玻璃纤维与立体织物教材课件.ppt

1、目 录1.玻璃纤维工业概况2.特种玻璃纤维发展概况 特纤性能 特纤应用3.立体织物发展概况 立体织物编织方法 立体织物性能及其应用玻璃纤维工业概况 坩埚法和池窑法发展历程：坩埚法和池窑法发展历程：1958年，从前苏联引进坩埚法拉丝技术 1990年，第一条池窑生产线在广东珠海功控玻纤公司建成（4000吨/年）1997年，首条万吨级的池窑生产线在山东泰安建成 1998年，具有自主知识产权的7500吨/年池窑生产线在杭玻集团建成 1999年开始，在国家产业政策的引导下，池窑法生产技术迅速推广，逐步形成以池窑技术为主导的企业群 2003年，池窑法玻璃纤维产量首次超过坩埚法，占总产量的比例达到57%20

2、05年，共有近40座池窑生产线 玻璃纤维工业概况玻璃纤维工业概况(1)总产量迅速增长总产量迅速增长在池窑拉丝进入推广期的1997年以后7年时间里,我国玻纤总量的增长，相当于美国19681988年20年的增长。我国一跃成为世界第二大玻纤生产国和出口大国。(2)品种、质量有较大提高品种、质量有较大提高品种方面。从E级（7）至U级（24），22.5Tex到4800Tex纤维均能生产。，我们已成为世界传统增强基材(无捻粗纱、方格布、短切纤维毡等)生产大国之一。对于缝编毡、复合毡、连续毡、针剌毡、表面毡、多轴向织物等一些新的增强基材，我国都已工业化生产。池窑基地企业的产品品种均超过200种。质量方面。玻

3、纤增强基材质量的提高，从行业抽查中直接得到确认。在标准提高的情况下，行业抽查推标符合率，从31.8%(97年)提升到70%(近两年)以上，其中池窑企业更高。无捻粗纱的质量在也在稳中提高，如含水率这个重要指标，从抽查来看有较大改善，97年的抽查平均值为0.33%，企业间差别较大；2003年抽查的含水率平均值为0.088%，且企业间差别小，其中池窑企业情况更好，其平均含水率为0.026%。玻璃纤维工业概况玻璃纤维工业概况 池窑生产线工艺示意图池窑生产线工艺示意图玻璃纤维工业概况玻璃纤维工业概况 中国玻璃纤维工业发展迅猛中国玻璃纤维工业发展迅猛,年增长近年增长近30%,30%,预预计十一计十一.五末

4、将达到五末将达到150150万吨万吨,成为世界第一生成为世界第一生产大国产大国玻璃纤维工业概况玻璃纤维工业概况 1.1 分类 按性能成分分类序号分 类特 征1无碱玻璃纤维（E玻璃纤维）碱金属氧化物含量0.82中碱玻璃纤维（C玻璃纤维）碱金属氧化物含量6123高碱玻璃纤维（A玻璃纤维）碱金属氧化物含量124高强玻璃纤维（S玻璃纤维）拉伸强度比E玻璃纤维提高30405低介电玻璃纤维（D玻璃纤维）介电常数3.546高模量玻璃纤维（M玻璃纤维）比模量和比强度分别比无碱玻璃纤维提高15和107耐辐照玻璃纤维在高能辐射（射线和中子的混合辐射）下十分稳定8石英玻璃纤维SiO2含量在99.9%以上9高硅氧玻璃

5、纤维SiO2含量在96%以上我国主要玻璃纤维成分我国主要玻璃纤维成分组份或性能E玻璃C玻璃S玻璃A玻璃M玻璃SiO254.167.35257714854Al2O314.97202531622CaO16.69.5/8/MgO4.64.2101431823Na2O、K2O0.512/15/B2O38.5/5/Fe2O30.50.51.2/CeO2/12/13Li2O/0.81.2/ZrO2/04TiO2微量/04析晶上限温度/11351140132010201300单丝强度/Mpa305826264018弹性模量/Gpa71.583.393.1密度/(g/cm3)2.572.532.542.512

6、.77铝硼硅酸盐钠钙硅酸盐钠钙硅酸盐硅铝镁三元系统硅铝镁三元系统玻璃纤维工业概况玻璃纤维工业概况 1.1 分类 按加工分类化学名称化学名称结构式结构式牌号牌号适用树脂适用树脂乙烯基三乙氧基硅烷A-151PS,PE,PP乙烯基三甲氧乙氧基硅烷A-172KBC-1003PE，PP，PS，PVC，EPDM-氨基丙基三乙氧基硅烷A-1100 KH-550KBE-903EP，PF，UP，MF，PVC，PC，PE，PP，PA，S/AN，PMMA-甲基丙烯酸丙酯基三甲氧基硅烷 A-174KH-570 UP，EP，PS，PE，ABS，PP，PMMA，S/AN-（2，3-环氧丙氧基）丙基三甲氧基硅烷A-187K

7、H-560KBM-403Y-4087Z-6040S510EP，PF，UP，MF，PVC，PC，ABS，S/AN，PS，PA，PE，PPCH2CHSi(OC2H5)3CH2CHSi(OCH2CH2OCH3)3H2N(CH2)3Si(OC2H5)3CH2CHOCH2O(CH3)3Si(OCH3)3CH2CCH3COO(CH2)3Si(OCH3)3常用偶联剂常用偶联剂一、玻璃纤维一、玻璃纤维 1.2 1.2 性能性能力学性能高力学性能高拉伸强度1.474.8GPa，比块状玻璃高数十倍断裂伸长率35%耐温性好耐温性好400500条件下，强度基本不降低高硅氧纤维长期使用温度900以上石英纤维可达1200

8、以上 应用应用 结构材料 功能材料 结构功能一体化材料 电子材料二、特种玻璃纤维二、特种玻璃纤维 高强度玻璃纤维(S,T,R)低介电常数玻璃纤维(D,NE)高硅氧玻璃纤维 非圆形截面玻璃纤维 空心玻璃纤维 耐福照玻璃纤维 高模量玻璃纤维二、特种玻璃纤维二、特种玻璃纤维 2.1 2.1 高强度玻璃纤维高强度玻璃纤维组分为组分为SiOSiO2 2-Al-Al2 2O O3 3-MgO-MgO或或SiOSiO2 2-Al-Al2 2O O3 3-CaO-MgO-CaO-MgO系统，具有高强度、高模量、耐高温、系统，具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀等优异的综合性能，与耐腐蚀等优异的综合性能，与E E

9、玻璃纤维相比拉伸强度提高玻璃纤维相比拉伸强度提高303040%40%，拉伸模量提，拉伸模量提高高101020%20%。在高性能复合材料以及耐热材料等领域中广泛应用，是应用最广的特种功能玻璃在高性能复合材料以及耐热材料等领域中广泛应用，是应用最广的特种功能玻璃纤维之一。我国高强玻璃纤维广泛应用于航天、航空、兵器、舰船、化工等领域。纤维之一。我国高强玻璃纤维广泛应用于航天、航空、兵器、舰船、化工等领域。世界上仅有五个国家拥有高强度玻璃纤维生产技术世界上仅有五个国家拥有高强度玻璃纤维生产技术 美国（美国（S-2S-2）法国（法国（R R）日本（日本（T T）白俄罗斯（白俄罗斯（）中国（中国（HS2H

10、S2与与HS4HS4）二、特种玻璃纤维二、特种玻璃纤维 2.1 2.1 高强度玻璃纤维高强度玻璃纤维各国高强玻璃纤维性能对比各国高强玻璃纤维性能对比 性性 能能美国美国S-2法国法国R日本日本T俄罗斯俄罗斯中国中国HS2中国中国HS4新生态单丝强新生态单丝强度度MPa45004890440046504500500040204600拉伸弹性模量拉伸弹性模量GPa84.786.983.884.395.082.986.45断裂伸长断裂伸长 5.44.85.54.54.95.3密度密度 g/cm32.492.562.492.562.542.53浸胶束纱强度浸胶束纱强度MPa37004300340034

11、0033002600300029433575高强度玻璃纤维应用高强度玻璃纤维应用混凝土构件表面处理层不平处修整断面修复裂缝注浆修补复合材料片材复合材料片材表面修饰粘接剂19931993年起步年起步形成布、板、筋系列产品形成布、板、筋系列产品和同济大学等合作，开展了系统研究和同济大学等合作，开展了系统研究在数十个工程中应用在数十个工程中应用高强度玻璃纤维应用高强度玻璃纤维应用GLAREUltra-wide body Airbus A380二、特种玻璃纤维二、特种玻璃纤维 2.2 2.2 低介电玻璃纤维低介电玻璃纤维具有密度低、介电常数及介电损耗低、介电性能受环境温度和频率等外界影响因素小等特点。

12、是一种理想的高性能飞机雷达罩增强基材，具有轻质、宽频带、高透波等特性。随着电子通讯和信息产业向高频、大容量、小型化方向发展，对印刷线路板基材的玻璃纤维介电性能提出了更高的要求，世界各国都着手研究用于印刷线路板基材用的低介电玻璃纤维。上世纪90年代后期，日本日东纺研制成功工艺和化学稳定性比D低介电玻璃纤维（法国圣哥班公司）更好的NE低介电玻璃纤维，用作覆铜板基材。我国先后研制成功D2、D3、Dk介电常数可调的低介电玻璃纤维，用于复合材料或印刷线路板（复合材料的介电常数可降低0.3左右）。二、特种玻璃纤维二、特种玻璃纤维 2.2 2.2 低介电玻璃纤维低介电玻璃纤维我国D2、D3、DK玻璃纤维性能

13、性能D2D3DK密度g/cm32.142.32.3新生态单丝强度MPa206026002600弹性模量GPa48.05555介电常数4.04.55.0介电损耗0.0030.00350.0035无埝粗纱强力 N/Tex0.450.50二、特种玻璃纤维二、特种玻璃纤维 2.3 2.3 高硅氧玻璃纤维高硅氧玻璃纤维SiOSiO2 2含量在含量在96%96%以上，是一种耐高温的无机纤维，长期使用温度可达以上，是一种耐高温的无机纤维，长期使用温度可达900900以上。以上。广泛应用于航天飞行器防热、耐高温绝缘、防火防护、高温气体或液体过滤等。广泛应用于航天飞行器防热、耐高温绝缘、防火防护、高温气体或液体

14、过滤等。美国美国HitcoHitco公司上世纪公司上世纪4040年代率先商业化生产，注册商标年代率先商业化生产，注册商标“RefrasilRefrasil”。美国美国HarvegHarveg公司、俄罗斯玻璃钢科研联合体和白俄罗斯波洛茨克玻纤生产联合体公司、俄罗斯玻璃钢科研联合体和白俄罗斯波洛茨克玻纤生产联合体等均有高硅氧玻璃纤维及制品的研究与生产。等均有高硅氧玻璃纤维及制品的研究与生产。世界高硅氧玻璃纤维生产量集中在前苏联。世界高硅氧玻璃纤维生产量集中在前苏联。我国自上世纪我国自上世纪6060年代初开始研究，历经年代初开始研究，历经8080、9090年代的工艺及装备等持续改进，现年代的工艺及装

15、备等持续改进，现生产能力居世界前五位。生产能力居世界前五位。主要制品：高硅氧织物、高硅氧套管、高硅氧短纤维、连续高硅氧纤维和高硅氧主要制品：高硅氧织物、高硅氧套管、高硅氧短纤维、连续高硅氧纤维和高硅氧棉等。棉等。二、特种玻璃纤维二、特种玻璃纤维 2.4 2.4 其他特种玻璃纤维其他特种玻璃纤维高模量玻璃纤维比模量和比强度比E玻璃纤维提高15和10具有良好的电绝缘性能我国M1玻璃纤维弹性模量为91GPa，M2玻璃纤维为93GPa用于国防军工、体育器材、电子电器等领域耐辐照玻璃纤维高能辐射条件下十分稳定（中子通量11020中子/cm2、剂量3101051010/m、温度高于280下，绝缘电阻达7.

16、1109）是原子能反应堆用优良的电绝缘材料和保温隔热材料常温和高温电绝缘性能优良 高强空心玻璃纤维轻质、高比强度、高比模量、高透波性优质结构材料460040203140370032162060150020002500300035004000450050005500E玻璃SH2玻璃SH4玻璃M玻璃S2空心D2玻璃抗拉强度M P a7382.986.491.651.7405060708090100E玻 璃SH2玻 璃SH4玻 璃M玻 璃D玻 璃弹性模量G P a各种纤维强度比较各种纤维模量比较三、立体织物三、立体织物 3.1 3.1 国外发展概况国外发展概况上世纪60年代，美国率先研制复合材料增强

17、用高性能立体织物战略导弹弹头防热材料使用Z向金属丝增强的细编穿刺织物，提高再入时烧蚀、侵蚀的偶合匹配性能（三叉戟（MK-5）导弹端头采用钨丝增强）。多向编织的高密度碳/碳用作导弹发动机喷管的防热、结构一体化材料，使之大幅减重，结构简化，可靠性提高。（侏儒导弹采用三向编织全碳/碳喷管；“战斧”巡航导弹、反潜导弹等选用四向碳/碳材料。）3TEX公司利用三维机织技术开发多种“下一代”的防护装甲产品（头盔、防弹背心等）。法国阿里安娜火箭喷管、喉衬和M4型潜地导弹发动机等使用四向碳/碳复合材料。日本在连续纤维增强陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料方面居于世界先进水平，其中碳/碳复合材料的应用目标是作为高温热

18、结构材料，包括燃气透平、火箭发动机和航天发动机等高强零部件。三、立体织物三、立体织物 3.1 3.1 国外发展概况国外发展概况俄罗斯在战略导弹成功应用立体织物的基础上，研制了快速成型、低成本的机织三维立体织物，已在中、远程战术导弹上大量应用。德国ALTIN和KSL公司利用与工业机器人配套使用的缝纫机头进行大面积纤维增强复合材料部件缝合，小到复合材料套管，大到外形复杂的飞机机身蒙皮；美国ACT计划中利用这种典型缝纫设备缝制大型机翼获得成功。注重基础理论研究美国ACT计划成果中有“纺织复合材料的标准试验方法”和“纺织复合材料力学性能数据库”，并总结300篇文献报道德国奔驰公司和亚琛大学联合致力开发

19、新一代三维织机英、法亦有发展纺织复合材料计划日本进行了2D和3D机织编织复合材料系统研究俄罗斯对基础和应用两方面都比较重视三、立体织物三、立体织物 3.2 3.2 国内立体织物研究进展国内立体织物研究进展上世纪70年代初，我国开始研制特种纤维三向织物，满足了国防工程的研制需求。80年代，承担了防热材料和透波材料等关键部件用立体织物配套研制任务。防热材料碳纤维细编穿刺织物的研制成功，是世界上第二个掌握该项技术的国家。基于编织技术学科的发展，开展了双组份穿刺织物、三维编织物、2.5D织物及编织技术的前瞻性研究。南京玻纤院拥有纤维正交三向、细编穿刺、三维编织、三维机织、2.5维机织，2.5维编织等多

20、种结构的特种织物编织工艺技术，独创了双组份穿刺技术，锥体封顶编织技术，完整单元体结构的三维编织技术等，形成了三向织物为基础，细编穿刺织物为平台，多种织物结构及编织工艺并行的优势配套专业，为特种织物的快速发展奠定了重要的物质技术基础。三、立体织物三、立体织物 3.3 3.3 立体织物结构特征及应用立体织物结构特征及应用立体织物是区别于平面纤维集合体的三维纤维集合体，不同织物结构的预制件性能不同，影响着复合材料的性能及应用，不同结构织物的纤维方向和纤维体积含量影响预制件的成型性、渗透性及成本。织物在厚度方向有三束或以上的纱线，按成型方法分为：机织物 正交织物 针织物 编织物 缝合织物 三、立体织物

21、三、立体织物 3.3 3.3 立体织物结构特征及应用立体织物结构特征及应用各种结构织物外形及应用各种结构织物外形及应用 织物结构织物结构外外 形形应应 用用机织结构机织结构块块 状状圆柱、圆锥圆柱、圆锥异异 型型承力结构材料承力结构材料多功能透波材料多功能透波材料支架结构材料支架结构材料正交结构正交结构块块 状状圆圆 锥锥透波、承力材料透波、承力材料抗烧蚀材料抗烧蚀材料针织结构针织结构块块 状状异异 型型承力结构件承力结构件承力结构材料承力结构材料编织结构编织结构回转体回转体异异 型型防热抗烧蚀材料防热抗烧蚀材料承力结构材料承力结构材料缝合结构缝合结构块块 状状柱柱 状状盒状、异型盒状、异型透

22、波承力材料透波承力材料防热抗烧蚀材料防热抗烧蚀材料透波、承力结构材料透波、承力结构材料三、立体织物三、立体织物 3.3 3.3 立体织物结构特征及应用立体织物结构特征及应用 机织物 机织结构圆形织物机织结构圆形织物机织结构异形织物机织结构异形织物 三、立体织物三、立体织物 3.3 3.3 立体织物结构特征及应用立体织物结构特征及应用 正交织物正交板块织物 正交圆锥体织物 三、立体织物三、立体织物 3.3 3.3 立体织物结构特征及应用立体织物结构特征及应用 编织物三维编结构 三、立体织物三、立体织物 3.3 3.3 立体织物结构特征及应用立体织物结构特征及应用 三维编回转体织物 三维编异型织物

23、 三、立体织物三、立体织物 3.4 3.4 新技术与新产品新技术与新产品 3.4.1 3.4.1 单针缝合技术单针缝合技术缝合复合材料，比传统的叠层复合材料具有更好的损伤容限，受到国内外航空航天界的高度重视。簇生缝合是由一根缝纫针将纱线植入工件而不存在角连锁的状态，用作对多层织物进行Z向增强。单针缝合设备 单针缝合织物 簇生缝合织物（非贯穿）三、立体织物三、立体织物 3.3 3.3 立体织物结构特征及应用立体织物结构特征及应用缝合机翼部件 缝合结构 三、立体织物三、立体织物 3.4 3.4 新技术与新产品新技术与新产品 3.4.2 3.4.2 双针缝合技术双针缝合技术双针缝合是基于链式缝纫原理

24、的单边缝纫，是由两个缝纫器具在工件的一个面上操作完成。缝合纤维不仅能够将不同立体织物进行组合缝制装配，还可以在部件内部起到Z向增强的作用。双针缝合原理图 双针缝合成圈模式图 三、立体织物三、立体织物 3.4 3.4 新技术与新产品新技术与新产品 3.4.3 3.4.3 多针缝合技术多针缝合技术多针缝合即多轴向缝编，由平直且平行的纱线组，以不同的角度叠层后被线圈束缚在一起的形成经编结构织物。结构稳定性好，纱线强度得到充分利用，各向同性性能好。缝编工艺设备是全自动控制的多轴向缝编设备，多个方向纤维同时连续铺放，编织效率高。用于航空主结构件的复合材料，在高性能船舶、体育用品、大型管道和汽车等行业都得

25、到大量应用。缝编织物结构示意图三、立体织物三、立体织物 3.4 3.4 新技术与新产品新技术与新产品 3.4.4 3.4.4 整体穿刺工艺技术整体穿刺工艺技术采用碳纤维叠层机织布与Z向钢针阵列整体穿刺，再由碳纤维逐一替代Z向钢针而形成的碳纤维穿刺织物。它具有多层织物缝合的结构。特点是厚度方向尺寸大，纤维体积含量高达，整体性能好。织物钢针缝线钢针刺布叠层 纤维置换钢针 三、立体织物三、立体织物 3.4 3.4 新技术与新产品新技术与新产品 3.4.5 3.4.5 封顶编织技术封顶编织技术封顶编织技术是为提高截端体织物的前缘性能，利用机织结构织物成型工艺，将织物小端的经向纤维连续编织，形成一端封闭

26、的抛物面形状织物。突破了立体织物不能采用连续纤维编织光滑球形面的技术难题。用作导弹的天线罩、航天飞机鼻锥帽、机翼前缘等部件。封顶织物编织技术 球形面织物 三、立体织物三、立体织物 3.4 3.4 新技术与新产品新技术与新产品 3.4.6 3.4.6 中空织物中空织物中空织物是通过机织工艺在两层织物之间织入间距、高度不同的纤维，形成三明治结构状织物。经树脂复合，其整体性能好，具有高强、耐压、耐磨损、隔热、抗冲击和抗断裂性能优点，可满足填充、间隔、隔热及建筑材料等的要求。中空织物的树脂复合材料中空织物结构 三、立体织物三、立体织物 3.4.73.4.7 仿形织物仿形织物仿形织物是将空间曲面体按一定

27、的方法展开成近似平面，并通过织机连续织造获得，织物套模后可实现圆柱、圆锥、非对称椭圆等复杂型面的精确仿形。特点是仿形精度高，无皱褶、搭接、贴模性好，材质均匀，可保证复合材料的力学性能和电学性能，采用织物变厚度设计织造、多层叠合，可实现高精度变厚。上世纪80年代在航天、航空、航海用雷达、天线和声纳等罩壳中普遍应用。（美国亨丁顿织物结构公司、英国纤维材料公司及增强微波塑料分公司等）我国上世纪80年代初开始研制，现已开发出6种复杂形面壳体增强用仿形织物。BIRDING 3D virtually braided preform Yarn deformation under single side compression.三、立体织物三、立体织物 3.4 3.4 新技术与新产品新技术与新产品 3.4.8 3.4.8 理论研究理论研究三、立体织物三、立体织物 3.4 3.4 新技术与新产品新技术与新产品 3.4.8 3.4.8 理论研究理论研究总体趋势 更高性能 玻璃纤维新成份、织物新结构 研究开发 快速低成本采用新技术、新工艺、新装备 结构功能一体化 拓展应用领域谢谢 谢谢 各各 位！位！