当前课程知识点：复合材料设计与成型 >  3 增强材料 >  3.2 玻璃纤维概述、生产工艺、成分与结构 >  3.2.1 视频单元

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3.2.1 视频单元在线视频

下一节:3.3.1 视频单元

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3.2.1 视频单元课程教案、知识点、字幕

下面我们来学习玻璃纤维

玻璃纤维，相信大家并不陌生

现在家里的网络基本都是光纤网络

这里的光纤就是光导玻璃纤维的简称

华裔物理学家高锟被称为光纤之父

从理论上证明了用玻璃可以制成衰减极小的通信光导纤维

并于2009年获诺贝尔物理学奖

图中就是细如发丝的光纤

以及用于信号传输的光纤电缆组成结构

接下来

我们将从定义、分类、生产工艺、成分与结构、性能等方面

对玻璃纤维进行介绍

玻璃纤维

是以硅酸盐为主要成分的玻璃原料

经熔融和拉丝工艺制得的一种无机纤维

拉丝工艺，同学们可以想象拔丝苹果、拔丝香蕉这些甜品菜肴的做法

玻璃本身属于过冷液体

即熔融态过冷时因粘度增加

而具有固体的物理和力学性能的无定形体

是各向同性的均质材料，没有固定的熔点

玻璃纤维具有相对较高的强度、模量和相对较低的密度

良好的抗氧化、耐腐蚀、绝热、电绝缘特性

直径一般在3到28微米之间

早在2000多年前，古埃及就采用手工拉制玻纤做装饰材料

上世纪30年代末，美国、日本等国纷纷开始玻璃纤维的工业化生产

60-70年代，完成了技术升级过渡

我国玻璃纤维工业始于50年代末

自04年起，年产量约占世界1/5，称为世界玻璃纤维制造大国

玻璃纤维按照其碱金属氧化物含量可分为有碱、中碱、低碱和微碱玻璃纤维

由于碱金属含量的不同，会导致玻纤力学性能和理化性能的差异

因此无碱玻璃纤维又称为E玻纤

中碱玻纤也称为C玻纤，以及特种玻纤S玻纤，如表中所示

这里的碱金属氧化物主要是指氧化钠和氧化钾

E是Electrical insulation的缩写，代表具有电绝缘特性

C是Corrosion resistance耐腐蚀性的缩写

S-代表特种纤维Special，一般指高的硅含量带来的高强和耐高温性能

无碱玻璃纤维(E-玻纤)：碱金属氧化物含量低于1~2%

具有较高的拉伸强度和电绝缘性能

但不耐酸，易被低浓度无机酸溶解

中碱玻璃纤维(C-玻纤)：碱金属氧化物含量为8~10%

通常含有5～6%氧化硼

力学性能适中，耐酸性和耐水性较好，价格低廉

高强玻璃纤维(S-玻纤)：拉伸强度比E-玻纤高40%，弹性模量约高15%

高温下具有较高强度保留率和疲劳强度，多用于制造高压容器

此外，还有氧化锆含量较高的耐碱玻纤，含有氧化铍的高模玻纤

用于雷达天线罩的低介电性能玻纤，以及用于建筑保温材料的高碱玻纤等

玻璃纤维还可以按照使用性能进行分类

如电工玻纤，耐碱玻纤，低辐射玻纤等

按纤维长度又可分为连续玻纤和非连续玻纤

按直径从上到下依次是粗纤维、初级纤维、中级纤维、高级纤维和超细纤维

按外形还可分为无捻纱、有捻纱、短切纤维和中控纤维

这里的有捻和无捻是什么意思呢？

如果纺丝的一端被固定，另一端回转，即可形成纱线

这个过程称为加捻

那玻璃纤维是如何制造出来的呢？

制造玻纤的原料，主要包括中碱和无碱玻璃原料

具体包括玻璃球、玻璃粉料和玻璃废丝

中碱玻璃粉料中的主要成分是石英砂

还包括钠长石、白云石、石灰石等辅料

无碱玻璃粉料与中碱玻璃粉料的主要区别在于主要成分不同

是高岭土或叶腊石，辅料很多相同

工业化生产玻璃纤维的工艺主要有坩埚法拉丝和池窑法拉丝

两种工艺的主要步骤都包括配料、熔化、拉丝、烘干、络纱五个步骤

制得的玻璃纤维可以进行织布、制毡、捻线和短切等后续加工以适应不同使用需求

坩埚法拉丝首先要将玻璃原料熔炼后进行造球

再以玻璃球为原料加入铂金坩埚

经熔化，从坩埚下方含小圆孔的喷丝板拉丝、集束、烘干、收卷

从而得到玻璃纤维束

纤维单丝直径的粗细与喷丝板孔直径、集速轮转速相关

板孔直径 一般1.5~2mm，集束轮转速通常为1000~3000m/min

这里提个问题，为什么要先将玻璃原料做成大小相当的玻璃球？

这是因为玻璃本身是热的不良导体

坩埚中温度越均匀，拉出的玻璃纤维丝尺寸越均匀一致

池窑法拉丝工艺与坩埚法拉丝工艺的主要区别在于投料区域

将玻璃原料投入熔窑熔化后，直接拉制成连续玻璃纤维

优点：省去制球工艺；池窑容量大，生产能力高

自动控制窑温、液压、流量和漏板温度

适用多孔大漏板生产，废产品易于回炉

池窑法解决坩埚法上一锅与下一锅不同的问题

实现了大规模生产和产品的均匀性

能耗约为坩埚法一半

实现玻纤工业化高质量、低成本生产

接下来介绍玻璃纤维的成分与结构

玻璃本身属于无定形结构

目前用来描述玻璃分子结构主要有两种假说

一是微晶结构假说

玻璃是由硅酸盐或二氧化硅“微晶子”组成

在“微晶子”之间由硅酸盐过冷溶液(super-cooling)所填充

第二种是四面体网络假说

认为玻璃是由二氧化硅四面体构成的不规则三维网络结构

网络间的空隙由Na+、K+、Ca2+、Mg2+等阳离子填充

在玻纤表面的阳离子不能获得所需数量的氧离子

产生表面张力，有吸附外界物质倾向

玻璃纤维中主要的化学组成为氧化硅、氧化硼、氧化钙和氧化铝

如果结构组成以氧化硅为主，则称为硅酸盐玻璃

如果以氧化鹏为主，则称为硼酸盐玻璃

组成中氧化钠和氧化钾等碱金属氧化物的主要作用是作为助熔剂

能够降低玻璃熔化温度和粘度，气泡更易排除

其作用机理是通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，达到助熔目的

对于硅酸盐玻璃

除了作为骨架的二氧化硅和作为助溶剂的氧化钠和氧化钾以外

其中的氧化铝主要作用是网络形成体

氧化钙和氧化镁则是作为网络中间体或填充体

除此以外，金属氧化物的存在还将对玻璃的理化性能产生影响

如氧化钠和氧化钾将降低玻璃纤维的耐水性和电绝缘性

氧化铍将提高模量，但将增加玻纤毒性

氧化铝将提升玻纤耐温性；氧化锆则可增强玻纤耐腐蚀性

表中列出了常见集中玻璃纤维的主要成分

通常碱金属含量越高，玻纤强度越低

无碱玻璃纤维比有碱玻璃纤维的拉伸强度高20%

这是因为没有碱金属氧化物助熔剂

玻璃纤维成型温度高、硬化速度快、结构键能大

复合材料设计与成型课程列表：

上篇 基础--复合材料的概念与原理 1 引言

-1.1 课程简介及复合材料定义

--1.1.1 视频单元

--1.1.2 作业

--1.1.3讨论

-1.2 复合材料的命名与分类

--1.2.1 视频单元

--1.2.2 作业

-1.3 复合材料的特点

--1.3.1 视频单元

--1.3.2 作业

-1.4 复合材料的应用

--1.4.1 视频单元

--1.4.2 作业

--1.4.3 讨论题

--1 引言 课件

2 复合原理及界面

-2.1 颗粒增强原理

--2.1.1 视频单元

--2.1.2 作业

-2.2 短纤维增强原理

--2.2.1 视频单元

--2.2.2 作业

-2.3 界面效应

--2.3.1 视频单元

--2.3.2 作业

-2.4 复合材料界面

--2.4.1 视频单元

--2.4.2 作业

-2.5 复合材料界面表征与分析

--2.5.1 视频单元

--2.5.2 作业

-2 复合原理及界面 课件

3 增强材料

-3.1 增强材料概述

--3.1.1 视频单元

--3.1.2 作业

-3.2 玻璃纤维概述、生产工艺、成分与结构

--3.2.1 视频单元

--3.2.2 作业

-3.3 玻璃纤维的性能、制品与规格

--3.3.1 视频单元

--3.3.2 作业

-3.4 碳纤维概述

--3.4.1 视频单元

--3.4.2 作业

-3.5 碳纤维的制备工艺

--3.5.1 视频单元

--3.5.2 作业

-3.6 碳纤维的结构、性能、制品与规格

--3.6.1 视频单元

--3.6.2 作业

-3.7 芳纶纤维

--3.7.1 视频单元

--3.7.2 作业

-3 增强材料 课件

4 聚合物基复合材料

-4.1 聚合物概述

--4.1.1 视频单元

--4.1.2 作业

-4.2 聚酯概述、化学结构、合成与交联

--4.2.1 视频单元

--4.2.2 作业

-4.3 聚酯的性能与应用

--4.3.1 视频单元

--4.3.2 作业

-4.4 环氧树脂概述、化学结构、合成与表征

--4.4.1 视频单元

--4.4.2 作业

-4.5 环氧树脂的交联、性能与应用

--4.5.1 视频单元

--4.5.2 作业

-4.6 酚醛树脂及其他热固性树脂

--4.6.1 视频单元

--4.6.2 作业

-4.7 热塑性树脂及聚合物基复合材料的应用

--4.7.1 视频单元

--4.7.2 作业

-4 聚合物基复合材料 课件

5 陶瓷基复合材料

-5.1 陶瓷及陶瓷基复合材料概述

--5.1.1 视频单元

--5.1.2 作业

-5.2 陶瓷基复合材料成型工艺

--5.2.1 视频单元

--5.2.2 作业

-5.3 陶瓷基复合材料的界面及强韧化

--5.3.1 视频单元

--5.3.2 作业

-5.4 碳碳复合材料及陶瓷基复合材料的应用

--5.4.1 视频单元

--5.4.2 作业

-5 陶瓷基复合材料 课件

6 金属基复合材料

-6.1 金属基体

--6.1.1 视频单元

--6.1.2 作业

-6.2 金属基复合材料成型工艺

--6.2.1 视频单元

--6.2.2 作业

-6.3 金属基复合材料的界面

--6.3.1 视频单元

--6.3.2 作业

-6.4 金属基复合材料的性能与应用

--6.4.1 视频单元

--6.4.2 作业

-6 金属基复合材料 课件

中篇 理论--复合材料结构设计原理 1 引言

-1.1 视频单元

-1.2 作业

-1 引言 课件

2 应力-应变关系

-2.1 应力与应变

--2.1.1 视频单元

--2.1.2 作业

-2.2 广义胡克定律

--2.2.1 视频单元

--2.2.2 作业

-2.3 工程常数、平面应力状态、应力应变转换

--2.3.1 视频单元

--2.3.2 作业

-2 应力-应变关系 课件

3 单向板的刚度

-3.1 单向板的正轴刚度、刚度柔度变换

--3.1.1 视频单元

--3.1.2 作业

-3.2 倍角变换、偏轴工程常数

--3.2.1 视频单元

--3.2.2 作业

-3 单向板的刚度 课件

4 层合板的刚度

-4.1 层合板的代号、面内刚度

--4.1.1 视频单元

--4.1.2 作业

-4.2 典型层合板的面内刚度

--4.2.1 视频单元

--4.2.2 作业

-4.3 层合板的弯曲刚度

--4.3.1 视频单元

--4.3.2 作业

-4.4 单向层合板、对称层合板及夹芯结构的弯曲刚度

--4.4.1 视频单元

--4.4.2 作业

-4 层合板的刚度 课件

5 层合板的强度

-5.1 最大应力与最大应变准则

--5.1.1 视频单元

--5.1.2 作业

-5.2 蔡-希尔、蔡-吴强度准则

--5.2.1 视频单元

--5.2.2 作业

-5.3 层合板的强度分析

--5.3.1 视频单元

--5.3.2 作业

-5.4 层合板的极限强度

--5.4.1 视频单元

--5.4.2 作业

-5 层合板的强度 课件

6 复合材料细观力学

-6.1 细观力学引言、平均性质

--6.1.1 视频单元

--6.1.2 作业

-6.2 单向板的工程常数

--6.2.1 视频单元

--6.2.2 作业

-6.3 单向板的强度

--6.3.1 视频单元

--6.3.2 作业

-6.4 热膨胀与湿溶胀系数

--6.4.1 视频单元

--6.4.2 作业

-6.5 层合板的残余应力

--6.5.1 视频单元

--6.5.2 作业

-6 复合材料细观力学 课件

7 复合材料一维受力构件分析

-7.1 复合材料结构控制方程

--7.1.1 视频单元

--7.1.2 作业

-7.2 简单构型复合材料一维受力构件的力学分析

--7.2.1 视频单元

--7.2.2 作业

-7 复合材料一维受力构件分析 课件

8 复合材料梁

-8.1 复合材料层合梁

--8.1.1 视频单元

--8.1.2 作业

-8.2 复合材料板梁

--8.2.1 视频单元

--8.2.2 作业

-8.3 复合材料薄壁梁

--8.3.1 视频单元

--8.3.2 作业

-8 复合材料梁 课件

下篇 应用--复合材料成型工艺 1 引言

-1.1 绪论

--1.1.1 视频单元

--1.1.2 作业

--1.1.3 讨论

-1 引言 课件

2 手糊成型工艺

-2.1 手糊基本原理

--2.1.1 视频单元

--2.1.2 作业

-2.2 树脂对纤维的润湿（上）

--2.2.1 视频单元

--2.2.2 作业

-2.3 树脂对纤维的润湿（下）

--2.3.1 视频单元

--2.3.2 作业

-2.4 手糊技术进展和典型应用

--2.4.1 视频单元

--2.4.2 作业

-2 手糊成型工艺 课件

3 树脂传递模塑工艺

-3.1 RTM基本原理

--3.1.1 视频单元

--3.1.2 作业

-3.2 树脂渗流规律

--3.2.1 视频单元

--3.2.2 作业

-3.3 树脂流动模拟分析

--3.3.1 视频单元

--3.3.2 作业

-3.4 RTM技术发展和典型应用

--3.4.1 视频单元

--3.4.2 作业

-3 树脂传递模塑工艺 课件

4 树脂膜熔融浸渍工艺

-4.1 RFI基本原理

--4.1.1 视频单元

--4.1.2 作业

-4.2 RFI树脂膜体系

--4.2.1 视频单元

--4.2.2 作业

-4.3 树脂固化制度的确定和RFI典型应用

--4.3.1 视频单元

--4.3.2 作业

-4 树脂膜熔融浸渍工艺 课件

5 真空导入模塑工艺

-5.1 VIMP基本原理

--5.1.1 视频单元

--5.1.2 作业

-5.2 树脂的粘度特性

--5.2.1 视频单元

--5.2.2 作业

-5.3 纤维预成型体的渗透特性和VIMP典型应用

--5.3.1 视频单元

--5.3.2 作业

-5 真空导入工艺 课件

6 拉挤成型工艺

-6.1 拉挤基本原理

--6.1.1 视频单元

--6.1.2 作业

-6.2 拉挤内脱模剂

--6.2.1 视频单元

--6.2.2 作业

-6.3 拉挤技术发展和典型应用

--6.3.1 视频单元

--6.3.2 作业

-6 拉挤成型工艺 课件

7 缠绕成型工艺

-7.1 缠绕基本原理

--7.1.1 视频单元

--7.1.2 作业

-7.2 缠绕线型规律

--7.2.1 视频单元

--7.2.2 作业

-7.3 缠绕工艺参数、技术发展和典型应用

--7.3.1 视频单元

--7.3.2 作业

-7 缠绕成型工艺 课件

8 模压成型工艺

-8.1 模压基本原理和模压料工艺性

--8.1.1 视频单元

--8.1.2 作业

-8.2 SMC片状模塑料

--8.2.1 视频单元

--8.2.2 作业

-8.3 模压关键工艺参数和典型应用

--8.3.1 视频单元

--8.3.2 作业

-8 模压成型工艺 课件

9 有机先驱体转化法

-9.1 概述

--9.1.1 视频单元

--9.1.2 作业

-9.2 PIP基本原理

--9.2.1 视频单元

--9.2.2 作业

-9.3 PIP关键步骤

--9.3.1 视频单元

--9.3.2 作业

-9.4 致密化和典型应用

--9.4.1 视频单元

--9.4.2 作业

-9 先驱体转化法 课件

考试

-课程考试

3.2.1 视频单元笔记与讨论

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