复合材料第四章复合材料的增强材料.ppt

第四章第四章复合材料的增复合材料的增强材料材料在复合材料中，粘在复合材料中，粘结在基体内以改在基体内以改进其其机械性能的机械性能的高高高高强强度材料度材料度材料度材料称称为增增增增强强材料材料材料材料。增增增增强强材料材料材料材料有有时也称作也称作增增增增强强体体体体、增增增增强剂强剂等。等。1增增强材料共分材料共分为三三类：纤维及其及其织物物晶晶须颗粒粒2一、一、纤维 如，植物如，植物纤维棉花、麻棉花、麻类；动物物纤维丝、毛；、毛；矿物物纤维石棉。石棉。天然天然纤维强度度较低，低，现代复合材料的增代复合材料的增强材料材料用合成用合成纤维。3纤维纤维在复合材料中起在复合材料中起增增增增强强作用作用作用作用，是主要，是主要承承承承力力力力组组分分分分。纤维纤维不不仅能使材料能使材料显示出示出较较高的抗高的抗高的抗高的抗张强张强度度度度和和刚刚度度度度，而且能，而且能减少收减少收减少收减少收缩缩，提高，提高热变热变形温度形温度形温度形温度和和低温冲低温冲低温冲低温冲击强击强度度度度等。等。4复合材料的性能复合材料的性能复合材料的性能复合材料的性能在很大程度上取决于在很大程度上取决于纤维纤维的性的性的性的性能能能能、含量含量含量含量及及使用状使用状使用状使用状态态。如如聚苯乙聚苯乙聚苯乙聚苯乙烯烯塑料塑料塑料塑料，加入，加入玻璃玻璃玻璃玻璃纤维纤维后，后，拉伸拉伸拉伸拉伸强强度度度度可从可从600600MPa提高到提高到10001000MPa，弹弹性模量性模量性模量性模量可从可从30003000MPa提高到提高到80008000MPa，其其热变热变形温度形温度形温度形温度可从可从8585提高到提高到105105，使使-40-40以下的以下的冲冲冲冲击强击强度度度度可提可提高高1010倍。倍。5纤维可分可分为有机有机纤维和和无机无机纤维6（一）（一）有机有机纤维芳芳纶纤维聚乙聚乙烯纤维尼尼龙纤维7、芳、芳纶纤维芳芳芳芳纶纤维纶纤维是指日前巳工是指日前巳工业化生化生产并广泛并广泛应用的用的聚芳聚芳聚芳聚芳酰酰胺胺胺胺纤维纤维。国外商品牌号叫国外商品牌号叫凯凯芙拉芙拉芙拉芙拉(Kevlar)Kevlar)纤维纤维，我，我国国暂命名命名为芳芳芳芳纶纤维纶纤维，有，有时也称也称有机有机有机有机纤维纤维。8芳芳芳芳纶纤维纶纤维的的的的历历史史史史很短，很短，发展很快。展很快。1968午美国午美国杜邦公司杜邦公司杜邦公司杜邦公司开始研制。开始研制。1972年以年以B B纤维为纤维为名名名名发表了表了专利并提供利并提供产品。品。1972年又研制了以年又研制了以PRD-49PRD-49命名的命名的纤维。1973年正式登年正式登记的商品名称的商品名称为ARAMIDARAMID纤维。9ARAMIDARAMID纤维纤维包括三种牌号的包括三种牌号的产品，并品，并重改名称。重改名称。PRD-49-IVPRD-49-IV改称改称为芳芳芳芳纶纶-29-29；PRD-49-IIIPRD-49-III改称改称为芳芳芳芳纶纶-49-49；B B纤维纤维改称改称为芳芳芳芳纶纶。10芳芳芳芳纶纶、芳、芳、芳、芳纶纶-29-29、芳、芳、芳、芳纶纶-49-49这三种牌号三种牌号纤维的用途各不相同。的用途各不相同。芳芳芳芳纶纶主要用于主要用于橡胶增橡胶增强，制造制造轮胎胎、三角三角皮皮带、同步同步带等；等；芳芳芳芳纶纶-29-29主要用于主要用于绳索索、电缆、涂漆涂漆织物物、带和和带状物状物，以及，以及防防弹背心背心等。等。芳芳芳芳纶纶-49-49用于用于航空航空、宇航宇航、造船工造船工业的复的复合材料制件。合材料制件。11自自1972年年芳芳芳芳纶纤维纶纤维作作为商品出售以来，商品出售以来，产量量逐年增加逐年增加。其原因是由于其原因是由于该纤维纤维具有独特的功能具有独特的功能具有独特的功能具有独特的功能，使之，使之广泛广泛应用到用到军军工工工工和和国民国民国民国民经济经济各个部各个部门。12(1)芳芳纶纤维的性能特点的性能特点A、芳芳纶纤维的的力学性能力学性能；、芳芳纶纤维的的热稳定性定性；、芳、芳纶纤维的的化学性能化学性能。13A、芳芳纶纤维的力学性能的力学性能芳芳纶纤维的特点的特点是是拉伸拉伸拉伸拉伸强强度高度高度高度高。单丝强度度可达可达3773MPa；254mm长的的纤维束的拉伸束的拉伸强度度为2744MPa，大大约为铝的的5倍。倍。芳芳纶纤维的的冲冲冲冲击击性能好性能好性能好性能好，大，大约为石墨石墨纤维的的6倍，倍，为硼硼纤维的的3倍，倍，为玻璃玻璃纤维0.8倍。倍。14芳芳芳芳纶纤维纶纤维的的弹弹性模量高性模量高性模量高性模量高，可达，可达1.271.577MPa，比比玻璃玻璃纤维高一倍，高一倍，为碳碳纤维0.8倍。倍。芳芳芳芳纶纤维纶纤维的的断裂伸断裂伸断裂伸断裂伸长长在在3左右，接近左右，接近玻璃玻璃纤维，高于其他，高于其他纤维。15芳芳芳芳纶纤维纶纤维与与碳碳碳碳纤维纤维混混杂将能大大将能大大提高提高提高提高纤维复复合材料的合材料的冲冲冲冲击击性能性能性能性能。芳芳芳芳纶纤维纶纤维的的密度小密度小密度小密度小，比重，比重为1.441.45，只有，只有铝的一半。因此，它有高的的一半。因此，它有高的比比比比强强度度度度与与比模量比模量比模量比模量。16下表下表为芳芳纶纤维的基本性能的基本性能17、芳芳纶纤维的的热稳定性定性芳芳芳芳纶纤维纶纤维有有良好的良好的良好的良好的热稳热稳定性定性定性定性，耐火而不耐火而不耐火而不耐火而不熔熔熔熔，当温度达，当温度达487时尚尚不熔化不熔化不熔化不熔化，但开始，但开始碳化碳化碳化碳化。18因此，因此，芳芳芳芳纶纤维纶纤维在高温作用下，不在高温作用下，不发生生变形，形，直至分解。直至分解。如，能如，能长期在期在180下使用；在下使用；在150下作用下作用一周后一周后强强度度度度、模量模量模量模量不会下降；即使在不会下降；即使在200下，一下，一周后周后强强度降低度降低度降低度降低15，模量降低模量降低模量降低模量降低4；另外，在低温另外，在低温(-60)不不发生生脆化脆化脆化脆化亦不亦不降解降解降解降解。19和碳和碳纤维一一样，芳，芳纶纤维的的热热膨膨膨膨胀胀系数系数系数系数具有具有各向异性各向异性各向异性各向异性的特点。的特点。如，芳如，芳纶纤维的的纵纵向向向向热热膨膨膨膨胀胀系数系数系数系数在在0100时为-2 10-6/；在在100200时为-4 106/。横向横向横向横向热热膨膨膨膨胀胀系数系数系数系数为59 10-6/20、芳、芳纶纤维的化学性能的化学性能芳芳芳芳纶纤维纶纤维具有良好的具有良好的耐介耐介耐介耐介质质性能，性能，对中中性化学性化学药品品的的抵抗力抵抗力抵抗力抵抗力一般是很一般是很强的，但易受的，但易受各种各种酸碱的侵酸碱的侵酸碱的侵酸碱的侵蚀蚀，尤其是，尤其是强强酸的侵酸的侵酸的侵酸的侵蚀蚀；21芳芳纶纤维的的耐水性耐水性耐水性耐水性也不好，也不好，这是由于在分子是由于在分子结构中存在着构中存在着极性极性极性极性酰酰氨基氨基氨基氨基；湿度湿度湿度湿度对纤维的影响，的影响，类似于似于尼尼龙或聚或聚酯。在。在低湿度低湿度低湿度低湿度(20相相对湿度湿度)下芳下芳纶纤维的吸湿率的吸湿率为1，但在，但在高湿度高湿度高湿度高湿度(85相相对湿度湿度)下，可达到下，可达到7。22（）（）芳芳纶纤维的的结构构芳芳纶纤维是是对苯二甲苯二甲酰与与对苯二胺苯二胺的聚合体，的聚合体，经溶解溶解转为液晶液晶纺丝而成。它的化学而成。它的化学结构式如下：构式如下：23从上述化学从上述化学结构可知，构可知，芳芳芳芳纶纤维纶纤维材料的材料的基体基体结构构是是长链状状聚聚聚聚酰酰胺胺胺胺，即，即结构中含有构中含有酰酰氨氨氨氨键键，其，其中至少中至少85的的酰氨直接氨直接键合在芳香合在芳香环上上.24键合在芳香合在芳香环上上刚硬的直硬的直线状分子状分子键在在纤维轴纤维轴向向向向是是高度定向高度定向的，各的，各聚合物聚合物链是由是由氢键氢键作横向作横向连结。这种在种在沿沿沿沿纤维纤维方向的方向的方向的方向的强强共价共价共价共价键键和和横向弱的横向弱的横向弱的横向弱的氢键氢键，是造成芳是造成芳纶纤维力学性能各向异性力学性能各向异性力学性能各向异性力学性能各向异性的原因，即的原因，即纤维的的纵纵向向向向强强度高度高度高度高，而，而横向横向横向横向强强度低度低度低度低。25芳芳纶纤维的的化学化学链主要由主要由芳芳芳芳环环组成。成。这种种芳芳环结构构具有具有高的高的高的高的刚刚性性性性，并使，并使聚合物聚合物链呈呈伸展伸展伸展伸展状状态而不是而不是折叠折叠折叠折叠状状态，形成，形成棒状棒状棒状棒状结构，因而构，因而纤维具有具有高的模量高的模量高的模量高的模量。26芳芳纶纤维分子分子链是是线线性性性性结结构构构构，这又使又使纤维能能有效地利用空有效地利用空有效地利用空有效地利用空间间而具有而具有高的填充效率高的填充效率高的填充效率高的填充效率的能力，在的能力，在单位体位体积内可容内可容纳很多聚合物。很多聚合物。这种高密度的聚种高密度的聚合物具有合物具有较较高的高的高的高的强强度度度度。27由于由于芳芳芳芳纶纤维纶纤维具有具有规规整的晶体整的晶体整的晶体整的晶体结结构构构构，因此，因此，它具有它具有化学化学化学化学稳稳定性定性定性定性、高温尺寸高温尺寸高温尺寸高温尺寸稳稳定性定性定性定性、不不不不发发生生生生高温分解高温分解高温分解高温分解以及在很高温度下以及在很高温度下不致不致不致不致热热塑化塑化塑化塑化等特点。等特点。28通通过电镜对纤维观察表明，芳察表明，芳纶是一种是一种沿沿沿沿轴轴向排列向排列向排列向排列的有的有规则的的褶叠褶叠褶叠褶叠层结层结构构构构。这种种褶叠褶叠褶叠褶叠层层结构的模型，可以很好地解构的模型，可以很好地解释横横横横向向向向强强度低度低度低度低、压缩压缩和剪切性能差和剪切性能差和剪切性能差和剪切性能差及及容易劈裂容易劈裂容易劈裂容易劈裂的的现象。象。29(3)用用途途目前，芳目前，芳纶纤维的的总产量量43用于用于轮轮胎的胎的胎的胎的帘子帘子帘子帘子线线(芳芳纶-29)，31用于用于复合材料复合材料复合材料复合材料，17.5用于用于绳绳索索索索类类和和防防防防弹弹衣衣衣衣，8.5用于用于其他其他其他其他。30以以树树脂脂脂脂作作为基体基体基体基体，芳芳芳芳纶纤维纶纤维作作为增增增增强强相相相相所形所形成的成的增增增增强强塑料塑料塑料塑料，简称称KFRP，它在它在航空航天方面航空航天方面的的应用，用，仅次于次于碳碳碳碳纤维纤维，成，成为必不可少的材料。必不可少的材料。31、聚乙聚乙烯纤维（Polyethylene,PE）聚乙聚乙烯纤维作作为目前目前国国国国际际上最新的上最新的上最新的上最新的一种有机一种有机纤维，它具有以下四个特点：，它具有以下四个特点：超超超超轻轻、高比高比高比高比强强度度度度、高比模量高比模量高比模量高比模量、成本成本较低低。32通常情况下，通常情况下，聚乙聚乙聚乙聚乙烯纤维烯纤维的的分子量分子量分子量分子量大于大于106，纤维的的拉伸拉伸拉伸拉伸强强度度度度为3.5GPa，弹性模量性模量为116GPa，延伸率延伸率延伸率延伸率为3.4%，密度密度密度密度为0.97g/cm3。可用于。可用于制做制做武器装甲武器装甲、防防弹背心背心、航天航空部件航天航空部件等。等。33相比于其它各种相比于其它各种纤维材料，材料，聚乙聚乙聚乙聚乙烯纤维烯纤维具有具有许多种多种优优点点点点。如：高如：高比比比比强强度度度度、高、高比模量比模量比模量比模量以及以及耐冲耐冲耐冲耐冲击击、耐磨耐磨耐磨耐磨、自自自自润润滑滑滑滑、耐腐耐腐耐腐耐腐蚀蚀、耐紫外耐紫外耐紫外耐紫外线线、耐低温耐低温耐低温耐低温、电绝缘电绝缘等。等。34聚乙聚乙烯纤维的不足之的不足之处：(1)熔点熔点较低低（约135）(2)高温容易蠕高温容易蠕变。因此因此仅能在能在100以下使用。以下使用。35（二）二）无机无机纤维1、玻璃玻璃纤维2、特种玻璃特种玻璃纤维3、碳碳纤维4、硼硼纤维5、氧化氧化铝纤维6、碳化硅碳化硅纤维7、氮化硼氮化硼纤维8、其他其他纤维36、玻璃玻璃纤维（GlassFibre,GF或或Gt）1.1玻璃玻璃玻璃玻璃纤维纤维及其及其制品制品制品制品；1.2玻璃玻璃纤维的的结结构构构构及及化学化学化学化学组组成成成成；1.3玻璃玻璃纤维的的物理性能物理性能物理性能物理性能；1.4玻璃玻璃纤维的的化学性能化学性能化学性能化学性能。371.1玻璃玻璃纤维及其制品及其制品概概述述随着随着玻璃玻璃玻璃玻璃钢钢工工业的的发展，展，玻璃玻璃玻璃玻璃纤维纤维工工业也得到迅速也得到迅速发展。展。国外国外国外国外玻璃玻璃纤维的主要特点如下：的主要特点如下：38、普遍采用、普遍采用池窑拉池窑拉池窑拉池窑拉丝丝新技新技术；、大力、大力发展展多排多孔拉多排多孔拉多排多孔拉多排多孔拉丝丝工工艺；、用于玻璃、用于玻璃钢的的纤维纤维直径直径直径直径逐逐渐向粗的方向向粗的方向向粗的方向向粗的方向发展，展，纤维直径直径为14-24um，甚至达甚至达27um；、大量生、大量生产无碱无碱无碱无碱纤维纤维；39、大力、大力发展展无无无无纺织纺织玻璃玻璃纤维织物物，无捻粗无捻粗无捻粗无捻粗纱纱和和短切短切短切短切纤维纤维毡片毡片毡片毡片所占比例增加；所占比例增加；、重、重视纤维-树脂脂界面界面界面界面的研究，的研究，偶偶偶偶联剂联剂的品的品的品的品种种种种不断增加，玻璃不断增加，玻璃纤维的的前前前前处处理理理理受到普遍重受到普遍重视。40我国我国玻璃玻璃玻璃玻璃纤维纤维工工工工业业诞生于生于1950年，当年，当时只能只能生生产绝缘材料用材料用的的初初初初级纤维级纤维。1958年以后，年以后，玻璃玻璃玻璃玻璃纤维纤维工工工工业业得到迅速得到迅速发展。展。现在全国有大、小在全国有大、小玻璃玻璃纤维厂家厂家200多个，玻璃多个，玻璃纤维年年产量量为5万吨，其中万吨，其中无碱无碱纤维占占20，中碱中碱纤维占占80，纤维直径直径多数多数为6-8um，正向粗正向粗纤维方向方向发展。展。41池窑拉池窑拉池窑拉池窑拉丝丝工工工工艺艺正在推广，重正在推广，重视纤维纤维-树树脂界脂界脂界脂界面面面面的研究，的研究，新型偶新型偶新型偶新型偶联剂联剂不断出不断出现，许多玻璃多玻璃纤维厂使用厂使用前前前前处处理工理工理工理工艺艺，玻璃玻璃纤维工工业的不断的不断发展展促促进了我国复合材料及尖端科学技了我国复合材料及尖端科学技术的的发展。展。42玻璃玻璃纤维的分的分类玻璃玻璃纤维的分的分类方法很多。通常从玻方法很多。通常从玻璃璃原料成分原料成分、单丝直径直径、纤维外外观及及纤维特性特性等方面等方面进行分行分类。431以玻璃原料成分分以玻璃原料成分分类这种分种分类方法主要用于方法主要用于连续连续玻璃玻璃玻璃玻璃纤维纤维的分的分类。一。一般以不同的般以不同的含碱量含碱量含碱量含碱量来区分：来区分：(1)无碱无碱无碱无碱玻璃玻璃纤维(2)中碱中碱中碱中碱玻璃玻璃纤维(3)有碱有碱有碱有碱玻璃玻璃纤维(4)特种特种特种特种玻璃玻璃纤维44(1)无碱玻璃无碱玻璃纤维(通称通称E玻玻纤)：是以是以钙铝钙铝硼硅酸硼硅酸硼硅酸硼硅酸盐盐组成的玻璃成的玻璃纤维，这种种纤维强强度度度度较较高高高高，耐耐耐耐热热性性性性和和电电性能性能性能性能优良，能良，能抗大气侵抗大气侵抗大气侵抗大气侵蚀蚀，化学化学化学化学稳稳定性定性定性定性也好也好(但但不耐酸不耐酸不耐酸不耐酸)。45无碱玻璃无碱玻璃无碱玻璃无碱玻璃纤维纤维最大的特点是最大的特点是电电性能好性能好性能好性能好，因此，因此也把它称做也把它称做电电气玻璃气玻璃气玻璃气玻璃。现在，国内外大多数都使用在，国内外大多数都使用这种种破璃破璃破璃破璃纤维纤维作作为复合材料的复合材料的原材料原材料。目前，国内目前，国内规定其定其碱金属氧化物含量碱金属氧化物含量碱金属氧化物含量碱金属氧化物含量不大于不大于0.5，国外一般国外一般为1左右。左右。46(2)中碱玻璃中碱玻璃纤维它是指碱金属氧化物含量在它是指碱金属氧化物含量在11.512.5之之间的玻璃的玻璃纤维。国外没有国外没有这种玻璃种玻璃纤维，它的主要特点是，它的主要特点是耐酸性耐酸性耐酸性耐酸性好，但好，但强强度度度度不如不如E玻璃玻璃纤维高。它主要高。它主要用于用于耐腐耐腐耐腐耐腐蚀领蚀领域域域域中，中，价格价格价格价格较较便宜便宜便宜便宜。47(3)有碱玻璃有碱玻璃(A玻璃玻璃)纤维有碱玻璃有碱玻璃有碱玻璃有碱玻璃称称A A玻璃玻璃玻璃玻璃，类似于窗玻璃及玻璃瓶似于窗玻璃及玻璃瓶的的钠钙玻璃玻璃。此种玻璃由于此种玻璃由于含碱量高含碱量高含碱量高含碱量高，强强度低度低度低度低，对潮气潮气侵侵蚀极极为敏感敏感，因而很少作，因而很少作为增增强材料材料。48(4)特种玻璃特种玻璃纤维如由如由纯镁铝镁铝硅硅硅硅三元三元组成的成的高高高高强强玻璃玻璃玻璃玻璃纤维纤维，镁镁铝铝硅系硅系硅系硅系高高高高强强高高高高弹弹玻璃玻璃玻璃玻璃纤维纤维，硅硅硅硅铝钙镁铝钙镁系系系系耐化学介耐化学介耐化学介耐化学介质质腐腐腐腐蚀蚀玻璃玻璃纤维，含，含铅铅纤维，高硅氧高硅氧高硅氧高硅氧纤维，石英石英石英石英纤维等。等。492以以单丝直径分直径分类玻璃玻璃纤维单丝单丝呈呈圆圆柱形柱形柱形柱形，以其，以其直径的不同直径的不同直径的不同直径的不同可以分可以分为以下几种：以下几种：粗粗粗粗纤维：30um；初初初初级级纤维：20um;中中中中级级纤维：1020um；高高高高级级纤维：310um(亦称亦称纺织纺织纤维)。对于于单丝单丝直径直径直径直径小于小于4um的玻璃的玻璃纤维称称为超超超超细纤维细纤维。50单丝单丝直径直径直径直径不同，不不同，不仅使使纤维的的性能性能性能性能有差异，有差异，而且影响到而且影响到纤维的的生生生生产产工工工工艺艺、产产量量量量和和成本成本成本成本。一般一般510um的的纤维作作为纺织纺织制品制品制品制品使用，使用，1014um的的纤维一般做一般做无捻粗无捻粗无捻粗无捻粗纱纱、无无无无纺纺布布布布、短短短短切切切切纤维纤维毡毡毡毡等等较为适宜。适宜。513以以纤维外外观分分类有有连续纤维连续纤维，其中有，其中有无捻粗无捻粗无捻粗无捻粗纱纱及有及有捻粗捻粗捻粗捻粗纱纱(用于用于纺织)、短切短切短切短切纤维纤维、空心玻璃空心玻璃空心玻璃空心玻璃纤维纤维、玻璃玻璃玻璃玻璃粉粉粉粉及及磨磨磨磨细纤维细纤维等。等。524以以纤维特性分特性分类根据根据纤维纤维本身本身本身本身具有具有的的的的性能性能性能性能可分可分为：高高高高强强玻璃玻璃纤维、高模量高模量高模量高模量玻璃玻璃纤维、耐碱耐碱耐碱耐碱玻璃玻璃纤维、耐酸耐酸耐酸耐酸玻玻璃璃纤维、普通普通普通普通玻璃玻璃纤维(指指无碱无碱无碱无碱及及中碱中碱中碱中碱玻璃玻璃纤维)。531.2玻璃玻璃纤维的的结构及化学构及化学组成成玻璃玻璃纤维的的结构构玻璃玻璃玻璃玻璃纤维纤维的的拉伸拉伸拉伸拉伸强强度度度度比比块块状玻璃状玻璃状玻璃状玻璃高高许多倍，但多倍，但经研究研究证明，明，玻璃玻璃玻璃玻璃纤维纤维的的结结构构构构与与玻璃玻璃玻璃玻璃相同。相同。关于玻璃关于玻璃结构的假构的假说到目前到目前为止，比止，比较能能够反反映映实际情况的是情况的是“微晶微晶微晶微晶结结构假构假构假构假说说”和和“网网网网络结络结构假构假构假构假说说”。54微晶微晶结构假构假说的要点的要点玻璃是由玻璃是由硅酸硅酸块或或二氧化硅二氧化硅的的“微晶微晶子子”组成，在成，在“微晶子微晶子”之之间由由硅酸硅酸块过冷溶液冷溶液所填充。所填充。55网网络结构假构假说的要点的要点玻璃是由玻璃是由二氧化硅的四面体二氧化硅的四面体二氧化硅的四面体二氧化硅的四面体、铝铝氧三面体氧三面体氧三面体氧三面体或或硼氧三面体硼氧三面体硼氧三面体硼氧三面体相互相互连成不成不规则三三三三维维网网网网络络；网；网络间的的空隙空隙空隙空隙由由Na、K、Ca、Mg等等阳离子所填充阳离子所填充阳离子所填充阳离子所填充。二氧化硅四面体的二氧化硅四面体的三三三三维维网状网状网状网状结结构构构构是决定是决定玻璃玻璃玻璃玻璃性能性能性能性能的基的基础，填充的，填充的Na、Ca等阳离子称等阳离子称为网网网网络络改性物改性物改性物改性物。56大量大量资料料证明，明，玻璃玻璃玻璃玻璃结结构构构构是是近似有序近似有序近似有序近似有序的。主的。主要是因要是因为在在玻璃玻璃结构中构中存在存在一定数量和大小一定数量和大小比比较有有有有规则规则排列的区域排列的区域排列的区域排列的区域，这种种规则性是由性是由一定数目的一定数目的多面体多面体遵循遵循类似似晶体晶体晶体晶体结结构的构的构的构的规则规则排列排列排列排列造成的。造成的。57但是，但是，玻璃玻璃玻璃玻璃结结构构构构的的这种种有序区域有序区域有序区域有序区域不像晶体不像晶体结构那构那样有有严格的周期性，格的周期性，微微微微观观上是不均匀上是不均匀上是不均匀上是不均匀的，的，宏宏宏宏观观上却又是均匀的上却又是均匀的上却又是均匀的上却又是均匀的，反映到玻璃的，反映到玻璃的性能性能性能性能上是上是各向各向各向各向同性的同性的同性的同性的。58玻璃玻璃纤维的化学的化学组成成玻璃玻璃纤维的的化学化学化学化学组组成成成成主要是主要是二氧化硅二氧化硅二氧化硅二氧化硅、三氧三氧三氧三氧化二硼化二硼化二硼化二硼、氧化氧化氧化氧化钙钙、三氧化二三氧化二三氧化二三氧化二铝铝等。等。玻璃玻璃纤维的的化学化学化学化学组组成成成成对玻璃玻璃纤维的的性性性性质质和生和生和生和生产产工工工工艺艺起决定性作用，以起决定性作用，以二氧化硅二氧化硅二氧化硅二氧化硅为主的称主的称为硅硅硅硅酸酸酸酸盐盐破璃破璃破璃破璃，以，以三氧化二硼三氧化二硼三氧化二硼三氧化二硼为主的称主的称为硼酸硼酸硼酸硼酸盐盐玻璃玻璃玻璃玻璃。59氢氢化化化化钠钠、氧化氧化氧化氧化钾钾等碱性氧化物等碱性氧化物为助熔氧化物助熔氧化物助熔氧化物助熔氧化物，它可以降低玻璃的它可以降低玻璃的熔化温度熔化温度熔化温度熔化温度和和粘度粘度粘度粘度，使玻璃熔液中，使玻璃熔液中的气泡容易排除。的气泡容易排除。助熔氧化物助熔氧化物助熔氧化物助熔氧化物主要通主要通过破坏玻璃骨架破坏玻璃骨架破坏玻璃骨架破坏玻璃骨架，使，使结结构疏构疏构疏构疏松松松松，从而达到助熔的目的。，从而达到助熔的目的。因此因此氧化氧化钠和和氢化化钾的含量越高的含量越高，玻璃，玻璃纤维的的强强度度度度、电绝缘电绝缘性能性能性能性能和和化学化学化学化学稳稳定性定性定性定性都会相都会相应的降低。的降低。60加入加入氧化氧化氧化氧化钙钙、三氧化二三氧化二三氧化二三氧化二铝铝等，能在一定条件等，能在一定条件下下构成玻璃网构成玻璃网构成玻璃网构成玻璃网络络的一部分的一部分的一部分的一部分，改善玻璃的某些性，改善玻璃的某些性质和工和工艺性能。性能。例如，用例如，用氧化氧化氧化氧化钙钙取代取代二氧化硅二氧化硅二氧化硅二氧化硅可可降低拉降低拉降低拉降低拉丝丝温度温度温度温度；加入三；加入三氧化二氧化二氧化二氧化二铝铝可可提高耐水性。提高耐水性。提高耐水性。提高耐水性。61总之，玻璃之，玻璃纤维化学成分的制定，化学成分的制定，化学成分的制定，化学成分的制定，一方面要一方面要满满足玻璃足玻璃足玻璃足玻璃纤维纤维物理和化学性能的要求物理和化学性能的要求物理和化学性能的要求物理和化学性能的要求，具有良好，具有良好的的化学化学化学化学稳稳定性定性定性定性；另一方面要；另一方面要满满足制造工足制造工足制造工足制造工艺艺的要求的要求的要求的要求，如合适的如合适的成型温度成型温度成型温度成型温度、硬化速度硬化速度硬化速度硬化速度及及粘度范粘度范粘度范粘度范围围。621.3玻璃玻璃纤维的物理性能的物理性能玻璃玻璃纤维具有一系列具有一系列优优良性能良性能良性能良性能，拉伸拉伸拉伸拉伸强强度高度高度高度高，防火防火防火防火、防霉防霉防霉防霉、防蛀防蛀防蛀防蛀、耐高温耐高温耐高温耐高温和和电绝缘电绝缘性能好性能好性能好性能好等。等。玻璃玻璃纤维的的缺点缺点缺点缺点是具有是具有脆性脆性脆性脆性，不耐腐不耐腐不耐腐不耐腐，对人人的皮肤有刺激性等的皮肤有刺激性等。63(1)外外观和比重和比重一般一般天然或人造的有机天然或人造的有机天然或人造的有机天然或人造的有机纤维纤维，其表面都有，其表面都有较深的深的皱纹皱纹；而而对于于玻璃玻璃玻璃玻璃纤维纤维来来说，其，其表面表面呈呈光滑的光滑的光滑的光滑的圆圆柱柱柱柱，其其横断面横断面几乎都是几乎都是完整的完整的完整的完整的圆圆形形形形。64宏宏观看来，由于看来，由于表面光滑表面光滑表面光滑表面光滑，纤维之之间的抱合力的抱合力非常小，非常小，不利于和不利于和不利于和不利于和树树脂粘脂粘脂粘脂粘结结；又由于又由于呈呈呈呈圆圆柱状柱状柱状柱状，所以玻璃，所以玻璃纤维彼此相靠近彼此相靠近时，空隙填充的空隙填充的空隙填充的空隙填充的较为较为密密密密实实，这对于提高复合材料制品的于提高复合材料制品的玻璃含量玻璃含量是有利的。是有利的。65玻璃玻璃玻璃玻璃纤维纤维直径直径直径直径从从1.525um，大多数大多数为414um。玻璃玻璃玻璃玻璃纤维纤维的密度的密度的密度的密度为2.164.30gcm3，其比重其比重较有机有机纤维大很多，但比一般的金属比重要低，与大很多，但比一般的金属比重要低，与铝相相比几乎一比几乎一样。所以在航空工。所以在航空工业上用上用复合材料复合材料复合材料复合材料代替代替铝钛铝钛合金合金合金合金就成就成为可能。可能。此外，一般情况下，此外，一般情况下，无碱玻璃无碱玻璃无碱玻璃无碱玻璃纤维纤维的比重的比重的比重的比重大于大于有有有有碱碱碱碱纤维纤维。66(2)表面表面积大大由于玻璃由于玻璃纤维的的表面表面积大大，使得，使得纤维表面表面处理的效果理的效果对性能的影响性能的影响很大。很大。67(3)玻璃玻璃纤维的力学性能的力学性能玻璃玻璃纤维的拉伸的拉伸强度度玻璃玻璃纤维的最大特点是的最大特点是拉伸拉伸拉伸拉伸强强度高度高度高度高。一般。一般玻玻玻玻璃制品璃制品璃制品璃制品的拉伸的拉伸强度只有度只有40100MPa，而直径而直径39um的的玻璃玻璃玻璃玻璃纤维纤维拉伸拉伸强度度则高达高达15004000MPa，较一般合成一般合成纤维高高约10倍，比合金倍，比合金钢还高高2倍。倍。68几种几种纤维和全属和全属材料的材料的强度如下表所示：度如下表所示：几种几种纤维材料和金属材料的材料和金属材料的强度度69玻璃玻璃纤维高高强的原因的原因对玻璃玻璃纤维高高强的原因，的原因，许多学者提出了不多学者提出了不同的假同的假说，其中比，其中比较有有说服力的是服力的是微裂微裂微裂微裂纹纹假假假假说说。微裂微裂微裂微裂纹纹假假假假说说认为，玻璃的理玻璃的理论强度度取决于取决于分分分分子或原子子或原子子或原子子或原子间间的引力的引力的引力的引力，其，其理理理理论强论强度很高度很高度很高度很高，可达到，可达到200l200kgmm2。70但通常情况下，玻璃或玻璃但通常情况下，玻璃或玻璃纤维的的实测实测强强度度度度很低。很低。这是因是因为，在它，在它们当中，存在着当中，存在着数量不等数量不等数量不等数量不等，尺小不同尺小不同尺小不同尺小不同的的微裂微裂微裂微裂纹纹，从而大大降，从而大大降低了其低了其强度。度。71微裂微裂微裂微裂纹纹分布在分布在破璃或玻璃破璃或玻璃纤维的的整个体整个体整个体整个体积积内，内，但以但以表面的微裂表面的微裂表面的微裂表面的微裂纹纹危害最大。危害最大。出于出于微裂微裂微裂微裂纹纹的存在，使玻璃的存在，使玻璃在外力作用下在外力作用下受力受力受力受力不均不均不均不均，在危害最大的微裂，在危害最大的微裂纹处，产生生应应力集中力集中力集中力集中，从，从而使而使强强度下降度下降度下降度下降。72玻璃玻璃玻璃玻璃纤维纤维比玻璃的比玻璃的强强度高度高度高度高很多，主要有两方很多，主要有两方面的原因：面的原因：、玻璃、玻璃纤维高温成型高温成型时减少了玻璃溶液的减少了玻璃溶液的减少了玻璃溶液的减少了玻璃溶液的不均一性不均一性不均一性不均一性，使，使微裂微裂微裂微裂纹产纹产生的机会减少生的机会减少生的机会减少生的机会减少。、玻璃、玻璃纤维的的断面断面断面断面较较小小小小，随着，随着表面表面表面表面积积的减的减的减的减小小小小，使，使微裂微裂微裂微裂纹纹存在的几率存在的几率存在的几率存在的几率也减少，从而使也减少，从而使纤维强度增高。度增高。73有人更明确地提出，有人更明确地提出，直径小的直径小的直径小的直径小的玻璃玻璃纤维强度度比比直径粗的直径粗的直径粗的直径粗的纤维强度高的原因是由于度高的原因是由于表面微裂表面微裂表面微裂表面微裂纹纹尺寸和数量尺寸和数量尺寸和数量尺寸和数量较较小小小小，从而，从而减少了减少了减少了减少了应应力集中力集中力集中力集中，使，使纤维具有具有较高的高的强度。度。74影响玻璃影响玻璃纤维强度的因素度的因素A、一般情况，玻璃一般情况，玻璃纤维的的拉伸拉伸拉伸拉伸强强度度度度随随直直直直径径径径变细而拉伸而拉伸强度增加，如下表所示：度增加，如下表所示：75玻璃玻璃纤维拉伸拉伸强度与直径的关系度与直径的关系76B、拉伸拉伸拉伸拉伸强强度度度度也与也与纤维纤维的的的的长长度度度度有关，随着有关，随着长度增加度增加拉伸拉伸拉伸拉伸强强度度度度显显著下降著下降著下降著下降。如下表所示：。如下表所示：77纤维直径和直径和长度度对拉伸拉伸强度度的影响，可用的影响，可用“微裂微裂纹理理论”给予解予解释：随着随着纤维直径的减小直径的减小和和长度的度的缩短短，纤维中中微裂微裂纹的的数量和大小数量和大小就会相就会相应地地减小减小，这样强度度就会相就会相应地地增加增加。78、化学、化学、化学、化学组组成成成成对强对强度的影响度的影响度的影响度的影响纤维的的强强度度度度与玻璃与玻璃化学成分化学成分化学成分化学成分关系密切。关系密切。对于于同一系同一系同一系同一系统统(即即基本基本组分分)来来说，部分，部分改改变氧氧化物的种化物的种类和数量和数量，纤维强度改度改变不大不大(2030)。而而改改改改变变系系系系统统(即即改改变它的基本它的基本组分分)，强度会度会产生大幅度地生大幅度地变化。化。79一般来一般来说，含碱量越高，含碱量越高，纤维的的强度越低。度越低。高高高高强强玻璃玻璃玻璃玻璃纤维纤维强度明度明显地高于地高于无碱玻璃无碱玻璃无碱玻璃无碱玻璃纤维纤维，而，而有碱有碱有碱有碱纤维纤维强度更低。度更低。研究表明，研究表明，高高高高强强和和无碱玻璃无碱玻璃无碱玻璃无碱玻璃纤维纤维由于由于成型温度成型温度成型温度成型温度高高高高、硬化速度快硬化速度快硬化速度快硬化速度快、结结构构构构键键能大能大能大能大等原因，而具有很等原因，而具有很高高高高的拉伸的拉伸的拉伸的拉伸强强度度度度。80纤维的的表面缺陷表面缺陷表面缺陷表面缺陷对强强度影响度影响度影响度影响巨大。如下表所示：巨大。如下表所示：纤维强度与化学度与化学组成的关系成的关系81从上表可以看出，当各种从上表可以看出，当各种纤维都有微裂都有微裂纹时强度相近；只有当度相近；只有当表面缺陷减小到一定程度表面缺陷减小到一定程度时，纤维强纤维强度度度度对其其化学化学化学化学组组成成成成的依的依赖关系才会表关系才会表现出来。出来。82D、纤维老化的影响老化的影响当当纤维存放一段存放一段时间后，会出后，会出现强度下度下降降的的现象，称象，称为纤维的老化的老化。纤维的老化的老化主要取决于主要取决于纤维对大气水分大气水分的化学的化学稳定性。定性。83例如，直径例如，直径6um的的无碱玻璃无碱玻璃无碱玻璃无碱玻璃纤维纤维和含和含17的的Na2O有碱有碱有碱有碱纤维纤维，在空气湿度，在空气湿度为6065的条件的条件下存放，下存放，无碱玻璃无碱玻璃无碱玻璃无碱玻璃纤维纤维存放后存放后强强度基本不度基本不度基本不度基本不变变，而，而有碱有碱有碱有碱纤维纤维强强度度度度不断不断下降下降下降下降。强度度变化的原因，主要是由于化的原因，主要是由于二种二种二种二种纤维纤维对大大大大气水分的化学气水分的化学气水分的化学气水分的化学稳稳定性定性定性定性不同所致。不同所致。84E、纤维的疲的疲劳影响影响玻璃玻璃玻璃玻璃纤维纤维的疲的疲的疲的疲劳劳一般是指一般是指纤维强纤维强度度度度随随施加施加施加施加负负荷荷荷荷时间时间的增加而降低的增加而降低的增加而降低的增加而降低的情况。的情况。纤维疲疲劳现象是象是普遍普遍普遍普遍的，当相的，当相对湿度湿度为6065%时，玻璃，玻璃纤维在在长长期期期期张张力作用下力作用下力作用下力作用下，都会有很，都会有很大程度的疲大程度的疲劳。85纤维强纤维强度度度度受施加受施加负荷荷时间时间的影响，即的影响，即纤维纤维的的的的疲疲疲疲劳劳是普通存在的。是普通存在的。例如，在施加例如，在施加60的的断裂断裂断裂断裂负负荷荷荷荷的作用力下，的作用力下，26昼夜，昼夜，纤维会全部断裂。会全部断裂。86玻璃玻璃纤维疲疲疲疲劳劳的原因的原因的原因的原因，在于，在于吸附作用的影响吸附作用的影响吸附作用的影响吸附作用的影响，即即水分吸附水分吸附水分吸附水分吸附并并渗透到渗透到渗透到渗透到纤维纤维微裂微裂微裂微裂纹纹中，在外力的作用中，在外力的作用下，加速裂下，加速裂纹的的扩展。展。玻璃玻璃纤维疲疲疲疲劳劳的程度的程度的程度的程度取决于取决于微型微型微型微型纹纹扩扩展和范展和范展和范展和范围围。这与与应应力力力力、尺寸尺寸尺寸尺寸、湿度湿度湿度湿度、介介介介质质种种种种类类等方面有关。等方面有关。87F、成型方法和成型条件成型方法和成型条件强度的影响度的影响玻璃玻璃纤维成型方法成型方法和和成型条件成型条件对强度也有度也有很大影响。很大影响。如玻璃如玻璃硬化速度越快硬化速度越快，拉制的，拉制的纤维强度也度也越高越高。88玻璃玻璃纤维的的弹性性A A、玻璃玻璃玻璃玻璃纤维纤维的延伸率的延伸率的延伸率的延伸率纤维的延伸率的延伸率(又称又称断裂伸断裂伸断裂伸断裂伸长长率率率率)是指是指纤维在外力在外力作用下作用下直至拉断直至拉断直至拉断直至拉断时时的伸的伸长百分率。百分率。玻璃玻璃玻璃玻璃纤维纤维的延伸率的延伸率的延伸率的延伸率比其它比其它有机有机纤维的延伸率的延伸率低低低低，一般一般为3左右。左右。89B、玻璃玻璃纤维的的弹性模量性模量玻璃玻璃纤维的的弹弹性模量性模量性模量性模量是指是指在在弹性范性范围内内内内应应力力力力和和和和应变应变关系关系关系关系的的比例常数比例常数比例常数比例常数。玻璃玻璃纤维的的弹弹性模量性模量性模量性模量约为7 104MPa，与与铝相当，只有普通相当，只有普通钢的三分之一，致使复合材料的的三分之一，致使复合材料的刚刚度度度度较较低低低低。90对玻璃玻璃纤维的的弹弹性模量性模量性模量性模量起主要作用的是其起主要作用的是其化学化学化学化学组组成成成成。实践践证明，加入明，加入BeOBeO、MgOMgO能能够提高玻璃提高玻璃纤维的的弹性模量。性模量。91含含BeO的高的高弹弹玻璃玻璃玻璃玻璃纤维纤维(M)，其其弹性模量比性模量比无碱玻璃无碱玻璃无碱玻璃无碱玻璃纤维纤维(E)提高提高60。它取决于玻璃。它取决于玻璃纤维结结构的本身构的本身构的本身构的本身，与，与直径大小直径大小、磨磨损程度程度等无关。等无关。另外，另外，不同直径的玻璃不同直径的玻璃纤维弹弹性模量相同性模量相同性模量相同性模量相同，也也证明了它明了它们具有具有近似的分子近似的分子结构构。92(4)玻璃玻璃纤维的耐磨性与耐折性的耐磨性与耐折性玻璃玻璃纤维的的耐磨性耐磨性耐磨性耐磨性是指是指纤维抵抗抵抗磨擦磨擦磨擦磨擦的能力的能力；玻璃玻璃纤维的的耐折性耐折性耐折性耐折性是指是指纤维抵抗抵抗折断折断折断折断的能力的能力。玻璃玻璃纤维这两个性能都很差两个性能都很差两个性能都很差两个性能都很差，经过揉搓摩擦容易受揉搓摩擦容易受伤或断裂，或断裂，这是玻是玻纤的的严重缺点。重缺点。93当当纤维表面表面吸附水