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聚合物基复合材料中的增强材料--玻璃纤维聚合物基复合材料中的增强材料—玻璃纤维20世纪40年代,因航空工业的需求,发展了玻璃纤维增强材料(俗称玻璃钢),从此产生了复合材料这一名词.复合材料是指将两种或两种以上不同材料,用适当的方法复合而成的一种新材料,其性能比单一材料性能优越.它的使用历史可以追溯到古代,从古至今沿用的稻草增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均使用两种材料复合而成.复合材料与传统材料(如金属,木材,水泥等)相比,具有诸多优点.(1)轻质高强.普通碳钢的密度为7.8g/cm3,玻璃纤维增强树脂基复合材料的密度为1.5~2.0g/cm3,只有普通碳钢的1/5~1/4,而机械强度却能超过普通碳钢的水平.(2)可设计性好.复合材料可以根据不同的用途要求,灵活的进行产品设计,具有很好的可设计性.(3)电性能好.复合材料具有良好的电性能,通过选择不同的树脂基体增,增强材料和辅助材料,可以将其制成绝缘材料或导电材料,例如玻璃纤维增强树脂基复合材料具有优良的电绝缘性能,并且在高频下仍能保持良好的介电性能.(4)耐腐蚀性好.聚合物基复合材料具有优异的耐酸性,耐海水性,也能耐碱盐和有机溶剂.(5)热性能良好.玻璃纤维增强的聚合物基复合材料具有较小的导热系数,一般在室温下为0.3~0.4kcal/(m··h·k),只有金属的1/1000~1/100,是一种优良的绝热材料.(6)工艺性能好.纤维增强的聚合物基复合材料具有优良的工艺性能,可以通过缠绕成型,接触成型等复合材料特有的工艺方法制成制品.在工业发展的大环境下,传统材料的物化性能和生产应用无法满足发展要求的问题日益凸显,而复合材料因其许多优良的性能,并且其成本在不断下降,成型工艺的机械化,自动化程度的不断提高,复合材料得到了快速发展和日益广泛的应用.复合材料的性能主要取决于 1)基体的性能(2)增强材料的性能(3)基体与增强材料间的界面性能.增强材料是复合材料的重要组成部分,起着提高树脂基体的强度,模量,耐热和耐磨等性能的作用.增强材料还有减小复合材料成型过程中的收缩率,提高制品硬度等作用.增强材料对解决复合材料弹性模量,长期耐热性,老化现象起到不可替代的作用.增强材料总体上可分为有机增强材料,包括芳纶纤维,聚并双噁唑纤维,超高分子质量聚乙烯纤维等,和无机增强材料,包括玻璃纤维,碳纤维,硼纤维,晶须等.树脂基复合材料的增强材料具有以下特征:(1)具有明显提高树脂基体所需某种特性的性能,如高比强度,比模量,高导热性,耐热性,低膨胀性等,以便赋予树脂基体某种所需的特性和综合性能.(2)具有良好的化学稳定性.在树脂基复合材料制备和使用过程中其组织结构和性能不发生明显的变化和退化.(3)与树脂有良好的浸润性和适当的界面反应,使增强材料与基体树脂有良好的界面结合.(4)价廉.具有现代意义的复合材料的生产和发展,是以20世纪40年代的玻璃纤维的生产和发展为开端的.玻璃纤维是非常好的金属材料替代材料, 随着社会经济的迅速发展,玻璃纤维已成为建筑,交通,电子,电气,化工,冶金,环境保护,国防等行业必不可少的原材料,其研究和发展应用也日益受到重视.玻璃纤维根据其划分依据不同,有多种分类.(1)根据玻璃纤维的化学组成可分为:无碱纤维—含碱量在1%以下,低碱纤维—含碱量在2%~6%之间,有碱纤维—含碱量在10%~16%之间.其中无碱纤维在国外为通用玻璃纤维,占总产量的90%以上,再过内也是应用最多的类型之一.其抗拉强度比钢丝还高,与金属材料相比重量轻,与金属铝相当;抗疲劳强度高;绝缘度高介电常数低,尺寸稳定等一系列优异性能使他成为现代工业中应用最广泛的增强材料,电绝缘材料和工业材料.(2)根据外观形状可分为:长纤维,短纤维,空心纤维,卷曲纤维.(3)根据纤维特性分为:高强度极高模量纤维,耐高温纤维,耐碱纤维,普通纤维.玻璃是无色透明的脆性固体,它是熔融物过冷时因粘度增加而具有固体物理机械性能的无定形物体,属各向同性的均质材料.玻璃纤维的外观与块状玻璃完全不同,而且玻璃纤维的拉伸强度比玻璃高出许多,但两者结构仍相同.其结构假说主要有两种:(1)微晶结构假说,即玻璃是由硅酸盐或二氧化硅”微晶子”所组成,”微晶子”在结构上高度变形,其间由无定形中间层即有硅酸盐过冷溶液填充.(2)网格结构假说.其认为,玻璃是由二氧化硅四面体,铝氧四面体或硼氧三面体相互连接成不规则的三维网络,网络间的空隙由Na+,K+,Ca2+等阳离子所填充。
玻璃钢原材料1、概述玻璃钢的原材料分为增强材料和基体材料两类．玻璃钢的增强材料由玻璃纤维及其织物组成，是玻璃钢主要的承载组分材料，对玻璃钢强度和刚度有着直接的影响．玻璃钢的基体材料是指经过物理和化学变化而将增强材料包覆并牢固粘结的组分材料．玻璃钢基体材料由合成树脂和辅助材料组成，其中合成树脂是主要组分．基体材料在玻璃钢中的作用是在纤维间传递载荷，并使载荷均衡．基体材料的性能，如耐腐蚀性、耐热性等，直接影响玻璃钢的性能．玻璃钢工艺性则决定其所选择的成型工艺．合成树脂是一类由人工合成的分子量比较大的聚合物，通常称之为高分子化合物，也称之为聚合物．合成树脂以其受热后所表现的性能不同，可分为热固性树脂和热塑性树脂两大类．热固性树脂是指在热或固化剂(包括引发体系)的作用下，能发生交联而变成不溶、不熔状态的固体的一类树脂，如环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、呋哺树脂等．这类树脂的固化物受热后不能软化，温度过高则分解破坏．热塑性树脂是指具有线型或支链型结构的一类树脂，如聚酰胺树脂、聚氯乙烯树脂、聚苯乙烯树脂、聚碳酸酯等．这类树脂可被反复加热软化(或熔化)和冷却凝固．尽管近几年来，以热塑性树脂为基体的热塑性玻璃钢发展很快，但目前玻璃钢仍是以热固性树脂基体为主，其中最常用的热固性树脂是聚酯、环氧树脂和酚醛树脂等．2、玻璃纤维的分类与性能玻璃纤维是以玻璃为原料，在高温熔融状态下拉丝而成的，其直径一般为0．5—30Bm．玻璃纤维具有许多优良性能，是一种优质的增强材料．玻璃纤维自从30年代工业化生产以来，其产量、品种规格不断增加，应用范围及生产工艺不断发展．我国的玻璃纤维工业诞生于1950年，当时的玻璃纤维生产厂家只能生产做绝缘材料用的初级纤维，1958年以后，我国玻璃纤维工业得到迅速发展，到1987年已有大小玻璃纤维生产厂家200多个，玻璃纤维产量达5万吨，其中无碱玻璃纤维占20gS，中碱玻璃纤维占80gS．它们的直径多数为6—81um。
玻璃纤维增强塑料(Glass Fibre Reinforced Plastic, GFRP) 是一种特殊的工程材料，由树脂基质和玻璃纤维增强材料组成。
GFRP 具有良好的强度比重比、耐腐蚀能力和隔热性能，适用于高强度和轻质结构的制造。
一、材料成分GFRP 主要由树脂和玻璃纤维组成。
其中，树脂是固化后的基质，玻璃纤维则为增强材料。
GFRP 通常使用的树脂包括有环氧树脂、聚酯树脂、酚醛树脂、丙烯酸酯树脂等。
玻璃纤维是常用的增强材料，它具有轻质、高强度、耐腐蚀等特点，能够给予树脂强大的增强作用。
二、制造过程GFRP 制造过程包括模具制作、增强材料预处理、树脂混合、材料成型、固化、后处理等多个步骤。
其中，模具制作是制造的关键，模具形状和尺寸决定了最终产品的尺寸和形状。
增强材料预处理是指对玻璃纤维进行表面处理和裁剪。
表面处理可以去除玻璃纤维表面的油污和污垢，同时也能增加材料的黏附性。
裁剪是为了控制玻璃纤维的长度和形状，以适应模具表面。
树脂混合是将树脂和固化剂混合，根据需要添加颜料、填料、阻燃剂等辅助材料，以调节树脂的特性和性能，同时确保树脂和增强材料能够良好的结合。
材料成型是将混合好的树脂涂布在模具上，然后再在上面铺上预处理好的玻璃纤维。
将铺好的玻璃纤维浸润树脂中，使树脂能够渗透到玻璃纤维中，最后压实成形。
固化是将成型后的材料放置在恒温室或温室中，经过一定时间后经过充分固化，固化的时间和温度因材料不同而不同。
后处理是为了确保成品的完整性和美观度。
这包括打磨、切割、拼接、涂装等工艺，以便得到最终的产品。
三、应用领域GFRP 由于其良好的性能，在建筑、交通、医疗、化工等多个领域得到了广泛的应用。
其中，汽车、飞机等交通工具的轻量化和强度要求，促使 GFRP 得到了迅速的发展。
在建筑领域，GFRP 被广泛应用于建筑物的外墙板、屋顶、水塔、桥梁等领域。
GFRP 在建筑中的优点在于其轻质和隔热性能能够给予建筑更好的自重负荷和保温效果。
第八章层压塑料和增强塑料的成型8.0 本章介绍增强塑料是指聚合物与增强材料相结合而提高力学强度的有机复合材料。
常用的增强材料有玻璃、石棉、金属、剑麻、棉花或合成纤维等所制成的纤丝、粗纱和织物等，其中以玻璃纤维及其织物用得最多。
层压塑料是指将纸张、棉布、玻璃布、石棉纸等片状底材经授或涂树脂后(称附胶片材)，再经层叠、加热、加压而制成坚实的板、管、棒等形状的制品。
不难看出，层压塑料也是增强塑料的一部分，构成两者的主体材料都是树脂和增强物，不同的是层压塑料强调了片状底材的层叠，因此，将两者合并，以增强塑料来叙述。
增强塑料中增强材料的作用是增强制品的力学强度，而所用的树脂则是使这种复合材料能够成型，对增强物进行粘结与固定，并借以传递应力，充分发挥增强物的增强作用，此外，还赋予制品抵抗外遇介质的侵蚀。
常用的树脂种类租多，过去大多数都是用热固性树脂，如酚醛、环氧、氨基、不饱和聚酯、有机硅等树脂；自60年代以来，热塑性树脂已戚功地用于增强塑料有十几种；如聚酰胺、聚碳酸醣、聚苯醚、氯化聚醚、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚烯烃等树脂。
由于热塑性增强塑料的出现，大大扩展了热塑性塑料作为结构材料应用于工程领域的深度和广度。
除树脂与增强物外，为了降低成本或改善制品某些性能，增强塑料中通常加有粉状填料，如碳酸钙、滑石粉、石英粉、硅藻土、氧化铝、氧化锌等。
加有粉状填料的制品，其强度有所下降。
热塑性增强塑料与一般热塑性塑料一样，可采用注射成型、挤压成型、压制成型、层压成型等加工方法，不需要增加特殊的成型设备。
而热固性增强塑料的成型方法，根据成型时所用压力的大小分为高压法(压力高于7MPa)和低压法(压力低于7MPa)。
前者又可分为层压法和模压法，而后者则可分为接触法、袋压法、缠绕法等等。
增强塑料的性能特点，除其强度超过未增强的塑料外，尚有：1、比强度高增强塑料的密度通常都小于2×100kg/cm3，只及钢材的20％～25％；但力学强度竞能达到、甚至超过普通钢，按比强度(强度与密度的比值)计算，有的可超过高级合金钢。
FRP 材料的特点纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer/Plastic,简称FRP)也称纤维增强塑料，是由短切纤维或者连续纤维及其织物与热固性或热塑性基体经过一定的工艺复合而成的一种新型材料。
利用先进的成型工艺，纤维增强复合材料可以整体成型做成各种复杂的形状，整体性较强，减少了装配的成本。
与钢材以及合金等金属材料相比，复合材料能够同时达到轻质、高强、刚度高等特点，近年来表明，先进复合材料在飞机制造业的应用迅速扩大。
复合材料及其发展由两种或两种以上不同物质经材料设计、人工组合而得到的具有新的优越性能的多相固体材料。
按此定义，通常可将结构用复合材料（Composite materials）的基本组分划分为基体材料（Matrix）和增强材料（Reinforcement）。
其中基体材料大都为连续相，主要起粘结或连接的作用；增强材料多为分散相，主要用来承受载荷，亦称增强体。
复合材料常见的分类方法有：按材料的作用，可分为主要使用其力学性能的结构复合材料和主要发挥其功能特性的功能复合材料；按基体材料，可分为树脂基、金属基、陶瓷基复合材料等；按增强体的种类和形态，可分为长纤维增强复合材料、短纤维或晶须增强复合材料、颗粒增强复合材料、层状增强复合材料及填充骨架型复合材料等。
目前研究最多、应用前景最广的是上世纪60 年代以来发展起来的所谓先进复合材料，包括以高强碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、陶瓷颗粒等高性能增强体增强的耐高温高聚物或金属、增韧的陶瓷，以及功能复合材料。
复合材料最显著的特性，是其性能（主要指力学性能、物理性能和工艺性能）在一定范围内具有可设计性，同时还具有材料与结构同一性、发挥复合效应优越性及性能对工艺依赖性等特点。
与传统材料相比，复合材料在性能上具有优势，比如比强度、比模量大，耐疲劳性能好，阻尼减震性好，破损安全性高等。
因此，复合材料已成为材料研究领域的热点，并已在航空、航天、能源、电子、海洋、汽车，乃至生物工程等方面得到了广泛应用。
