1、第三部分第三部分 復合材料的增強材料復合材料的增強材料v增強材料的作用：增強材料的作用： 承受外界施加載荷承受外界施加載荷，提高樹脂基體的力學性能。還可提，提高樹脂基體的力學性能。還可提高耐熱性，降低收縮率，以及賦予一些功能性（如磁學、電高耐熱性，降低收縮率，以及賦予一些功能性（如磁學、電學等功能，功能體）學等功能，功能體）v增強材料的外觀形狀：增強材料的外觀形狀： 纖維狀纖維狀：增強作用最明顯，應用最廣：增強作用最明顯，應用最廣 片狀片狀 顆粒狀顆粒狀6.1 gf及其制品及其制品6.1.1 gf的分類的分類1 1）以玻璃原料成分分類（用于連續）以玻璃原料成分分類（用于連續gf的分類）的分類）

2、 一般以不同的堿金屬氧化物含量來區分。一般以不同的堿金屬氧化物含量來區分。v無堿玻璃纖維無堿玻璃纖維（e玻璃纖維）玻璃纖維） 堿金屬氧化物含量堿金屬氧化物含量 0.05%0.05% 化學穩定性、電絕緣性能、強度好化學穩定性、電絕緣性能、強度好 主要用作電絕緣材料、玻璃鋼的增強材料等主要用作電絕緣材料、玻璃鋼的增強材料等第六章第六章 玻璃纖維及其制品玻璃纖維及其制品v中堿玻璃纖維（中堿玻璃纖維（c玻璃纖維）玻璃纖維） 堿金屬氧化物含量堿金屬氧化物含量11.5-12.5%11.5-12.5% 含堿量高，不能用作電絕緣材料，但其化學穩定性和含堿量高，不能用作電絕緣材料，但其化學穩定性和強度尚好。強度

3、尚好。 一般用作乳膠布、方格布基材、酸性過濾布、窗紗基一般用作乳膠布、方格布基材、酸性過濾布、窗紗基材等，也可作對電性能和強度要求不很嚴格的玻璃鋼增強材材等，也可作對電性能和強度要求不很嚴格的玻璃鋼增強材料。料。 成本較低，用途較廣。成本較低，用途較廣。 v高堿玻璃纖維（高堿玻璃纖維（a玻璃纖維）玻璃纖維） 堿金屬氧化物含量堿金屬氧化物含量 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纖維均屬此類。玻璃纖維均屬此類。 可用作蓄電瓶的隔離片、管道包扎布和氈片等防水、防可用作蓄電瓶的隔離片、管道包扎布和氈片等防水、防潮材料。潮材料。

4、v特種玻璃纖維特種玻璃纖維 由純鎂鋁硅三元組成的由純鎂鋁硅三元組成的高強玻璃纖維高強玻璃纖維（sglass）；）； 鎂鋁硅系鎂鋁硅系高強高彈玻璃纖維高強高彈玻璃纖維； 硅鋁鈣鎂系硅鋁鈣鎂系耐化學腐蝕玻璃纖維耐化學腐蝕玻璃纖維； 含鉛纖維；含鉛纖維； 高硅氧纖維；高硅氧纖維； 石英纖維等。石英纖維等。 v堿金屬氧化物堿金屬氧化物：一般指氧化鈉、氧化鉀。：一般指氧化鈉、氧化鉀。v堿金屬氧化物堿金屬氧化物是普通玻璃的主要成分之一，主要是普通玻璃的主要成分之一，主要作用是降低玻璃的熔點。作用是降低玻璃的熔點。v堿金屬氧化物堿金屬氧化物含量越高，玻璃纖維的化學穩定性、含量越高，玻璃纖維的化學穩定性、電絕

5、緣性能、強度都會相應下降。電絕緣性能、強度都會相應下降。2 2）以單絲直徑分類）以單絲直徑分類v粗粗 纖纖 維維：單絲直徑一般為：單絲直徑一般為30umv初級纖維初級纖維：單絲直徑大于：單絲直徑大于20um；v中級纖維中級纖維：單絲直徑：單絲直徑10-20umv高級纖維高級纖維：（：（紡織纖維紡織纖維）其單絲直徑）其單絲直徑3-10um。v超細纖維超細纖維：單絲直徑小于單絲直徑小于4um。 一般：一般：5-10um的纖維作為紡織制品用；的纖維作為紡織制品用； 10-14um的纖維一般做無捻粗紗、無紡布、短切纖的纖維一般做無捻粗紗、無紡布、短切纖維氈等較為適宜。維氈等較為適宜。 3 3）按纖維性

6、能分類）按纖維性能分類 這是一類為適應特殊使用要求，新發展起來的，纖維本這是一類為適應特殊使用要求，新發展起來的，纖維本身具有某些特殊優異性能的新型玻璃纖維，大致可分為：身具有某些特殊優異性能的新型玻璃纖維，大致可分為： 高強玻璃纖維；高強玻璃纖維； 高模量玻璃纖維；高模量玻璃纖維； 耐高溫玻璃纖維；耐高溫玻璃纖維； 耐堿玻璃纖維；耐堿玻璃纖維； 耐酸玻璃纖維；耐酸玻璃纖維； 普通玻璃纖維（指無堿及中堿玻璃纖維）；普通玻璃纖維（指無堿及中堿玻璃纖維）； 光學纖維；光學纖維； 低介電常數玻璃纖維；低介電常數玻璃纖維； 導電纖維導電纖維 等等6.1.2 6.1.2 gf的結構及組成的結構及組成1

7、1）gf的特點的特點 玻璃玻璃：無規則的非晶態結構，近程有序，遠程無序無規則的非晶態結構，近程有序，遠程無序 玻璃的共性：玻璃的共性：v各向同性各向同性v無固定熔點無固定熔點v亞穩定性亞穩定性v性質變化的連續性，可逆性性質變化的連續性，可逆性 v亞穩定性亞穩定性 玻璃是由熔融液體過冷得到的，在冷卻過程中粘度急玻璃是由熔融液體過冷得到的，在冷卻過程中粘度急劇提高，質點來不及做有規則的排列而形成晶體，沒有釋劇提高，質點來不及做有規則的排列而形成晶體，沒有釋放出結晶潛熱放出結晶潛熱(凝固熱凝固熱)。所以玻璃態物質比相應的結晶態。所以玻璃態物質比相應的結晶態物質具有較大的能量，不是處于能量最低的穩定態

8、，而屬物質具有較大的能量，不是處于能量最低的穩定態，而屬于于亞穩態亞穩態。v性質變化的連續性、可逆性性質變化的連續性、可逆性： 玻璃在由熔融態冷卻或加熱過程中，其物理化學性質變化玻璃在由熔融態冷卻或加熱過程中，其物理化學性質變化是逐漸、連續的變化，而且是可逆的。是逐漸、連續的變化，而且是可逆的。 2 2）gf的結構的結構 關于關于gf的結構有兩種學說：的結構有兩種學說：v無規則網絡學說無規則網絡學說：硅氧四面體，鋁氧三面體，硼氧三面體相硅氧四面體，鋁氧三面體，硼氧三面體相互連成不規則的三維結構。網絡間的空隙由互連成不規則的三維結構。網絡間的空隙由ca、na、k、mg等陽離子所填充。等陽離子所填

9、充。v微晶學說微晶學說：玻璃由硅酸塊或二氧化硅的微晶子組成，在微晶玻璃由硅酸塊或二氧化硅的微晶子組成，在微晶子之間由硅酸塊過冷溶液填充。子之間由硅酸塊過冷溶液填充。3 3）gfgf的化學組成的化學組成 玻璃纖維的化學組成主要有玻璃纖維的化學組成主要有sio2、be2o3、cao、al2o3等。這些物質對玻璃纖維的性質和生產工藝起決定性等。這些物質對玻璃纖維的性質和生產工藝起決定性作用。作用。v以以sio2為主為主稱稱硅酸鹽玻璃硅酸鹽玻璃v以以be2o3為主為主稱稱硼酸鹽玻璃硼酸鹽玻璃v以以p2o5為主為主稱稱磷酸鹽玻璃磷酸鹽玻璃 除主要成分以外，尚須加入其他的氧化物等。各種氧化物除主要成分以外

10、，尚須加入其他的氧化物等。各種氧化物在玻璃中的作用是比較復雜的。在玻璃中的作用是比較復雜的。6.1.3 gf6.1.3 gf的性能的性能1)1)物理性能物理性能va. 外觀：光滑，圓柱形。纖維之間抱合力小，影響了與樹外觀：光滑，圓柱形。纖維之間抱合力小，影響了與樹脂的復合效果。但光滑表面對氣體和液體通過的阻力小，所脂的復合效果。但光滑表面對氣體和液體通過的阻力小，所以制作過濾材料較理想。以制作過濾材料較理想。vb. 密度：密度：2.5左右，主要取決于玻璃的成分。某些特種玻璃，左右，主要取決于玻璃的成分。某些特種玻璃，如石英玻璃纖維，高硅氧玻璃纖維等，其密度較低，僅為如石英玻璃纖維，高硅氧玻璃纖

11、維等，其密度較低，僅為2.0-2.2g/cm3；含有大量重金屬氧化物的高模；含有大量重金屬氧化物的高模gf，密度可達，密度可達2.7-2.9g/cm3。2)2)力學性能力學性能a. a. 拉伸強度拉伸強度 gf的拉伸強度比玻璃高幾十倍？微裂紋假說：微裂紋假說： 玻璃結構的不均勻性，使玻璃易產生微裂紋，外力作用玻璃結構的不均勻性，使玻璃易產生微裂紋，外力作用下，形成應力集中點。玻璃纖維，更多地保留著高溫熔體的下，形成應力集中點。玻璃纖維，更多地保留著高溫熔體的結構結構( (結構均一性提高結構均一性提高) )，微裂紋產生機會減少，且，微裂紋產生機會減少，且gf截面截面小，所以表面微裂紋比塊狀玻璃少

12、。小，所以表面微裂紋比塊狀玻璃少。v影響玻璃纖維強度的因素：纖維直徑和長度纖維直徑和長度：直徑越小，長度越小，強度越大；直徑越小，長度越小，強度越大；化學組成化學組成：含堿量越大，強度越小；含堿量越大，強度越小；存放時間存放時間：存放時間越長，強度越小存放時間越長，強度越小(空氣中水分的侵蝕空氣中水分的侵蝕)施加負荷時間施加負荷時間：施加負荷時間越長，強度越小施加負荷時間越長，強度越小 除此之外，玻璃液的缺陷，如雜質，氣泡等也顯著影響除此之外，玻璃液的缺陷，如雜質，氣泡等也顯著影響gf的強度。的強度。b. b. 彈性模量彈性模量( (剛性剛性) ) gf的彈性模量小于金屬合金。且其彈性模量與玻

13、璃組成，的彈性模量小于金屬合金。且其彈性模量與玻璃組成，結構密切相關。結構密切相關。 gf的彈性伸長率低，如的彈性伸長率低，如e玻璃纖維僅玻璃纖維僅3%左右，左右，s玻璃纖玻璃纖維維5.4%，這說明，這說明gf只存在彈性變形，是只存在彈性變形，是完全彈性體完全彈性體，拉伸，拉伸時，不存在屈服點。時，不存在屈服點。3) 3) 耐磨性、耐折性耐磨性、耐折性( (柔性柔性) )gf的耐磨性的耐磨性：指指gf抵抗摩擦的能力；抵抗摩擦的能力；gf的耐折性的耐折性：指纖維抵抗折斷的能力。指纖維抵抗折斷的能力。 gf的耐磨性、耐折性都很差。的耐磨性、耐折性都很差。gf的柔性的柔性：一般以彎曲半徑來表征。彎曲

14、半徑越小，說明一般以彎曲半徑來表征。彎曲半徑越小，說明gf的柔性越好。的柔性越好。4) 4) 耐熱性耐熱性與有機纖維比，與有機纖維比，gf是有很高的耐熱性，因為是有很高的耐熱性，因為gf的軟化點達的軟化點達500-750，而尼龍為，而尼龍為230-250，聚苯乙烯（，聚苯乙烯（ps）為）為88-110。且且gf在小于在小于500下使用，強度不損失。但如果加熱到下使用，強度不損失。但如果加熱到250以上再冷卻以上再冷卻(熱處理熱處理)，則強度明顯下降。如經，則強度明顯下降。如經600-700熱熱處理后，其強度只有原始的處理后，其強度只有原始的20-30%。5 5）gfgf的化學性質的化學性質vg

15、f與與glass相比，由于具有較大的比表面積，因此受介質侵相比，由于具有較大的比表面積，因此受介質侵蝕度劇烈。蝕度劇烈。vgf對除對除hf、濃堿、濃堿、h3po4以外的化學藥品及有機溶劑具有以外的化學藥品及有機溶劑具有良好的化學穩定性。良好的化學穩定性。影響影響gf化學穩定性的因素：化學穩定性的因素：va. 玻璃纖維的化學組成玻璃纖維的化學組成 無堿玻纖：耐酸性差，耐水性較好無堿玻纖：耐酸性差，耐水性較好 中堿玻纖：耐酸性好，耐水性差中堿玻纖：耐酸性好，耐水性差vb溫度溫度 在在100以下，溫度每升高以下，溫度每升高10，纖維在介質侵蝕下的破，纖維在介質侵蝕下的破壞速度增加壞速度增加50100

16、。 溫度升高到溫度升高到100以上時，破壞作用更加劇烈。以上時，破壞作用更加劇烈。6.1.4 gf6.1.4 gf的生產工藝的生產工藝1)1)坩堝拉絲坩堝拉絲陶土坩堝拉絲陶土坩堝拉絲：比較原始，已于：比較原始，已于19991999年淘汰年淘汰金鉑坩堝拉絲金鉑坩堝拉絲：坩堝：鉑銠合金：坩堝：鉑銠合金代鉑坩堝拉絲代鉑坩堝拉絲：是我國自行研究開發的一種新工藝。：是我國自行研究開發的一種新工藝。 坩堝：坩堝：鍋身：耐火硅材；漏板：鉑銠合金鍋身：耐火硅材；漏板：鉑銠合金2)2)池窯拉絲池窯拉絲v池窯拉絲是生產玻璃纖維的先進工藝，規模及生產能力遠遠池窯拉絲是生產玻璃纖維的先進工藝，規模及生產能力遠遠大于坩

17、堝拉絲。大于坩堝拉絲。v我國在我國在19901990年才有第一座從國外引進的年產年才有第一座從國外引進的年產40004000噸無堿玻璃噸無堿玻璃纖維池窯拉絲投產，其生產能力不足當年全國產量的百分之纖維池窯拉絲投產，其生產能力不足當年全國產量的百分之五。五。池窯拉絲法的特點池窯拉絲法的特點：v不經制球、坩堝再熔工序。不經制球、坩堝再熔工序。v工序簡化，原絲質量好。工序簡化，原絲質量好。v玻璃熔量大，產量高玻璃熔量大，產量高(可以實現可以實現1600孔，孔，2000孔，更多孔的孔，更多孔的大漏板拉絲大漏板拉絲)。6.1.5 gf6.1.5 gf的表面處理的表面處理1 1）浸潤劑）浸潤劑a.a.浸潤

18、劑的作用浸潤劑的作用v潤滑潤滑保護作用保護作用v粘結粘結集束作用集束作用v防止防止gfgf表面靜電荷的積累表面靜電荷的積累v使使gfgf獲得與基體樹脂有良好的相容性及界面化學結合或化學獲得與基體樹脂有良好的相容性及界面化學結合或化學吸附等性能吸附等性能b.b.浸潤劑的分類浸潤劑的分類v增強型浸潤劑增強型浸潤劑 增強型浸潤劑的主要成分增強型浸潤劑的主要成分：偶聯劑偶聯劑v紡織型浸潤劑紡織型浸潤劑l目的目的：滿足紡織工序的要求，該浸潤劑能使：滿足紡織工序的要求，該浸潤劑能使gfgf具有良好的拉具有良好的拉絲，加捻，合股，整經，織造等紡織加工性能。絲，加捻，合股，整經，織造等紡織加工性能。l缺點缺點

19、：由于浸潤劑中的成分影響了纖維與基體之間的粘合，：由于浸潤劑中的成分影響了纖維與基體之間的粘合，因此需通過熱清洗及后處理工藝，將因此需通過熱清洗及后處理工藝，將gfgf表面的浸潤劑除去，再表面的浸潤劑除去，再經偶聯劑處理后方可使用。經偶聯劑處理后方可使用。2 2）表面處理劑）表面處理劑 又稱為又稱為偶聯劑偶聯劑，架橋劑架橋劑，是一種能夠改變，是一種能夠改變gf增強增強cm界面界面能的化合物。即使其用量很低能的化合物。即使其用量很低(在在gf上約為上約為0.05-0.2%)，也會，也會改善改善gf與基體的界面狀態，可提高與基體的界面狀態，可提高cm的強度、耐水性、耐老的強度、耐水性、耐老化性及使

20、用壽命。化性及使用壽命。a.a.偶聯劑的分類偶聯劑的分類二種基團：一種可與二種基團：一種可與gfgf表面結合，另一種可與基體通過物理或表面結合，另一種可與基體通過物理或化學作用相結合。化學作用相結合。 偶聯劑主要可分為以下幾大類：偶聯劑主要可分為以下幾大類：v硅烷偶聯劑硅烷偶聯劑v有機鉻偶聯劑有機鉻偶聯劑( (沃蘭沃蘭) )v鈦酸酯類偶聯劑鈦酸酯類偶聯劑v其他偶聯劑其他偶聯劑v硅烷偶聯劑硅烷偶聯劑 通式可寫為：通式可寫為：rnsix4-n 其中：其中：r為有機功能基團，如為有機功能基團，如-nh2，-sh等等 x為易水解基團，水解后為易水解基團，水解后( (一般為一般為- -oh) )可與可與

21、gf作用作用 n多數為多數為1 1 chch2ochch2，偶聯機理如下：偶聯機理如下：v硅烷偶聯劑水解硅烷偶聯劑水解v三醇基硅烷與三醇基硅烷與gf表面的表面的-oh形成氫鍵形成氫鍵vgf在烘干過程中，硅烷偶聯劑與在烘干過程中，硅烷偶聯劑與gf表面以氫鍵形式結合表面以氫鍵形式結合的的-oh，在高溫下發生醚化反應，脫去，在高溫下發生醚化反應，脫去1分子水形成醚鍵，分子水形成醚鍵，以形成的共價鍵結合。以形成的共價鍵結合。xrsixxh2ohosirohoh三醇基硅烷rhosiohohhosirhosiohohhosisiohhosisisioh2o(玻璃)(玻璃)u u u v有機鉻偶聯劑有機鉻偶

22、聯劑 由不飽和有機酸與三價鉻離子形成的金屬鉻絡合物。由不飽和有機酸與三價鉻離子形成的金屬鉻絡合物。 最常用的有機鉻偶聯劑：最常用的有機鉻偶聯劑： 甲基丙烯酸氯化鉻絡合物甲基丙烯酸氯化鉻絡合物( (沃蘭沃蘭) ) ch2cch3coocl2crcrcl2ohch2cch3coo(oh)2crcr(oh)2ohsioh與玻纖表面形成氫鍵高溫醚化形成共價鍵水解結構式：偶聯機理：v鈦酸酯類偶聯劑鈦酸酯類偶聯劑如鈦酸正丁酯如鈦酸正丁酯 c4h9ooc4h9oc4h9oc4h9tiv其他偶聯劑其他偶聯劑 鋯類偶聯劑鋯類偶聯劑：含鋁酸鋯的低分子量的無機聚合物。它不僅可含鋁酸鋯的低分子量的無機聚合物。它不僅可

23、以促進不同物質之間的粘合，而且可以改善復合材料體系的以促進不同物質之間的粘合，而且可以改善復合材料體系的性能，特別是流變性能。該類偶聯劑既適用于多種熱固性樹性能，特別是流變性能。該類偶聯劑既適用于多種熱固性樹脂，也適用于多種熱塑性樹脂。脂，也適用于多種熱塑性樹脂。 鎂類偶聯劑鎂類偶聯劑 錫類偶聯劑錫類偶聯劑 等等b.b.偶聯劑的作用偶聯劑的作用：v偶聯作用偶聯作用（既能與玻璃纖維相連，又能與樹脂間發生作用，既能與玻璃纖維相連，又能與樹脂間發生作用，從而增強界面的粘結）從而增強界面的粘結）v保護作用保護作用（保護玻璃纖維的表面，防止水分或其他有害介質（保護玻璃纖維的表面，防止水分或其他有害介質侵入）侵入）v改善界面狀態改善界面狀態（減少或消除界面弱點，改善界面狀態，使應（減少或消除界面弱點，改善界面狀態，使應力有效傳遞）力有效傳遞）v改善復合材料的性能改善復合材料的性能（改善玻璃鋼性能，如耐水性、耐化學（改善玻璃鋼性能，如耐水性、耐化學腐蝕性、力學性能、耐熱性等）腐蝕性、力學性能、耐熱性等）3 3）gfgf纖維的表面處理方法纖維的表面處理方法v后處理法后處理法 v前處理法前處理法 v遷移法遷移法v后處理法后處理法 又稱為普通處理法又稱為普通處理法特點特點： 各道工序都需要專門設備，