装置、管道、容器、聚苯乙烯玻璃钢 汽车内装、收音机机壳、空调叶片等 聚碳酸酯玻璃钢 耐磨、绝缘仪表等 第三章复合材料的增强材
25、料第49页，共52页。干式空心限流电抗器 v采用多层并联绕组，干式空心结构。每个绕组由小截面绝缘铝导线并联绕制而成，电抗器整体由环氧玻璃纤维包封，经高温固化，每层绕组的导线引出端都焊接在上下铝合金星形支架上，采用自然空气对流冷却方式，产品外表面涂抗老化、抗紫外线的绝缘漆。产品设计寿命长达30年 第三章复合材料的增强材料第50页，共52页。v1）耐腐蚀性：化学惰性的材质，耐腐蚀性优异，并可根据输送介质选择不同的耐腐蚀管道。（2）机械强度大：耐水压强度，耐外压强度和耐冲击强度均良好并可按要求的压力设计制造管道和管件。（3）温度适应性强：使用温度范围：大于-70摄氏度小于250摄氏度，冰冻介质下管道不裂。（4）流体阻力小：管道内壁光滑，粗糙系数0.0084,相同流量下,管径可予缩小。（5）重量轻，寿命长：质轻，运输便利，施工费用低，无须维修，使用寿命长达50年以上。（6）保持水质：无毒，输送饮水用水，能保持长期水质卫生。第三章复合材料的增强材料第51页，共52页。随着通信业的发展，3G和FTTH正在启动，城市接入网的建设步伐在加快，光纤接入的接入点越来越密，短距离多分支情况在城市接入网中会越来越多，可分支光缆随之诞生。子光缆的中间是松套光纤，外面可以用纺纶或玻璃纤维来加强，第三章复合材料的增强材料第52页，共52页。
