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1、复合材料主讲人：王家邦章节内容复合材料概况复合材料的基体材料复合材料的增强材料复合材料设计理论聚合物基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料水泥基复合材料纳米及分子复合材料主要内容一、一、纤维及其织物纤维及其织物 （一）有机纤维：（一）有机纤维：（一）有机纤维：（一）有机纤维：（二）无机纤维（二）无机纤维（二）无机纤维（二）无机纤维 1 1、玻璃纤维、玻璃纤维、玻璃纤维、玻璃纤维 2 2、特种玻璃玻璃纤维（、特种玻璃玻璃纤维（、特种玻璃玻璃纤维（、特种玻璃玻璃纤维（133133）3 3、碳纤维（、碳纤维（、碳纤维（、碳纤维（152152）4 4、硼纤维（、硼纤维（、硼纤维（、硼纤维（197197
2、）5 5、氧化铝纤维（、氧化铝纤维（、氧化铝纤维（、氧化铝纤维（210210）6 6、碳化硅纤维（、碳化硅纤维（、碳化硅纤维（、碳化硅纤维（220220）7 7、氮化硼纤维（、氮化硼纤维（、氮化硼纤维（、氮化硼纤维（238238）二、二、晶须晶须三、三、颗粒颗粒复合材料的增强材料第三章第三章复合材料增强剂复合材料增强剂在复合材料中，粘结在基体内以改进其在复合材料中，粘结在基体内以改进其机械性能的机械性能的高强度材料高强度材料高强度材料高强度材料称为称为增强材料增强材料增强材料增强材料。增强材料增强材料增强材料增强材料有时也称作有时也称作增强体增强体增强体增强体、增强剂增强剂增强剂增强剂等。等。
3、复合材料的增强材料 复合材料增强剂的特点复合材料增强剂的特点（图71）1、具有很低的比重；2、组成这些化合物的元素都处在元素周期表中的第二、第三周期；3、它们大多数都是以结合力很强的共价键结合；4、具有很高的比强度、比刚度和高温稳定性高温稳定性。复合材料的增强材料图 71 不同复合材料增强剂的强度和模量 复合材料的增强材料 脆性纤维的抗张强度统计分析脆性纤维的抗张强度统计分析碳纤维、碳纤维、SiC 纤维等高性能增强剂均为脆性材料，其强度遵循正态分布规律。纤维等高性能增强剂均为脆性材料，其强度遵循正态分布规律。使用使用Weibull模数分析可较准确地分析其强度分布规律模数分析可较准确地分析其强度
4、分布规律(图图7-2、-3)。Weibull 函数函数:Ps=1-Pr=exp-v (-u)/0 m式中：式中：Ps和和 Pr分别为体积为分别为体积为 v 的试样在负载为的试样在负载为 的条件下的保留几的条件下的保留几率和断裂几率；率和断裂几率；u 为为 Pr=0时的应力负荷（一般设定时的应力负荷（一般设定 u 为某一可能达到的最小值或为某一可能达到的最小值或零）；零）；0 为分散参数，为分散参数，m 则为则为Weibull 模数。模数。Ps（i）=1-i/(N+1)，Ps（i）为在为在 I 阶断裂负载时的保留几率，阶断裂负载时的保留几率，N为试样总数，那为试样总数，那么：么：ln ln(1/
5、Ps)=m ln +K，K=-m ln 0+ln V0 ln -ln ln (1/Ps)的直线斜率直线斜率 即为 Weibull 模数模数 m。表7 1 不同标距的SiC纤维的Weibull 模数脆性材料的Weibull模数模数在一定程度上反映了材料的可靠性(表7-1)。图72 SiC纤维室温拉伸强度分布 图7-3 SiC纤维Weibull 模数分析图复合材料的增强材料一、纤维一、纤维 如，植物纤维棉花、麻类；如，植物纤维棉花、麻类；动物纤维丝、毛；动物纤维丝、毛；矿物纤维石棉、水镁石纤维。矿物纤维石棉、水镁石纤维。天然纤维天然纤维 强度较低，强度较低，现代复合材料的增强材料用合成纤维。现代复
6、合材料的增强材料用合成纤维。复合材料的增强材料纤维纤维纤维纤维在复合材料中起在复合材料中起增强作用增强作用增强作用增强作用，是主要，是主要承承承承力组分力组分力组分力组分。纤维纤维纤维纤维不仅能使材料显示出不仅能使材料显示出较高的抗张强度较高的抗张强度较高的抗张强度较高的抗张强度和和刚度刚度刚度刚度，而且能，而且能减少收缩减少收缩减少收缩减少收缩，提高，提高热变形温度热变形温度热变形温度热变形温度和和低温冲击强度低温冲击强度低温冲击强度低温冲击强度等。等。复合材料的增强材料一、纤维一、纤维 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的性纤维
7、的性纤维的性纤维的性能能能能、含量含量含量含量及及使用状态使用状态使用状态使用状态。如如聚苯乙烯塑料聚苯乙烯塑料聚苯乙烯塑料聚苯乙烯塑料，加入，加入玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维后，后，拉伸强度拉伸强度拉伸强度拉伸强度可从可从600 MPa600 MPa提高到提高到1000 MPa1000 MPa，弹性模量弹性模量弹性模量弹性模量可从可从3000 3000 MPaMPa提高到提高到8000 MPa8000 MPa，其，其热变形温度热变形温度热变形温度热变形温度可从可从8585提高提高到到105105 ，使，使-40-40 以下的以下的冲击强度冲击强度冲击强度冲击强度可提高可提高1010倍。倍
8、。复合材料的增强材料一、纤维一、纤维 纤维纤维可分为可分为有机纤维有机纤维和和无机纤维无机纤维复合材料的增强材料一、纤维一、纤维 （一）（一）有机纤维有机纤维 芳纶芳纶纤维纤维 聚乙烯聚乙烯纤维纤维 一、纤维一、纤维 复合材料的增强材料、芳纶纤维、芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维是指日前巳工业化生产并广泛应是指日前巳工业化生产并广泛应用的用的聚芳酰胺纤维聚芳酰胺纤维聚芳酰胺纤维聚芳酰胺纤维。国外商品牌号叫国外商品牌号叫凯芙拉凯芙拉凯芙拉凯芙拉(KevlarKevlar)纤维纤维纤维纤维，我，我国暂命名为国暂命名为芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维，有时也称，有时也称有机纤维有机纤维有机纤
9、维有机纤维。复合材料的增强材料一、纤维一、纤维 芳纶纤维的历史芳纶纤维的历史芳纶纤维的历史芳纶纤维的历史很短，发展很快。很短，发展很快。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纤维为名纤维为名纤维为名纤维为名发表了专利并提供产品。发表了专利并提供产品。1972年又研制了以年又研制了以PRD-49PRD-49命名的纤维。命名的纤维。1973年正式登记的商品名称为年正式登记的商品名称为ARAMIDARAMID纤维。纤维。复合材料的增强材料一、纤维一、纤维 、芳纶纤维、芳纶纤维ARAMIDARAMID纤维纤维纤维纤维包括三种牌号的产品，并包括三种
10、牌号的产品，并重改名称。重改名称。PRD-49-IVPRD-49-IV改称为改称为芳纶芳纶芳纶芳纶-29-29；PRD-49-IIIPRD-49-III改称为改称为芳纶芳纶芳纶芳纶-49-49；B B纤维纤维纤维纤维改称为改称为芳纶芳纶芳纶芳纶。复合材料的增强材料复合材料的增强材料一、纤维一、纤维 、芳纶纤维、芳纶纤维芳纶、芳纶芳纶、芳纶芳纶、芳纶芳纶、芳纶-29-29、芳纶、芳纶、芳纶、芳纶-49-49这三种牌号纤这三种牌号纤维的用途各不相同。维的用途各不相同。芳纶芳纶芳纶芳纶主要用于主要用于橡胶增强橡胶增强，制造轮胎制造轮胎、三角三角皮带皮带、同步带同步带等；等；芳纶芳纶芳纶芳纶-29-2
11、9主要用于主要用于绳索绳索、电缆电缆、涂漆织物涂漆织物、带带和和带状物带状物，以及，以及防弹背心防弹背心等。等。芳纶芳纶芳纶芳纶-49-49用于用于航空航空、宇航宇航、造船工业造船工业的复的复合材料制件。合材料制件。复合材料的增强材料复合材料的增强材料一、纤维一、纤维 、芳纶纤维、芳纶纤维(1)芳纶纤维的性能特点芳纶纤维的性能特点A、芳纶纤维的、芳纶纤维的力学性能力学性能；、芳纶纤维的芳纶纤维的热稳定性热稳定性；、芳纶纤维的、芳纶纤维的化学性能化学性能。复合材料的增强材料复合材料的增强材料一、纤维一、纤维 、芳纶纤维、芳纶纤维A、芳纶纤维的力学性能、芳纶纤维的力学性能芳纶纤维的特点芳纶纤维的特
12、点是是拉伸强度高拉伸强度高拉伸强度高拉伸强度高。单丝强度。单丝强度可达可达3773MPa；254mm长的纤维束的拉伸强度长的纤维束的拉伸强度为为2744MPa，大约为铝的，大约为铝的5倍。倍。芳纶纤维的芳纶纤维的冲击性能好冲击性能好冲击性能好冲击性能好，大约为石墨纤维，大约为石墨纤维的的6倍，为硼纤维的倍，为硼纤维的3倍，为玻璃纤维倍，为玻璃纤维0.8倍。倍。复合材料的增强材料复合材料的增强材料一、纤维一、纤维 、芳纶纤维、芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维的的弹性模量高弹性模量高弹性模量高弹性模量高，可达，可达1.271.577MPa，比，比玻璃纤维玻璃纤维高一倍，为高一倍，为碳纤维碳
13、纤维0.8倍。倍。芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维的的断裂伸长断裂伸长断裂伸长断裂伸长在在3左右，接近左右，接近玻璃玻璃纤维纤维，高于其他纤维。，高于其他纤维。复合材料的增强材料复合材料的增强材料一、纤维一、纤维 、芳纶纤维、芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维与与碳纤维碳纤维碳纤维碳纤维混杂将能大大混杂将能大大提高提高提高提高纤维复纤维复合材料的合材料的冲击性能冲击性能冲击性能冲击性能。芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维的的密度小密度小密度小密度小，比重为，比重为1.441.45，只有，只有铝的一半。因此，它有高的铝的一半。因此，它有高的比强度比强度比强度比强度与与比模量比模量比模量比模量
14、。复合材料的增强材料复合材料的增强材料一、纤维一、纤维 、芳纶纤维、芳纶纤维下表为芳纶纤维的基本性能下表为芳纶纤维的基本性能复合材料的增强材料、芳纶纤维、芳纶纤维、芳纶纤维的热稳定性芳纶纤维的热稳定性芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维有有良好的热稳定性良好的热稳定性良好的热稳定性良好的热稳定性，耐火而不熔耐火而不熔耐火而不熔耐火而不熔，当温度，当温度达达487时尚时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。因此，因此，芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维在高温作用下，不发生变形，直至分解。在高温作用下，不发生变形，直至分解。如，能长期在如，能长期在180下使用；在下使用；在150下
15、作用一周后下作用一周后强强强强度度度度、模量模量模量模量不会下降；即使在不会下降；即使在200下，一周后下，一周后强度降低强度降低强度降低强度降低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)不发生不发生脆化脆化脆化脆化亦不亦不降解降解降解降解。复合材料的增强材料、芳纶纤维、芳纶纤维和碳纤维一样，芳纶纤维的和碳纤维一样，芳纶纤维的热膨胀系数热膨胀系数热膨胀系数热膨胀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，芳纶纤维的如，芳纶纤维的纵向热膨胀系数纵向热膨胀系数纵向热膨胀系数纵向热膨胀系数在在0100时为时为-2 10-6/；在；在100200时
16、为时为-4 106/。横向热膨胀系数横向热膨胀系数横向热膨胀系数横向热膨胀系数为为59 10-6/、芳纶纤维的热稳定性芳纶纤维的热稳定性复合材料的增强材料、芳纶纤维、芳纶纤维、芳纶纤维的化学性能、芳纶纤维的化学性能芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维具有良好的具有良好的耐介质耐介质耐介质耐介质性能，对性能，对中中性化学药品性化学药品的的抵抗力抵抗力抵抗力抵抗力一般是很强的，但易受一般是很强的，但易受各种各种酸碱的侵蚀酸碱的侵蚀酸碱的侵蚀酸碱的侵蚀，尤其是，尤其是强酸的侵蚀强酸的侵蚀强酸的侵蚀强酸的侵蚀；芳纶纤维的芳纶纤维的耐水性耐水性耐水性耐水性也不好，这是由于在分子也不好，这是由于在分子结构中存
17、在着结构中存在着极性酰氨基极性酰氨基极性酰氨基极性酰氨基；湿度湿度湿度湿度对纤维的影响，类似于对纤维的影响，类似于尼龙或聚酯尼龙或聚酯。在在低湿度低湿度低湿度低湿度(20相对湿度相对湿度)下芳纶纤维的吸湿下芳纶纤维的吸湿率为率为1，但在，但在高湿度高湿度高湿度高湿度(85相对湿度相对湿度)下，可下，可达到达到7。复合材料的增强材料复合材料的增强材料一、纤维一、纤维 、芳纶纤维、芳纶纤维（）（）芳纶纤维的结构芳纶纤维的结构芳纶纤维是芳纶纤维是对苯二甲酰对苯二甲酰与与对苯二胺对苯二胺的聚合体，的聚合体，经溶解转为经溶解转为液晶液晶纺丝而成。它的化学结构式如下：纺丝而成。它的化学结构式如下：复合材料
18、的增强材料、芳纶纤维、芳纶纤维从上述化学结构可知，从上述化学结构可知，芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维材料的材料的基体基体结构结构是是长链状长链状聚酰胺聚酰胺聚酰胺聚酰胺，即结构中含有，即结构中含有酰氨键酰氨键酰氨键酰氨键，其，其中至少中至少85的酰氨直接键合在芳香环上的酰氨直接键合在芳香环上.复合材料的增强材料复合材料的增强材料一、纤维一、纤维 、芳纶纤维、芳纶纤维键合在芳香环上键合在芳香环上刚硬的直线状分子键在刚硬的直线状分子键在纤维轴纤维轴纤维轴纤维轴向向向向是是高度定向高度定向的的，各，各聚合物链聚合物链是由是由氢键氢键氢键氢键作横向连结。作横向连结。这种在这种在沿纤维方向的强共价键沿
19、纤维方向的强共价键沿纤维方向的强共价键沿纤维方向的强共价键和和横向弱的氢键横向弱的氢键横向弱的氢键横向弱的氢键，是造成芳纶纤维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，即纤维的原因，即纤维的的纵向强度高纵向强度高纵向强度高纵向强度高，而，而横向强度低横向强度低横向强度低横向强度低。复合材料的增强材料复合材料的增强材料一、纤维一、纤维 、芳纶纤维、芳纶纤维芳纶纤维的芳纶纤维的化学链化学链主要由主要由芳环芳环芳环芳环组成。这种组成。这种芳芳环结构环结构具有具有高的刚性高的刚性高的刚性高的刚性，并使，并使聚合物链聚合物链呈呈伸展伸展伸展伸展状态状态而不是而
20、不是折叠折叠折叠折叠状态，形成状态，形成棒状棒状棒状棒状结构，因而纤维具有结构，因而纤维具有高的模量高的模量高的模量高的模量。复合材料的增强材料复合材料的增强材料一、纤维一、纤维 、芳纶纤维、芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维分子链分子链是是线性结构线性结构线性结构线性结构，这又使纤维能，这又使纤维能有效地利用空间有效地利用空间有效地利用空间有效地利用空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，在单位体积内可容纳很多聚合物。这种单位体积内可容纳很多聚合物。这种高密度高密度的聚的聚合物具有合物具有较高的强度较高的强度较高的强度较高的强度。复合材料的增强材料、芳纶纤维、
21、芳纶纤维由于由于芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维具有具有规整的晶体结构规整的晶体结构规整的晶体结构规整的晶体结构，因此，因此，它具有它具有化学稳定性化学稳定性化学稳定性化学稳定性、高温尺寸稳定性高温尺寸稳定性高温尺寸稳定性高温尺寸稳定性、不发生不发生不发生不发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热塑化不致热塑化不致热塑化不致热塑化等特点。等特点。复合材料的增强材料、芳纶纤维、芳纶纤维通过电镜对纤维观察表明，芳纶是一种通过电镜对纤维观察表明，芳纶是一种沿轴沿轴沿轴沿轴向排列向排列向排列向排列的有规则的的有规则的褶叠（褶叠（褶叠（褶叠（zhediezhedie）层
22、结构）层结构）层结构）层结构。这种这种褶叠层褶叠层褶叠层褶叠层结构的模型，可以很好地解释结构的模型，可以很好地解释横横横横向强度低向强度低向强度低向强度低、压缩和剪切性能差压缩和剪切性能差压缩和剪切性能差压缩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现象。的现象。复合材料的增强材料(3)用用途途目前，芳纶纤维的总产量目前，芳纶纤维的总产量43用于用于轮胎的轮胎的轮胎的轮胎的帘子线帘子线帘子线帘子线(芳纶芳纶-29)，31用于用于复合材料复合材料复合材料复合材料，17.5用于用于绳索类绳索类绳索类绳索类和和防弹衣防弹衣防弹衣防弹衣，8.5用于用于其他其他其他其他。复合材料的增强材料复合材
23、料的增强材料一、纤维一、纤维 以以树脂树脂树脂树脂作为作为基体基体基体基体，芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维芳纶纤维作为作为增强相增强相增强相增强相所形所形成的成的增强塑料增强塑料增强塑料增强塑料，简称，简称KFRP，它在，它在航空航天方面航空航天方面的应用，仅次于的应用，仅次于碳纤维碳纤维碳纤维碳纤维，成为必不可少的材料。，成为必不可少的材料。复合材料的增强材料、芳纶纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维（、聚乙烯纤维（Polyethylene,PE）聚乙烯纤维作为目前聚乙烯纤维作为目前国际上最新的国际上最新的国际上最新的国际上最新的一种有机一种有机纤维，它具有以下四个特点：纤维，它具有以下四个特点：超轻超轻超
24、轻超轻、高比强度高比强度高比强度高比强度、高比模量高比模量高比模量高比模量、成本较低成本较低。复合材料的增强材料通常情况下，通常情况下，聚乙烯纤维聚乙烯纤维聚乙烯纤维聚乙烯纤维的的分子量分子量分子量分子量大于大于106，纤维的纤维的拉伸强度拉伸强度拉伸强度拉伸强度为为3.5GPa，弹性模量弹性模量为为116GPa，延伸率延伸率延伸率延伸率为为3.4%，密度密度密度密度为为0.97g/cm3。可用于。可用于制做制做武器装甲武器装甲、防弹背心防弹背心、航天航空部件航天航空部件等。等。复合材料的增强材料、聚乙烯纤维、聚乙烯纤维相比于其它各种纤维材料，相比于其它各种纤维材料，聚乙烯纤维聚乙烯纤维聚乙烯
25、纤维聚乙烯纤维具有具有许多种许多种优点优点优点优点。如：高如：高比强度比强度比强度比强度、高、高比模量比模量比模量比模量以及以及耐冲击耐冲击耐冲击耐冲击、耐磨耐磨耐磨耐磨、自润滑自润滑自润滑自润滑、耐腐蚀耐腐蚀耐腐蚀耐腐蚀、耐紫外线耐紫外线耐紫外线耐紫外线、耐低温耐低温耐低温耐低温、电绝缘电绝缘电绝缘电绝缘等。等。复合材料的增强材料复合材料的增强材料一、纤维一、纤维 、聚乙烯纤维、聚乙烯纤维聚乙烯纤维聚乙烯纤维的不足之处：的不足之处：(1)熔点较低熔点较低（约（约135）(2)高温容易蠕变高温容易蠕变。因此仅能在因此仅能在100以下使用。以下使用。复合材料的增强材料复合材料的增强材料一、纤维一
26、、纤维 、聚乙烯纤维、聚乙烯纤维（二）（二）无机纤维无机纤维1、玻璃玻璃纤维纤维2、特种玻璃特种玻璃纤维纤维3、碳碳纤维纤维4、硼硼纤维纤维5、氧化铝氧化铝纤维纤维6、碳化硅碳化硅纤维纤维7、氮化硼氮化硼纤维纤维8、其他其他纤维纤维复合材料的增强材料、玻璃纤维（、玻璃纤维（GlassFibre,GF或或Gt）1.1玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维及其及其制品制品制品制品；1.2玻璃纤维的玻璃纤维的结构结构结构结构及及化学组成化学组成化学组成化学组成；（不讲）；（不讲）1.3玻璃纤维的玻璃纤维的物理性能物理性能物理性能物理性能；1.4玻璃纤维的玻璃纤维的化学性能化学性能化学性能化学性能。复合材料
27、的增强材料、玻璃纤维、玻璃纤维1.1玻璃纤维及其制品玻璃纤维及其制品概概述述随着随着玻璃钢玻璃钢玻璃钢玻璃钢工业的发展，工业的发展，玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维工工业也得到迅速发展。业也得到迅速发展。国外国外国外国外玻璃纤维的主要特点如下：玻璃纤维的主要特点如下：复合材料的增强材料、玻璃纤维、玻璃纤维、普遍采用、普遍采用池窑拉丝池窑拉丝池窑拉丝池窑拉丝新技术；新技术；、大力发展、大力发展多排多孔拉丝多排多孔拉丝多排多孔拉丝多排多孔拉丝工艺；工艺；、用于玻璃钢的、用于玻璃钢的纤维直径纤维直径纤维直径纤维直径逐渐逐渐向粗的方向向粗的方向向粗的方向向粗的方向发展，发展，纤维直径为纤维直径为14-
28、24um，甚至达，甚至达27um；、大量生产、大量生产无碱纤维无碱纤维无碱纤维无碱纤维；复合材料的增强材料、玻璃纤维、玻璃纤维、大力发展、大力发展无纺织无纺织无纺织无纺织玻璃纤维织物玻璃纤维织物，无捻粗纱无捻粗纱无捻粗纱无捻粗纱和和短切纤维毡片短切纤维毡片短切纤维毡片短切纤维毡片所占比例增加；所占比例增加；、重视纤维、重视纤维-树脂树脂界面界面界面界面的研究，的研究，偶联剂的品偶联剂的品偶联剂的品偶联剂的品种种种种不断增加，玻璃纤维的不断增加，玻璃纤维的前处理前处理前处理前处理受到普遍重视。受到普遍重视。复合材料的增强材料、玻璃纤维、玻璃纤维我国我国玻璃纤维工业玻璃纤维工业玻璃纤维工业玻璃纤维
29、工业诞生于诞生于1950年，当时只能年，当时只能生产生产绝缘材料用绝缘材料用的的初级纤维初级纤维初级纤维初级纤维。1958年以后，年以后，玻璃纤维工业玻璃纤维工业玻璃纤维工业玻璃纤维工业得到迅速发展。得到迅速发展。现在全国有大、小现在全国有大、小玻璃纤维厂家玻璃纤维厂家200多个，玻璃纤多个，玻璃纤维维年产量年产量为为5万吨，其中万吨，其中无碱纤维无碱纤维占占20，中碱纤中碱纤维维占占80，纤维直径纤维直径多数为多数为6-8um，正向粗纤维，正向粗纤维方向发展。方向发展。复合材料的增强材料、玻璃纤维、玻璃纤维池窑拉丝工艺池窑拉丝工艺池窑拉丝工艺池窑拉丝工艺正在推广，重视正在推广，重视纤维纤维纤
30、维纤维-树脂界树脂界树脂界树脂界面面面面的研究，的研究，新型偶联剂新型偶联剂新型偶联剂新型偶联剂不断出现，许多玻璃纤维不断出现，许多玻璃纤维厂使用厂使用前处理工艺前处理工艺前处理工艺前处理工艺，玻璃纤维工业的不断发展玻璃纤维工业的不断发展促促进了我国复合材料及尖端科学技术的发展。进了我国复合材料及尖端科学技术的发展。复合材料的增强材料、玻璃纤维、玻璃纤维图7-4 玻璃纤维制备工艺示意图 复合材料的增强材料、玻璃纤维、玻璃纤维玻璃纤维的分类玻璃纤维的分类玻璃纤维的分类方法很多。通常从玻玻璃纤维的分类方法很多。通常从玻璃璃原料成分原料成分、单丝直径单丝直径、纤维外观纤维外观及及纤维纤维特性特性等方
31、面进行分类。等方面进行分类。复合材料的增强材料、玻璃纤维、玻璃纤维1以玻璃原料成分分类以玻璃原料成分分类这种分类方法主要用于这种分类方法主要用于连续玻璃纤维连续玻璃纤维连续玻璃纤维连续玻璃纤维的分类。一的分类。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纤维玻璃纤维(2)中碱中碱中碱中碱玻璃纤维玻璃纤维(3)有碱有碱有碱有碱玻璃纤维玻璃纤维(4)特种特种特种特种玻璃纤维玻璃纤维复合材料的增强材料(1)无碱玻璃纤维无碱玻璃纤维(通称通称E玻纤玻纤)：是以是以钙铝硼硅酸盐钙铝硼硅酸盐钙铝硼硅酸盐钙铝硼硅酸盐组成的玻璃纤维，这种纤组成的玻璃纤维，这种纤维维
32、强度较高强度较高强度较高强度较高，耐热性耐热性耐热性耐热性和和电性能电性能电性能电性能优良，能优良，能抗大气侵抗大气侵抗大气侵抗大气侵蚀蚀蚀蚀，化学稳定性化学稳定性化学稳定性化学稳定性也好也好(但但不耐酸不耐酸不耐酸不耐酸)。复合材料的增强材料无碱玻璃纤维无碱玻璃纤维无碱玻璃纤维无碱玻璃纤维最大的特点是最大的特点是电性能好电性能好电性能好电性能好，因此，因此也把它称做也把它称做电气玻璃电气玻璃电气玻璃电气玻璃。现在，国内外大多数都使用这种现在，国内外大多数都使用这种玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维作为复合材料的作为复合材料的原材料原材料。目前，国内规定其目前，国内规定其碱金属氧化物含量碱金属氧
33、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，国外一般为，国外一般为1左右。左右。复合材料的增强材料、玻璃纤维、玻璃纤维(1)无碱玻璃纤维无碱玻璃纤维(2)中碱玻璃纤维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之间的玻璃纤维。之间的玻璃纤维。国外没有这种玻璃纤维，它的主要特点是国外没有这种玻璃纤维，它的主要特点是耐酸性耐酸性耐酸性耐酸性好，但好，但强度强度强度强度不如不如E玻璃纤维高。它主要玻璃纤维高。它主要用于用于耐腐蚀领域耐腐蚀领域耐腐蚀领域耐腐蚀领域中，中，价格较便宜价格较便宜价格较便宜价格较便宜。复合材料的增强材料、玻璃纤维、玻璃纤维(3
34、)有碱玻璃有碱玻璃(A玻璃玻璃)纤维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，类似于窗玻璃及玻璃瓶的的钠钙玻璃钠钙玻璃。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，强度低强度低强度低强度低，对，对潮气潮气侵侵蚀极为蚀极为敏感敏感，因而很少作为增强材料。，因而很少作为增强材料。复合材料的增强材料、玻璃纤维、玻璃纤维1.3玻璃纤维的物理性能玻璃纤维的物理性能玻璃纤维具有一系列玻璃纤维具有一系列优良性能优良性能优良性能优良性能，拉伸强度高拉伸强度高拉伸强度高拉伸强度高，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
35、高温和和电绝缘性能好电绝缘性能好电绝缘性能好电绝缘性能好等。等。玻璃纤维的玻璃纤维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，对人的皮肤有刺激性等。的皮肤有刺激性等。复合材料的增强材料、玻璃纤维、玻璃纤维(1)外观和比重外观和比重一般一般天然或人造的有机纤维天然或人造的有机纤维天然或人造的有机纤维天然或人造的有机纤维，其表面都有较，其表面都有较深的深的皱纹皱纹皱纹皱纹；而对于而对于玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维来说，其来说，其表面表面呈呈光滑的圆柱光滑的圆柱光滑的圆柱光滑的圆柱，其其横断面横断面几乎都是几乎都是完整的圆形完整的圆形完整的圆形完整的圆形。复合
36、材料的增强材料、玻璃纤维、玻璃纤维宏观看来，由于宏观看来，由于表面光滑表面光滑表面光滑表面光滑，纤维之间的抱合力，纤维之间的抱合力非常小，非常小，不利于和树脂粘结不利于和树脂粘结不利于和树脂粘结不利于和树脂粘结；又由于又由于呈圆柱状呈圆柱状呈圆柱状呈圆柱状，所以玻璃纤维彼此相靠近时，所以玻璃纤维彼此相靠近时，空隙填充的较为密实空隙填充的较为密实空隙填充的较为密实空隙填充的较为密实，这对于提高复合材料制品的，这对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。复合材料的增强材料、玻璃纤维、玻璃纤维玻璃纤维直径玻璃纤维直径玻璃纤维直径玻璃纤维直径从从1.525um，大多数为，大多数为414
37、um。玻璃纤维的密度玻璃纤维的密度玻璃纤维的密度玻璃纤维的密度为为2.164.30gcm3，其比重较，其比重较有机纤维大很多，但比一般的金属比重要低，与铝相有机纤维大很多，但比一般的金属比重要低，与铝相比几乎一样。所以在航空工业上用比几乎一样。所以在航空工业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铝钛铝钛合金合金合金合金就成为可能。就成为可能。此外，一般情况下，此外，一般情况下，无碱玻璃纤维的比重无碱玻璃纤维的比重无碱玻璃纤维的比重无碱玻璃纤维的比重大于大于有有有有碱纤维碱纤维碱纤维碱纤维。复合材料的增强材料、玻璃纤维、玻璃纤维(2)表面积大表面积大由于玻璃纤维的由于玻璃纤维的表面
38、积大表面积大，使得纤，使得纤维维表面处理的效果表面处理的效果对对性能的影响性能的影响很大。很大。复合材料的增强材料、玻璃纤维、玻璃纤维(3)玻璃纤维的力学性能玻璃纤维的力学性能玻璃纤维的拉伸强度玻璃纤维的拉伸强度玻璃纤维的最大特点是玻璃纤维的最大特点是拉伸强度高拉伸强度高拉伸强度高拉伸强度高。一般。一般玻玻玻玻璃制品璃制品璃制品璃制品的拉伸强度只有的拉伸强度只有40100MPa，而直径，而直径39um的的玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维拉伸强度则高达拉伸强度则高达15004000MPa，较一般合成纤维高约，较一般合成纤维高约10倍，比合金钢还高倍，比合金钢还高2倍。倍。复合材料的增强材料、玻璃
39、纤维、玻璃纤维几种几种纤维和全属纤维和全属材料的强度如下表所示：材料的强度如下表所示：几种纤维材料和金属材料的强度几种纤维材料和金属材料的强度复合材料的增强材料、玻璃纤维、玻璃纤维玻璃纤维高强的原因玻璃纤维高强的原因对玻璃纤维高强的原因，许多学者提出了不对玻璃纤维高强的原因，许多学者提出了不同的假说，其中比较有说服力的是同的假说，其中比较有说服力的是微裂纹假说微裂纹假说微裂纹假说微裂纹假说。微裂纹假说微裂纹假说微裂纹假说微裂纹假说认为，认为，玻璃的理论强度玻璃的理论强度取决于取决于分分分分子或原子间的引力子或原子间的引力子或原子间的引力子或原子间的引力，其，其理论强度很高理论强度很高理论强度很
40、高理论强度很高，可达到，可达到200l200kgmm2。复合材料的增强材料、玻璃纤维、玻璃纤维但通常情况下，玻璃或玻璃纤维的但通常情况下，玻璃或玻璃纤维的实测实测实测实测强度强度强度强度很低。这是因为，在它们当中，存在着很低。这是因为，在它们当中，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纹微裂纹微裂纹微裂纹，从而大大降，从而大大降低了其强度。低了其强度。复合材料的增强材料、玻璃纤维、玻璃纤维微裂纹微裂纹微裂纹微裂纹分布在分布在破璃或玻璃纤维破璃或玻璃纤维的的整个体积整个体积整个体积整个体积内，内，但以但以表面的微裂纹表面的微裂纹表面的微裂纹表面的微裂纹危
41、害最大。危害最大。出于出于微裂纹微裂纹微裂纹微裂纹的存在，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，在危害最大的微裂纹处，产生，在危害最大的微裂纹处，产生应力集中应力集中应力集中应力集中，从，从而使而使强度下降强度下降强度下降强度下降。复合材料的增强材料、玻璃纤维、玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维比玻璃的比玻璃的强度高强度高强度高强度高很多，主要有两方很多，主要有两方面的原因：面的原因：、玻璃纤维、玻璃纤维高温成型时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，使微裂纹产生的机会减少微
42、裂纹产生的机会减少微裂纹产生的机会减少微裂纹产生的机会减少。、玻璃纤维的、玻璃纤维的断面较小断面较小断面较小断面较小，随着，随着表面积的减表面积的减表面积的减表面积的减小小小小，使，使微裂纹存在的几率微裂纹存在的几率微裂纹存在的几率微裂纹存在的几率也减少，从而使纤维强也减少，从而使纤维强度增高。度增高。复合材料的增强材料、玻璃纤维、玻璃纤维有人更明确地提出，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纤维强度玻璃纤维强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纤维强度高的原因是由于表面微裂纹表面微裂纹表面微裂纹表面微裂纹尺寸和数量较小尺寸和数量较小尺寸和数量较小尺寸
43、和数量较小，从而，从而减少了应力集中减少了应力集中减少了应力集中减少了应力集中，使纤维，使纤维具有较高的强度。具有较高的强度。复合材料的增强材料、玻璃纤维、玻璃纤维影响玻璃纤维强度的因素影响玻璃纤维强度的因素A、一般情况，玻璃纤维的、一般情况，玻璃纤维的拉伸强度拉伸强度拉伸强度拉伸强度随随直直直直径径径径变细而拉伸强度增加，如下表所示：变细而拉伸强度增加，如下表所示：复合材料的增强材料、玻璃纤维、玻璃纤维玻璃纤维拉伸强度与直径的关系玻璃纤维拉伸强度与直径的关系复合材料的增强材料、玻璃纤维、玻璃纤维B、拉伸强度拉伸强度拉伸强度拉伸强度也与也与纤维的长度纤维的长度纤维的长度纤维的长度有关，随着有关
44、，随着长长度增加度增加拉伸强度显著下降拉伸强度显著下降拉伸强度显著下降拉伸强度显著下降。如下表所示：。如下表所示：复合材料的增强材料、玻璃纤维、玻璃纤维纤维纤维直径和长度直径和长度对对拉伸强度拉伸强度的影响，可用的影响，可用“微裂纹理论微裂纹理论”给予解释：给予解释：随着纤维随着纤维直径的减小直径的减小和和长度的缩短长度的缩短，纤维，纤维中中微裂纹的微裂纹的数量和大小数量和大小就会相应地就会相应地减小减小，这样，这样强度强度就会相应地就会相应地增加增加。复合材料的增强材料、玻璃纤维、玻璃纤维、化学组成对强度的影响、化学组成对强度的影响、化学组成对强度的影响、化学组成对强度的影响纤维的纤维的强度
45、强度强度强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。对于对于同一系统同一系统同一系统同一系统(即即基本组分基本组分)来说，部分来说，部分改变氧化改变氧化物的种类和数量物的种类和数量，纤维强度改变不大，纤维强度改变不大(2030)。而而改变系统改变系统改变系统改变系统(即即改变它的基本组分改变它的基本组分)，强度会产生，强度会产生大幅度地变化。大幅度地变化。复合材料的增强材料、玻璃纤维、玻璃纤维一般来说，含碱量越高，纤维的强度越低。一般来说，含碱量越高，纤维的强度越低。高高高高强玻璃纤维强玻璃纤维强玻璃纤维强玻璃纤维强度明显地高于强度明显地高于无碱玻璃纤维无碱玻璃纤维无碱
46、玻璃纤维无碱玻璃纤维，而，而有碱有碱有碱有碱纤维纤维纤维纤维强度更低。强度更低。研究表明，研究表明，高强高强高强高强和和无碱玻璃纤维无碱玻璃纤维无碱玻璃纤维无碱玻璃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、结构键能大结构键能大结构键能大结构键能大等原因，而具有很等原因，而具有很高高高高的拉伸强度的拉伸强度的拉伸强度的拉伸强度。复合材料的增强材料、玻璃纤维、玻璃纤维纤维的纤维的表面缺陷表面缺陷表面缺陷表面缺陷对对强度影响强度影响强度影响强度影响巨大。如下表所示：巨大。如下表所示：纤维强度与化学组成的关系纤维强度与化学组成的关系复合材料的增强材
47、料、玻璃纤维、玻璃纤维从上表可以看出，当各种纤维从上表可以看出，当各种纤维都有微裂纹都有微裂纹时时强度相近；只有当强度相近；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，时，纤维强度纤维强度纤维强度纤维强度对其对其化学组成化学组成化学组成化学组成的依赖关系才会表的依赖关系才会表现出来。现出来。复合材料的增强材料、玻璃纤维、玻璃纤维D、纤维老化的影响、纤维老化的影响当纤维当纤维存放一段时间存放一段时间后，会出现后，会出现强度下强度下降降的现象，称为的现象，称为纤维的老化纤维的老化。纤维的老化纤维的老化主要取决于纤维对主要取决于纤维对大气水分大气水分的化学稳定性。的化学稳定性。复合材料的增
48、强材料、玻璃纤维、玻璃纤维例如，直径例如，直径6um的的无碱玻璃纤维无碱玻璃纤维无碱玻璃纤维无碱玻璃纤维和含和含17的的Na2O有碱纤维有碱纤维有碱纤维有碱纤维，在空气湿度为，在空气湿度为6065的条件的条件下存放，下存放，无碱玻璃纤维无碱玻璃纤维无碱玻璃纤维无碱玻璃纤维存放后存放后强度基本不变强度基本不变强度基本不变强度基本不变，而，而有碱纤维有碱纤维有碱纤维有碱纤维强度强度强度强度不断不断下降下降下降下降。强度变化的原因，主要是由于强度变化的原因，主要是由于二种纤维二种纤维二种纤维二种纤维对对大大大大气水分的化学稳定性气水分的化学稳定性气水分的化学稳定性气水分的化学稳定性不同所致。不同所致
49、。复合材料的增强材料、玻璃纤维、玻璃纤维E、纤维的疲劳影响、纤维的疲劳影响玻璃纤维的疲劳玻璃纤维的疲劳玻璃纤维的疲劳玻璃纤维的疲劳一般是指一般是指纤维强度纤维强度纤维强度纤维强度随随施加负荷施加负荷施加负荷施加负荷时间的增加而降低时间的增加而降低时间的增加而降低时间的增加而降低的情况。的情况。纤维疲劳现象是纤维疲劳现象是普遍普遍普遍普遍的，当相对湿度为的，当相对湿度为6065%时，玻璃纤维在时，玻璃纤维在长期张力作用下长期张力作用下长期张力作用下长期张力作用下，都会有很，都会有很大程度的疲劳。大程度的疲劳。复合材料的增强材料、玻璃纤维、玻璃纤维纤维强度纤维强度纤维强度纤维强度受施加负荷受施加负
50、荷时间时间时间时间的影响，即的影响，即纤维的纤维的纤维的纤维的疲劳疲劳疲劳疲劳是普通存在的。是普通存在的。例如，在施加例如，在施加60的的断裂负荷断裂负荷断裂负荷断裂负荷的作用力下，的作用力下，26昼夜，纤维会全部断裂。昼夜，纤维会全部断裂。复合材料的增强材料、玻璃纤维、玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维疲劳的原因疲劳的原因疲劳的原因疲劳的原因，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纤维微裂纹渗透到纤维微裂纹渗透到纤维微裂纹渗透到纤维微裂纹中，在外力的作用中，在外力的作用下，加速裂纹的扩展。下，加速裂纹的扩展。玻璃纤维玻璃纤维疲