第三部分復合材料的增強材料第三部分復合材料的增強材料1增強材料的作用：

承受外界施加載荷，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、電學等功能，功能體）增強材料的外觀形狀：

纖維狀：增強作用最明顯，應用最廣片狀顆粒狀增強材料的作用：26.1GF及其制品6.1.1GF的分類1）以玻璃原料成分分類（用于連續GF的分類）

一般以不同的堿金屬氧化物含量來區分。無堿玻璃纖維（E玻璃纖維）

堿金屬氧化物含量0.05%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第六章玻璃纖維及其制品6.1GF及其制品第六章玻璃纖維及其制品3中堿玻璃纖維（C玻璃纖維）

堿金屬氧化物含量11.5-12.5%含堿量高，不能用作電絕緣材料，但其化學穩定性和強度尚好。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料。成本較低，用途較廣。

中堿玻璃纖維（C玻璃纖維）4高堿玻璃纖維（A玻璃纖維）

堿金屬氧化物含量15％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。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。高堿玻璃纖維（A玻璃纖維）5特種玻璃纖維

由純鎂鋁硅三元組成的高強玻璃纖維（S－glass）；鎂鋁硅系高強高彈玻璃纖維；硅鋁鈣鎂系耐化學腐蝕玻璃纖維；含鉛纖維；高硅氧纖維；石英纖維等。

特種玻璃纖維6堿金屬氧化物：一般指氧化鈉、氧化鉀。堿金屬氧化物是普通玻璃的主要成分之一，主要作用是降低玻璃的熔點。堿金屬氧化物含量越高，玻璃纖維的化學穩定性、電絕緣性能、強度都會相應下降。堿金屬氧化物：一般指氧化鈉、氧化鉀。72）以單絲直徑分類

粗纖維：單絲直徑一般為30um初級纖維：單絲直徑大于20um；中級纖維：單絲直徑10-20um高級纖維：（紡織纖維）其單絲直徑3-10um。超細纖維：單絲直徑小于4um。

一般：5-10um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、短切纖維氈等較為適宜。2）以單絲直徑分類83）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；高模量玻璃纖維；耐高溫玻璃纖維；耐堿玻璃纖維；耐酸玻璃纖維；普通玻璃纖維（指無堿及中堿玻璃纖維）；光學纖維；低介電常數玻璃纖維；導電纖維等3）按纖維性能分類96.1.2GF的結構及組成1）GF的特點

玻璃：無規則的非晶態結構，近程有序，遠程無序玻璃的共性：各向同性無固定熔點亞穩定性性質變化的連續性，可逆性

6.1.2GF的結構及組成10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(凝固熱)。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，而屬于亞穩態。亞穩定性11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是逐漸、連續的變化，而且是可逆的。

性質變化的連續性、可逆性：122）GF的結構關于GF的結構有兩種學說：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。微晶學說：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。2）GF的結構133）GF的化學組成

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作用。以SiO2為主——稱硅酸鹽玻璃以Be2O3為主——稱硼酸鹽玻璃以P2O5為主——稱磷酸鹽玻璃

除主要成分以外，尚須加入其他的氧化物等。各種氧化物在玻璃中的作用是比較復雜的。3）GF的化學組成146.1.3GF的性能1)物理性能a.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，所以制作過濾材料較理想。b.密度：2.5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2.0-2.2g/cm3；含有大量重金屬氧化物的高模GF，密度可達2.7-2.9g/cm3。6.1.3GF的性能152)力學性能a.拉伸強度

GF的拉伸強度比玻璃高幾十倍？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(結構均一性提高)，微裂紋產生機會減少，且GF截面小，所以表面微裂紋比塊狀玻璃少。2)力學性能16影響玻璃纖維強度的因素：纖維直徑和長度：直徑越小，長度越小，強度越大；化學組成：含堿量越大，強度越小；存放時間：存放時間越長，強度越小(空氣中水分的侵蝕)施加負荷時間：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GF的強度。影響玻璃纖維強度的因素：17b.彈性模量(剛性)

GF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。GF的彈性伸長率低，如E玻璃纖維僅3%左右，S玻璃纖維5.4%，這說明GF只存在彈性變形，是完全彈性體，拉伸時，不存在屈服點。b.彈性模量(剛性)183)耐磨性、耐折性(柔性)GF的耐磨性：指GF抵抗摩擦的能力；GF的耐折性：指纖維抵抗折斷的能力。GF的耐磨性、耐折性都很差。GF的柔性：一般以彎曲半徑來表征。彎曲半徑越小，說明GF的柔性越好。3)耐磨性、耐折性(柔性)194)耐熱性與有機纖維比，GF是有很高的耐熱性，因為GF的軟化點達500-750℃，而尼龍為230-250℃，聚苯乙烯（PS）為88-110℃。且GF在小于500℃下使用，強度不損失。但如果加熱到250℃以上再冷卻(熱處理)，則強度明顯下降。如經600-700℃熱處理后，其強度只有原始的20-30%。4)耐熱性205）GF的化學性質GF與Glass相比，由于具有較大的比表面積，因此受介質侵蝕度劇烈。GF對除HF、濃堿、H3PO4以外的化學藥品及有機溶劑具有良好的化學穩定性。5）GF的化學性質21影響GF化學穩定性的因素：a.玻璃纖維的化學組成無堿玻纖：耐酸性差，耐水性較好中堿玻纖：耐酸性好，耐水性差b．溫度在100℃以下，溫度每升高10℃，纖維在介質侵蝕下的破壞速度增加50～100％。溫度升高到100℃以上時，破壞作用更加劇烈。影響GF化學穩定性的因素：226.1.4GF的生產工藝1)坩堝拉絲陶土坩堝拉絲：比較原始，已于1999年淘汰金鉑坩堝拉絲：坩堝：鉑銠合金代鉑坩堝拉絲：是我國自行研究開發的一種新工藝。坩堝：鍋身：耐火硅材；漏板：鉑銠合金6.1.4GF的生產工藝232)池窯拉絲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堝拉絲。我國在1990年才有第一座從國外引進的年產4000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五。2)池窯拉絲24池窯拉絲法的特點：不經制球、坩堝再熔工序。工序簡化，原絲質量好。玻璃熔量大，產量高(可以實現1600孔，2000孔，更多孔的大漏板拉絲)。池窯拉絲法的特點：256.1.5GF的表面處理1）浸潤劑a.浸潤劑的作用潤滑—保護作用粘結—集束作用防止GF表面靜電荷的積累使GF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6.1.5GF的表面處理26b.浸潤劑的分類增強型浸潤劑

增強型浸潤劑的主要成分：偶聯劑紡織型浸潤劑目的：滿足紡織工序的要求，該浸潤劑能使GF具有良好的拉絲，加捻，合股，整經，織造等紡織加工性能。缺點：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GF表面的浸潤劑除去，再經偶聯劑處理后方可使用。b.浸潤劑的分類272）表面處理劑

又稱為偶聯劑，架橋劑，是一種能夠改變GF增強CM界面能的化合物。即使其用量很低(在GF上約為0.05-0.2%)，也會改善GF與基體的界面狀態，可提高CM的強度、耐水性、耐老化性及使用壽命。a.偶聯劑的分類二種基團：一種可與GF表面結合，另一種可與基體通過物理或化學作用相結合。

2）表面處理劑28偶聯劑主要可分為以下幾大類：硅烷偶聯劑有機鉻偶聯劑(沃蘭)鈦酸酯類偶聯劑其他偶聯劑偶聯劑主要可分為以下幾大類：29硅烷偶聯劑通式可寫為：RnSiX4-n

其中：R為有機功能基團，如-NH2，-SH等

X為易水解基團，水解后(一般為-OH)可與GF作用

n多數為1硅烷偶聯劑30偶聯機理如下：硅烷偶聯劑水解三醇基硅烷與GF表面的-OH形成氫鍵GF在烘干過程中，硅烷偶聯劑與GF表面以氫鍵形式結合的-OH，在高溫下發生醚化反應，脫去1分子水形成醚鍵，以形成的共價鍵結合。偶聯機理如下：31

32有機鉻偶聯劑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：

甲基丙烯酸氯化鉻絡合物(沃蘭)

有機鉻偶聯劑33玻璃纖維介紹課件34鈦酸酯類偶聯劑如鈦酸正丁酯

鈦酸酯類偶聯劑35其他偶聯劑

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脂，也適用于多種熱塑性樹脂。

鎂類偶聯劑

錫類偶聯劑

等其他偶聯劑36b.偶聯劑的作用：偶聯作用（既能與玻璃纖維相連，又能與樹脂間發生作用，從而增強界面的粘結）保護作用（保護玻璃纖維的表面，防止水分或其他有害介質侵入）改善界面狀態（減少或消除界面弱點，改善界面狀態，使應力有效傳遞）改善復合材料的性能（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）b.偶聯劑的作用：373）GF纖維的表面處理方法后處理法前處理法遷移法3）GF纖維的表面處理方法38后處理法又稱為普通處理法特點：

各道工序都需要專門設備，初投資較大；GF強度損失大，但處理效果較好，且穩定。步驟：首先除去玻璃纖維表面的紡織型浸潤劑。然后再經表面處理劑溶液浸漬。再經水洗、烘干等工藝后處理法39聯合機組法處理玻璃纖維布的流程

熱處理作用：去除浸潤劑烘焙作用：偶聯劑與GF表面將發生偶聯作用聯合機組法處理玻璃纖維布的流程熱處理作用：去除浸潤劑烘焙40影響處理效果的因素：偶聯劑用量烘焙溫度烘焙時間處理液的配制及使用影響處理效果的因素：41前處理法特點：

可省去復雜的處理工藝及設備，使用方便；避免了由于熱處理造成的纖維強度的下降；既滿足了拉絲及紡織工序的要求，又滿足了樹脂基體GF的浸潤、粘結等要求。前處理法42c.遷移法（潛處理法）

將表面處理劑按一定比例加入到樹脂膠液中，在浸膠的同時將處理劑作用在GF上。特點：處理效果較后處理法差；工藝操作簡單，不需要復雜的處理設備。

c.遷移法（潛處理法）43本章重點內容玻璃纖維表面處理的作用（浸潤劑、偶聯劑）玻璃纖維的拉絲方法偶聯劑的偶聯機理玻璃纖維表面處理的方法本章重點內容玻璃纖維表面處理的作用（浸潤劑、偶聯劑）44第三部分復合材料的增強材料第三部分復合材料的增強材料45增強材料的作用：

承受外界施加載荷，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、電學等功能，功能體）增強材料的外觀形狀：

纖維狀：增強作用最明顯，應用最廣片狀顆粒狀增強材料的作用：466.1GF及其制品6.1.1GF的分類1）以玻璃原料成分分類（用于連續GF的分類）

一般以不同的堿金屬氧化物含量來區分。無堿玻璃纖維（E玻璃纖維）

堿金屬氧化物含量0.05%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第六章玻璃纖維及其制品6.1GF及其制品第六章玻璃纖維及其制品47中堿玻璃纖維（C玻璃纖維）

堿金屬氧化物含量11.5-12.5%含堿量高，不能用作電絕緣材料，但其化學穩定性和強度尚好。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料。成本較低，用途較廣。

中堿玻璃纖維（C玻璃纖維）48高堿玻璃纖維（A玻璃纖維）

堿金屬氧化物含量15％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。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。高堿玻璃纖維（A玻璃纖維）49特種玻璃纖維

由純鎂鋁硅三元組成的高強玻璃纖維（S－glass）；鎂鋁硅系高強高彈玻璃纖維；硅鋁鈣鎂系耐化學腐蝕玻璃纖維；含鉛纖維；高硅氧纖維；石英纖維等。

特種玻璃纖維50堿金屬氧化物：一般指氧化鈉、氧化鉀。堿金屬氧化物是普通玻璃的主要成分之一，主要作用是降低玻璃的熔點。堿金屬氧化物含量越高，玻璃纖維的化學穩定性、電絕緣性能、強度都會相應下降。堿金屬氧化物：一般指氧化鈉、氧化鉀。512）以單絲直徑分類

粗纖維：單絲直徑一般為30um初級纖維：單絲直徑大于20um；中級纖維：單絲直徑10-20um高級纖維：（紡織纖維）其單絲直徑3-10um。超細纖維：單絲直徑小于4um。

一般：5-10um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、短切纖維氈等較為適宜。2）以單絲直徑分類523）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；高模量玻璃纖維；耐高溫玻璃纖維；耐堿玻璃纖維；耐酸玻璃纖維；普通玻璃纖維（指無堿及中堿玻璃纖維）；光學纖維；低介電常數玻璃纖維；導電纖維等3）按纖維性能分類536.1.2GF的結構及組成1）GF的特點

玻璃：無規則的非晶態結構，近程有序，遠程無序玻璃的共性：各向同性無固定熔點亞穩定性性質變化的連續性，可逆性

6.1.2GF的結構及組成54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(凝固熱)。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，而屬于亞穩態。亞穩定性55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是逐漸、連續的變化，而且是可逆的。

性質變化的連續性、可逆性：562）GF的結構關于GF的結構有兩種學說：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。微晶學說：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。2）GF的結構573）GF的化學組成

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作用。以SiO2為主——稱硅酸鹽玻璃以Be2O3為主——稱硼酸鹽玻璃以P2O5為主——稱磷酸鹽玻璃

除主要成分以外，尚須加入其他的氧化物等。各種氧化物在玻璃中的作用是比較復雜的。3）GF的化學組成586.1.3GF的性能1)物理性能a.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，所以制作過濾材料較理想。b.密度：2.5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2.0-2.2g/cm3；含有大量重金屬氧化物的高模GF，密度可達2.7-2.9g/cm3。6.1.3GF的性能592)力學性能a.拉伸強度

GF的拉伸強度比玻璃高幾十倍？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(結構均一性提高)，微裂紋產生機會減少，且GF截面小，所以表面微裂紋比塊狀玻璃少。2)力學性能60影響玻璃纖維強度的因素：纖維直徑和長度：直徑越小，長度越小，強度越大；化學組成：含堿量越大，強度越小；存放時間：存放時間越長，強度越小(空氣中水分的侵蝕)施加負荷時間：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GF的強度。影響玻璃纖維強度的因素：61b.彈性模量(剛性)

GF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。GF的彈性伸長率低，如E玻璃纖維僅3%左右，S玻璃纖維5.4%，這說明GF只存在彈性變形，是完全彈性體，拉伸時，不存在屈服點。b.彈性模量(剛性)623)耐磨性、耐折性(柔性)GF的耐磨性：指GF抵抗摩擦的能力；GF的耐折性：指纖維抵抗折斷的能力。GF的耐磨性、耐折性都很差。GF的柔性：一般以彎曲半徑來表征。彎曲半徑越小，說明GF的柔性越好。3)耐磨性、耐折性(柔性)634)耐熱性與有機纖維比，GF是有很高的耐熱性，因為GF的軟化點達500-750℃，而尼龍為230-250℃，聚苯乙烯（PS）為88-110℃。且GF在小于500℃下使用，強度不損失。但如果加熱到250℃以上再冷卻(熱處理)，則強度明顯下降。如經600-700℃熱處理后，其強度只有原始的20-30%。4)耐熱性645）GF的化學性質GF與Glass相比，由于具有較大的比表面積，因此受介質侵蝕度劇烈。GF對除HF、濃堿、H3PO4以外的化學藥品及有機溶劑具有良好的化學穩定性。5）GF的化學性質65影響GF化學穩定性的因素：a.玻璃纖維的化學組成無堿玻纖：耐酸性差，耐水性較好中堿玻纖：耐酸性好，耐水性差b．溫度在100℃以下，溫度每升高10℃，纖維在介質侵蝕下的破壞速度增加50～100％。溫度升高到100℃以上時，破壞作用更加劇烈。影響GF化學穩定性的因素：666.1.4GF的生產工藝1)坩堝拉絲陶土坩堝拉絲：比較原始，已于1999年淘汰金鉑坩堝拉絲：坩堝：鉑銠合金代鉑坩堝拉絲：是我國自行研究開發的一種新工藝。坩堝：鍋身：耐火硅材；漏板：鉑銠合金6.1.4GF的生產工藝672)池窯拉絲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堝拉絲。我國在1990年才有第一座從國外引進的年產4000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五。2)池窯拉絲68池窯拉絲法的特點：不經制球、坩堝再熔工序。工序簡化，原絲質量好。玻璃熔量大，產量高(可以實現1600孔，2000孔，更多孔的大漏板拉絲)。池窯拉絲法的特點：696.1.5GF的表面處理1）浸潤劑a.浸潤劑的作用潤滑—保護作用粘結—集束作用防止GF表面靜電荷的積累使GF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6.1.5GF的表面處理70b.浸潤劑的分類增強型浸潤劑

增強型浸潤劑的主要成分：偶聯劑紡織型浸潤劑目的：滿足紡織工序的要求，該浸潤劑能使GF具有良好的拉絲，加捻，合股，整經，織造等紡織加工性能。缺點：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GF表面的浸潤劑除去，再經偶聯劑處理后方可使用。b.浸潤劑的分類712）表面處理劑

又稱為偶聯劑，架橋劑，是一種能夠改變GF增強CM界面能的化合物。即使其用量很低(在GF上約為0.05-0.2%)，也會改善GF與基體的界面狀態，可提高CM的強度、耐水性、耐老化性及使用壽命。a.偶聯劑的分類二種基團：一種可與GF表面結合，另一種可與基體通過物理或化學作用相結合。

2）表面處理劑72偶聯劑主要可分為以下幾大類：硅烷偶聯劑有機鉻偶聯劑(沃蘭)鈦酸酯類偶聯劑其他偶聯劑偶聯劑主要可分為以下幾大類：73硅烷偶聯劑通式可寫為：RnSiX4-n

其中：R為有機功能基團，如-NH2，-SH等

X為易水解基團，水解后(一般為-OH)可與GF作用

n多數為1硅烷偶聯劑74偶聯機理如下：硅烷偶聯劑水解三醇基硅烷與GF表面的-OH形成氫鍵GF在烘干過程中，硅烷偶聯劑與GF表面以氫鍵形式結合的-OH，在高溫下發生醚化反應，脫去1分子水形成醚鍵，以形成的共價鍵結合。偶聯機理如下：75