知识点二--玻璃纤维PPT课件.ppt
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1、增增强材料的概念及分材料的概念及分类特征特征v概念:概念:增增强材材料料是是复复合合材材料料的的主主要要组成成部部分分,它它起起着着提提高高树脂脂基基体体的的强度度、模模量量、韧性性、耐耐热和和耐耐磨磨等等性性能能的的作作用用,增增强材材料料还有有减减少少复复合合材材料料成成型型过程程中中的的收收缩率率、提提高高制制品品硬度等作用。硬度等作用。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。高分子材料专业 聚合物复合材料增强材料具备的特性:应能明显提高某种所需特性的性能;具有良好的化学稳定性;与基体有良好的润湿性和适当的界面反应价廉增增强材料的概念及分
2、材料的概念及分类特征特征高分子材料专业 聚合物复合材料分类:纤维类(连续长纤维和短纤维)颗粒类晶须类金属丝片状物增增强材料的概念及分材料的概念及分类特征特征高分子材料专业 聚合物复合材料纤维类增增强材料材料)v1.无机无机纤维 1)玻璃)玻璃纤维 fiberglass Owens corning 美国;美国;泰山、巨石、重泰山、巨石、重庆复合复合材料有限公司;材料有限公司;2)碳)碳纤维:聚丙聚丙烯腈基、基、沥青基;青基;日本日本:东丽 三菱三菱 3)硼)硼纤维 boron 4)碳化硅)碳化硅纤维 SiC 5)氧化)氧化铝纤维 Alumina2.有机有机纤维 1)刚性分子性分子链 对位芳位芳酰
3、胺:胺:kevlar,twaron;聚苯并双噁聚苯并双噁唑;聚苯并咪聚苯并咪唑;聚芳聚芳酯;2)柔性分子)柔性分子链 聚乙聚乙烯;聚乙;聚乙烯醇醇高分子材料专业 聚合物复合材料拉伸拉伸应变,%拉拉伸伸应力力,G GP Pa a各种纤维的应力-应变曲线高分子材料专业 聚合物复合材料5.v2.1 概述概述2.1.1 玻璃玻璃纤维的的发展状况展状况2.1.2 玻璃玻璃纤维的分的分类2.1.3 玻璃玻璃纤维的制的制备v2.2 玻璃玻璃纤维的的结构与构与组成成2.2.1 玻璃玻璃纤维的物的物态2.2.2 玻璃玻璃纤维的的结构构2.2.3 玻璃玻璃纤维的化学的化学组成成v2.3 玻璃玻璃纤维的性能的性能2
4、.3.1 玻璃玻璃纤维的物理性能的物理性能2.3.2 玻璃玻璃纤维的化学性能的化学性能v2.4 玻璃玻璃纤维及其制品及其制品2.4.1 玻璃玻璃纤维及其制品的生及其制品的生产工工艺2.4.2 玻璃玻璃纤维纱的的规格及性能格及性能2.4.3 玻璃玻璃纤维制品制品知知识点二点二 玻璃玻璃纤维v玻璃是一种以脆玻璃是一种以脆闻名的物名的物质。有趣的是,玻璃一旦。有趣的是,玻璃一旦经加加热,被拉制成比,被拉制成比头发还要要细得多的玻璃得多的玻璃纤维之后,它就之后,它就变得像合成得像合成纤维那那样柔柔软,而,而坚韧的程度甚至超的程度甚至超过了同了同样粗粗细的不的不锈钢丝!玻璃纤维有啥用处呢?知知识点二点二
5、 玻璃玻璃纤维高分子材料专业 聚合物复合材料 2.1 概述概述玻璃玻璃纤维:将熔融的玻璃液以极快的速度拉成:将熔融的玻璃液以极快的速度拉成细丝而成。而成。质地柔地柔软,具有,具有弹性,可并股、加捻、性,可并股、加捻、纺织成各种玻璃布,成各种玻璃布,玻璃玻璃带等等织物。物。玻璃玻璃纤维无捻粗无捻粗纱Glass Fiber Roving短切短切纤维AR-Glass Fiber Chopped Strand知知识点二点二 玻璃玻璃纤维高分子材料专业 聚合物复合材料玻璃玻璃纤维是复合材料中使用量最大的一种增是复合材料中使用量最大的一种增强材料。材料。2.1.1 2.1.1 玻璃玻璃纤维的的发展状况展状
6、况国外玻璃国外玻璃纤维特点:特点:1.技技术上先上先进,普遍采用池窑拉,普遍采用池窑拉丝技技术,发展多排多孔拉展多排多孔拉丝工工艺。2.直径越来越粗,直径越来越粗,纤维直径直径为1424m,甚至达到,甚至达到27m。3.大量生大量生产无碱玻无碱玻纤,无,无纺织玻璃玻璃纤维织物。物。知知识点二点二 玻璃玻璃纤维高分子材料专业 聚合物复合材料9.4.无捻粗无捻粗纱的短切的短切纤维毡片所占比例增加,偶毡片所占比例增加,偶联剂的品种的品种不断增加。不断增加。5.重重视纤维树脂界面的研究,玻璃脂界面的研究,玻璃纤维的前的前处理受到普理受到普遍重遍重视。国内玻璃国内玻璃纤维特点:特点:较国国外外起起步步较
7、晚晚,中中碱碱玻玻璃璃纤维仍仍然然占占大大多多数数,正正向向粗粗纤维方方向向发展展,池池窑窑拉拉丝工工艺正正在在推推广广,新新型型偶偶联剂不不断断出出现,改善了,改善了纤维树脂界面,重脂界面,重视纤维-树脂界面的研究。脂界面的研究。高分子材料专业 聚合物复合材料知知识点二点二 玻璃玻璃纤维10.2.1.2 2.1.2 玻璃玻璃纤维的分的分类 玻玻璃璃纤维的的分分类方方法法很很多多,一一般般可可从从玻玻璃璃原原料料成成分分、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。(1)按)按化学化学组成成(碱金属氧化物含量)(碱金属氧化物含量)有碱玻璃有碱玻璃纤维 12%;中碱玻璃中碱
8、玻璃纤维 6%12%;低碱玻璃低碱玻璃纤维 2%6%;微碱玻璃微碱玻璃纤维 2%(无碱玻璃(无碱玻璃纤维)高分子材料专业 聚合物复合材料11.(2)按)按纤维使用特性分使用特性分 普通玻璃普通玻璃纤维(A-GF:average)电工用玻璃工用玻璃纤维(E玻璃玻璃纤维:electrical)高高强型玻璃型玻璃纤维(S 玻璃玻璃纤维 strength)高模量型玻璃高模量型玻璃纤维(M-GF:modulus)耐化学耐化学药品玻璃品玻璃纤维(C玻璃玻璃纤维:chemical)耐碱玻璃耐碱玻璃纤维(AR玻璃玻璃纤维:alkali-resistant)低介玻璃低介玻璃纤维(D玻璃玻璃纤维:dielectr
9、ic)高硅氧玻璃高硅氧玻璃纤维 石英玻璃石英玻璃纤维 高分子材料专业 聚合物复合材料按按纤维长短分:短分:定定长纤维(650mm)连续纤维按按纤维直径的大小:直径的大小:粗粗纤维(单丝直径直径30um)初初级纤维(单丝直径直径20um)中中级纤维(单丝直径直径1020um)高高级纤维(单丝直径直径39um););按按纤维外外观分:分:连续纤维 短切短切纤维 空心玻璃空心玻璃纤维 磨磨细纤维 玻璃粉玻璃粉中中空空玻玻璃璃纤维玻玻璃璃粉粉高分子材料专业 聚合物复合材料2.2.2 玻璃玻璃纤维及玻及玻纤制品的制制品的制备2.1.3 2.1.3 玻璃玻璃纤维的制的制备 砂砂石灰石石灰石硼酸硼酸熔熔炼炉
10、炉造球机造球机玻璃球玻璃球铂金坩金坩埚漏漏丝板板玻璃玻璃纤维12601518mm320um10003000m/min1300坩坩埚埚拉拉丝丝法法:制球制球制球制球和和拉拉拉拉丝丝(102、204、408孔,孔,d=1.52mm,玻璃液玻璃液为1190)高分子材料专业 聚合物复合材料14.单丝 filament:从坩:从坩埚中拉出的每根中拉出的每根纤维叫叫单丝;原原纱 strand:一个坩:一个坩埚拉出的所有拉出的所有单丝经过浸浸润剂槽后,集束槽后,集束 成一根原成一根原纱;池窑法池窑法 将玻璃配合料投入熔窑熔化后直接拉制成各种支数的将玻璃配合料投入熔窑熔化后直接拉制成各种支数的连续玻璃玻璃纤维
11、。省去制球工省去制球工艺 生生产能力高能力高 可自可自动化控制,化控制,产品品质量量稳定;定;适用于生适用于生产粗玻璃粗玻璃纤维;高分子材料专业 聚合物复合材料池池窑窑拉拉丝是是国国际上上普普遍遍采采用用的的玻玻璃璃纤维生生产新新工工艺,该技技术特特点点是是,采采用用重重油油或或燃燃气气加加热单元元窑窑,粉粉料料直直接接熔熔化化成成玻玻璃璃,经燃燃气气加加热的的成成型型通通路路,由由多多台台(数数十十到到上上百百台台)漏漏板板同同时拉拉制制各各种种规格格的的玻玻璃璃纤维原原丝。具具有有生生产规模模大大、效效率率高高、能能耗耗低低、产品品质量量好好等等优点点,能能适适应800至至4000孔孔大大
12、漏漏板板拉拉丝成成型型的的要要求求,是是生生产高高质量量、低低成成本本玻玻璃璃纤维材材料料的的最佳方法。最佳方法。高分子材料专业 聚合物复合材料16.2)玻)玻纤制品的制造制品的制造玻玻纤经原原纱退退绕后可以制成各种制品,如无捻粗后可以制成各种制品,如无捻粗纱、短切、短切纤维毡等。毡等。设备:纺纱机和机和织布机。布机。高分子材料专业 聚合物复合材料2.2 2.2 玻璃玻璃纤维的的结构与构与组成成2.2.1 2.2.1 玻璃玻璃纤维的物的物态玻璃玻璃纤维是是纤维状的玻璃。状的玻璃。玻璃是无色透明具有光玻璃是无色透明具有光泽的脆性固体。的脆性固体。定定义:由由熔熔融融态过冷冷时因因粘粘度度增增加加
13、而而具具有有固固体体物物理理机机械械性性能能的的无无定定形形物体,各向同性的均物体,各向同性的均质材料。材料。特点:特点:没有固定的熔点没有固定的熔点知知识点二点二 玻璃玻璃纤维高分子材料专业 聚合物复合材料18.2.2.2 2.2.2 玻璃玻璃纤维的的结构构微晶微晶结构假构假说:玻玻璃璃是是由由硅硅酸酸块或或二二氧氧化化硅硅的的“微微晶晶子子”组成成,在在“微微晶晶子子”之之间由硅酸由硅酸块过冷溶液所填充。冷溶液所填充。网网络结构假构假说 玻玻璃璃是是由由二二氧氧化化硅硅的的四四面面体体、铝氧氧三三面面体体或或硼硼氧氧三三面面体体相相互互连成成不不规则三三维网网络,网网络间的的空空隙隙由由N
14、a、K、Ca、Mg等等阳阳离离子子所所填填充充。二二氧氧化化硅硅四四面面体体的的三三维网网状状结构构是是决决定定玻玻璃璃性性能能的的基基础,填填充充的的Na、Ca等等阳阳离离子子称称为网网络改改性性物。物。知知识点二点二 玻璃玻璃纤维高分子材料专业 聚合物复合材料19.玻璃玻璃纤维结构示意构示意图 知知识点二点二 玻璃玻璃纤维高分子材料专业 聚合物复合材料20.2.2.1 玻璃玻璃纤维的的组成及分成及分类vSiO2及各种金属氧化物及各种金属氧化物组成的硅酸成的硅酸盐类混合物,属于无定形离混合物,属于无定形离子子结构物构物质。(1 1)SiO2:作用:形成基本骨架,高熔点:作用:形成基本骨架,高
15、熔点 (2)金属氧化物金属氧化物 Al2O3、CaO、MgO、Na2O、BeO、B2O3等,等,作用:作用:改善制改善制备玻璃玻璃纤维的工的工艺条件:条件:Na2O、K 2O;使玻使玻纤具有一定特性。具有一定特性。BeO:提高模量;:提高模量;B2O3:提高耐酸性,改善:提高耐酸性,改善电性能,降低熔点、黏度。性能,降低熔点、黏度。但模量和但模量和强度下降。度下降。高分子材料专业 聚合物复合材料2.2.3 2.2.3 玻璃玻璃纤维的化学的化学组成成2.3 2.3 玻璃玻璃纤维的性能的性能2.3.1 2.3.1 玻璃玻璃纤维的物理性能的物理性能1.外外观和密度和密度 玻玻璃璃纤维呈呈表表面面光光
16、滑滑的的圆柱柱体体,表表面面光光滑滑,纤维之之间的的抱抱合合力力非非常常小小,不不利利于于和和树脂脂粘粘结。玻玻璃璃纤维彼彼此此相相靠靠近近时,空空隙隙填填充充得得较为密密实,有有利利于于提提高高玻玻璃璃钢制制品品的的玻玻璃含量。璃含量。知知识点二点二 玻璃玻璃纤维高分子材料专业 聚合物复合材料22.纤维名称名称羊毛羊毛蚕蚕丝棉花棉花人造人造丝尼尼龙碳碳纤维玻璃玻璃纤维无碱无碱有碱有碱密度密度g/cm31.281.331.301.451.501.601.50 1.601.141.42.62.72.4 2.6 玻玻璃璃钢使使用用的的玻玻璃璃纤维直直径径5m20m,其其密密度度较有有机机纤维大很多
17、,但比一般金属密度要低。大很多,但比一般金属密度要低。知知识点二点二 玻璃玻璃纤维高分子材料专业 聚合物复合材料23.2.力学性能力学性能(1)拉伸拉伸强度度玻璃玻璃纤维的拉伸的拉伸强度比同成分的度比同成分的块状玻璃高几十倍状玻璃高几十倍例:例:块状有碱玻璃状有碱玻璃纤维的拉伸的拉伸强度:度:40MPa100MPa 玻璃玻璃纤维强度:度:2000MPa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羊毛羊毛亚麻麻棉花棉花生生丝尼尼龙高高强合合金金钢铝合合金金玻璃玻璃玻璃玻璃纤维纤维直径直径(m)1516 5010 2018块状状块状状块状状块状状58拉伸拉伸强度度(MPa)100300350
18、300700440300600160040 46020 12010003000高分子材料专业 聚合物复合材料24.微裂微裂纹假假说:玻玻璃璃的的理理论强度度很很高高,可可达达2000 12000 MPa,但但实测强度度很很低低:在在玻玻璃璃或或玻玻璃璃纤维中中存存在在着着数数量量不不等等、尺尺寸寸不不同同的的微微裂裂纹,大大大大降降低低了了强度度。微微裂裂纹分分布布在在玻玻璃璃或或玻玻璃璃纤维的的整整个个体体积内内,但但以以表表面面的的微微裂裂纹危危害害最最大大。由由于于微微裂裂纹的的存存在在,使使玻玻璃璃在在外外力力作作用用下下受受力力不不均均,微微裂裂纹处产生生应力力集集中中,从从而而使使
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