【材料复合设计】复合材料的增强体

第3章复合材料增强体碳纤维
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1968年美国金刚砂公司研制出商品名为“Kynol” 的酚醛纤维Phenolic fibers;
1980年以酚醛纤维为原丝的活性碳纤维(Fibrous activated carbon)投放市场。
第3章复合材料增强体碳纤维
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1988年，世界碳纤维总生产能力为10054吨/年， 其中聚丙烯腈基碳纤维为7840吨，占总量的78％。 日本是最大的聚丙烯腈基碳纤维生产国，生产能力 约3400吨/年，占总量的43％。
碳纤维由高度取向的石墨片层组成，具有明显的各向异性，沿纤维 轴向性能高，沿横向性能差。
第3章复合材料增强体碳纤维
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3.1 发展历史
碳纤维（Carbon Fibre, CF或Cf）的开发历史 可追溯到19世纪末期，美国科学家爱迪生发明的 白炽灯灯丝，而真正作为有使用价值并规模生产 的碳纤维，则出现在二十世纪50年代末期。
第3章复合材料增强体碳纤维
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2．根据原丝类型分类
(1)聚丙烯腈基纤维； (2)粘胶基碳纤维； (3)沥青基碳纤维； (4)木质素纤维基碳纤维； (5)其他有机纤维基(各种天然纤维、再 生纤维、缩合多环芳香族合成纤维)碳纤维。
第3章复合材料增强体碳纤维
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3．根据碳纤维功能分类
(1)受力结构用碳纤维 (2)耐焰碳纤维 (3)活性碳纤维(吸附活性) (4)导电用碳纤维 (5)润滑用碳纤维 (6)耐磨用碳纤维
美国的碳纤维主要用于航空航天领域，欧洲在
航空航天、体育用品和工业方面的需求比较均衡，
而日本则以体育器材为主。
第3章复合材料增强体碳纤维
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碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成 的纤维状聚合物碳，是一种非金属材料。

（五)玻璃纤维的物理性能
1.外观和密度 玻璃纤维呈表面光滑的圆柱体，表面光滑，纤维
之间的抱合力非常小，不利于和树脂粘结。而玻璃纤 维彼此相靠近时，空隙填充得较为密实，有利于提高 玻璃钢制品的玻璃含丝
密度 1.28~ 1.30~ 1.50~ 1.50~ g/cm3 1.33 1.45 1.60 1.60
一般：5-10um的纤维作为纺织制品用； 10-14um的纤维一般做无捻粗纱、无纺布、短切 纤维毡等较为适宜。
3）按纤维外观分类
连续纤维； 无捻粗纱及有捻粗纱，短切纤维，空心玻
璃纤维、玻璃粉及磨细纤维等。
玻璃纤维纱 玻璃纤维布 玻璃纤维带 玻璃纤维管 玻璃纤维毡
4）按纤维性能分类
这是一类为适应特殊使用要求，新发展起来的 ，纤维本身具有某些特殊优异性能的新型玻璃纤维 ，大致可分为：
能大；
氧化钠和氧化钾的含量越高，玻璃纤维的强度会相 应的降低。
（二）玻璃纤维的制造方法
玻璃球法 直接熔融法(池窑拉丝法)。
（1）包括制球和拉丝两步：
→制玻璃球 →铂金坩埚熔融 →小漏孔拉丝 →涂浸润剂 →并股成纱 →纺织成布、毡或带。
(2) 池窑漏板法拉丝工艺
池窑拉丝是连续玻璃纤维生产的一种新的工艺方 法,将玻璃配合料投入熔窑熔化后直接拉制成各种支数 的连续玻璃纤维。
可用作蓄电瓶的隔离片、管道包扎布和 毡片等防水、防潮材料。
特种玻璃纤维

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；

硅铝钙镁系耐化学腐蚀玻璃纤维

含铅纤维；

高硅氧纤维二氧化硅含量高于96%

石英纤维高纯二氧化硅和天然石英晶体

到目前为止，制作碳纤维的主要原材料有3中： 人造丝、聚丙烯腈纤维、沥青。用这些原料生 产的碳纤维各有其特点。制造高强度模量碳纤 维多选用去丙烯腈尾原料。
无论用何种原丝纤维来指导碳纤维，都要经过 5个阶段：拉丝，牵引，稳定，碳化和石墨化。
无论采用什么原材料制备碳纤维，都需要经过 5个阶段，原丝预氧化，碳化以及石墨化等， 所产生的最终纤维，期基本成分为碳。
• 3.1.2.3晶须增强体
• 晶须是在人体条件下制造出的细小单晶，一般呈棒状，其 直径为0.2~1μm，长度约为几十微米，由于其具有细小的 组织结构，缺陷少，具有很高的强度的模量。
• 晶须制造分选过程较复杂，成本颗粒高很多，可通过热压 烧结，常规烧结，粉末冶金，挤压铸造等方法来制造复合 材料。
3.2无机非金属纤维
3.2.1碳纤维
碳纤维是由碳元素组成的一种高性能增强纤维 并具有低热膨胀，高导热，耐磨，奶高温等优异性能，是 一种横有发展前景的高性能纤维。
碳纤维是一种以碳尾主要成分的纤维材料。他不同 于有机纤维或陶瓷纤维，不能用熔融法活溶液法直接放肆， 只能以有机物尾原料，采用间接法制造。制造方法可分为 气相法和有机纤维碳化法。气相法是在惰性气氛中小分子 有机物在高温沉积而形成纤维有机纤维碳化法是先将有机 纤维经过稳定化处理比恩成耐焰纤维，然后再在惰性气氛 中，在高温下进行煅烧碳化，是有机纤维失去部分碳和其 他非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维。
碳纤维性能
碳纤维是黑色有光泽，柔软的细丝。单纤维直径为 5~10微米，一般以数百根至一万根碳纤维组成束丝供 使用。由于原料和热处理工艺不同，碳纤维的品种很 多。高强度型碳纤维的密度约为1.8g/cm3，而高模量 和超高模量碳纤维的密度约为1.85~2.1g/cm3。碳纤维 具有优异的力学性能和物理化学性能。碳纤维具有优 异的耐热性和耐腐蚀性能。在惰性气氛下碳纤维热稳 定性较好，在2000°C的高温下仍能保持良好的力学 性能；但在氧化气氛下超过450°C时碳纤维将被氧化， 时期力学性能明显下降。

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纤维可分为无机纤维和有机纤维
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（一） 有机纤维
聚芳酰胺纤维 聚乙烯纤维
1.聚芳酰胺纤维制备
芳纶是分子链上至少含有85%的直接与
两个芳环相连接的酰胺基团的聚酰胺经纺丝
所得到的合成纤维。目前，供复合材料作增
强材料最多的是聚对苯二甲酰对苯二胺
（ Poly (P-Phenylene terephthalamide)，
(3) kevlar纤维的结构
kevlar纤维具有优异力学、化学、热 学、电学等性能，而这是与其化学和物理 结构密切关联的。
H
O
C
CN
NC
C
O
H
O
H CN
O NC
芳纶--49用于航空、宇航、造船工业的复 合材料制件。
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自1972年芳纶纤维作为商品出售以来，产量 逐年增加。
其原因是由于该纤维具有独特的功能，使之 广泛应用到军工和国民经济各个部门。
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(1)PPTA树脂的合成和kevlar纤维的制备
PPTA聚合物是由严格等摩尔比的高纯度对
苯二甲酰氯或对苯二甲酸和对苯二胺单体
第2章 复合材料的增强材料
在复合材料中，粘结在基体内以改进其机械 性能的高强度材料称为增强材料。
增强材料有时也称作增强体、增强剂等。
1
增强材料共分为三类：
① 纤维及其织物 ② 晶须 ③ 颗粒
2
一、纤维
如，植物纤维－－－棉花、麻类；
动物纤维－－－丝、毛；
矿物纤维－－－石棉。
天然纤维
强度较低，
现代复合材料的增强材料 用合成纤维。
处理得Kevlar纤维
Hale Waihona Puke 17(2) 芳纶纤维的性能特点

本章小结
纤维的主要作用； 增强纤维应具备的基本特性； 增强纤维的主要类型及其各自主要特性；
2.2 玻璃纤维
基本特点：使用量最大、成本低、性能好； 分类：以原料成分分类 无碱GF（ 玻纤）：碱金属含量不大于0.5%。强度较 无碱GF（E玻纤）：碱金属含量不大于0.5%。强度较 高、耐热性和电性能优良，化学稳定性好（不耐酸）。 中碱GF（ 玻纤）：碱金属含量11.5%～12.5%，耐酸 中碱GF（C玻纤）：碱金属含量11.5%～12.5%，耐酸 性好、价格低，但强度不如无碱GF； 性好、价格低，但强度不如无碱GF； 有碱GF（ 玻纤）：碱金属含量>14%，强度低、耐湿 有碱GF（A玻纤）：碱金属含量>14%，强度低、耐湿 热性差； 特种GF：高强GF（ 玻纤）— 特种GF：高强GF（S玻纤）—由纯镁铝硅三元组成， 抗拉强度2800MPa；高模量GF（ 玻纤）— 抗拉强度2800MPa；高模量GF（M玻纤）—在低铝的 钙镁硅酸盐系统中加入铬、钽、铌等氧化物，其 E=120GPa。 E=120GPa。
2）碳纤维的物理性能
密度小：1.5～2.0之间，石墨化程度越高，密 密度小：1.5～2.0之间，石墨化程度越高，密 度越大； 热膨胀系数：纤维向( 1.5～ 热膨胀系数：纤维向(-1.5～-0.5) ×10-6/K 10垂直纤维向（5.5～8.4） 10垂直纤维向（5.5～8.4）× 10-6/K 导热率：纤维向16.74W /(m·K) 导热率：纤维向16.74W /(m·K) 垂直纤维向0.827 /(m·K) 垂直纤维向0.827 W /(m·K) 导电性好：高模量CF比电阻755µ 导电性好：高模量CF比电阻755µ ·cm 高强度CF比电阻1500µ 高强度CF比电阻1500µ ·cm

复合材料增强体的作用
复合材料增强体是指在基体材料中添加的强化材料，可以包括纤维、颗粒、层状结构等。

这些增强体可以提高复合材料的机械性能、耐热性、耐腐蚀性、耐磨性等方面的性能。

首先，添加纤维增强体可以大大提高复合材料的强度和刚度。

纤维可以分为长纤维和短纤维两种，长纤维增强体在复合材料中分布均匀，可以形成连续的纤维增强结构，提高材料的拉伸、弯曲和剪切强度。

而短纤维增强体则可以填充基体材料中的空隙，增加材料的密度和强度。

其次，添加颗粒增强体可以提高复合材料的硬度和耐磨性。

颗粒增强体可以填充基体材料中的孔隙和缺陷，增加材料的密度和硬度，提高材料的耐磨性和抗冲击性。

最后，添加层状结构增强体可以提高复合材料的耐腐蚀性和耐热性。

层状结构增强体可以形成层层叠加的结构，形成隔离层，防止氧气和水蒸气的侵蚀，增加材料的耐腐蚀性。

同时，层状结构增强体可以提高复合材料的耐高温性能，防止高温下材料的熔化和失效。

综上所述，复合材料增强体的作用是多方面的，可以提高材料的强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性和耐热性等方面的性能。

- 1 -。

决定复合材料的成型工艺方法及工艺参数的选择；
保护纤维免受各种损伤。
此外，对复合材料如横向性能、纵向拉伸、压缩性能、疲劳性能、断裂韧性等也有一定的 影响。
界面的基本概念和粘结理论
界面是复合材料的三要素之一。 对于纤维增强复合材料来说，没有一个良好结合的界面，纤维增强作用和基体应力转移过 程就无从谈起。 界面结构和性质上的复杂性以及界面本身表征的难度，有必要对界面的基本概念和界面内 的作用作些概述。
玻璃钢应用于体育用品
有机纤维 超高分子量聚乙烯纤维
芳纶纤维纤维)是芳香族聚酰胺类纤维的总称。最常用的为Kevlar-49。 ➢ 主要性能： • 高强度：3773MPa • 高模量：127～158GPa • 抗冲击性好：约为石墨纤维的6倍、硼纤维的3倍； • 低密度：1.44～1.45，只有铝的一半； • 热膨胀系数：纤维向-2×10-6/K，横向59×10-6/K。
(c)
许多高聚物表面，或经改性后的表面，或带有涂层剂的表面，都会存在许多游离或伸出的官能 团。这些官能团的正、负极性端会吸附在相应的阴离子或阳离子表面上，构成相互作用区，如 图(d)所示。
(d)
静电吸引作用较化学键要弱得多，但在良好接触的极性表面间，或能够形成较多的次价键作 用时，对界面强度的提高，就是不可忽视的一种作用形式。
Matrix materials
Polymer (Resin) matrix Metal matrix Ceramic matrix
纤维增强树脂基材料中基体的主要作用有：
将纤维粘合成整体并使纤维位置固定，在纤维之间传递载荷，并使载荷均衡；
决定复合材料的一些性能。如复合材料的高温使用性能(耐热性)、剪切性能、耐介质性能 (如耐水性、耐化学性)等；

1.1 增强体的概念增强体的概念：复合材料中能明显提高基体材料某一性能的组元物质增强体的特征：（1）具有能明显提高基体某种所需的特殊性能；（2）增强体应具有稳定的化学性质；（3）与基体有良好的润湿性1.2 增强体的分类（1）颗粒类增强体（零维）性能特点：高强度、高模量、耐热、耐磨、耐腐蚀实例：碳化硅、氧化铝、氮化硅、碳化硼、石墨、碳化钛、滑石、碳酸钙等无机非金属颗粒复合材料性能特点：具有各向同性（2）纤维类增强体（一维）连续长纤维：长度：连续长度一般超过数百米；性能特点：沿轴向有很高的强度和弹性模量分类：分为单丝和束丝两种。

应用：成本高、性能高，只用于高性能复合材料复合材料性能特点：具有各向异性连续长纤维实例单丝：硼纤维、CVD法制备的碳化硅纤维（直径约为95-140微米）束丝：碳纤维、氧化铝纤维、氮化硅纤维烧结法制备的碳化硅纤维等（含500-12000根单丝，单丝直径5.6-14微米）短纤维：长度：连续长度一般几十毫米性能特点：沿轴向有方向性，但性能一般比长纤维低应用：成本比较低，应用广实例：硅酸铝纤维、氧化铝纤维碳纤维、氮化硼纤维等复合材料特点：无明显方向性(制造时排列无序短纤维：长度：连续长度一般几十毫米性能特点：沿轴向有方向性，但性能一般比长纤维低应用：成本比较低，应用广实例：硅酸铝纤维、氧化铝纤维碳纤维、氮化硼纤维等复合材料特点：无明显方向性(制造时排列无序)（3）晶须类增强体（一维）外形尺寸：直径0.2-1微米，长约为几十微米性能特点：有很高的强度和模量（结构细小、缺陷少）应用：陶瓷增韧（成本比颗粒高得多）实例：碳化硅、氧化铝、氮化硅等复合材料性能特点：各向同性。

（4）金属丝增强体（一维）不锈钢丝、钨丝等（W/Al、W/Ni、不锈钢丝/Al）（5）片状物增强体（二维）陶瓷薄片：SiC/C、SiC/ZrO2、Si3N4/BN等。

（6）纤维编织类增强体（三维）纤维编织成的三维结构1.3 纤维类增强体具有高强度的原因（1）固体材料的理论强度：σth = (Eγ/a0)1/2纤维类增强体：Be、B、C、Al、Si以及它们与N、O的化合物（常温下原子半径小、化学性质稳定）纤维类增强体理论强度高纤维材料所包含的缺陷的形状、位置、取向和数目都有别与同质地的块状材料内部径向最大裂纹尺寸：非常小（纤维类增强材料）一般（同质地块状材料）内部轴向最大裂纹尺寸：一般（纤维类增强材料）一般（同质地块状材料）纤维中轴向的最大裂纹尺寸虽然可与块体材料中的相比，但对轴向性能的影响则很小（纤维主要承受轴向拉伸载荷）。

理的纤维。
02
增强体的材料类型
玻璃纤维
玻璃纤维是一种无机非金属材料，由 熔融的玻璃拉丝制成，具有高强度、 高弹性模量、低密度、耐腐蚀、绝缘 等优点。
玻璃纤维增强复合材料广泛应用于航 空航天、汽车、建筑、体育器材等领 域。
玻璃纤维在复合材料中常用作增强体， 可提高复合材料的强度、刚度和耐久 性。
碳纤维
在汽车工业领域的应用
总结词
高强度、耐腐蚀
详细描述
汽车工业中，增强体如玻璃纤维、碳纤维等被用于制造汽车车身、底盘和零部件 ，以提高其强度、刚度和耐腐蚀性能，延长使用寿命。
在建筑领域的应用
总结词
结构加固、节能环保
详细描述
在建筑领域，增强体如碳纤维、玻璃纤维等被用于结构加固和节能环保的复合材料中，如建筑板材、墙体和屋顶 等，提高结构的强度和耐久性，同时实现节能环保的效果。
在体育器材领域的应用
总结词
轻量、高强度
详细描述
在体育器材领域，增强体如碳纤维、玻璃纤维等被广泛应用于制造球拍、自行车车架、滑雪板等体育 器材中，以提高其轻量化和高强度的性能。
在其他领域的应用
总结词
广泛的应用领域
详细描述
除了以上领域外，复合材料的增 强体还广泛应用于医疗器械、电 子产品、船舶制造等领域，以满 足各种不同的性能要求。
增强体可以增加复合材料的硬 度和抗划痕能力，提高其耐磨
性。
增强体的分类
按形态分类
按材质分类
按长度分类
按表面处理分类
增强体可以分为纤维状、 颗粒状和晶须状增强体。
增强体可以分为玻璃纤 维、碳纤维、陶瓷颗粒、
金属晶须等。
增强体可以分为短纤维、 长纤维和连续纤维。

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四、氧化铝纤维
氧化铝纤维具有优异的机械强度和耐热性能，抗 拉伸强度大，弹性模量高，化学性质稳定，耐高温，
多用于高温结构材料，也可用做高温绝缘滤波器材料。
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氧化铝短纤维制备：
离心甩丝法：将熔融的氧化铝陶瓷熔体流落到 高速旋转的离心辊上，甩成细纤维。
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氧化铝长纤维制备： 烧结法：以Al2O3细粉与Al(OH)3及少量Mg(OH)2
烯 腈 （ PAN ） 纤 维 、 人 造 丝 （ 黏 胶 纤 维 ） 、 沥 青
（Pitch）等。碳纤维的制备一般都包括三个阶段。
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（1）稳定化处理： 又称不溶化处理或预氧化处理，目的是使原丝变成不溶
不熔的，以防止在后来的高温处理中熔融或者粘连，通
常在 100 300 C 范围内进行。
（2）碳化热处理：
此阶段称为石墨化过程。形成的石墨纤维弹性模量大大
提高。该步骤不是每种碳纤维都必须的。
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制造碳纤维的5个阶段：

拉丝 牵引


稳定
碳化

石墨化
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碳纤维（以PAN为原料） polyacrylonitrile 聚丙烯腈
原丝 制造 安定 化 硫 酸 脱 氢 ， 桥 接 反 应 ， 嘧 啶 聚 合 物 碳化 在 氮 气 中 加 热 一 千 至 两 千 度 稳定 化 碳 、 氮 等 结 合 反 应 ， 脱 氢 反 应 精整 表面 处理 表 面 形 成 氢 氧 基 ， 或 涂 有 机 聚 合 物
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硼纤维是由一些边界分开的、不规则的 小结节 构成 “玉米棒”结构，因此表面粗燥。小结节是硼在沉积过 程中成核并逐渐长大的，直径为3~7微米，高1~3微米， 节间沟深0.25~0.75微米。

第三章复合材料的增强体1.被用于复合材料的增强体主要有高性能纤维，晶须，金属丝片装物和颗粒等。

其中发展最快已经大批量生产和应用的增强纤维是碳纤维2.作为复合材料的增强体应具有以下基本特性①增强体应具有能明显提高基体某种所需特性的性能②增强体应具有良好的化学稳定性③与基体有良好的润湿性3.增强体的分类①纤维类增强体：纤维类增强体有连续长纤维和短纤维。

增强体纤维主要包括无机纤维和有机纤维。

无机纤维主要有碳纤维，氧化铝纤维，碳化硅纤维，硼纤维，氮化硼纤维，氮化硅纤维硅酸铝纤维及玻璃纤维等。

有机纤维分为刚性分子链和柔性分子链两种②颗粒类增强体：由于颗粒增强物成本低，制成的复合材料有各向同性，因此在复合材料中的应用发展非常迅速，尤其是在汽车工业中。

③晶须类增强体：晶须增强复合材料的性能基本上是各向同性的。

将陶瓷薄片叠压起来形成的陶瓷复合材料具有很高的韧性。

4.碳纤维：一般将小于1500℃碳化处理成的称为碳纤维，将碳化处理后再经高温石墨化处理（2500℃）的碳纤维称为石墨纤维。

碳纤维强度高，而石墨纤维模量高，以制取碳纤维的原丝分类，碳纤维可分为聚丙烯腈基碳纤维，黏胶基碳纤维，沥青基碳纤维和木质素纤维基碳纤维。

以其性能分类，可分为高强度碳纤维，高模量碳纤维和中模量碳纤维。

后者有耐火纤维，碳质纤维和石墨纤维等。

5.碳纤维的制造。

只能以有机物为原料，采用间接法制造。

制造方法可分为两种类型，即气相法和有机纤维碳化法。

①气相法：在惰性气氛中小分子有机物在高温沉积成纤维。

用该法只能制取短纤维或晶须，不能制取连续长丝②有机纤维碳化法：将有机纤维经过稳定话处理变成耐焰纤维然后再在惰性气氛中进行高温煅烧碳化使有机纤维失去部分碳和其他非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维。

可制造连续长纤维。

天然纤维，再生纤维，合成纤维均可制备碳纤维6.目前为止，制作碳纤维的原料主要有三种：人造丝；聚苯烯腈纤维；沥青。

无论用何种原丝纤维制造碳纤维，都要经过五个阶段：拉丝，牵引，稳定，碳化，石墨化。

AR玻璃纤维 亦称耐碱玻璃纤维，主要是为了增强水 泥而研制的。
A玻璃 亦称高碱玻璃，是一种典型的钠硅酸盐玻璃， 因耐水性很差，很少用于生产玻璃纤维。
复合材料的增强材料
商品化的玻璃纤维
E-CR玻璃 是一种改进的无硼无碱玻璃，用于生产 耐酸耐水性好的玻璃纤维，其耐水性比无碱玻纤 改善7～8倍，耐酸性比中碱玻纤也优越不少，是 专为地下管道、贮罐等开发的新品种。
熔融的玻璃液
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
细丝
特点：消失了玻璃的脆性，变得质地柔软，具有弹性， 可并股、加捻，纺织成各种玻璃布、玻璃带等织物。
复合材料的增强材料
玻璃纤维的组成
由SiO2及各种金属氧化物组成的硅酸盐类混合物，属 于无定型离子结构。 SiO2：主要组分，其作用是在玻璃中形成基本骨架， 而且有高的熔点 金属氧化物：Al2O3、CaO、MgO、 Na2O(K2O)、 BeO、B2O3 改善工艺条件，如Na2O(K2O)降低熔点和黏度，但会 影响耐水性、电性能； BeO使模量提高，但毒性大； B2O3提高耐酸性，改善电性能，但模量和强度下降。
复合材料的增强材料
无捻粗纱
喷射用无捻粗纱 SMC用无捻粗纱 SMC即片状模塑料，主要用于
压制汽车部件、浴缸、水箱板、净化槽、各种座 椅等。SMC用无捻粗纱在制造SMC片材时要切成 lin(25mm)的长度，分散在树脂糊中，因此对 SMC用无捻粗纱的要求是短切性好，毛丝少，抗 静电性优良，在切割时短切丝不会粘附在刀辊上。 对着色的SMC而言，无捻粗纱要在高颜料含量的 树脂糊中被树脂浸透。通常SMC无捻粗纱一般为 2400tex，少数情况下也有用4800tex的。
复合材料的增强材料
玻璃纤维的物理性能
外观和比重：单丝呈光滑的圆柱、直径从 1.5~30μm，大多数为4~14 μm。密度： 2.16~4.3g/㎝3,与铝相当 按单丝直径不同分类：粗纤维：30 μm； 初级纤维：20 μm；中级纤维10~20 μm（无 捻粗纱、无纺布、短切纤维毡）； 高级纤维3~10 μm（也称纺织纤维）