常用的增強(qiáng)材料是玻璃纖維及其織物課件

第二章增強(qiáng)材料常規(guī)測試技術(shù)復(fù)合材料測試技術(shù)第2章增強(qiáng)材料常規(guī)測試技術(shù)2.1纖維及其織物2.2粉狀填料

2.1纖維及其織物增強(qiáng)材料主要有玻璃纖維，碳纖維，聚丙烯纖維，鋼纖維，植物纖維，芳綸纖維等。常用的增強(qiáng)材料是玻璃纖維及其織物。我們所說的玻璃通常是以二氧化硅為主要成分，加入各種金屬氧化物或碳酸鹽，經(jīng)高溫熔融，在末析出結(jié)晶時即被急劇冷卻凝固而成的無定形物質(zhì)。其結(jié)構(gòu)是[SiO4]-4四面體組成的無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的空隙間嵌有結(jié)合力較弱的各種金屬離子。玻璃纖維就是把熔化后的玻璃拉成品質(zhì)均勻的直徑為0.5－30um的細(xì)絲，具有不燃燒、耐腐蝕、拉伸強(qiáng)度高、光學(xué)性能好、價廉及原材料易得等優(yōu)點。它是玻璃鋼中的主要承力組分，不僅能提高基體的強(qiáng)度與彈性模量，而且能減少收縮、提高熱變形溫度。

玻纖高強(qiáng)的原因（1）微裂紋假說。微裂紋假說認(rèn)為，玻璃的理論強(qiáng)度取決于分子或原于間的引力，其理論強(qiáng)度很高，可達(dá)到2000－l2000MPa，而實際強(qiáng)度達(dá)不到理論強(qiáng)度，這是因為在玻璃中存在著數(shù)量不等、尺寸不同的微裂紋，大大降低了強(qiáng)度。微裂紋分布在玻璃或玻璃纖維的整個體積內(nèi)，但以表面的微裂紋危害最大。在外力作用下，危害大的微裂紋處產(chǎn)生應(yīng)力集中而發(fā)生破壞。玻璃纖維比玻璃的強(qiáng)度高得多，這是因為玻璃纖維經(jīng)高溫成型時，減少了玻璃熔液的不均一性，使微裂紋產(chǎn)生的機(jī)會減少。此外，玻璃纖維的斷面面積小，微裂紋存在的機(jī)率也減少，所以纖維的強(qiáng)度高。（2）“凍結(jié)”高溫結(jié)構(gòu)假說。該理論認(rèn)為，玻璃纖維在成型過程中由于冷卻速度很快，使熔融態(tài)玻璃的結(jié)構(gòu)凍結(jié)，因而玻璃纖維中的結(jié)晶及微觀分層等都較塊狀玻璃少得多，使玻璃纖維的強(qiáng)度提高。（3）分子取向假說。該理論認(rèn)為，在玻璃纖維成形過程中，由于拉絲機(jī)的牽引力作用，使玻璃纖維分子產(chǎn)生定向排列，從而提高了玻璃纖維的強(qiáng)度。目前生產(chǎn)玻璃纖維最先進(jìn)的方法是池窯拉絲。熔化成液態(tài)的玻璃，借助自重從漏板孔中流出，在迅速冷卻的過程中，用高速拉絲機(jī)拉制成直徑很細(xì)的玻璃纖維單絲，單絲經(jīng)過浸潤劑槽集束成原紗，原紗經(jīng)排紗器纏到繞絲筒上。

玻纖的生產(chǎn)工藝浸潤劑的作用是使纖維粘合集束，潤滑耐磨，消除靜電。浸潤劑分為兩類:一類稱為紡織型浸潤劑，主要是適應(yīng)紡織加工的需要，其成分中含有石蠟、凡士林、硬脂酸，固色劑等，這類浸潤劑的缺點是減弱了樹脂與玻璃纖維的粘結(jié)力，因此使用時要經(jīng)脫蠟處理。

另一類是增強(qiáng)型浸潤劑、如聚醋酸乙烯型浸潤劑、聚酯型浸潤劑等，在制造玻璃鋼時不需清除這類浸潤劑。生產(chǎn)玻璃纖維制品的主要設(shè)備是紡紗機(jī)和織布機(jī)。A.單絲直徑單絲直徑的測試方法很多，常用的是顯微鏡法。顯微鏡法是采用透射式或反射式具有分格線目鏡的顯微鏡。2.1.1單絲單絲的主要測試項目有直徑，密度，強(qiáng)度和模量。利用單絲與周圍介質(zhì)對光透射率和反射率的差異可以在視野中清晰地看到單根纖維的輪廓。通過數(shù)纖維兩邊緣間的格數(shù)，再進(jìn)行計算，就可以得到單絲直徑。測試原理

d=p.N

p:目鏡中每分格的標(biāo)定寬度;N:格數(shù).至少應(yīng)測量25根纖維，取平均值。透射式顯微鏡法制備試樣的方法是：剪一小截纖維束放在載物玻片上，加一滴甘油，用干凈針尖撥散纖維，蓋上蓋玻片。試樣制備反射式顯微鏡法制備試樣的方法是：將多束平行排布的纖維澆上已加固化劑的環(huán)氧樹脂。固化后，在垂直纖維軸方向切斷，將斷面濕法磨平，拋光，洗凈，擦干既可。測定纖維密度的方法有比重瓶浸液法，浮沉法和密度梯度管法，下面一一介紹。

B.纖維密度比重瓶浸液法一定質(zhì)量的纖維（或粉料）在一定容積的比重瓶中，當(dāng)液體對其完全浸潤時，它占容積大小一定是它空間體積的大小。測試原理已知比重瓶重量m0,纖維質(zhì)量mf,總重量msL及比重瓶中裝滿液體時的總重量mL。則纖維密度：ρf=mf/vf=mfρL/(mL-msL+mf)

比重瓶的總?cè)莘e：V=(mL－m0)／ρL加入纖維后液體所占體積：VL=(msL-m0-mf)/ρL纖維所占體積：Vf=V-VL=(mL-msL+mf)/ρL整個過程需要溫度恒定，否則ρL不同，影響測量結(jié)果。纖維或粉料浸在某液體中時必定停留在相同密度的液體中，否則必沉底或浮于液面上。浮沉法已知透明有機(jī)液體密度最大的是三溴甲烷，可以與密度小的相溶性透明液體配成不同的混合液體。當(dāng)纖維浮在液面就滴加輕液，反之則滴加重液，直至纖維停留在混合液中，用比重計測混合液密度，即為纖維密度。

密度梯度管法先配好一組不同密度的混合液體，然后將液體由輕到重依次通過一個插到管底部的漏斗，注入管中。注入時避免對液體攪動和震蕩，使液體在管中自上到下保持由輕到重的密度梯度狀態(tài)。對此管內(nèi)放入標(biāo)準(zhǔn)密度空心小球，標(biāo)定管中高度h與密度ρ的對應(yīng)值，并畫成圖，要求h－ρ成直線關(guān)系。由公式可計算出纖維密度。注意：配制的液體不能對試樣起化學(xué)反應(yīng)或溶解溶脹。

C單絲強(qiáng)度與模量在測量單絲拉伸強(qiáng)度和模量時，我們采用很靈敏的拉力機(jī)。測試前必須對儀器進(jìn)行校核。用標(biāo)準(zhǔn)砝碼對儀器進(jìn)行調(diào)滿和1/2量程校正，并用秒表對走紙速度和拉伸速度進(jìn)行校正。

先以坐標(biāo)紙做成紙框，再用鑷子夾一根足夠長的單絲，置于紙框空格中央，用漿糊固定，使纖維與紙框邊平行，再用另一半紙框折疊蓋壓將單絲夾于中間，試樣就準(zhǔn)備好了。試樣制備S=4P/πd2E=4Δpl/πd2Δl將試樣夾好，使紙框中線與夾具中線重合，然后打開記錄儀開關(guān)。用剪刀將紙框剪斷，留單絲獨立承載，最后計算得到：A纖維束拉伸強(qiáng)度在拉伸纖維束時，有可能各單絲受力不均而斷裂參差不齊，這是由于夾頭對各根纖維夾力松緊不一，或各單根纖維伸直的程度不一所致。如果用樹脂將纖維粘結(jié)起來，依靠樹脂傳遞應(yīng)力，則可較好地克服上述缺點，其試驗步驟與單絲的基本一致。2.1.2纖維束紗的粗細(xì)通常以支數(shù)表示，其定義是：每股纖維1克質(zhì)量的長度米數(shù)值，量綱與線密度互為倒數(shù)。

B纖維束線密度定義為單位長度纖維束地質(zhì)量.可按下式計算線密度:t=m/lABC在一水平線上，中間懸掛一小重物（2－3g）,使纖維呈ADB繃緊狀態(tài)。當(dāng)溫度升高時，纖維束長度發(fā)生變化，D點的位置就下移到E點或上升到E’點，根據(jù)公式可求得平均熱膨脹系數(shù)AC=BC=l）

C平均熱膨脹系數(shù)—中垂法該法的優(yōu)點是只要CD與CB的比例選擇得當(dāng)，纖維長度的微小變化即可由DE或DE’的大小反映出來。M=DE/(BE-BD)為放大倍數(shù)，不能過大，否則重物使纖維繃的過緊，會給測量帶來誤差。2.1.3纖維織物（布）布面厚度：GB7689.1規(guī)定布應(yīng)自然鋪平，施加98Kpa壓力，讀取布面厚度值。經(jīng)，緯密度：GB7689.2定義經(jīng)，緯密度分別為經(jīng)向和緯向每厘米寬度各自紗線的根數(shù)。當(dāng)布自然鋪平后，查點寬度為50mm或100mm的紗根數(shù)ni，經(jīng)，緯密度：Ni=ni×10/l單位面積質(zhì)量（參閱GB6007）：以正方形的平滑且直的金屬模框取樣，將待測織物平放于平臺上，不加張力，距布邊沿不少于50mm，將?？蛘龎浩渖?，用小刀沿邊框劃割織物，取樣至少3塊，按下式計算織物單位面積質(zhì)量：PA=m/A經(jīng)緯斷裂強(qiáng)力（參閱GJB84）：經(jīng)緯方向單位寬度上的斷裂載荷，Si=P/b

2.2粉狀填料粉狀填料的主要測試項目有：視密度，平均粒徑和吸油值。2.2.1視密度（表觀密度）將漏斗與量筒安裝好，漏斗下口與量筒入口對正并相距20—30mm，用平板堵住漏斗下口，將粉料自由下落流入漏斗中，然后抽撤平板，使粉料自由落入量筒內(nèi)，不允許震動或敲擊量筒。待裝滿后，刮去量筒上多余的粉料，稱量筒內(nèi)粉料質(zhì)量m，按下式計算粉料的視密度

ρ=m/v

v—量筒的容積視密度定義為單位體積粉狀料的質(zhì)量。平均粒徑及粒徑分布是粉料的常規(guī)指標(biāo)，它直接與表面積有關(guān)，其測量方法有篩目分級、沉積天平分級及激光測粒儀。2.2.2平均粒徑標(biāo)準(zhǔn)篩目是指一平方英寸的正方形分成x2個目數(shù)，具有x2個大小相等的篩孔。篩孔是由絲線織網(wǎng)形成的，形狀為正方形。在單位面積中絲線占有相當(dāng)多的位置，所以篩孔的大小與絲線的粗細(xì)有關(guān)。在標(biāo)準(zhǔn)中對絲線的規(guī)格作了嚴(yán)格規(guī)定。A標(biāo)準(zhǔn)篩分級

由于篩孔孔徑還沒有真正統(tǒng)一。平常選用粉料只稱目數(shù)，所稱目數(shù)是該目的篩下物。它的粒徑對應(yīng)篩目以下的所有級分。如170目粉料，它的粒徑是88微米以下的所有級分。

過篩分級有濕法和干法兩種。濕法是用水沖洗篩上物，使之順利通過篩孔。用水分散粉料，防止粉料分散和成團(tuán)。通常平均粒徑小于100μm的粉料用濕法過篩更準(zhǔn)確。均勻分散在液體中的微粒，由于液體粘度作用使其沉降速度隨粒徑的不同而不同。處于同一高度的微粒，大顆粒沉降的快，小顆粒沉降的慢。各物理量之間的關(guān)系可用斯托克斯公式表示：B.顆粒沉積天平分級v=h/t=d2(ρf-ρl)g/18η沉積天平工作原理：當(dāng)顆粒開始沉降時稱盤中逐漸有試樣沉積積累。天平橫梁產(chǎn)生傾斜，固定在橫量上的遮光片也隨之產(chǎn)生傾斜。當(dāng)稱盤中沉積量達(dá)2mg時，遮光片移至使光電二極管受光照產(chǎn)生電流，使控制器開動，驅(qū)動計錄器和加載裝置，使天平平衡，重新遮斷光路。第二次沉降積累2mg,上述過程再循環(huán)一次，最后記錄紙上得到一曲線。對曲線進(jìn)行分析和計算，可得到顆粒粒徑分布情況。

c衍射式激光測粒儀激光器發(fā)出的光束經(jīng)針孔濾波及擴(kuò)速器后變成一直徑為8－10mm的平行單色光。當(dāng)該光照射到測量區(qū)中的顆粒群時便會發(fā)生衍射現(xiàn)象。衍射光的強(qiáng)度分布與測量區(qū)中被照射的顆粒直徑和數(shù)量有關(guān)。用接收透鏡使各個顆粒散射出來的相同方向的光聚焦到焦平面上，用多元光電探測器接收衍射光，然后轉(zhuǎn)換成電信號輸出，通過計算機(jī)處理，可以很快得到顆粒的粒徑分布。吸油值反映粉料比表面積大小和表面吸附能力強(qiáng)弱，其定義為1g炭黑吸附鄰苯二甲酸二丁酯的毫升數(shù)。廣義說來，也有定義顏料和其它粉料吸附亞麻仁油的，單位都是ml/g.

2.2.2吸油值其操作要點：用