聚合物基复合材料中的增强材料--玻璃纤维

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1、聚合物基复合材料中的增强材料玻璃纤维20世纪40年代,因航空工业的需求,发展了玻璃纤维增强材料(俗称玻璃钢),从此产生了复合材料这一名词.复合材料是指将两种或两种以上不同材料,用适当的方法复合而成的一种新材料,其性能比单一材料性能优越.它的使用历史可以追溯到古代,从古至今沿用的稻草增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均使用两种材料复合而成.复合材料与传统材料(如金属,木材,水泥等)相比,具有诸多优点.(1)轻质高强.普通碳钢的密度为7.8g/cm3,玻璃纤维增强树脂基复合材料的密度为1.52.0g/cm3,只有普通碳钢的1/51/4,而机械强度却能超过普通碳钢的水平.(2)可设计性好.复合材料可

2、以根据不同的用途要求,灵活的进行产品设计,具有很好的可设计性.(3)电性能好.复合材料具有良好的电性能,通过选择不同的树脂基体增,增强材料和辅助材料,可以将其制成绝缘材料或导电材料,例如玻璃纤维增强树脂基复合材料具有优良的电绝缘性能,并且在高频下仍能保持良好的介电性能.(4)耐腐蚀性好.聚合物基复合材料具有优异的耐酸性,耐海水性,也能耐碱盐和有机溶剂.(5)热性能良好.玻璃纤维增强的聚合物基复合材料具有较小的导热系数,一般在室温下为0.30.4kcal/(mhk),只有金属的1/10001/100,是一种优良的绝热材料.(6)工艺性能好.纤维增强的聚合物基复合材料具有优良的工艺性能,可以通过缠

3、绕成型,接触成型等复合材料特有的工艺方法制成制品.在工业发展的大环境下,传统材料的物化性能和生产应用无法满足发展要求的问题日益凸显,而复合材料因其许多优良的性能,并且其成本在不断下降,成型工艺的机械化,自动化程度的不断提高,复合材料得到了快速发展和日益广泛的应用.复合材料的性能主要取决于L1)基体的性能(2)增强材料的性能(3)基体与增强材料间的界面性能.增强材料是复合材料的重要组成部分,起着提高树脂基体的强度,模量,耐热和耐磨等性能的作用.增强材料还有减小复合材料成型过程中的收缩率,提高制品硬度等作用.增强材料对解决复合材料弹性模量,长期耐热性,老化现象起到不可替代的作用.增强材料总体上可分

4、为有机增强材料,包括芳纶纤维,聚并双噁唑纤维,超高分子质量聚乙烯纤维等,和无机增强材料,包括玻璃纤维,碳纤维,硼纤维,晶须等.树脂基复合材料的增强材料具有以下特征:(1) 具有明显提高树脂基体所需某种特性的性能,如高比强度,比模量,高导热性,耐热性,低膨胀性等,以便赋予树脂基体某种所需的特性和综合性能.(2) 具有良好的化学稳定性.在树脂基复合材料制备和使用过程中其组织结构和性能不发生明显的变化和退化.(3) 与树脂有良好的浸润性和适当的界面反应,使增强材料与基体树脂有良好的界面结合.(4) 价廉.具有现代意义的复合材料的生产和发展,是以20世纪40年代的玻璃纤维的生产和发展为开端的.玻璃纤维

5、是非常好的金属材料替代材料,随着社会经济的迅速发展,玻璃纤维已成为建筑,交通,电子,电气,化工,冶金,环境保护,国防等行业必不可少的原材料,其研究和发展应用也日益受到重视.玻璃纤维根据其划分依据不同,有多种分类.(1)根据玻璃纤维的化学组成可分为:无碱纤维含碱量在1%以下,低碱纤维含碱量在2%6%之间,有碱纤维含碱量在10%16%之间.其中无碱纤维在国外为通用玻璃纤维,占总产量的90%以上,再过内也是应用最多的类型之一.其抗拉强度比钢丝还高,与金属材料相比重量轻,与金属铝相当;抗疲劳强度高;绝缘度高介电常数低,尺寸稳定等一系列优异性能使他成为现代工业中应用最广泛的增强材料,电绝缘材料和工业材料

6、.(2)根据外观形状可分为:长纤维,短纤维,空心纤维,卷曲纤维.(3)根据纤维特性分为:高强度极高模量纤维,耐高温纤维,耐碱纤维,普通纤维.玻璃是无色透明的脆性固体,它是熔融物过冷时因粘度增加而具有固体物理机械性能的无定形物体,属各向同性的均质材料.玻璃纤维的外观与块状玻璃完全不同,而且玻璃纤维的拉伸强度比玻璃高出许多,但两者结构仍相同.其结构假说主要有两种:(1)微晶结构假说,即玻璃是由硅酸盐或二氧化硅”微晶子”所组成,”微晶子”在结构上高度变形,其间由无定形中间层即有硅酸盐过冷溶液填充.(2)网格结构假说.其认为,玻璃是由二氧化硅四面体,铝氧四面体或硼氧三面体相互连接成不规则的三维网络,网

7、络间的空隙由Na+,K+,Ca2+等阳离子所填充。二氧化硅四面体三维网状结构是决定玻璃纤维性能的基础，填充的Na+，Ca2+等阳离子是网络改性物。玻璃纤维的化学组成主要是二氧化硅，三氧化硼，它们对玻璃纤维的性质和工艺特点起决定性作用。以二氧化硅为主的称为硅酸盐玻璃,以三氧化硼为主的称为硼酸盐玻璃,加入助熔氧化物如氧化钠,氧化钾等碱性氧化物能降低玻璃的熔化温度和熔融粘度,是玻璃溶液中的气泡容易排出.玻璃纤维的物理性能.(1)玻璃纤维的外观是光滑的圆柱体,横截面几乎是圆形.用于复合材料的玻纤直径一般为520m.(2)玻璃纤维的力学性能.虽然其扭转强度和剪切强度均较其他纤维低,玻璃纤维拉伸强度很高,

8、比相同成分的块状玻璃高很多,例如,有碱玻璃拉伸强度只有40100MPa,而其玻纤的拉伸强度却能达到2000MPa,强度提高2050倍.关于这一现象有几种较有说服力的假说:(1)微裂纹假说.其认为在玻璃或玻纤中存在微裂纹,降低其强度,在外力作用下易产生应力集中,而玻纤经高温成型时减少了玻璃溶液的不均一性,使裂纹减少.(2)”冻结”高温结构假说.玻璃纤维在成型过程中,由于冷却速度很快,熔融态的玻璃被冻结起来,因而使玻纤中的结晶,多晶转变以及微观分层较块状玻璃少,提高了强度.(3)分子取向假说.在玻璃纤维成型过程中,由于拉丝机的牵引力作用,使玻纤分子产生定向排列.从而提高玻纤强度.影响玻璃纤维强度的

9、因素很多,其中纤维的直径和长度,化学组成,存放时间,负荷时间对其影响较大.(3)玻璃纤维的热,电性能.玻璃纤维的化学组成决定了其耐热性,例如石英和高硅氧玻纤的耐热温度可达2000度以上.在外电场作用下,玻纤内的离子产生迁移而导电,其化学组成,环境温度和湿度是其导电性的主要因素.玻璃纤维的化学性能.玻璃纤维的化学性能与其化学组成,纤维直径,介质及温度有关.玻璃纤维直径越小,比表面积越大,化学稳定性就越低.玻璃纤维中SiO2及碱金属氧化物含量对其化学性能其主要作用,SiO2能提高化学稳定性,碱金属则使其降低.水的吸附作用和溶解作用也影响着玻纤的化学稳定性.玻璃纤维的生产方法有坩埚法和池窑法.(1)

10、坩埚法生产玻璃纤维有制球和拉丝两部分组成.首先根据的质量要求,配料制球,检验合格的玻璃球用来拉制玻璃纤维.(2)池窑法拉丝工艺是将玻璃原料直接加入窑内熔融,澄清均化后,经漏板孔流出,单丝涂覆浸润剂并集束后,有拉丝机缠到绕线筒上.与坩埚法相比,池窑法生产工艺具有拉丝操作稳定性好,断头飞丝少,单位能耗低等优点,因此池窑法已成为主要的玻纤生产方法,全球95%玻纤生产以此法进行.我国玻璃纤维工业起步与1958年,产量106吨,1978年形成工业体系,年产4.1万吨,居世界第七,1998年增加到16.4万吨,池窑拉丝比例为12%,2008年我国玻纤产量达235万吨.从1998年到2008年,我国玻纤产量年增长率达30.5%.从2006年开始,我国玻纤产品出口比例超过60%,国际玻纤市场对我国玻纤市场的推动作用,是我国玻纤增长的主要支柱.同时,国内高档玻纤产品还是以进口为主,体现出国内产品在技术与质量上与国外还有差距.玻璃纤维行业最大的欧文斯科宁公司已全面推广无硼无氟高耐酸性的advantexR,用于顶替E玻纤，在今后几年内，国外大部分生产线将继续进行技术改进和产品升级，生产高性能玻纤。预计到2015年，全球玻纤复合材料市场价值将突破84亿美元，年增长率达6.3%，其中玻纤增强材料产量占70%75%。在未来的发展中，玻纤将向着更高的可设计性，形态的多样性，节约环保高速发展。