复合材料论文

玻璃纤维的性能与应用摘要：由于玻璃纤维具有绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高等许多优点，现已广泛应用于复合材料中的增强材料，电绝缘材料和绝热保温材料，电路基板等国民经济各个领域。本文通过总结和整理，简单阐述了玻璃纤维的特有性能以及其在各个领域的应用。关键词：玻璃纤维；性能；应用；复合材料1.前言玻璃纤维（英文原名为：glassfiber或fiberglass）是一种性能优异的无机非金属材料，种类繁多，优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高，但缺点是性脆，耐磨性较差。它是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制造成的，其单丝的直径为几个微米到二十几米个微米，相当于一根头发丝的1/20-1/5，每束纤维原丝都由数百根甚至上千根单丝组成。2.玻璃纤维的发展玻璃纤维有较长的发展历史。上世纪三十年代，美国人发明了用铂坩埚连续拉制玻璃纤维和用蒸汽喷吹玻璃棉的工艺后，玻璃纤维的生产才形成了现代工业。随着近代科学技术的发展，对玻璃纤维的力学、耐热等性能提出了更高的要求，促使六十年代以来出现了许多特种玻璃纤维，如耐高温玻璃纤维、高强度玻璃纤维、高模量玻璃纤维等。在高性能玻璃纤维的发展过程中最引人注目的是1996年3月在第41次SAMPE国际会议上，道康宁公司首次发表的高强度玻璃纤维ZenTron”，它是以高硅含量玻璃为原料制成，采用被称为Single-bushing(单套管)或Single-end(单头)30型的技术成纤的。此产品后处理工序少，可防止纤维的损伤，并能降低成本。我国研究玻璃纤维也有几十年的历史。早在1958年，我国以手糊工艺研制了玻璃钢船，以层压和卷制工艺研制了玻璃钢板和火箭筒等。1960年在北京、上海和哈尔滨相继成立了科研机构。1961年研制成功了玻璃纤维耐烧蚀端头，1970年用手糊夹层结构板制造了44m大型玻璃雷达罩，1975年成立了玻璃钢学会，1983年中国建筑材料研究院试制成功了抗碱玻纤增强硫酸铝酸盐低碱水泥复合材料，1988年武汉工业大学研究成功高性能玻纤增强氯氧镁复合材料，目前，这两种复合材料均已形成工业化生产规模，在建筑工程中广泛用于墙体、防火门、水箱、通风管道、卫生间吊顶、温室框架和艺术制品等。3.玻璃纤维的制造用于纺织加工的玻璃纤维有长丝和短纤维两种。可以采用传统的纺织工艺将长丝制成各种产品，而短纤维多被加工成非织造布。制造玻璃纤维使用的原料主要有硅土、石灰石、粘土、萤石、硼酸及硫酸钠等。将这些原料通过空气管道输送到计量秤上，然后在混合室混合均匀，通过供料筒，喂入熔矿炉。在熔矿炉中，混合原料被加热至1600°C，形成液态玻璃，缓慢地流向纺丝板。纺丝板上喷丝孔的数目可为200、400、600、800或更多。高粘度的玻璃熔体再流过喷丝孔，由高速卷绕装置将纤维拉伸卷绕，便制得玻璃长丝。一般单丝的直径为6～13μm，通过改变纺丝板的温度可以调节单丝的直径。在制造时，为了保证玻璃纤维在纺纱等后加工过程中的加工性能，可以在玻璃纤维呈液态时加入一定量的粘合剂、润滑剂、反应基、抗静电剂等整理剂。4.玻璃纤维的性能4．1力学性能下表给出了玻璃纤维、碳纤维和部分常用纺织纤维及金属材料的主要性能。材料种类密度(g／cm3)断裂强度(N)伸长率(％)玻璃纤维2．541370～14702～3棉1．50255～6867～10蚕丝1．25392～5201．3～31锦纶1．1444～58826～32碳纤维1．802790～31001．5～1．6铝2．70127～1774～8钢7．80363～44120～30从表中可以看出，玻璃纤维在以下几个方面具有独特的性能：(1)密度玻璃纤维的密度高于有机纤维，但低于金属纤维。(2)断裂强度玻璃纤维具有较高的拉伸强度，在相同重量时，其断裂强度比钢丝高2～4倍。因而人们又称它为玻璃钢。(3)尺寸稳定性玻璃纤维不会因环境温度变化而变形，最大伸长率仅为3％。玻璃纤维的应力应变之间保持线性关系，直至断裂。(4)硬度玻璃纤维的硬度较高，约为锦纶的15倍。玻璃纤维的硬度与其固有的脆性相结合，构成了突出的低弯曲阻抗性。在对玻璃纤维进行纺织加工的过程中，玻璃纤维会受到弯曲应力，为了提高纤维的弯曲阻抗性，其直径应减少。4．2耐热性能玻璃纤维是一种无机纤维，它本身不会引起燃烧，并且有很好的耐热性，这在纺织纤维中是很独特的。玻璃纤维在较低的温度下受热，其性能虽变化不大，但会引起收缩现象。玻璃纤维的导热系数非常小，因而它常用于管道和容器的隔热，以及作为成型件的绝缘壳。4．3化学稳定性能玻璃纤维的化学稳定性，取决于其化学组成、介质性质、温度和压力等条件。玻璃纤维对腐蚀性化学品如酸和碱，有好的阻抗，它几乎不受有机溶剂的影响，并对大多数无机化合物是稳定的。4．4电性能玻璃纤维具有高的比电阻和低的电介质常数。玻璃纤维的电性能主要取决于玻璃的化学成分，特别是碱氧化物的含量。4．5其它性能玻璃纤维具有耐老化、防腐、防霉、抗紫外线辐射等性能。采用合适的表面处理剂，可以改善玻璃纤维的加工性能。但玻璃纤维也存在一些由于其本身化学性质所带来的性能方面的缺陷，如玻璃纤维脆性大，耐磨性差，柔软性差，不耐弯曲。纤维断落的纤维头，触及人体使人难受，特别会使皮肤发痒。再者，玻璃纤维吸湿性差，染色困难。制造成本较高。5.玻璃纤维的应用不同的纺织复合材料，造价与性能不同，应用领域也不同。到目前为止，玻璃纤维在很多领域都有应用。5．1土木建筑在建筑业，玻璃纤维已广泛应用于冷却塔、储水塔以及卫生间的浴盆浴缸、门窗，安全帽和通风设备等。另外由于玻璃纤维不易沾污、隔热和不燃烧，因此它在建筑装饰上应用日益广泛。玻璃纤维在基础设施中应用，主要有桥梁、码头、栈桥和临水结构等。沿海和岛上的建筑容易受到海水的腐蚀，这最能发挥玻璃纤维材料的特长。5．2交通运输玻璃纤维用于交通运输主要是在航空航天工业和汽车及火车制造工业上。目前，波音747飞机使用玻璃纤维复合材料构件的总面积已达到929m2。玻璃纤维可用作汽车的零部件，轿车的整体壳体，还可以用来制造渔船，其工艺简单，防腐防蚀，维修频数和保养费低，使用寿命长。5．3机械工业用玻璃纤维增强后的聚苯乙烯系塑料，其机械性能，制品的尺寸稳定性以及耐热耐冲击强度都有很大的提高，广泛用于家用电器零件、机壳等。玻璃纤维增强聚甲醛还被广泛地用来代替有色金属，用于制造传动零件，如轴承、齿轮和凸轮等。5．4化学工业化学工业设备腐蚀严重，玻璃纤维的出现给化学工业带来了光明的前景。玻璃纤维主要用于制造各种槽、罐、塔、管道、泵、阀和风机等化工设备及配件。玻璃纤维耐腐蚀，强度高，使用寿命长，但一般只能用于低压或常压设备，且温度不超过120℃。5．5环境领域生态环境是人类生存和发展所必需的生态因素，我国政府明确指出保护环境是我国长期坚持的基本国策。玻璃纤维因其优良的各项性能在大气、水、生物、土壤等环境领域均有着较为广阔的应用。玻璃纤维过滤材料在改善废气成分、降低粉尘排放量等方面做出了相当大的贡献。美国HollingSworth&Vose公司开发的低硼玻璃纤维过滤材料可以解决悬浮分子污染带来的问题[1]。一种用高硅氧玻璃纤维制成的过滤布能用于800℃以上的高温气体中滤除固体粉尘，可直接用于工业窑炉废气的消烟除尘而无需先对废气冷却，从而降低了废气处理的费用。此外，一种玻璃纤维空气过滤纸，是由玻璃纤维和脱臭剂沸石组成，用于空气调节系统中可以除去空气中的异味，如烟草烟臭味，从而达到净化空气的目的。玻璃纤维在水环境和土壤环境中亦有很好的应用。美国伊利诺斯大学研制的由酚醛涂层玻璃纤维制成的耐磨织物可以有效而方便的代替常用的活化碳粒子来吸收环境污染物。OC公司在比利时的Battice工厂采用Advantex玻璃纤维技术实现了废水处理和回收的技术升级，使耗水量减少了50%以上，废水中污染物含量减少约80%[2]。玻璃纤维与有机纤维材料结合加工成土工材料可用于防水土流失。德国一家公司研制出一种把玻璃纤维和合成纤维用作土壤加固材料的方法，可提高土壤的强度。另外经过玻璃纤维和合成纤维加固土壤，可以用于制作固体废弃物的填埋坑。5．6生物医学领域由于玻璃纤维的优良性能是玻璃纤维织物具有强度高、不吸湿、尺寸稳定等特点，因而可在生物医学领域用作矫形和修复材料、牙科材料、医用器材等。与传统的棉布石膏绷带相比，玻璃纤维织物与各种树脂制作的矫形绷带克服了以往石膏绷带强度低、吸湿、尺寸不稳定等缺点。英国H.D.Michael等人[3]发明的由水溶性磷酸盐玻璃纤维和一种生物降解性聚合物构成的复合材料可用于病人体内损伤组织的修复。日本北海道大学、千叶工学院研究的一种由生物相溶性玻璃CPSA生产的玻璃纤维塑性非常好，将其加工成球状和束状两种几何形状不同的结构，与成骨蛋白（BMP）结合并植入动物体内，以次可研究成骨诱导因素制成骨组织工程战略[4]。通过研究人员的多次实体试验，证实CPSA复合材料具有理想的生物相溶性，而且CPSA玻璃纤维在牙科中已投入临床应用。实践证明，玻纤膜滤材对空气的阻力，细菌过滤效率很高[5]。5.7航天航空领域航天航空领域荟萃了当今世界上最先进的科技成果，也是新材料科学技术水平的集中展示。随着我国在该领域的大力发展，高性能玻璃纤维复合材料已成为航天航空工业中不可或缺的一种材料，与铝合金、钢和钛合金3大金属材料共同成为支撑航天航空事业发展的基石[6]。在航空上，无论是民用客机还是军用飞机都使用了玻纤复合材料。如在内外侧副翼、方向舵和扰流板等处都有用到。纤维增强塑料有效地减轻了飞机质量，提高了商用载荷，节约了能源。客舱内的顶板、行李箱、各类仪表盘、机身空调舱、盖板等都用到了纤维增强工程塑料，达到了质轻美观耐用的效果。在航天领域，高性能玻纤复合材料作为主承力结构材料在运载火箭和航天器上的应用越来越普遍。利用纤维缠绕工艺制造的纤维/环氧复合材料固体发动机壳是近代复合材料发展史上的一个里程碑，它具有耐腐蚀、耐高温、耐辐射、阻燃、抗老化的性能[7]。航天器上的防燃材料大量采用了纤维、高硅氧增强酚醛树脂。另外科研人员对玻璃纤维表面进行了化学处理，有效的改善了玻璃纤维的脆性，从而制得了一种超细玻璃纤维织物，比开司米软7倍，比的确良布软14倍，成功的用于宇航服的制作[8]。总之，玻璃纤维这种材料从我国神舟2号开始直到神舟7号载人飞行均获得了成功应用。此外，玻璃纤维在绝缘、防热、增强和过滤等材料方面，已在很大程度上取代了石棉。如：罗果,郑炽嵩等人[9]对玻璃纤维与植物纤维的配抄性能研究,实验发现,用25%的玻璃纤维和75%的剑麻纤维,打浆度为36°SR时进行配抄,其强度和松厚度能达到过滤材料的要求。同时，玻璃纤维在新能源开发、环保、旅游和工艺美术等诸多方面，也得到了应用。6．总结与展望我国玻璃纤维起步于20世纪50年代，经过50余年的努力，也有着非凡的发展。据资料介绍，2000年左右我国玻璃纤维产量占世界总产量的1/10，排名第5、6位。2007年我国玻璃纤维总产量占世界产量的1/3，排名第一[10]，同时我国的中国巨石集团有限公司及中国泰山玻纤股份有限公司分别为世界玻璃纤维公司排名的第三、第五名。由于以下几方面因素，我国玻璃纤维产业有着很好的发展空间。一是玻纤市场供不应求因素，在缠绕和SMC等FRP产品生产中，玻纤缺口量在20%左右；增强塑料和工程塑料的发展推动FRTP的快速发展也使玻纤供不应求；覆铜板工业的发展，是我国成为世界CCL制造基地，也对玻纤基地的需求快速增长。二是我国成功实现了世界玻璃纤维制造基地的转移，出口增长率一直保持较高的比例。如2002年我国出口量为16万吨，2006年增长为79万吨[11]。三是节能减排的战略决策推动玻璃纤维市场的发展。能源利用方面，风能中FRP叶片和机罩的应用以及FRP在沼气池中的推广；节能方面，交通领域车船的轻量化都促使了玻纤复合材料的进一步发展。防腐和“三废”治理中，FRP塔、筒也得到迅速的推广使用。参考文献[1]Hammeed,N,Sreekumar,PA,FrancisB,etal.Morphology,