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玻璃纤维增强体

/glass fiber reinforcements/
条目作者高建枢

高建枢

最后更新 2023-08-09
浏览 236
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广泛使用的一种复合材料用增强体。

英文名称
glass fiber reinforcements
所属学科
材料科学与工程

可被增强的基体材料包括有机的热固性树脂(酚醛、环氧、聚酯等)、热塑性树脂(聚丙烯、聚苯乙烯、尼龙、热塑性聚酯等)、泡沫塑料、橡胶及弹性体、沥青,无机胶凝材料(水泥、石膏)及菱苦土等无机材料。

20世纪30年代,玻璃纤维实现工业化生产,加之不饱和聚酯树脂的出现,为玻璃纤维增强塑料工业的发展提供了物质基础。经过近百年的发展,玻璃纤维增强塑料已形成一门独立的工业。此外,玻璃纤维增强橡胶制品、水泥制品、沥青屋面材料、石膏、菱苦土等也发展较快。

为了促进玻璃纤维与基材的界面黏结,从而发挥其增强体的作用,同时也为了提高玻璃纤维自身的加工性能,玻璃纤维表面必须覆以不同成分的表面处理剂(又称浸润剂)。增强用玻璃纤维的产品形式和性能各不相同,主要形式有机织物、无捻粗纱、无捻粗纱布、短切纤维、磨碎纤维、纱、短切纤维毡片、连续纤维毡片、编织物和薄毡。主要的玻璃纤维性能和化学成分见表。

主要的玻璃纤维化学成分和性能

种类

高碱玻璃纤维

硼硅酸钠玻璃纤维

低介电性能玻璃纤维

无碱玻璃纤维

高强玻璃纤维

粗玻璃纤维

高模量玻璃纤维

化学成分/重量%

SiO2

Al2O3

B2O3

MgO

CaO

Na2O

K2O

Fe2O3

F2

BeO

TiO2

ZrO2

CeO2

70.0

2.5

0.5

0.9

9.0

12.5

1.5

0.5

 

65.0

40.0

5.0

3.0

14.0

8.5

-

0.5

 

73.0

-

23.0

 

55.2

14.8

7.3

3.3

18.7

0.3

0.2

0.3

0.3

65.0

25.0

-

10.0

60.0

25.0

-

6.0

9.0

 

53.7

-

-

9.0

12.9

-

-

0.5

-

8.0

8.0

2.0

3.0

性能

抗拉强度/GPa

3.1

3.1

2.5

3.4

4.58

4.4

5.0

弹性模量/GPa

73

74

55

71

85

86

110

断后伸长率/%

3.6

-

-

3.37

4.6

5.2

-

密度

/g·cm-3

2.46

2.46

2.14

2.55

2.5

2.55

2.89

热膨胀系数10-6/K

-

8

2~3

4

-

折射率

1.52

-

-

1.55

1.52

1.54

-

损耗角正切/106Hz

-

-

0.0005

0.0039

0.0072

0.0015

-

介电常数/106Hz

-

-

3.8

6.11

5.6

6.2

-

体积电阻率/μΩ·m

1014

-

-

1019

-

-

-

作为增强体常用的玻璃纤维有高硅氧玻璃纤维和石英玻璃纤维。高硅氧玻璃纤维增强体是用Na2O-B2O3-SiO2系玻璃、Na2O-SiO2系玻璃或多组分硼硅酸盐玻璃拉制成纤维后,经酸浸沥滤处理和烧结后得到,其二氧化硅含量高达96%~99%。生产过程包括制造玻璃球或玻璃块、拉丝、纺织加工、酸处理和高温烧结5道工序。长期使用温度在900℃以上,短时使用温度可高达1100℃。高硅氧玻璃纤维布或其短切纱增强酚醛树脂,大量用于制造火箭、导弹上的耐高温烧蚀部件或材料。石英玻璃纤维增强体是由高纯二氧化硅和天然石英晶体制成。其二氧化硅含量高于99.95%,密度为2.2克/厘米3,抗拉强度可与碳纤维相当,并且耐高温、绝缘、耐烧蚀、耐腐蚀和隔热透波,具有优良的介电性能、良好的化学稳定性和柔软性,在1050℃的高温下仍能保持优异的介电性能、机械强度和耐化学性能,主要用作电绝缘材料、隔热材料和复合材料的增强体。其复合材料用于制造飞机机头雷达罩、火箭的尾喷管等,也用于空间航天器的烧蚀材料。其制造方法有:将石英棒或管用氢氧焰熔融拉丝,再用氢氧焰吹管喷吹,制成直径0.7~1微米的石英棉;石英经火焰熔融后用高速气流形成短纤维及其毡片;将石英丝或棒以恒定速度通过氢氧焰或煤气火焰,软化后高速拉成长丝。

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