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作者:肖力光,赵洪凯,汪丽梅,李敏

出版社:化学工业出版社

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复合材料

复合材料试读:

前言

材料是人类赖以生存的物质基础,是人类物质文明的标志。材料的发展将人类社会文明推向更高的层次。科技对材料提出的更高要求带动了材料向复合化发展,从而诞生了第四大类材料——复合材料。复合材料具有轻质、高强、防腐、耐水、隔热及电绝缘等优异性能,被公认是除了金属材料、无机非金属材料、高分子材料之后的最有发展前景的一大类材料,已发展成为21世纪的主要工程材料。复合材料的崛起与发展极大地丰富了现代材料家族,为人类社会的发展开辟了无限的想象与实现空间,也为材料科学与工程的持续发展注入了强大的生机与活力。

面对新材料、新工艺的不断涌现,复合材料呈现出低成本、高性能、功能化、结构功能一体化和智能化的发展趋势;同时复合材料新标准、新规范也不断地更新。笔者针对于此编写的《复合材料》教材是一本比较全面介绍重点应用于结构工程的相关聚合物基、金属基、无机非金属基复合材料方面的教材,其阐述复合材料中重要的基体、增强体以及改性组分,详细阐述聚合物基复合材料、金属基复合材料、无机非金属基复合材料以及其他复合材料的界面及复合原理,各种力学性质以及其他性能,产品设计方法、制造工艺及应用情况,同时介绍复合材料的分析测试方法以及相关实验。

结合材料类专业背景及相关专业实际需要,《复合材料》教材更加彰显专业特色,教材基于系统化设计教学内容及结构,重点介绍材料的组成、特点、工艺、表征及具体应用,为学生学好后续专业课及在日后的工作中做到正确、合理使用材料奠定坚实的基础。教材内容安排上由浅入深、通俗易懂,突出了基础性和可操作性。根据要讲授的内容,将理论学习与实践环节有效统一,突出实用性,以便完成课程的教学目标。根据新材料、新技术和新规范的发展,结合高校学科专业的特点,本教材中全部采用了复合材料生产过程中的新规范、新标准,教学内容充分展现了先进性,使该课程能够反映本学科领域的最新科技成果,并能和本领域的社会经济发展需要相结合。《复合材料》一书力求让学生在学习知识的同时培养创新精神,提高能力,增强素质,为进一步学习打下必要的基础。本书可作为材料化学、材料科学与工程、复合材料、高分子材料、无机非金属材料、应用化学等专业的本科生教材以及相关专业研究生的参考教材,还可作为从事材料科学与工程、复合材料、高分子材料、无机非金属材料、材料化学、建筑材料、建筑设计、机械设计等相关专业研究、开发、教学、生产、销售、投资的科研工作者、教师、工程设计人员、企业经营管理与技术人员的参考书。

本书结合了笔者多年从事教学、科研和校企合作的实践经验编写而成,共分为9章。内容包括绪论、复合材料的组成材料、复合材料的界面、复合材料设计原理、聚合物基复合材料、金属基复合材料、水泥基复合材料、陶瓷基复合材料及复合材料实验。

本书由吉林建筑大学肖力光教授、赵洪凯教授主编,并由肖力光教授统稿。其中肖力光编写第7章;赵洪凯编写第4章、第5章、第8章的一部分、第9章;汪丽梅编写第3章、第6章、第8章的一部分;李敏编写第1章、第2章。

本书在编写过程中得到了同行以及多位老师的大力帮助,在此表示衷心的感谢。

由于本教材内容广泛,笔者水平所限,书中不完善之处在所难免,敬请同行和读者批评指正。编者2016年5月于吉林建筑大学第1章绪论1.1复合材料发展史

随着生活水平的提高,人们对材料性能的要求日益提高,单质材料已很难满足性能的综合要求和高指标要求,因此材料的复合化是材料发展的必然趋势之一。复合材料的出现是金属、陶瓷、高分子等单质材料发展和应用的必然结果,是各种单质材料研制和使用经验的综合,也是这些单质材料技术的升华。复合材料的兴起与发展极大地丰富了现代材料的家族,为人类社会的发展开辟了无限的想象和实现空间,也为材料科学与工程学的持续发展注入了强大的生机与活力。复合材料各组分之间“取长补短”、“协同作用”,极大地弥补了单一材料的缺点,产生了单一材料所不具有的新功能。复合材料的出现和发展,是现代科学技术不断进步的结果,也是材料设计方面的一个突破。它综合了各种材料如纤维、树脂、橡胶、金属、陶瓷等的优点,按需要设计、复合成为综合性能优异的新型材料。复合材料已广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、体育器材、医疗器械等领域,近几年更是得到了突飞猛进的发展。可以预言,如果用材料来作为历史分期的依据,那么未来的21世纪,将是复合材料的时代。

复合材料是一种多相复合体系。作为一门学科,复合材料的出现及发展不过是近几十年的事情。但是人类在很早之前就开始使用复合材料。比如说,以天然树脂虫胶、沥青作为黏合剂制作层合板;以砂、砾石作为廉价骨料,以水和水泥固结的混凝土材料,它们大约在100年前就开始使用了。混凝土的拉伸强度比较好,但比较脆,如处于拉伸状态就容易产生裂纹,而导致脆性断裂。若在混凝土中加入钢筋、钢纤维之后,就可以大大提高混凝土拉伸强度及弯曲强度,这就是钢筋混凝土复合材料。而使用合成树脂制作复合材料,始于20世纪初。人们用苯酚与甲醛反应,制成酚醛树脂,再把酚醛树脂与纸、布、木片等复合在一起制成层压制品,这种层压制品,具有很好的电绝缘性能及强度。

20世纪40年代由玻璃纤维增强合成树脂的复合材料——玻璃钢出现,是现代复合材料发展的重要标志。玻璃纤维复合材料1946年开始应用于火箭发动机壳体,60年代在各种型号的固体火箭上应用取得成功。如在美国把玻璃纤维复合材料用于制作火箭的发动机壳体以及燃料用的高压容器上。60年代末期则用玻璃纤维复合材料制作了直升机旋翼桨叶等。

20世纪60—70年代,复合材料不仅可用玻璃纤维增强,还可用新出现的纤维材料如硼纤维、碳纤维、碳化硅纤维、芳纶(kevlar)纤维增强,这使得复合材料的综合性能得到了很大的提高,从而使复合材料的发展进入了新的阶段。这些材料中,以碳纤维为例,其复合材料的比强度不但超过了玻璃纤维复合材料,而且比模量是其5~8倍以上。这使结构的承压能力和承受动力负荷能力大大提高。碳/碳复合材料是载人宇宙飞船和多次往返太空飞行器的理想材料,用于制造宇宙飞行器的鼻锥部、机翼、尾翼前缘等承受高温载荷的部件。固体火箭发动机喷管的工作温度高达3000~3500℃,为了提高发动机效率,还要在推进剂中掺入固体粒子,因此固体火箭发动机喷管的工作环境是高温、化学腐蚀、固体粒子高速冲刷,目前只有碳/碳复合材料能承受这种工作环境。

20世纪70年代后期发展的用高强度、高模量的耐热纤维与金属复合,特别是与轻金属复合而成的金属基复合材料,克服了树脂基复合材料耐热性差和不导电、导热性低等不足。金属基复合材料由于金属基体的优良导电和导热性,加上纤维增强体不仅提高了材料的强度和模量,而且降低了密度。此外,这种材料还具有耐疲劳、耐磨耗、高阻尼、不吸潮、不放气和膨胀系数低等特点,已经广泛用于航天航空等尖端技术领域,是理想的结构材料。

20世纪80年代开始逐渐发展陶瓷基复合材料,采用纤维补强陶瓷基体以提高韧性。主要目标是希望用以制造燃气涡轮叶片和其他耐热部件。

聚合物基、金属基、陶瓷基复合材料三类材料的耐热性能好、强度高,既可用于要求强度高、密度小的场合,又可用于制作在高温环境下仍要保持高强度的构件,因此它们的开发与应用越来越受到人们的重视。1.2复合材料的定义

根据国际标准化组织(International Organizations for Standardization,ISO)对复合材料下的定义,复合材料是指由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。复合材料可经设计,即通过对原材料的选择、各组分分布设计和工艺条件的保证等,使原组分材料优点互补,因而表现出了出色的综合性能。在复合材料中,通常有一相为连续相,称为基体;另一相为分散相,称为增强材料。分散相是以独立形态分布在整个连续相中的,两相之间存在着相界面。分散相可以是增强纤维,也可以是颗粒状或弥散的填料。

从上述定义中可以看出,复合材料可以是一个连续物理相与一个连续分散相的复合,也可以是两个或多个连续相与一个或多个分散相在连续相中复合,复合后的产物为固体时才称为复合材料,如复合产物为液体或气体时就不称为复合材料。复合材料既可以保持原材料的某些特点,又能发挥组合后的新特征,它可以根据需要进行设计,从而最合理地达到使用所要求的性能。

纵观复合材料的发展过程,可以看到,早期发展出现的复合材料,由于性能相对比较低,生产量大,使用面广,可以称之为常用复合材料。后来随着高科技发展的需要,在此基础上又发展出性能高的先进复合材料。1.3复合材料的命名和分类

复合材料可根据增强材料与基体材料的名称来命名。将增强材料名称放在前面,基体材料的名称放在后面,然后加上“复合材料”。例如,玻璃纤维和聚氨酯构成的复合材料称为“玻璃纤维聚氨酯复合材料”。为书写简便,也可仅写增强材料和基体材料的缩写名称,中间加一斜线隔开,后面再加“复合材料”。如上述玻璃纤维与聚氨酯构成的复合材料,也可写做“玻璃/聚氨复合材料”。有时为了突出增强材料和基体材料,视强调的组分不同,也可简称为“玻璃纤维复合材料”或“聚氨酯复合材料”。碳纤维和金属基构成的复合材料叫“金属基复合材料”,也可写成“碳/金属复合材料”。碳纤维和碳构成的复合材料叫“碳/碳复合材料”。

随着材料品种的增加,人们为了更好地研究和使用材料,需要对材料进行分类。材料的分类,历史上有许多方法。如按材料的化学组成分类,可分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料。按物理性质分类,有高温材料、磁性材料、透光材料、半导体材料、导电材料、超硬材料等。按用途分类有航空材料、电工材料、建筑材料、光学材料、生物材料、包装材料等。

复合材料的分类方法很多,常见的分类方法有以下几种。(1)按增强材料形态分类

①连续纤维复合材料:作为分散相纤维,每根纤维的两个端点都位于复合材料的边界处;

②短纤维复合材料:短纤维无规则地分散在基体材料中制成的复合材料;

③粒状填料复合材料:微小颗粒状增强材料分散在基体中制成的复合材料;

④编织复合材料:以平面二维或立体三维纤维编织物为增强材料与基体复合而成的复合材料。(2)按增强纤维种类分类

①玻璃纤维复合材料;

②碳纤维复合材料;

③有机纤维(芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、高强度聚烯烃纤维等)复合材料;

④金属纤维(如钨丝、不锈钢丝等)复合材料;

⑤陶瓷纤维(如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等)复合材料。

此外,如果用两种或两种以上纤维增强同一基体制成的复合材料称为混杂复合材料(hybrid composite materials)。混杂复合材料可以看成是两种或多种单一纤维复合材料相互复合,即复合材料的“复合材料”。(3)按基体材料分

①聚合物基复合材料:以有机聚合物(主要为热固性树脂、热塑性树脂及橡胶)为基体制成的复合材料;

②金属基复合材料:以金属为基体制成的复合材料,如铝基复合材料、钛基复合材料等;

③无机非金属基复合材料:以陶瓷材料(也包括玻璃和水泥)为基体制成的复合材料。(4)按增强体类型分类

①颗粒增强型复合材料;

②纤维增强型复合材料;

③板状复合材料。(5)按材料用途分类

①结构复合材料:用于制造受力构件的复合材料。要求它质量轻、强度和刚度高、且能耐受一定温度,在某种情况下还要求有膨胀系数小、绝热性能好或耐介质腐蚀等其他性能。

结构复合材料由增强体与基体组成。增强体承担结构使用中的各种载荷,基体则起到黏结增强体予以赋形并传递应力和增韧的作用。复合材料所用基体主要是有机聚合物,也有少量金属、陶瓷、水泥及碳(石墨)。结构复合材料通常按不同的基体来分类,如图1-1所示。在某些情况下也以增强体的形状来分类,这种分类适用于各种基体,见图1-2。图1-1 结构复合材料不同基体分类图1-2 结构复合材料按不同增强体分类

②功能复合材料:指除力学性能以外还具有各种特殊性能(如阻尼、导电、导磁、换能、摩擦、屏蔽等)的复合材料,是由功能体(提供物理性能的基本组成单元)和基体组成的。

此外,还有同质复合材料和异质复合材料。增强材料和基体材料属于同质物质复合材料为同质复合材料,如碳/碳复合材料。异质复合材料如前面提及的复合材料多属此类。1.4复合材料的特点

复合材料是由多相材料复合而成,其共同的特点如下。

①可综合发挥各种组成材料的优点,使一种材料具有多种性能,具有天然材料所没有的性能。例如,玻璃纤维增强环氧基复合材料,既具有类似钢材的强度,又具有塑料的介电性能和耐腐蚀性能。

②可根据材料性能的需要对材料进行设计和制造。例如,针对方向性材料强度的设计,针对某种介质耐老化性能的设计等。

③可制成所需的任意形状的产品,可避免多次加工工序。例如,可避免金属产品的铸模、切削、磨光等工序。

性能的可设计性是复合材料的最大特点。影响复合材料性能的因素很多,主要取决于增强体材料的性能、含量及分布情况,基体材料的性能、含量及分布情况,以及它们之间的界面结合情况,作为产品还与成型工艺和结构设计有关。因此,不论对哪一类复合材料,就是同一类复合材料的性能也不是一个定值,在此只给出其主要性能。1.4.1 聚合物基复合材料的主要性能

聚合物基复合材料是目前复合材料的主要品种,其产量远远超过其他基体复合材料。通常聚合物基体材料是指热固性聚合物与热塑性聚合物。综合归纳聚合物基复合材料有以下性能特点。3(1)轻质、比强度和比模量大 普通碳钢的密度为7.8g/cm,玻3璃纤维树脂复合材料的密度为1.5~2.0g/cm,只有普通碳钢的1/5~1/4,比铝合金还要轻1/3左右,而机械强度却能超过普通碳钢水平。按比强度计算(比强度是指强度与密度的比值),玻璃纤维增强树脂基复合材料不仅大大超过碳钢,而且可超过某些特殊合金钢。碳纤维复合材料、有机纤维复合材料具有比玻璃纤维复合材料更小的密度和更高的强度,因此具有更高的比强度。几种材料的密度和比强度、比模量如表1-1所示。表1-1 几种材料的密度、比强度和比模量(2)具有多种功能性 聚合物复合材料具有多种功能性,例如,耐烧蚀性好,聚合物基复合材料可制成具有较高比热容、熔融热和汽化热的材料,以吸收高温烧蚀的大量热;有良好的摩擦性能,包括良好的摩阻特性和减摩特性;高度的电绝缘性能;优良的耐腐蚀性能;特殊的光学、电学、磁学特性。(3)耐疲劳性好 金属材料的疲劳破坏常常是没有明显预兆的突发性破坏,而聚合物基复合材料中纤维与基体的界面能阻止材料受力,使裂纹加深。疲劳破坏总是从纤维的薄弱环节开始逐渐扩展到结合面上,破坏前有明显的预兆。大多数金属材料的疲劳强度极限是其抗张强度的20%~50%,而碳纤维/聚酯复合材料的疲劳强度极限可为其抗张强度的70%~80%。(4)减振性好 受力结构的自振频率除与结构本身形状有关外,还与结构材料比模量的平方根成正比。复合材料的比模量高,因此其具有高的自振频率。同时,复合材料界面具有吸振能力,使材料的振动阻尼很高。例如,汽车减振系统轻合金梁需9s停止振动,而碳纤维复合材料需2.5s停止同样大小的振动。(5)过载时安全性好 复合材料中有大量的增强纤维,当材料过载而有少数纤维断裂时,载荷会重新分配到未破坏的纤维上,使整个构件在短期不至于失去承载能力。(6)有很好的加工性能 复合材料可采用手糊成型、模压成型、缠绕成型、注射成型和拉挤成型等各种方法制成各种形状的产品。

但是聚合物基复合材料还存在一定的缺点,如耐高温、耐老化性、抗冲击性和材料强度一致性等有待于进一步提高。1.4.2 金属基复合材料的主要性能

金属基复合材料的性能取决于所选用的金属或合金基体和增强物的特性、含量、分布,以及基体与增强体相容性等。通过优化组合可以获得既具有金属特性,又具有高比强度、高比模量、耐热、耐磨等的综合性能。综合归纳金属基复合材料具有以下性能特点。(1)高比强度,高比模量 由于在金属基体中加入了适量的高强度、高模量、低密度的纤维、晶须、颗粒等增强物,明显提高了复合材料的比强度和比模量,特别是高性能连续纤维——硼纤维、碳(石墨)纤维、碳化硅纤维等增强物,具有很高的强度和模量。密度3只有1.85g/cm的碳纤维的最高强度可达到7000MPa,比铝合金强度高出10倍以上,石墨纤维的最高模量可达91GPa。硼纤维、碳化硅纤3维密度为2.5~3.4g/cm,强度为3000~4000MPa,模量为350~450GPa。加入30%~50%高性能纤维作为复合材料的主要承载体,复合材料的比强度、比模量成倍地高于基体合金的比强度和比模量。(2)导电、导热性能 金属基复合材料中金属基体占有很高的体积百分比,一般在60%以上,因此仍保持金属所具有的良好导热性和导电性。良好的导热性可以有效地传热,减少构件受热后产生的温度梯度,迅速散热,这对尺寸稳定性要求高的构件和高集成度的电子器件尤为重要。良好的导电性可以防止飞行器构件产生静电聚集的问题。

在金属基复合材料中采用高导热性的增强物还可以进一步提高金属基复合材料的热导率,使复合材料的热导率比纯金属基体还高。为了解决高集成度电子器件的散热问题,现已研究成功的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、金刚石颗粒增强铝基、铜基复合材料的热导率比纯铝高、钢还高,用它们制成的集成电路地板和封装件可迅速有效地把热量散去,提高集成电路的可靠性。(3)热膨胀系数小、尺寸稳定性好 金属基复合材料中所用的增强物碳纤维、碳化硅纤维、晶须、颗粒、硼纤维等均具有很小的热膨胀系数,又具有很高的模量,特别是高模量、超高模量的石墨纤维具有负的热膨胀系数。加入相当含量的增强物不仅可以大幅度地提高材料的强度和模量,也可以使其热膨胀系数明显下降,并可通过调整增强物的含量获得不同的热膨胀系数,以满足各种工况要求。例如,石墨纤维增强镁基复合材料,当石墨纤维含量达到48%时,复合材料的热膨胀系数为零,即在温度变化时使用这种复合材料做成的零件不发生热变形,这对人造卫星构件特别重要。

通过选择不同的基体金属和增强物,以一定的比例复合在一起,可得到导热性好、热膨胀系数小、尺寸稳定性好的金属基复合材料。(4)良好的高温性能 由于金属基体的高温性能比聚合物高很多,增强纤维、晶须、颗粒在高温下又都具有很高的高温强度和模量,因此金属基复合材料具有比金属基体更高的高温性能,特别是连续纤维增强金属基复合材料,在复合材料中纤维起着主要承载作用,纤维强度在高温下基本不下降,纤维增强金属基复合材料的高温性能可保持到接近金属熔点,并比金属基体的高温性能高很多。如钨丝增强耐热合金,其1100℃、100h高温持久强度为207MPa,而基体合金的高温持久强度只有48MPa;又如石墨纤维增强铝基复合材料在500℃高温下,仍具有600MPa的高温强度,而铝基体在300℃强度已下降到100MPa以下。因此,金属基复合材料被选用在发动机等高温零部件上,可大幅度地提高发动机的性能和效率。总之,金属基复合材料制成的零构件比金属材料、聚合物基复合材料制成的零构件能在更高的温度条件下使用。(5)耐磨性好 金属基复合材料,尤其是陶瓷纤维、晶须、颗粒增强金属基复合材料具有很好的耐磨性。这是因为在基体金属中加入了大量的陶瓷增强物,特别是细小的陶瓷颗粒。陶瓷材料具有硬度高、耐磨、化学性能稳定的优点,用它们来增强金属不仅提高了材料强度和刚度,也提高了复合材料的硬度和耐磨性。SiC/Al复合材料的高耐磨性在汽车、机械工业中有很广的应用前景,可用于汽车发动机、刹车盘、活塞等重要零件,能明显提高零件的性能和寿命。(6)良好的疲劳性能和断裂韧性 金属基复合材料的疲劳性能和断裂韧性取决于纤维等增强物与金属基体的界面结合状态,增强物在金属基体中的分布以及金属、增强物本身的特性,特别是界面状态。最佳的界面结合状态既可有效地传递载荷,又能阻止裂纹的扩展,提高材料的断裂韧性。据美国宇航公司报道,C/Al复合材料的疲劳强度与拉伸强度比为0.7左右。(7)不吸潮、不老化、气密性好 与聚合物相比,金属基性质稳定、组织致密,不存在老化、分解、吸潮等问题,也不会发生性能的自然退化,这比聚合物基复合材料优越,在空间使用不会分解出低分子物质污染仪器和环境,有明显的优越性。

总之,金属基复合材料所具有的高比强度、高比模量,良好的导热性、导电性、耐磨性、高温性能,低的热膨胀系数,高的尺寸稳定性等优异的综合性能,使金属基复合材料在航天、航空、电子、汽车、先进武器系统中均具有广泛的应用前景,对装备性能的提高将发挥巨大作用。1.4.3 陶瓷基复合材料的主要性能

陶瓷材料强度高、硬度大、耐高温、抗氧化,高温下抗磨损性好,耐化学腐蚀性优良,热膨胀系数和相对密度较小,这些优异的性能是一般常用金属材料、高分子材料及其复合材料所不具备的。但陶瓷材料抗弯强度不高,断裂韧性低,限制了其作为结构材料使用。当用高强度、高模量的纤维或晶须增强后,其高温强度和韧性可大幅度提高。最近,欧洲动力公司推出的航天飞机高温区用碳纤维增强碳化硅基体和用碳化硅纤维增强碳化硅基体所制造的陶瓷基复合材料,可分别在1700℃和1200℃下保持20℃时的抗拉强度,并且有较好的抗压性能,较高的层间剪切强度;而断裂伸长率较一般陶瓷高,耐辐射效率高,可有效降低表面温度,有较好的抗氧化、抗开裂性能。陶瓷基复合材料与其他复合材料相比发展仍然缓慢,主要原因一方面是制备工艺复杂;另一方面是缺少耐高温的纤维。1.4.4 水泥基复合材料的主要性能

水泥混凝土制品在压缩强度、热能等方面具有优异的性能,但抗拉伸强度低,破坏前的许用应变小,通过用钢筋增强后,一直作为常用的建筑材料。但在钢筋混凝土制品中为了防止钢筋生锈,壁要加厚,质量也增大。而且钢筋混凝土的腐蚀一直是建筑业的一大难题。在水泥中引入高模量、高强度、轻质纤维或晶须增强混凝土,提高混凝土制品的抗拉性能。降低混凝土制品的重量,提高耐腐蚀性能。

复合材料的性能是根据使用条件进行设计的。但是使用温度和材料硬度方面,三类复合材料有着明显的区别。如树脂基复合材料的使用温度一般为60~250℃;金属基复合材料为400~600℃;陶瓷基复合材料为1000~1500℃。复合材料的硬度主要取决于基体材料的性能,一般陶瓷基复合材料硬度大于金属基复合材料,金属基复合材料硬度大于树脂基复合材料。

就力学性能而言,复合材料力学性能取决于增强材料的性能、含量和分布,取决于基体材料的性能和含量,它可以根据使用条件进行设计,从强度方面来讲,三类复合材料都可以获得较高的强度。

复合材料的耐自然老化性能,取决于基体材料性能和与增强材料的界面黏接。一般来讲其耐老化性能的优劣次序为:陶瓷基复合材料大于金属基复合材料,金属基复合材料大于树脂基复合材料。树脂基复合材料的耐自然老化性能也可以通过改进树脂配方、增加表面防护层等方法来提高和改善。

三类复合材料的导热性能的优劣比较为:金属基复合材料,50~65W/(m·K);陶瓷基复合材料,0.7~3.5W/(m·K);树脂基复合材料,0.35~0.45W/(m·K)。

复合材料的耐化学腐蚀性能是通过选择基体材料来实现的。一般来讲陶瓷基复合材料和树脂基复合材料的耐化学腐蚀性能比金属基复合材料优越。在树脂基复合材料中,不同的树脂基体其耐化学腐蚀性能也不相同。聚乙烯酯树脂较通用型聚酯树脂有较高的耐化学腐蚀性,有碱纤维较无碱纤维的耐酸介质性能好。

从生产工艺的难易程度和成本高低方面分析,树脂基复合材料生产工艺成熟,产品成本最低;金属基复合材料次之;陶瓷基复合材料工艺最复杂,产品成本也最高。但无机黏结剂复合材料的成型工艺与树脂基复合材料相似,且产品成本大大低于树脂基复合材料。1.5复合材料的发展方向1.5.1 发展功能、多功能、机敏、智能复合材料

过去复合材料主要用于结构,其实,它的设计自由度大的特点更适合于发展功能复合材料,特别是由功能复合材料→多功能复合材料→机敏复合材料→智能复合材料,即从低级形式到高级形式的过程中体现出来。设计自由度大是由于复合材料可以任意调节其复合度、选择其连接形式和改变其对称性等因素,以期达到功能材料所追求的高优值。此外,复合材料所特有的复合效应更提供了广阔的设计途径。(1)功能复合材料 目前功能复合材料已有不少品种得到应用,但从发展的眼光看还远远不够。功能复合材料涉及的范围非常宽。在电功能方面有导电、超导、绝缘、吸波(电磁波)、半导电、屏蔽或透过电磁波、压电与电致伸缩等;在磁功能方面有永磁、软磁、磁屏蔽和磁致伸缩等;在光功能方面有透光、选择滤光、光致变色、光致发光、抗激光、X射线屏蔽和透X光等;在声学功能方面有吸声、声呐、抗声呐等;在热功能方面有导热、绝热与防热、耐烧蚀、阻燃、热辐射等,在机械功能方面则有阻尼减振、自润滑、耐磨、密封、防弹装甲等;在化学功能方面有选择吸附和分离、抗腐蚀等。在上述功能中,复合材料均能够作为主要材料或作为必要的辅助材料而发挥作用。可以预言,不远的将来会出现功能复合材料与结构复合材料并驾齐驱的局面。(2)多功能复合材料 复合材料具有多组分的特点,因此必然会发展成多功能的复合材料。首先是形成兼具功能与结构的复合材料。这一点已经在实际应用中得到证实。例如,美国飞机具有自我保存的隐身功能,即在飞机的蒙皮上应用了吸收电磁波的功能复合材料来躲避雷达跟踪,而这种复合材料又是高性能的结构复合材料。目前正在研制兼有吸收电磁波、红外线并且可以作为结构的多功能复合材料。可以说向多功能方向发展是发挥复合材料优势的必然趋势。(3)机敏复合材料 人类一直期望着材料具有能感知外界作用而且作出适当反应的能力。目前已经开始试着将传感功能材料和具有执行功能的材料通过某种基体复合在一起,并且连接外部信息处理系统,把传感器给出的信息传达给执行材料,使之产生相应的动作。这样就构成了机敏复合材料及其系统,它能够感知外部环境的变化,作出主动的响应,其作用表现在自诊断、自适应和自修复的能力上。预计机敏复合材料将会在国防尖端技术、建筑、交通运输、水利、医疗卫生、海洋渔业等方面有很大的应用前景,同时也会在节约能源、减少污染和提高安全性上发挥很大的作用。(4)智能复合材料 智能复合材料是功能类材料的最高形式。实际上它是在机敏复合材料基础上向自决策能力上的发展,依靠在外部信息处理系统中增加的人工智能系统,对信息进行分析,给出决策,指挥执行材料做出优化动作。这样就对材料的传感部分和执行部分的灵敏度、精确度和响应速度提出更高的要求。尽管难度很大但具有重要的意义,是21世纪追求的目标。1.5.2 仿生复合材料

天然生物材料基本上是复合材料。仔细分析这些复合材料可以发现,它们的形成结构、排列分布非常合理。例如,竹子以管式纤维构成,外密内疏,并呈正反螺旋形排列,成为长期使用的优良天然材料。又如,贝壳是以天然质成分与有机质成分呈层状交替层叠而成,既具有很高的强度又有很好的韧性。这些都是生物在长期进化演变中形成的优化结构形式。大量的生物体以各种形式的组合来适应自然环境的考验,优胜劣汰,为人类提供了学习借鉴的途径。为此,可以通过系统分析和比较,吸取有用的规律并形成概念,把从生物材料学习到的知识结合材料科学的理论和手段来进行新型材料的设计和制造。因此逐步形成新的研究领域——仿生复合材料。正因为生物界能提供的信息非常丰富,以现有水平还无法认识其机理,所以具有很强的发展生命力。目前虽已经开展了部分研究并建立了模型、进行了理论计算,但距离真正掌握自然界生物材料奥秘还有很大差距,可以肯定这是复合材料发展的必由之路,而且前景广阔。1.5.3 纳米复合材料

纳米复合材料(nanocomposites)是分散相尺度至少有一维小于100nm的复合材料。由于纳米粒子大的比表面积,表面原子数、表面能和表面张力随粒径下降急剧上升,使其与基体有强烈的界面相互作用,其性能显著优于相同组分常规复合材料的物理机械性能,纳米粒子还赋予复合材料热、磁、光特性和尺寸稳定性。因此纳米复合材料是获得高性能材料的重要方法之一。

纳米复合材料与常规的无机填料/聚合物复合体系不同,不是有机相与无机相简单的混合,而是两相在纳米尺寸范围内复合而成。由于分散相与连续相之间界面积非常大,界面间具有很强的相互作用,产生理想的黏接性能,使界面模糊。作为分散相的有机聚合物通常是刚性棒状高分子,包括溶致液晶聚合物、热致液晶聚合物和其他刚性高分子,它们以分子水平分散在柔性聚合物基体中,构成有机聚合物/无机聚合物纳米复合材料。作为连续相的有机聚合物可以是热塑性聚合物、热固性聚合物。聚合物基无机纳米复合材料不仅具有纳米材料的表面效应及介电性效应等性质,而且将无机物的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与聚合物的韧性、加工性及介电性能糅合在一起,从而产生很多特异的性能。在电子学、光学、机械学、生物学等领域展现出广阔的应用前景。无机纳米复合材料广泛存在于自然界的生物体(如植物和动物的骨质)中,人工合成的无机纳米复合材料目前成倍增长,不仅有合成的纳米材料为分散相(如纳米金属、纳米氧化物、纳米陶瓷、纳米无机含氧酸盐等)构成的有机基纳米复合材料,而且还有如石墨层间化合物、黏土矿物有机复合材料和沸石有机复合材料等。第2章复合材料的组成材料2.1增强材料

在复合材料中,凡是能提高基体材料力学性能的物质,均称为增强材料。对于纤维复合材料,起主要承载作用的是纤维;而在粒子增强复合材料中,起主要承载作用的是基体。用于受力构件的复合材料大多为纤维复合材料,纤维不仅能使材料显示出较高的抗拉强度和刚度,而且能减少收缩,提高热变形温度和低温冲击强度等。复合材料的性能在很大程度上取决于纤维的性能、含量及使用状态。如聚苯乙烯塑料,加入玻璃纤维后,抗拉强度可从600MPa提高到1000MPa,弹性模量可从3000MPa提高到8000MPa,其热变形温度可从85℃提高到105℃,使-40℃下的冲击强度可提高10倍。总的来说,增强材料对于复合材料来说是不可或缺的,基体材料中加入增强材料,其目的在于获得更为优异的力学性能或赋予复合材料新的性能。

增强材料总体上可分为有机增强体和无机增强体两大类。无机增强材料有:玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、金属纤维、晶须等。有机增强材料有:芳纶纤维、聚酯纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。上述增强材料中,玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维应用最为广泛。

需要特别指出的是高性能纤维(high performance fibers)是近年材料领域迅速发展的一类特种纤维,通常是指具有高强度、高模量、耐高温、耐环境、耐摩擦、耐化学药品等高性能的纤维。高性能纤维品种很多,如芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、高强度聚烯烃纤维、碳纤维以及各种无机及金属纤维等。作为先进复合材料的增强材料,是高性能纤维的重要用途之一。2.1.1 玻璃纤维

玻璃纤维(glass fiber)是由氧化硅与金属氧化物等组成的盐类混合物经熔融纺丝制成的,它是最早作为增强材料使用的纤维之一。玻璃纤维的生产有悠久的历史,据考证,早在1713年法国就使用过玻璃纤维织物,德国于1916年开始生产用作保温材料的玻璃纤维,1930年美国首先生产玻璃长丝。玻璃纤维复合树脂于20世纪40年代开始在航空工业得到应用。由于玻璃纤维在结构、性能、加工工艺、价格等方面的特点,使它在复合材料制造业中一直占有重要位置。

随着玻璃钢工业的发展,玻璃纤维工业也得到迅速发展。20世纪70年代国外玻璃纤维生产的主要特点是:普遍采用池窑拉丝新技术;大力发展多排多孔拉丝工艺;用于玻璃钢的纤维直径逐渐向粗的方向发展,纤维直径为14~24μm,甚至达27μm;大量生产无碱纤维;大力发展无纺织玻璃纤维织物,无捻粗纱和短切纤维毡片所占比例增加;重视纤维-树脂界面的研究,偶联剂的品种不断增加,玻璃纤维的前处理受到普遍重视。

我国玻璃纤维工业诞生于1950年,当时只能生产绝缘材料用的初级纤维。1958年以后,玻璃纤维工业得到迅速发展,现在全国有大、小玻璃纤维厂200多个,玻璃纤维年产量为5万吨,其中无碱纤维占20%,中碱纤维占80%,纤维直径多为6~8μm,正向粗纤维方向发展,池窑拉丝工艺正在推广,重视纤维-树脂界面的研究,新型偶联剂不断出现,许多玻璃纤维厂使用前处理工艺。玻璃纤维工业的不断发展促进了我国复合材料及尖端科学技术的发展。2.1.1.1 玻璃纤维的分类

玻璃纤维的分类方法很多。一般从玻璃原料成分、单丝直径、纤维特性及纤维外观等方面进行分类。(1)以玻璃原料成分分类 这种分类方法主要用于连续玻璃纤维的分类。一般以不同的含碱量来区分。

①无碱玻璃纤维(通称E-玻璃纤维):国内规定其碱金属氧化物含量不大于0.5%,国外一般为1%左右。它是以钙铝硼硅酸盐组成的玻璃纤维,这种纤维强度较高,耐热性和电性能优良,能抗大气腐蚀,化学稳定性也好(但不耐酸),最大的特点是电性能好,因此也把它称作电气玻璃。国内外大多数都使用这种E-玻璃纤维作为复合材料原材料。

②中碱玻璃纤维:碱金属氧化物含量在11.5%~12.5%。国外没有这种玻璃纤维,它的主要特点是耐酸性好,但强度不如E-玻璃纤维高。它主要用于耐腐蚀领域中,价格较便宜。

③有碱玻璃(A-玻璃)纤维:有碱玻璃称为A-玻璃,类似于窗玻璃及玻璃瓶的钠钙玻璃。此种玻璃由于含碱量高,强度低,对潮气侵蚀极为敏感,因而很少作为增强材料。

④特种玻璃纤维:如由纯镁铝硅三元组成的高强玻璃纤维,镁铝硅系高强高弹玻璃纤维,硅铝钙镁系耐化学介质腐蚀玻璃纤维,含铅纤维、高硅氧纤维、石英纤维等。(2)以单丝直径分类 玻璃纤维单丝呈圆柱形,以其直径的不同可将玻璃纤维分为:粗纤维(单丝直径30μm)、初级纤维(单丝直径20μm)、中级纤维(单丝直径10~20μm)、高级纤维(单丝直径3~10μm),单丝直径小于4μm的玻璃纤维称为“超细纤维”。

单丝直径不同,不仅使纤维的性能有差异,而且影响到纤维的生产工艺、产量和成本。一般5~10μm的纤维作为纺织制品使用,10~14μm的纤维一般做无捻粗纱、无纺布、短切纤维毡等较为适宜。(3)以纤维特性分类 根据纤维本身具有的性能可分为:高强玻璃纤维、高模量玻璃纤维、耐高温玻璃纤维、耐碱玻璃纤维、耐酸玻璃纤维、普通玻璃纤维(指无碱及中碱玻璃纤维)。(4)以纤维外观分类 有长纤维、短纤维、空心纤维和卷曲纤维等。

国际上主要品种的玻璃纤维特点及应用见表2-1。表2-1 已商品化玻璃纤维的特点及应用2.1.1.2 玻璃纤维的结构及化学组成(1)玻璃纤维的结构 玻璃纤维的拉伸强度比块状玻璃高许多倍,两者外观完全不同,但经研究证明,玻璃纤维的结构与玻璃相同。关于玻璃结构的假说有很多种,比较能够反映实际情况的只有“微晶结构假说”和“网络结构假说”。

微晶结构假说认为,玻璃是由硅酸块或二氧化硅的“微晶子”组成,在“微晶子”之间由硅酸块过冷溶液所填充。

网络结构假说认为,玻璃是由二氧化硅的四面体、铝氧三面体或++硼氧三面体相互连成不规则三维网络,网络间的空隙由Na、K、2+2+Ca、Mg等阳离子所填充。二氧化硅四面体的三维网状结构是决定+2+玻璃性能的基础,填充的Na、Mg等阳离子称为网络改性物。

大量资料证明,由于玻璃结构中存在一定数量和大小比较有规则排列的区域,使玻璃结构近似有序。这种规则性是由一定数目的多面体遵循类似晶体结构的规则排列造成的。但是有序区域不是像晶体那样有严格的周期性,微观上是不均匀的,宏观上却又是均匀的,反映到玻璃的性能上是各向同性的。(2)玻璃纤维的化学组成 玻璃纤维是非结晶型无机纤维,它的化学组成主要是二氧化硅、三氧化二硼、氧化钙、三氧化二铝等,它们对玻璃纤维的性质和生产工艺起决定性作用。以二氧化硅为主的称为硅酸盐玻璃,以三氧化二硼为主的称为硼酸盐玻璃。2

SiO是玻璃中的一个主要成分,它的存在导致玻璃具有低的热膨2胀系数。SiO的熔点很高,具有很高的黏度,在熔融状态下气泡脱除222速度很慢,加入NaO、KO、LiO等碱金属氧化物为助熔氧化物可降低玻璃的黏度,改进玻璃的流动性,使玻璃熔液中的气泡容易排除。它主要通过破坏玻璃骨架,使结构疏松,从而达到助熔的目的,因此氧化钠和氧化钾的含量越高,玻璃纤维的强度、电绝缘性能和化学稳定性都会相应地降低。另外,PbO能极大地降低玻璃液的黏度,起着助熔剂的作用,还可增加成品玻璃密度及光亮程度,提高热膨胀率。23

BO使玻璃液具有中等黏度,在熔制时起助熔剂作用,使玻璃具有低的热膨胀性及稳定的电气性能。CaO、MgO使玻璃液具有中等23黏度,改进玻璃制品的耐腐蚀性和耐温性。AlO增加熔体黏度,使23玻璃制品具有较高的机械性能及改善耐化学性。加入CaO、AlO等,能在一定条件下构成玻璃网络的一部分,改善玻璃的某些性质和工艺性能。如用氧化钙取代二氧化硅,可降低拉丝温度;加入三氧化二铝可提高耐水性。总之,玻璃纤维化学成分的制定既要满足玻璃纤维物理和化学性能的要求,具有良好的化学稳定性,又要满足制造工艺的要求,如合适的成型温度、硬化速度及黏度范围。国内外常用玻璃纤维成分见表2-2。表2-2 国内外常用玻璃纤维的成分注:A—普通有碱玻璃纤维;C—耐酸玻璃纤维;D—低介电纤维;E—无碱纤维;S—高强度纤维;R—耐化学介质腐蚀玻璃纤维。2.1.1.3 玻璃纤维的物理性能

玻璃纤维具有一系列优良性能,拉伸强度高,防火、防霉、防蛀、耐高温和电绝缘性能好等。它的缺点是具有脆性、不耐腐蚀、对人的皮肤有刺激性等。(1)外观和密度 一般天然或人造的有机纤维,其表面都有较深的皱纹。而玻璃纤维表面呈光滑的圆柱,其横断面几乎都是完整的圆形。宏观看来,由于表面光滑,纤维之间的抱合力非常小,不利于和树脂黏结。又由于呈圆柱状,所以玻璃纤维彼此相靠近时,空隙填充得较为密实,这对于提高复合材料制品的玻璃含量是有利的。

玻璃纤维直径为1.5~30μm,大多为5~20μm。玻璃纤维密度为32.16~4.30g/cm,其密度较有机纤维大很多,但比一般的金属密度要低,与铝相比几乎一样,所以在航空工业上用复合材料替代铝钛合金成为可能。此外,一般无碱玻璃纤维比有碱纤维的密度要大。(2)表面积大 由于玻璃纤维的表面积大,使得纤维表面处理的效果对性能的影响很大。(3)玻璃纤维的耐磨性和耐折性 玻璃纤维的耐磨性是指纤维抵抗摩擦的能力,玻璃纤维的耐折性是指纤维抵抗折断的能力。玻璃纤维这两个性能都很差。经过揉搓摩擦容易受伤或断裂,这是玻璃纤维的严重缺点,使用时应当注意。当纤维表面吸附水分后能加速微裂纹扩展,使纤维耐磨性和耐折性降低。为了提高玻璃纤维的柔性以满足纺织工艺的要求,可以采用适当的表面处理,如经0.2%阳离子活性剂水溶液处理后,玻璃纤维的耐磨性比未处理的高200倍。

纤维的柔性一般以断裂前弯曲半径的大小来表示,弯曲半径越小,柔性越好,如玻璃纤维直径为9μm时,其弯曲半径为0.094mm,而超细纤维直径为3.6μm时,其弯曲半径为0.038mm。(4)玻璃纤维的热性能2

①玻璃纤维的导热性 玻璃的热导率(即通过单位传热面积1m,温度梯度为1K/m,时间为1s所通过的热量)为0.7~1.28W/(m·K),但拉制成玻璃纤维后,其热导率只有0.035W/(m·K)。产生这种现象的原因主要是纤维间的空隙较大,而且充满了空气,而空气热导率低所致。热导率越小,隔热性能越好。使用温度的变化对玻璃纤维的热导率影响不大,例如,当玻璃纤维的使用温度升高到200~300℃,其热导率只升高10%。因此,玻璃纤维是一种优良的绝热材料。当玻璃纤维受潮时,热导率增大,隔热性能降低。

②玻璃纤维的耐热性 玻璃纤维的耐热性较高,软化点为550~-6-1580℃,其热膨胀系数为4.8×10℃。

玻璃纤维是一种无机纤维,不会引起燃烧。将玻璃纤维加温,直到某一强度界限以前,强度基本不变。玻璃纤维的耐热性是由化学成分决定的。一般钠钙玻璃纤维加热到470℃以下(不降温),强度变化不大,石英和高硅氧玻璃纤维的耐热性可达到2000℃以上。

如果将玻璃纤维加热至250℃以上后再冷却(通常称为热处理),则强度明显下降。温度越高,强度下降越显著。例如:

300℃下经24h,强度下降20%;

400℃下经24h,强度下降50%;

500℃下经24h,强度下降70%;

600℃下经24h,强度下降80%。

玻璃纤维热处理后强度下降,可能是热处理使微裂纹增加所引起的。

强度降低与热作用时间有关,因此,玻璃布热处理温度虽然很高,但因受热时间短,故强度降低不大。(5)玻璃纤维的力学性能

①玻璃纤维的拉伸强度 玻璃纤维的最大特点是拉伸强度高,但扭转强度和剪切强度都比其他纤维低很多。一般玻璃制品的拉伸强度只有40~100MPa,而直径3~9μm的玻璃纤维拉伸强度则高达1500~4000MPa,较一般合成纤维高约10倍,比合金钢还高2倍。几种纤维和金属材料的强度见表2-3。表2-3 几种纤维材料和金属材料的强度

对于玻璃纤维高强度的原因,许多学者提出了不同的假说,其中比较有说服力的是“微裂纹假说”。该假说认为,玻璃的理论强度取决于分子或原子间的引力,其理论强度很高,可达到2000~12000MPa。但实测强度很低,这是因为在玻璃或玻璃纤维中存在着数量不等、尺寸不同的微裂纹,因而大大降低了它的强度。微裂纹分布在玻璃或玻璃纤维的整个体积内,但以表面的微裂纹危害最大。由于微裂纹的存在,使玻璃在外力作用下受力不均,在危害最大的微裂纹处,产生应力集中,从而使强度下降。玻璃纤维比玻璃的强度高很多,这是因为玻璃纤维高温成型时减少了玻璃溶液的不均一性,使微裂纹产生的机会很少。此外,玻璃纤维的断面较小,随着断面的减少,使微裂纹存在的概率也减少,从而使纤维强度增高。有人更明确地提出,直径小的玻璃纤维强度比直径粗的玻璃纤维强度高的原因是由于表面微裂纹尺寸和数量较小,从而减少了应力集中,使纤维具有较高的强度。

②玻璃纤维的延伸率和弹性模量 纤维的延伸率(又称断裂伸长率)是指纤维在外力作用下直至拉断时的伸长百分率。玻璃纤维的延伸率比其他有机纤维的延伸率低,一般是3%左右。

玻璃纤维的弹性模量是指在弹性范围内应力与应变关系的比例常数。4

玻璃纤维的弹性模量约为7×10MPa,与铝相当,只是普通钢的三分之一,致使复合材料的刚度较低。对玻璃纤维弹性模量起主要作用的是其化学组成。实践证明,加入BeO、MgO能够提高玻璃纤维的弹性模量。含BeO的高弹玻璃纤维(M)其弹性模量比无碱玻璃纤维(E)提高60%。玻璃纤维弹性模量取决于玻璃纤维结构的本身,与直径大小、磨损程度等无关。不同直径的玻璃纤维弹性模量相同,这一点也证明了它们具有近似的分子结构。几种纤维的弹性模量和延伸率见表2-4。表2-4 各种纤维的弹性模量和延伸率

玻璃纤维是一种优良的弹性材料。应力-应变图基本上是一条直线,没有塑性变形阶段。玻璃纤维的延伸率小,这是由于纤维中硅氧键结合力较强,受力后不易发生错动。玻璃纤维的断裂伸长率与直径有关,直径9~10μm的纤维最大延伸率为2%左右,5μm的纤维约在3%。几种典型玻璃纤维的力学性能见表2-5。表2-5 三种典型玻璃纤维的力学性能

③影响玻璃纤维强度的因素

a.一般情况下,玻璃纤维的拉伸强度随直径和长度减小而增加,如表2-6和表2-7所示。表2-6 玻璃纤维拉伸强度与直径的关系表2-7 玻璃纤维拉伸强度与长度的关系

纤维直径与长度对拉伸强度的影响,可用“微裂纹理论”解释,随着纤维直径的减小和长度的缩短,纤维中微裂纹的数量和大小就会相应地减小,这样强度就会相应地增加。

b.化学组成对强度的影响。纤维的强度与玻璃的化学成分关系密切。对于同一系统(即基本组分)来说,部分改变氧化物的种类和数量,纤维强度改变不大(20%~30%)。而改变系统(即改变它的基本组分),强度产生大幅度变化。一般来说,含碱量越高,强度越低。高强玻璃纤维强度明显地高于无碱玻璃纤维,而有碱纤维强度更低。高强度和无碱玻璃纤维具有很高的拉伸强度是由于成型温度高、硬化速度快、结构键能大等原因。

纤维的表面缺陷对强度影响巨大。各种纤维都有微裂纹时强度相近,只有当表面缺陷减小到一定程度时,纤维强度对其化学组成的依赖关系才会表现出来,如表2-8所示。表2-8 纤维强度与化学组成的关系

c.施加负荷时间对纤维强度的影响

玻璃纤维的疲劳一般是指纤维强度随施加负荷时间的增加而降低的情况。例如,在施加60%的断裂负荷的作用力下,2~6昼夜,纤维会全部断裂。纤维疲劳现象是普遍的,当相对湿度为60%~65%时,玻璃纤维在长期张力作用下,都会有很大程度的疲劳。

玻璃纤维疲劳的原因是吸附作用的影响,即水分吸附并渗透到纤维微裂纹中,在外力的作用下,加速裂纹的扩展。纤维疲劳的程度取决于微裂纹扩展和范围。这与应力、尺寸、湿度、介质种类等有关。

d.存放时间对纤维强度的影响

当纤维存放一段时间后,会出现强度下降的现象,称为纤维的老化。这主要取决于纤维对大气水分的化学稳定性。例如,直径6μm的2无碱玻璃纤维和NaO含量为17%的有碱纤维,在空气湿度为60%~65%的条件下存放。无碱玻璃纤维存放两年后强度基本不变,而有碱纤维强度不断下降,存放两年后强度下降33%。主要原因是两种纤维对大气水分的化学稳定性不同所致。

e.玻璃纤维成型方法和成型条件对强度也有很大影响。如玻璃硬化速度越快,拉制的纤维强度也越高。(6)玻璃纤维的电性能 玻璃纤维的导电性主要取决于化学组成、温度和湿度。无碱纤维的电绝缘性能比有碱纤维优越得多,这主要是因为无碱纤维中碱金属离子少的缘故。碱金属离子越多,电绝缘性能越差;然而空气湿度对玻璃纤维的电阻率影响很大,湿度增加会使玻璃纤维电阻率降低,见表2-9所示。表2-9 空气湿度对玻璃布电阻率影响

在玻璃纤维的化学组成中,加入大量的氧化铁、氧化铅、氧化铜、氧化铋或氧化钒,会使纤维具有半导体性能。在玻璃纤维上涂覆金属或石墨,能获得导电纤维。(7)玻璃纤维及制品的光学性能 玻璃是优良的透光材料,但制成玻璃纤维制品后,其透光性远不如玻璃。玻璃纤维制品的光学性能以反射系数、透光系数和亮度系数来表示。

反射系数P是指玻璃布反射的光强度与入射到玻璃布上的光强度之比,即p0

式中,P为反射系数;I为反射光强度;I为入射光强度。

一般情况下,玻璃布的反射系数与玻璃布的织纹特点、密度和厚度有关,平均为40%~70%,如将透光性较弱的半透明材料垫在下面,玻璃布的反射系数可达87%。

透光系数是指透过玻璃布的光强度与入射光强度之比,即τ0

式中,τ为透光系数;I为透过光强度;I为入射光强度。

玻璃布的透光系数与布的厚度及密度有关。密度小而薄的玻璃布,透光系数可达65%,而密度大而厚的玻璃布,透光系数只有18%~20%。

亮度系数是用试样的亮度和绝对白的表面亮度(标准器)之比来测得。不同织纹玻璃布的光学性能见表2-10。表2-10 不同织纹玻璃布的光学性能

由于玻璃纤维具有优良的光学性能,因而可以制成透明玻璃钢以做各种采光材料,制成导光管以传递光束或光学物相。这在现在通信技术等方面也得到了广泛应用。2.1.1.4 玻璃纤维的化学性能

玻璃纤维除对氢氟酸、浓碱、浓磷酸不稳定外,对其他所有化学药品和有机溶剂都有良好的化学稳定性。化学稳定性在很大程度上决定了不同纤维的使用范围。

玻璃纤维的性能一般认为与水、湿度有关,实际上玻璃纤维在相对湿度80%以上环境中存放,强度就会下降;在100%相对湿度下,强度保持率在50%左右。但是,玻璃纤维单丝即使与水接触,强度也不会发生变化,只有有碱玻璃纤维单丝由于玻璃纤维中所含的碱分溶出,强度下降。

根据网络结构假说可知,二氧化硅四面体相互连结构成玻璃纤维33结构的骨架,它是很难与水、酸(HPO、HF除外)起反应的;在+2++2玻璃纤维结构中还有Na、Ca、K等金属离子及SiO与金属离子结合的硅酸盐部分。当侵蚀介质与玻璃纤维作用时,多数是溶解玻璃纤维结构中的金属离子或破坏硅酸盐部分。浓碱溶液、氢氟酸、磷酸将使玻璃纤维结构全部溶解。

影响玻璃纤维化学稳定性的因素主要有以下几种。(1)玻璃纤维的化学成分 中碱玻璃纤维对酸的稳定性是较高的,但对水的稳定性是较差的。中碱纤维比无碱纤维的耐酸性好的原22因是:中碱纤维含NaO、KO比无碱纤维高二十多倍,受酸作用2后,首先从表面上,有较多的金属氧化物浸析出来,但主要是NaO,2KO的离析、溶解;另一方面,酸与玻璃纤维中硅酸盐作用生成硅酸,而硅酸迅速聚合并凝成胶体,结果在玻璃表面上会形成一层极薄的氧化硅保护膜,这层膜使酸的浸析与离子交换过程迅速减缓,使强度下22降也缓慢。实践证明NaO、KO有利于这层保护膜的形成。

无碱玻璃纤维耐酸性较差,但耐水性较好。无碱玻璃纤维对水稳定性高的原因是:无碱玻璃纤维的碱金属氧化物含量较低。水与玻璃纤维的作用,首先是侵蚀玻璃纤维表面的碱金属氧化物,主要是22NaO、KO的溶解,使水呈现碱性。随着时间的增加,玻璃纤维与碱液持续作用,直至使二氧化硅骨架破坏。

从弱碱液对玻璃纤维强度的影响看,中碱玻璃纤维和无碱玻璃纤维的耐碱性相接近。见表2-11、表2-12。表2-11 无碱与中碱玻璃纤维性能对比

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