Стекловолокно представляет собой волокна или нити, изготовленные из стекла или его производных, но благодаря сложному процессу производства приобретшее в конечном итоге уникальные свойства, нехарактерные для обычного стекла. Оно не разбивается при ударе, а легко гнется, при этом не деформируясь и не повреждаясь. Из материалов, производимых на его основе, изготавливаются различные изделия, успешно заменяющие традиционные привычные материалы, а сферой применения становятся области строительства, автомобилестроение, дорожные работы в другие направления. В статье речь пойдет о разновидностях стекловолокна.
Производство искусственного волокна и применение материалов на его основе представляет большой интерес как прогрессивное направление бизнеса. Оно занимает сегодня огромную часть отрасли стекольной промышленности с приличными капиталовложениями. Это говорит о том, что стекловолокно востребованный продукт среди ассортимента производимых товаров в современном мире.
Синтетическое стекловолокно может выпускаться из различного типа сырья, среди которых стекло, шлак, различные горные породы и минералы. Стекловолокно может быть произведено методом непрерывных нитей, или другим способом - в виде штапельного волокна.
Стекловолокно фото
Стекловолокно характеристики
Стекловолокно популярно и востребовано как материал благодаря своим замечательным свойствам, которые в значительной мере отличаются от исходного материала. Особое внимание стоит остановить на следующих характеристиках:
высокий уровень прочности, который превосходит прочность легированной стали. Диаметр нитей стекловолокна составляет 7-9 мк. Они произведены из магнийалюмосиликатного стекла и стекла, не содержащего щелочь, обладают самыми большими показателями прочности;
устойчивость к термической обработке. Структура эпоксидного стекловолокна сохраняется даже при сильном нагревании, в условиях, когда природные волокна органического происхождения уже полностью разрушаются;
придание дополнительной прочности в составе других материалов. В этом случае стекловолокно играет роль армирующей основы;
толерантность некоторых видов стекловолокон к химически и термически агрессивных средам - кислотам, горячей воде и воздействию пара высокого давления. Лучшими показателями обладают волокна кремнеземного, кварцевого и каолинового происхождения;
звукопоглощающие свойства. Шумоизолирующий эффект достигается благодаря оригинальному строению материала, в котором пространство, остающееся между волокнами, заполнено микроскопическими пузырьками воздуха;
теплоизолирующие свойства. Небольшая плотность и содержание воздуха среди волокон обеспечивают удержание тепла зимой и отсутствие нагрева летом;
негорючесть и экологичность. Стекловолокно не воспламеняется, не горит и не плавится, что делает его пожаробезопасным материалом и позволяет избежать токсичных веществ, которые выделяются при горении многих синтетических материалов;
способности сохранять первоначальную форму, прекрасно сопротивляться старению и противостоять деформации;
изменение свойств материала при намокании. В мокром виде теряет исходные свойства, а при высыхании восстанавливает их снова;
плохое отношение стекловолокна к изгибам и многочисленным истираниям. Обработка смолами и лаками меняет дело в положительную сторону;
экономичности транспортировки. Стекловолокнистая ткань тонкая, гибкая, но в то же время упругая. При необходимости перевозки ее можно сложить достаточно плотно и структура ткани не будет нарушена. Благодаря этому экономится место в транспорте, а значит, и расходы на транспортировку.
Свойства, которыми будет обладать готовое изделие, в конечном итоге зависят от способа изготовления продукта, химического состава сырья, воздействия факторов окружающей среды и толщины стекловолокна.
Материалы на основе стекловолокна
Само стекловолокно является лишь сырьем для производства различных продуктов - стеклонитей, ровингов и рубленого волокна, из которых впоследствии изготавливаются разные материалы строительного, электроизоляционного, производственного и конструкционного назначения.
Из непрерывных стекловолокнистых нитей получают:
стеклоткани, которые производятся таким же ткацким методом, что и обычное полотно — переплетением продольных и поперечных нитей между собой. В зависимости от вида переплетения — сатинового, полотняного, шашечного или саржевого, плотности и извивистости пряжи ткани отличаются между собой свойствами и назначением. Стеклоткани бывают электроизоляционные, строительные, конструкционные, кремнеземные и ровинговые. В зависимости от марки цена стекловолокна составляет 25-200руб/м2$
армированное стекловолокно и ленты, отличающиеся размером ячейки, видом и плотностью пропитки и предназначенные для дорожных или строительных наружных и внутренних отделочных работ;
пластиковое стекловолокно — композиты с разнообразными свойствами, которые задаются изначально в зависимости от условий эксплуатации. Они позволяют производить изделия любой сложности и конфигурации и поэтому именно стекловолокна в сочетании с полимерами получили самое широкое применение и распространение в самых различных сферах нашей жизни.
Из штапельных стекловолокнистых нитей и рубленых волокон можно купить стекловолокно следующего назначения:
утеплитель - стекловату и стекломаты;
стеклохолсты различной степени толстости, стеклопластики;
такое сырье используется и как компонент строительных растворов.
Каждый из этих материалов имеет свои присущие только ему особенности и индивидуальные характеристики, что предоставляет неограниченные возможности для широчайшего использования их во всех областях человеческой жизни.
Стекловолокно применение
Сегодня без изделий из стекловолокна не обходятся строительные, ремонтные и отделочные работы. Этот материал применяется также и при проведении дорожных работ. Широкое использование он получил в авто- и судостроении, в сфере производства товаров бытового, спортивного и медицинского назначения. А из-за превосходных диэлектрических свойств давно применяется в энергетической отрасли в качестве изоляционных материалов.
Применение стекловолокна в строительстве
Очень много продуктов из стекловолокна используется в строительстве. Одним из них является стеклопластиковая арматура, которая разрабатывалась как замена для стальной. Дело в том, что долгое время сталь являлась практически единственным материалом, у которого имелись необходимые для армирующего элемента свойства - исключительная прочность и долговечность. Альтернативы не было, а значит, приходилось мириться и с недостатками стали. Когда развитие технологий сделало возможным получение материалов с ранее недоступными свойствами, изменились и стандарты производства стройматериалов, в том числе и армирующих. На смену стальной пришла композитная стеклопластиковая арматура.
Она обладает прочностью и надежностью стали, но в то же время в несколько раз легче ее, не подвержена коррозии, устойчива к неблагоприятным воздействиям влаги, имеет низкую теплопроводность, не проводит электричество и полностью химически инертна. Все эти замечательные качества обеспечивают композиту самое широкое использование в самых различных случаях - для армирования фундаментов, бетонных конструкций и дорожного или авиационного полотна, крепления теплоизоляции, в виде армирующих сеток для несущего или облицовочного слоя при строительстве или ремонте зданий, для возведения осветительных опор, ограждений, канализационных и мелиоративных конструкций.
Еще одним изделием из стекловолокна является стеклофибра, которую добавляют в бетонный раствор в качестве скрепляющего элемента. Как известно, обычная бетонная смесь в процессе застывания подвержена усадке, в результате которой образуются микротрещины. Что является нежелательным, так как негативно влияет на качество бетона и его долговечность. Добавление в раствор фибры меняет дело. Когда свежий бетон начинает застывать, внутри раствора химические и физические процессы могут приводить к образованию дефектов. Волокна стекловолокна способны остановить прорастание микротрещин на ранних стадиях его твердения. В некоторых случаях такой состав позволяет обойтись без дополнительного армирования. Стеклофибру применяют для создания газобетонов, пенобетонов и ячеистых бетонов, в сухих смесях и штукатурках, стяжках и стеновых панелей для зданий и т. д. Полученная продукция выходит лучшего качества и с более высокими характеристиками.
Стекловолокно - прекрасный утеплитель. Чем хорошо пользуются в строительстве для теплоизоляции различных ненагруженных конструкций, внутри и снаружи зданий. Для наружных работ применяется в системе вентилируемых фасадов как самостоятельный элемент утепления или в составе сэндвич-панелей. Может использоваться как в рулонах, так и в матах. Внутренние работы включают в себя утепление кровли, чердачного помещения, теплоизоляцию стен и потолков, внутренних перегородок обычных и каркасных зданий. Стекловолоконными изделиями утепляют также различные подходящие к зданиям коммуникации — трубопроводы, системы канализации и вентиляции, отопления. Для этих целей в основном используют иглопробивные материалы. Обладающими паро- и теплоотражающими качествами фольгированными матами изолируют холодильные камеры, сауны и подобные помещения.
Ремонт и отделка помещений также не обходится без изделий из стекловолокна. Их главное назначение - создание армирующего слоя на поверхности при штукатурных работах. Таким образом, реставрация проходит успешно. Множество мелких трещин или одну крупную можно закрыть с помощью шпаклевки стекловолокна.
Кроме этого ее используют как армирующий элемент перед заливкой наливного пола, укладкой гидроизоляции, для укрепления соединений листов гипсокартона. Для более тонкой отделки поверхностей под покраску, при работе с гипсокартоном, для предупреждения появления мелких изъянов и получения идеальной картины в целом используется более изящный вариант армирующего материала - нетканый стеклохолст. Финишная отделка с применением стеклохолста дает всегда отличные результаты, качественное однородное покрытие без дефектов и изъянов. К тому же это еще и гарантия того, что идеальное состояние поверхности в ближайшее время не будет нарушено.
Еще одним отделочным материалом из стекловолокна являются стеклообои — прекрасное декоративное покрытие, но требующее большого количества краски из-за высоких впитывающих свойств. В отличие от обычных обоев, они выносливы, выдерживают механические нагрузки и воздействия химических сред.
Применение стекловолокна в дорожном и промышленном строительстве
Широкое распространение применение стекловолокна получило в промышленном и дорожном строительстве. Здесь оно незаменимо как скрепляющий компонент. Дорожное полотно с уложенной стеклопластиковой арматурой, при условии соблюдения технологии строительства, не растрескивается и не продавливается при нагрузках. Наличие в слоях покрытия дорог стеклосетки гарантирует увеличение производительности и срока их эксплуатации, снижает толщину асфальтного покрытия, предупреждает образование и распространение трещин и выбоин, увеличивает проходимость и долговечность дорог, позволяет увеличить сроки между ремонтами.
В гидротехническом строительстве без укрепляющих стекловолоконных сеток не обходится возведение плотин, набережных, мостов, подпорных стенок, ливневых коллекторов. Значительная часть канализационных емкостей (отстойников, фильтров, септиков) выполнена все из того же стеклопластика.
Из него изготавливаются сидения, устанавливаемые на стадионах, в аэропортах, авто- и ж/д вокзалах; оборудование остановок, бассейнов. Везде, где предусматривается большое скопление людей.
Применение стекловолокна в авто- и судостроение
Стеклоткань и композитный стеклопластик, благодаря малому весу и исключительной прочности, способности хорошо поддаваться механической обработке и окрашиванию, поэтому востребованы в автопромышленности и автоспорте. Из этих материалов производят различные части кузова - двери, крыши, крышки багажников, капоты. А также бампера, спойлеры, обвесы, рейлинги и внутренние детали салона. Стекловолокно применяют для придания дополнительной жесткости шинам, и в глушителях как звукоизоляционный материал.
В тюнинговых ателье изделия из стекловолокна используются для создания отделочных элементов благодаря способности легко копировать форму заготовки для воспроизведения необходимой детали. Простота в обработке, небольшая толщина, гибкость и пластичность материала позволяют изготавливать из него изделия разной степени сложности и формы.
Те же замечательные качества стекловолокна обеспечивают его применение в промышленном масштабе и в судостроительной отрасли. Корпуса моторных и весельных лодок, гоночных и крейсерных яхт, рыболовецких судов малой тоннажности, скутеров и катеров сегодня частично или полностью выполнены из этого материала. Стеклопластиковыми могут быть и другие части суден.
Лодка из стекловолокна видео
Другие способы применения стекловолокна
В зависимости от толщины стекловолокна из него производят различные товары народного потребления и другие изделия:
сантехнические детали - биотуалеты, септики, душевые кабинки, чаши бассейнов;
товары для спорта и отдыха - весла для гребли, лыжные палки, удочки и т. д.;
ящики и контейнеры для бытовых отходов твердого типа;
медицинские изделия, используемые в стоматологии - пломбы и несъемные протезы, ленты для шинирования зубов;
медицинские изделия, используемым в ортопедии - протезы, костыли, трости;
разнообразные виды трубок бытового назначения - антенны, держатели, флагштоки;
электротехнические изделия - индикаторы, предохранители, заземлители.
Это далеко не полный список перечислений всех мест, где может быть использованы изделия из стекловолокна. С каждым днем область их применения все больше расширяется, охватывая все новые и новые сферы нашей деятельности.
Широкое распространение и применение стекловолокна и изделий на его основе стало возможным благодаря достижениям современного производства, высоким технологиям в области химпромышленности, в частности полимеров и композитных материалов, и высоким требованиям к качеству конечного продукта. Стекловолокно - уникальный продукт, который как нельзя лучше отвечает реалиям времени и требуемым характеристикам и свойствам, присущим современным материалам. Поэтому такое его разностороннее применение совсем неудивительно.
Стеклянные волокна в зависимости от их назначения и способа производства изготавливают из стекол различного химического состава (таблица 15.1).
Комплексную нить получают главным образом из безщелочного алюмоборосиликатного стекла. Волокна, работающие при температурах около 1000°С, получают из кварцевого стекла, расплавов каолина и щелочесодержащих стекол, в которых после выщелачивания содержание SiO 2 достигает 96-97%. Комплексную нить, предназначенную для защиты от рентгеновских и радиоактивных излучений, получают из свинцово- и боросодержащих стекол. Полупроводящие волокна - из стекол, содержащих одновалентные оксиды меди и серебра.
Свойства стеклянных волокон зависят не только от состава стекла, но и от способа производства, диаметра нити, состояния и температуры окружающей среды.
Свойства стеклянных волокон во многом определяются их составом, воздействием окружающей среды (особенно влаги), температурой испытания, условиями текстильной переработки.
Для изготовления стеклопластиков конструкционного и электротехнического назначения широко применяются стеклянные волокна алюмоборосиликатного состава с низким содержанием оксидов щелочных элементов, обладающие одновременно высокой прочностью и высокими показателями объемного поверхностного электрического сопротивления (стекло Е). Для изготовления стеклопластиков и конструкций, где требуется повышенная прочность и жесткость, применяют волокна из стекла магнезиального алюмо-силикатного состава (стекло ВМ-1, ВМП, за рубежом - S-994). Для изготовления пластиков с повышенной стойкостью к действию кислот применяют щелочные составы (стекло 7А, С), для радиационной защиты - свинцовое стекло (состав L). Для изготовления высокотемпературной изоляции и пластиков теплозащитного назначения освоено производство тугоплавких волокон (кварцевых, кремнеземных, базальтовых).
Свойства наиболее широко применяемых стеклянных волокон приведены в таблице 15.3.
Таблица 15.3 – Свойства стеклянных волокон и стекол различного состава .
| Показатели | Алюмоборосиликатное Е | Известковонатриевое А | Магнезиальное алюмосиликатное высокопрочное | Щелочное кислотостойкое | С низкой диэлектриче-ской проницаемостью D | Свинцовое для радиа-ционной защиты L | Плавленый кварц | ||
| S-994 | BM-1 | C | 7A | ||||||
| Плотность, кг/м 3 стекла волокна | – | – | – | – | – | ||||
| Скорость звука в стекле, м/с | – | – | – | – | – | – | |||
| Коэффициент преломления стекла волокна | 1,547 1,542 | 1,518 1,516 | 1,523 – | – – | – – | 1,552 1,550 | 1,470 – | – – | 1,458 1,458 |
Продолжение таблицы 1.3
| Разрушающее напряжение при растяжении волокна, МПа | 3000– | 4650– | |||||||
| Модуль упругости при растяжении, ГПа стекла волокна | 73,5 | – | – | – | – | – 52,5 | – | 73,8 73,8 | |
| Относительное удлинение при разрыве волокна, % | 4,8 | 4,0 | 5,4 | 4,8 | – | 3,6 | 4,7 | – | – |
| Показатель поглощения в видимой части спектра, мм -1 | 0,012 | 0,02 | – | – | – | 0,13 | – | – | – |
| Удельная теплоемкость стекла, Дж/кг·К | – | – | – | – | |||||
| Коэффициент теплопроводности стекла, Вт/(м·К) | 0,9 | – | – | – | 1,05 | – | – | – | – |
| Коэффициент линейного термического расширения, × 10 –6 , ºС –1 (20–100ºС) стекла волокна | 6,0 5,0 | – – | 2,9 2,5 | – 3,6 | – – | 7,7 7,0 | 3,1 – | – – | 0,55 – |
| Диэлектрическая проницаемость стекла, ε при 10 2 Гц 10 6 Гц 10 10 Гц | 8,43 6,32 6,12 | – – – | 4,57 4,53 6,21 | – – – | 6,70 6,24 6,60 | – – – | 3,61 3,56 4,00 | – 9,49 – | 3,78 3,78 3,78 |
| Тангенс угла диэлектрических потерь стекла, tg δ при 10 2 Гц 10 6 Гц 10 10 Гц | 4,2 1,0-1,5 3,9-5,0 | – – – | 3,3 2,0 6,8 | – – – | 1,5 5,2 13,0 | – – – | 3,0 0,5 2,6 | – 0,7 – | – 0,15 0,15 |
| Удельное объемное электрическое сопротивление стекла, Ом·м при 10 2 Гц 10 6 Гц 10 10 Гц | 6,7·10 11 1,9·10 8 4,9·10 3 | – – – | 1,2·10 12 2,0·10 8 5,1·10 3 | – – – | 1,2·10 12 5,8·10 7 2,1·10 3 | – – – | 1,7·10 12 1,0·10 9 0,9·10 4 | – – – | 1·10 18 1·10 17 – |
| Температура размягчения стекла, ºС | – | – | – |
Чистый оксид кремния SiО 2 в стеклообразном состоянии (кварцевое стекло) прозрачен в диапазоне длин волн от 200 до 5000 нм, устойчив к действию минеральных кислот (кроме HF и Н 3 Р0 4 при нагревании), отличается радиационной стойкостью, термостойкостью, огнеупорностью (Т раб =1000°C - длительно и 1900°С - кратковременно), практически не имеет диэлектрических потерь в широком диапазоне частот. Для изготовления непрерывных кварцевых волокон применяется штабиковый способ - вытяжка волокон из кварцевых штабиков или трубок диаметром 3 - 4 мм, концы которых расплавляются пламенем газовых горелок (Т ~2150°С). Этот способ малопроизводительный и в значительной степени ограничивает применение кварцевых волокон.
Промышленные кварцевые волокна всегда содержат примеси других окислов, которые создают микронеоднородности и резко снижают прочность промышленных волокон по сравнению с чистыми волокнами или с теоретической прочностью кварца.
Кремнеземное или кварцоидное волокно изготавливают выщелачиванием стеклянных (натрий-силикатных, натрий-циркон-силикатных) волокон в растворах кислот до содержания оксида кремния 96 - 99%. Этот процесс сопровождается появлением пор, снижением прочности до 500 - 1000 МПа и ростом влагоемкости. Нагрев кремнеземных волокон приводит к их усадке (до 6%) и появлению остаточных напряжений. Кремнеземные волокна устойчивы к действию интенсивного гамма-нейтронного облучения и агрессивных сред - кислот и щелочей.
Боратные стекловолокна, основной компонент которых В 2 О 3 , способны эффективно поглощать медленные нейтроны.
Физико-механические свойства. Основными механическими характеристиками стеклянных волокон являются прочность при растяжении и модуль упругости. Высокая прочность стеклянных волокон заложена в самой природе стекла: теоретически рассчитанное разрушающее напряжение при растяжении стекла составляет 10 - 14 ГПа в случае многокомпонентных составов и 25 ГПа для плавленого кварца.
Прочность технических волокон лежит в пределах 1 - 6 ГПа и зависит, помимо их состава и условий вытяжки (температуры, влажности окружающей среды), от степени дефектности волокон (поверхностные микротрещины, внутренние пустоты и различные включения), взаимодействия поверхности волокна с влагой, структурной неоднородности (микрообъемы с несколько отличной структурой, плотностью, химическим составом), температурного воздействия. Прочность стеклянных волокон возрастает с увеличением содержания в них оксидов кремния и алюминия.
Наиболее высокой прочностью обладают стеклянные волокна в неповрежденной поверхностью, так называемые «нетронутые» волокна, прочность которых ниже теоретической из-за структурной неоднородности. Выпускаемые промышленностью стеклянные волокна, помимо структурной неоднородности, имеют механически и химически поврежденную поверхность. Прочность их зависит от числа и характера наиболее опасных поверхностных дефектов. Наличие дефектов поверхности приводит к снижению средней прочности стеклянных волокон и увеличению разброса показателей по сравнению с «нетронутыми» волокнами (таблица 15.4).
Таблица 15.4 – Прочность стеклянных волокон различного состава .
Различия в условиях изготовления, хранения и испытания предопределяют различия в степени дефектности и напряженном состоянии стеклянного волокна, что может привести к значительному разбросу показателей прочности волокон одного и того же состава.
Прочность стеклянных волокон в большой степени зависит от действия влаги, адсорбированной их поверхностью. Считают, что равновесное насыщение влагой происходит в течение нескольких секунд после его получения. Адсорбированная влага снижает поверхностную энергию волокон, вызывает набухание поверхностных слоев, увеличивая этим напряженность материала, приводит к развитию существующих и возникновению новых микротрещин, снижая прочность волокон. Прочность стеклянных волокон снижается тем больше, чем выше влажность среды, больше продолжительность действия влаги и напряжение в волокнах.
Удаление влаги с поверхности волокон способствует частичному восстановлению их прочности. Вакуумирование «нетронутых» волокон алюмоборосиликатного состава при остаточном давлении 0,15 - 1,0 мм рт. ст. в течение 120 мин приводит к увеличению прочности с 3500 МПа до 4060 МПа. Вакуумирование промышленных стеклянных волокон того же состава повышает их прочность с 2200 МПа до 3600 МПа, т.е. на 55%. Необходимо отметить, что поверхностная влага настолько прочно держится на поверхности стеклянного волокна, что даже длительным вакуумированием (до 70 суток при вакууме 0,001 - 0,05 мм рт. ст.) не достигается полная десорбция влаги.
На прочность стеклянных волокон сильно влияет температура. При низких температурах прочность возрастает (рисунок 15.2). Так, прочность в жидком азоте (при -196 °С) «нетронутых» волокон алюмоборосиликатного состава достигает 5,8 ГПа , натриевого состава - 9,8 ГПа, кварцевых волокон- 14 ГПа . В тех же условиях прочность промышленных волокон алюмоборосиликатного состава в жидком азоте (при – 196° С) увеличивается в 1,5 - 2 раза, достигая 4000 - 4500 МПа. Столь значительный рост прочности при низких температурах объясняют замораживанием влаги, адсорбированной поверхностью стекла.
□ - в азоте; ○ - в азоте после предварительной выдержки в вакууме;
Δ - в воздушной среде.
Рисунок 15.2 – Зависимость прочности «нетронутых» волокон алюмоборосиликатного состава (а) и кварцевых волокон (б) от температуры .
С повышением температуры прочность стеклянных волокон снижается с постепенно возрастающей скоростью. Интенсивность снижения прочности зависит от состава стекла и влажности воздуха. Термообработка без нагрузки снижает прочность стеклянных волокон как при нормальной (рисунок 15.3), так и при повышенной температуре, причем тем в большей степени, чем выше температура и продолжительность обработки.
1 - кварцевое; 2 - кремнеземное;
3 - бесщелочное алюмсборосиликатное; 4 - нзтрий-кальций-силикатное.
Рисунок 15.3 –Влияние температуры термообработки волокон различного состава на прочность при комнатной температуре .
Прочность алюмоборосиликатных волокон при 20°С уже заметно снижается, если волокно предварительно было нагрето до 100°С. Прочность волокон того же состава, выдержанных при 500 °С и охлажденных до 20 °С, уменьшается в два - три раза . Термообработка с одновременным растяжением приводит к увеличению прочности волокон тем в большей степени, чем больше напряжение и ниже начальная прочность волокон. Потеря прочности при термообработке является следствием кристаллизации и увеличения микродефектов в поверхностном слое волокон, удаление которого травлением приводит к восстановлению прочности (рисунок 15.4).
○ - исходное волокно; ● - термообработанное;
□ - травленое после термообработки.
Рисунок 15.4 – Изменение прочности волокон щелочного состава (начальный диаметр 17 мкм) после травления плавиковой кислотой и многократной термообработки (500ºС, 1 ч) в зависимости от толщины снятого слоя .
При длительном статическом нагружении стеклянных волокон на воздухе их прочность снижается - проявляется статическая усталость волокон. Поскольку в инертной среде и при низких температурах (–170°С) статическая усталость не наблюдается, считают, что она обусловлена влиянием влаги и двуокиси углерода, ускоряющих рост существующих дефектов. Увеличение усталости при знакопеременных нагрузках для стекла не характерно.
При комнатной температуре, нормальной влажности (~50- 55%) и кратковременном нагружении стеклянное волокно ведет себя вплоть до разрыва как идеально упругое тело, подчиняясь закону Гука. Модуль упругости, как и другие показатели упругих свойств стекловолокон, зависят от их состава. Зависимость модуля упругости от состава проявляется в снижении его значения с повышением температуры получения волокон, скорости охлаждения, условий дополнительной термообработки (рисунок 15.5). С повышением температуры испытания модуль упругости стекловолокон уменьшается незначительно вплоть до температуры размягчения (рисунок 15.6). Модуль упругости стекловолокон повышают вводя в состав стекломассы оксидов магния, бериллия, титана, циркония, меди .
1- бесщелочное медьсодержащее; 2 – стекло YM-31А; 3 - стекло CYZ 7 13Li;
4 - бесщелочное алюмоборосиликатное; 5,6,7 – стекло Е.
Рисунок 15.5 – Зависимость модуля упругости стекловолокон от температуры
термообработки .
1 - стекло YM-31А, термообработанное при 500 0 С; 2 – стекло Е, термообработанное при 500 0 С; 3,4 – алюмоборосиликатное; 5 – кальций-натриевое; 6 – щелочное; 7 – свинцовое.
Рисунок 15.6 – Изменение модуля упругости стекловолокон
при нагревании .
Химическая стойкость. Н аибольшей химической стойкостью обладают волокна из С-стекла. Очень низкой кислотостойкостью отличаются волокна из Е-стекла. С уменьшением диаметра волокон их стойкость к действию любой агрессивной среды резко снижается вследствие увеличения поверхности контакта со средой .
Теплофизические свойства. В процессе стекловарения в верхней части стеклоплавильной печи не зависимо от состава стекол и их температуры плавления обычно поддерживается температура около 1540 °С. Только при получении стекол специального назначения и применении нестандартного плавильного оборудования могут использоваться другие условия и температура. Для определения и сравнения скорости твердения стекол различного состава при их охлаждении от температуры расплава используются кривые вязкость-температура. Такие кривые могут быть получены различными способами. Все температурные константы стекол (температуры размягчения, отжига и деформационной теплостойкости) характеризуются вполне определенной вязкостью и могут быть найдены по температурным зависимостям вязкости. Наиболее важным показателем, характеризующим способность стекла к затвердеванию, является температура его размягчения. Наряду с плотностью она широко применяется в качестве контролируемого параметра при использовании в процессе производства волокон различных партий стекла. Для получения волокон постоянного диаметра необходимо, чтобы партии стекла имели одну и ту же температуру размягчения. Стекла с повышенным содержанием оксида алюминия (глинозема), например Е- и S-стекла, имеют наиболее высокие температуры размягчения.
Основной вклад в термическое расширение композиционных материалов на основе стекловолокнистых наполнителей вносит полимерное связующее. Термическое расширение стеклянных волокон существенно сказывается только в материалах с однонаправленной ориентацией волокон. Значения термических коэффициентов линейного расширения стеклянных волокон различного состава, приведенные в таблице 1.3, показывают наибольшее влияние оксидов бора и кремния в стекле на его термическое расширение .
Оптические свойства. Сочетание стекловолокнистых наполнителей и полимерных связующих с близкими показателями преломления дает возможность получать оптически прозрачные стеклопластики. Очевидно, что при использовании волокон из D-стекла (показатель преломления 1,47) и полиэфирной матрицы (показатель преломления 1,55) нельзя получить материал с такой же высокой светопроницаемостью, как при использовании волокон из Е-стекла (показатель преломления 1,547) и той же матрицы. Очевидно, также что существенную роль при получении прозрачных стеклопластиков должна играть поверхностная обработка волокон. Показано, что в этом случае наиболее целесообразно применение хорошо растворимых (совместимых со связующим) аппретов.
Стеклянные волокна, предназначенные для изготовления стеклопластиков с высоким светопропусканием, обычно получают из стекол с минимальным содержанием оксида железа, придающего стеклам зеленоватый оттенок. Для этого кремнезем и глинозем, входящие в состав шихты, используемой при получении стекол, подвергают обработке соляной кислотой. Вследствие сведения к минимуму содержания оксида железа в стекле удается получать бесцветные высокопрозрачные стеклопластики.
Для получения стекол с высокой прозрачностью и блеском в их состав обычно вводят оксиды свинца (РbО) и калия (К 2 O), Такие стекла давно и широко используемые в производстве хрустальных изделий, нашли в настоящее время применение в производстве волокон для световодов. Использование таких волокон в оптике дает возможность осуществлять передачу световой энергии по криволинейной траектории и увеличивать разрешающую способность оптических приборов. Волоконная оптика дала мощный толчок развитию техники связи, увеличив скорость приема сигналов в десятки раз, а также фото- и кинотехники, медицинской диагностической аппаратуры и др.
Электрические свойства. По своей природе стекла являются хорошими электроизоляторами. Благодаря высоким электроизоляционным характеристикам стеклопластики широко применяются в производстве электротехнических изделий - изоляторов, переключателей, распределительных щитов и др. Первоначально в производстве стеклопластиков электротехнического назначения использовали волокна из Е-стекла. Впоследствии они были заменены волокнами из D-стекла, электрические свойства которого намного лучше, чем у Е-стекла (см. таблицу 1.2). Как отмечалось ранее, эксплуатационные свойства стеклопластиков электротехнического назначения могут быть значительно улучшены введением в состав связующего дисперсного наполнителя с высокими электрическими показателями.
Низкая прочность адгезионного сцепления полимерного связующего с волокнистым наполнителем, наличие трещин и пор на границе раздела фаз обусловливают ухудшение электрических свойств стеклопластиков при их эксплуатации при повышенных температурах и влажности. При этом показатели прочности стеклопластиков снижаются в меньшей степени (на 25-30%). При этом, стеклопластики, получаемые прессованием при высоких давлениях и обладающие меньшей пористостью и более высокой плотностью упаковки наполнителя, характеризуются значительно более стабильными электрическими свойствами .
Все стеклянные волокна условно можно разделить на два больших класса: дешевые волокна общего применения и дорогостоящие волокна специального применения. Почти 90 % всех стеклянных волокон, которые выпускаются сегодня в мире это стекловолокно марки Е. Подробно требования к таким волокнам изложены, например, в стандарте ASTM D578-98. Остальные 10% процентов – это волокна специального назначения. Большинство марок стекловолокна получили свое название благодаря своим специфическим свойствам:
‐ – низкой электрической проводимости;
‐ – высокой прочности;
‐ – высокая щелочестойкость;
‐ – низкая диэлектрическая проницаемость;
- - значительная термическая стойкость;
‐ C (chemical)
– высокой химической стойкости;
‐ M (modulus)
– высокой упругости;
‐ А (alkali)
–высокое содержание щелочных металлов, известково-натриевое стекло.
Для электрической изоляции применяется только бесщелочное (или малощелочное) алюмосиликатное или алюмоборосиликатное стекловолокно. Для конструкционных стеклопластиков, как правило, используют бесщелочное магнийалюмосиликатное или алюмоборосиликатное стекловолокно. Для стеклопластиков неответственного назначения можно употреблять и щелочесодержащее стекловолокно.
Механические характеристики стекловолокон напрямую зависят от метода производства, химического состава стекла, температуры и окружающей среды. Самую большую прочность имеют непрерывные стекловолокна из бесщелочного и кварцевого магнийалюмосиликатного стекла. Повышенное содержание щелочей в исходном стекле значительно снижает прочность стекловолокон.
Тип волокна | Состав, масс. % |
||||||||||||
SiO2 | B2O3 | Al2O3 | CaO | MgO | ZnO | TiO2 | ZrO2 | Na2O | K2O | Li2O | Fe2O3 | F2 |
|
E (с бором) | 52-56 | 12-15 | 21-23 | 0,4-4 | 0,2-0,5 | 0-0,2 | 0,2-0,5 | 0,2-0,7 |
|||||
E | 59-60 | 12-13 | 22-23 | 0,5-1,5 | 0,6-0,9 | 0-0,2 | |||||||
S | 60-65,5 | 23-35 | 6-11 | 0-0,1 | 0-0,1 | ||||||||
AR | 58,3-60,6 | 0-2,8 | 18,1-21,2 | 13,0-14,1 | 0-2,8 | ||||||||
ECR | 58,2 | 11,6 | 21,7 | ||||||||||
D | 72-75 | 21-24 | 0,5-0,6 | ||||||||||
Кварц | 99,5-99,9 | ||||||||||||
Базальт | 47,5-55,0 | 14,0-20,0 | 7,0-11,0 | 3,0-8,5 | 0,3-2 | 2,5-7,5 | 2,5-7,5 | 7,0-13,5 | |||||
Таблица 1. Химический состав некоторых стекол для получения непрерывного волокна.
Свойство | Тип волокна |
|||||||
Е (с бором) | Е (без бора) | S | AR | ECR | D | Кварц | Базальт |
|
Температура формования, °С | 1160-1196 | 1260 | 1565 | 1260-1300 | 1213-1235 | 2300 | 1350-1450 |
|
Температура размягчения, °С | 830-860 | 1056 | 1100-1200 |
|||||
Температура плавления, °С | 1066-1077 | 1200 | 1500 | 1180-1200 | 1159-1166 | 1670 | 1200-1300 |
|
Плотность, г/см 3 | 2,54-2,55 | 2,62 | 2,48,2,49 | 2,6-2,7 | 2,66-2,68 | 2,16 | 2,15 | 2,67 |
Коэффициент линейного | 4,9-6 | 0,54 | ||||||
Диэлектрическая постоянная (20 С, 1 МГц), Ф/м | 5,86-6,6 | 4,53-4,6 | 3,56-3,62 | 3,78 | ||||
Прочность, МПа | 3100-3500 | 3100-3500 | 4380-4590 | 3100-3500 | 3100-3500 | 2410 | 3400 | 2700-3500 |
Модуль упругости, ГПа | 76-78 | 80-81 | 88-91 | 72-74 | 80-81 | 70-90 |
||
Удлинение до разрыва, % | 4,5-4,9 | 4,5-4,9 | 2-2,4 | 4,5-4,9 | ||||
Таблица 2. Физико-механические свойства некоторых марок стеклянного волокна.
Стекло E
Химический состав
На сегодняшний день в мире выпускается 2 типа стекловолокна марки E. В большинстве случаев E-стекло содержит 5-6 масс. % оксида бора. Современные экологические нормы в США и Европе запрещают выброс бора в атмосферу. В то же время известно, что в процессе стеклообразования, а также в последующих процессах стекловарения происходит обеднение стекломассы некоторыми компонентами за счет их улетучивания. Из компонентов шихты наибольшей летучестью обладают борная кислота и ее соли, оксид свинца, оксид сурьмы, селен и некоторые его соединения, а также хлориды. Летучесть, рассчитанная на 1% содержания оксида в обычных стеклах, составляет для отдельных оксидов в масс. %: Na2O (из Na2CO3) – 0.03, К2О (из K2CO3) – 0.12, В2О3 – 0.15, ZnO – 0.04, РbО – 0.14, CaF2 – до 0.5. Таким образом, современные предприятия вынуждены устанавливать у себя дорогие системы фильтрации.
В качестве альтернативы возможно получение Е-стекол, не содержащих бора на основе системы SiO 2 –Al 2 O 3 –CaO–MgO.
Коммерческое стекловолокно марки Е получают на основе системы SiO 2 –Al 2 O 3 –CaO–MgO–B 2 O 3 или системы SiO 2 –Al 2 O 3 –CaO–B 2 O 3 . Продукты, полученные на основе последней системы, как правило, все-таки содержат небольшое количество оксида магния (до 0,6 масс. %), что связано с особенностями сырья, которое использую для получения стекол.
Важно отметить, что точный состав стекловолокна Е может отличаться друг от друга не только для разных производителей, но даже и для разных заводов одной компании. Это обусловлено прежде всего географическим расположением предприятия и, как следствие, доступностью сырья. Кроме того на разных предприятиях осуществляется разный контроль за технологическим процессом и методы его оптимизации.
Состав борсодержащего стекловолокна и стекловолокна без оксида бора значительно отличается друг от друга. Содержание оксида кремния в борсодержащих стеклах марки Е составляет 52-56 %. Для стекловолокна без оксида бора содержание оксида кремния несколько выше и лежит в интервале 59-61 %. Содержание оксида алюминия для обоих типов стекла Е близко и составляет 12-15 %. Содержание оксида кальция также отличается незначительно – 21-23 %. Содержание оксида магния в стекле варьируется в широких пределах. Для стекол, полученных на основе тройных систем, оно составляет менее 1%, и является следствием неоднородности сырья. В случае если в состав шихты входит доломит содержание оксида магния может достигать 3,5 %.Отличительной особенностью Е-стекол, не содержащих бор, является повышенное содержание в них оксида титана – от 0,5 до 1,5 %, в то время как в классическом Е стекле его содержание находится в пределах 0,4-0,6 %.
Особенности получения
Температура получения волокон из борсодержащего Е-стекла составляет 1140-1185 °С. Температура плавления составляет 1050-1064ы плавления. В отличие от своего экологически чистого аналога борсодержащие волокна из Е-стекла имеют более низкую на 110 °С температуру получения, которая составляет 1250-1264 °С, а температуру плавления 1146-1180 °С. Температуры размягчения для волокон на основе борсодержащих Е-стекол и Е-стекол без оксида бора составляют 830-860 °С и около 916 °С соответственно. Более высокая температура получения экологически чистых стеклянных волокон на основе Е-стекла приводит к росту потребления энергоресурсов для их получения, и, как следствие, увеличению стоимости.
Свойства
Механические свойства обоих видов волокон на основе Е-стекла почти одинаковы. Прочность на разрыв составляет 3100-3800 МПа. Однако модуль упругости у волокон без оксида бора несколько выше (80-81 ГПа), чем у обычных волокон (76-78 ГПа). Основным отличием стекловолокна марки Е без бора является более чем в 7 раз большая кислотостойкость (выдержка при комнатной температуре в течение 24 часов в 10% растворе серной кислоты). По своей кислотостойкости эти волокна приближаются к химически стойким волокнам на основе ECR стекла.
Плотность борсодержащих стеклянных волокон несколько ниже (2,55 г/см 3) по сравнению со своим экологически чистым аналогом (2,62 г/см 3). Плотность Е-стекла выше, чем у стекол других типов (за исключением ECR стекла).
С увеличением содержания бора в таких стеклах уменьшается коэффициент преломления и коэффициент линейного расширения. Не содержащие бор Е-стекла имеют более высокую диэлектрическую постоянную, которая при комнатной температуре и частоте 1 МГц составляет 7. Поэтому борсодержащие волокна чаще используют при производстве электронных плат и в аэрокосмической промышленности. В широком производстве композитов эта разница не имеет такого критического значения.
Стекло S
Впервые химический состав стекла под маркой S-glass был запатентован компанией Owens Corning в 1968 (патент 3402055). В состав этого стекла входило 55-79,9 % SiO 2 , 12,6-32 % Al 2 O 3 , 4-20 % MgO. Создание стекловолокна марки S было вызвано бурным развитием композиционных материалов в США в то время и, как следствие, необходимостью созданию стекловолокна с высокими прочностью и модулем упругости. В настоящее время стекло под этой маркой получают на основе систем SiO 2 -Al 2 O 3 -MgO или SiO 2 -A 2 O 3 -MgO-CaO. В исключительных случаях в S-стекло добавляют BeO 2 , TiO 2 , ZrO 2 .
Особенности получения
Благодаря высокому содержанию тугоплавких оксидов S-стекло имеет очень высокую температуру размягчения 1015-1050 °С. Соответственно высокими являются и температура получения волокон – около 1200 °С, что сопоставимо со стекловолокном марки AR.
Свойства
Стекловолокно марки S обладает рекордными значениями прочности и модуля упругости для данного класса материалов. Лучшая продукция из S-стекла ничем не уступает по своему качеству углеродному волокну и также как и последнее применяется в основном в аэрокосмической области. Прочность волокон при комнатной температуре составляет 4500-4800 МПа, модуль упругости – 86-87 ГПа, прочность лучших образцов волокна марки ВМП – до 7000 МПа.
Стекло AR
Химический состав
В начале 70-х годов английская фирма «Pilkington Brothers» разработала и стала выпускать в промышленных масштабах высоко-циркониевое стеклянное волокно Cemfil для армирования цемента. Впоследствии эта марка перешла компании Saint-gobain, в настоящее время основным производителем стекловолокна на основе стекла AR является компания OwensConing и японскаякомпания Nippon electric glass. Щелочестойкие стекла выпускают на основе системы ZrO 2 -SiO 2 -Na 2 O. Содержание дорогого оксида циркония в них варьируется в пределах 15-23 %. Поскольку температура плавления чистого оксида циркония достаточно высока (2715 С), в стекло добавляют значительное количество щелочных металлов, чаще всего Na2O 18-21 %.
Особенности получения
Тугоплавкие составы значительно усложняют технологию производства волокна, кроме того, цирконий-содержащее сырье дефицитно и дорого для изготовления массовой продукции. Поэтому вопрос совершенствования составов стекол для армирования цемента продолжает оставаться актуальным. Температура получения волокон из AR-стекла составляет 1280-1320 °С, температура плавления – 1180-1200 °С.
Свойства
Прочность на разрыв волокон на основе AR-стекла довольно низка и составляет около 1500-1700 МПа. Модуль упругости 72-74 ГПа. Такие волокна самые тяжелые среди всех видов стекловолокна, их плотность составляет около 2,7 г/см3.
Поскольку основной областью применения волокон на основе AR-стекла является армирование цементов и бетонов, то основной характеристикой таких волокон является их устойчивость в щелочной среде. Потеря массы после кипячения в насыщенном растворе NaOH для волокон на основе AR-стекла составляет 2-3 %. Для сравнения эта же характеристика для базальтовых волокон составляет 6-7 %.
Стекло ECR
Химический состав
Впервые стекловолокно под маркой ECR-glass (в некоторых источниках оно указано как химически стойкое Е-стекло) стали выпускать в 1974 г. Это стекло имеет в своем составе до 3 % TiO2 и до 3 % ZnO. Совершенно некорректно называть это стекло разновидностью Е- стекла, поскольку, согласно требованиям международных стандартов, Е-стекло вообще не должно содержать оксида циркония, и к тому же содержание TiO2 в ECR стеклах превышает положенные 1,5 %. Стекловолокно на основе ECR стекла не содержит в своем составе оксида бора, что положительно сказывается на экологичности производства. Зачастую в состав стекловолокна ECR вводят до 3 % Li2O.
Особенности получения
Оксид титана является плавнем, его значительное содержание приводит к заметному уменьшению вязкости стекла и, как следствие, температуры получения волокон. Оксид циркония положительно влияет на химическую стойкость стекла. Температура формования волокон на основе ECR стекла составляет около 1218 °С, что меньше, чем у стекловолокна на основе Е-стекла. В то же время для стекол с высоким содержанием оксида лития температура получения волокон выше, чем у стекловолокна Е и составляет около 1235 °С. Фактически это означает, что оксид цинка является более эффективным плавнем, чем оксид бора, к тому же более экологичен и придает дополнительно полезные свойства стекловолокну.
Свойства
Стекловолокно ECR было разработано специально для использования в агрессивных средах, например устойчивость в кислых средах в 4-5 раз выше. При этом прочность этих волокон остается на уровне стекловолокна Е и составляет порядка 2800-3000 МПа, модуль упругости около 80-83 ГПа. Несмотря на то, что плавление и выработка волокна из ECR проводят при более низких температурах его стоимость превышает стоимость стекловолокна Е из-за наличия дорогих компонентов.
Стекло D
В настоящее время волокна из D-стекла являются больше экзотикой, чем реальным продуктом на рынке стекловолокна, поскольку многие производители плат предпочитают использовать вместо них альтернативные виды стекловолокна. Например, сверхчистые кварцевые волокна, полые волокна из Е-стекла также обладают более низкими диэлектрическими характеристиками, чем широко распространенное стекловолокно Е. Однако, у кварцевых волокон меньше модуль упругости, что важно при изготовлении печатных плат, а полые волокна теряют свои диэлектрические свойства в условиях высокой влажности.
Химический состав
Зачастую в электронной промышленности требуются материалы с очень низкими показателями диэлектрической проницаемости. Электрические свойства волокон определяются такими свойствами как удельное объемное сопротивление, поверхностная проводимость, диэлектрическая постоянная и тангенс угла диэлектрических потерь. В большинстве случаев при производстве плат в качестве армирующего наполнителя используют Е-стекло, однако уменьшение размеров печатных плат предъявляет повышенные требования к стекловолокну. Для решения этой проблемы было разработаны составы стекол марки D. Такие стекла и волокна получают на основе системы SiO2-B2O3-R2O. Содержание в стеклах с низкими диэлектрическими характеристиками оксида кремния достигает 74-75 %, оксида бора – до 20-26 %. Для уменьшения температуры выработки в эту систему добавляют оксиды щелочных металлов (до 3%). Иногда оксид кремния частично замещают на оксид алюминия (до 15 %).
Свойства
Высокое содержание оксида бора приводит к значительному снижению в D-стеклах диэлектрической постоянной и тангенса угла диэлектрических потерь по сравнению с Е- стеклом.
Особенности получения
Из-за высокой стоимости волокна из D-стекла в настоящее время получают только мелкосерийными партиями. Кроме того, высокое содержание в них оксида бора делает их процесс изготовления очень трудным, что связано с высокой летучестью этого компонента в процессе плавления шихты. Температура размягчения D-стекол составляет 770 °С.
Кварцевое стекло
Кварцевые волокна используют в тех случаях, когда требуется значительная термическая стойкость. Кварцевые волокна с содержанием SiO2 менее 95 % (как правило их называют кремнеземные волокна) получают путем путем кислотной обработки волокна алюмоборосиликатного состава, широко применяемого для изготовления бесщелочного волокна, и из силиката натрия с различными добавками. Кремнеземные волокна, полученные выщелачиванием волокон из горных пород, не уступают кремнеземным волокнам, выпускаемым промышленностью. Температура применения кремнеземных волокон 1200 °С.
Сверхчистые кварцевые волокна (содержание SiO2 более 99 %) получают методом сухого формования из водного раствора жидкого стекла. Такие волокна выпускаются под торговой маркой Silfa и используются для теплозащиты. В СССР кварцевые волокна получали по штабиковому способу: вытягиванием нити из капли разогретого конца штабика или путем раздува образующейся капли ацителено-кислородным или кислородно- водородным пламенем. Производство кварцевого волокна может также осуществляться в два приема: получение волокон диаметром 100-200 мк, а затем их раздув потоком раскаленных газов. Волокна собираются на конвейере и формуются либо в виде матов, либо в виде ровницы. Температура плавления таких волокон 1750 °С. При Т = 1450-1500 °С происходит спекание (деформация в твердой фазе), но без размягчения. В условиях длительной эксплуатации и теплосмен, изделия из кварцевого волокна являются стойкими до Т = 1200°С, выше которой у них снижается прочность вследствие кристаллизации.. В настоящее время такие волокна выпускаются под маркой quartztel и astroquartz.
Свойства
Сверхчистые кварцевые волокна в основном применяются в аэрокосмической промышленности в тех областях, где требуется высокаятермостойкость. Сочетая высокую термическую стойкость, прочность и радиопрозрачность для ультрафиолетового излучения и излучения с большей длиной волны такие волокна используют для производства обтекателей самолетов.
Использованы материалы из учебного пособия "Стеклянные волокна". С.И. Гутников, Б.И. Лазоряк, Селезнев А.Н.
Прочность моноволокна £-стекла и S-стекла равна 3,4 и 4,5 ГПа соответственно. Стандартное отклонение примерно ±10 %. Приведенные значения являются усредненным результатом большого числа отдельных измерений. Распределение значений прочности в этих измерениях обычно подчиняется гистограмме (рис. 16.1), составленной фирмой «Оуэнз-Корнинг файбергласс». Полученные значения охватывают диапазон от близких к нулю (на нижнем участке гистограммы) до приближающихся к теоретически предельным- 10,3 ... 13,8 ГПа (на верхнем участке). Причиной такого широкого разброса являются наличие дефектов в волокнах и воздействие на них различных факторов окружающей среды . Основным таким фактором является влажность. Атмосферная влага воздействует на дефектные места в волокне, особенно когда оно находится в напряженном состоянии, что приводит к росту
Трещин и окончательному разрушению волокна. Этот механизм коррозии под напряжением проявляется как при оценке статической усталости, так и при растяжении. Трещины в волокне развиваются из больших поверхностных дефектов, возникающих в процессе вытяжки или при последующем получении ровингов из волокон, а также из сравнительно небольших изъязвлений поверхности, которые могли образоваться при вытяжке или развиться под действием коррозии под нагрузкой или без нее. В стекловолокне, кроме того, могут быть внутренние раковины.
Результаты испытаний на растяжение стренг или пучков волокна примерно на 20 % ниже, чем средние значения для моноволокна. После разрыва отдельных волокон в пучке на оставшиеся волокна приходится большая нагрузка. В результате этого итоговая прочность снижается. Фактически прочность стренги может быть рассчитана с высокой точностью по кривой распределения прочности моноволокна. Неодинаковое натяжение волокон внутри деформируемой стренги дает аналогичный прогрессирующий эффект разрушения.
По данным фирм, выпускающих стекловолокно, ровинги с большим числом отдельных концов (одиночных нитей), но обычно не более 60, имеют примерно такую же удельную прочность, что и ровинги с единым концом (в виде жгута). Такой вывод основан на предположении, что при соединении отдельных стренг в ровинг дисперсии механических свойств существенно не возрастают.
Диаметр моноволокон - еще один параметр, влияющий на их предел прочности при растяжении. В опытах, проведенных в жестко контролируемых условиях, было показано, что прочность моноволокна не уменьшается при увеличении диаметра до максимальных для промышленного волокна размеров. Однако для практических целей совершенно очевидно, что прочность волокон большого диаметра ниже, чем у волокон с меньшим диаметром. Допустимые значения прочности регламентируются военными техническими условиями і?-60346 на применяемый для намотки ровинг. Минимальное значение для ровинга из волокон £-стекла с диаметром G (0,09 ... 0,010 мм) составляет 1,93 ГПа. Для волокон большего диаметра, т. е. до калибра Т (0,023 ... 0,024 мм), максимально допустимое значение предела прочности при растяжении 1,38 ГПа.
Прочность волокна зависит также от метода испытания отвержденных композитов. При сохранении волокон в выпрямленном состоянии и их равномерном нагружении прочность однонаправленных композитов не ниже или даже выше прочности нитей. При испытании волокон по методу «кольцо NOL» их прочность может достигать 2,76 ... 3,1 ГПа. С другой стороны, при более толстой намотке изделий большего размера максимальная прочность не превышает 2,07 ГПа. Значения прочности для таких конструкций ниже по ряду причин: повреждение волокон при намотке; нарушение центровки или плохая коллимация; неравно - 202
мерное натяжение слоев при намотке; изменение напряжения при переходе от внутренних слоев к наружным; появление случайных локальных напряжений.
Общий вывод заключается в том, что при определении прочности материала для расчета конструкций следует испытывать композит, а не само волокно. Сравнение с данными, полученными при испытании стренг, свидетельствует об эффективности метода их получения. Для определения истинного напряжения волокна в момент разрушения требуется детальный анализ напряжений.
Все большую популярность в современном строительстве приобретают инновационные Что представляет собой стекловолокно для авто и почему оно получило такое широкое распространение? Эти вопросы достаточно актуальны в настоящее время.
Современный композит представляет собой материал, который состоит из целого ряда компонентов. Проще говоря, он является не монолитным веществом, а смесью самых разнообразных элементов. Композит состоит из матрицы, представляющей собой пластичную основу, наполненную слоями большого количества материалов.
Какое преимущество имеет стекловолокно для авто перед всеми остальными современными материалами? Прежде всего, оно является очень прочным и жестким, но вместе с этим довольно легким и эластичным материалом. Стекловолокно количественно и качественно превосходит каждый из компонентов. Если композиты применить в автомобильной отрасли, то конструкция приобретет прекрасные механические свойства, и это ни в коем случае не отразится на ее весе.
Стекловолокно и эпоксидная смола
При объединении вышеуказанных компонентов получается один из лучших современных композитов - стеклопластик. В настоящее время это наиболее популярный и распространенный материал, который применяют в автомобильных системах.
Некоторое время назад большинство самых разнообразных деталей изготавливали из металла или пластмассы. Но, как показывает практика, проверки временем и критики не выдержал ни тот, ни другой материал. Любые изделия, изготовленные из металла, отличались довольно большим весом и часто выходили из строя вследствие возникновения коррозионных процессов, а вот кузов из стекловолокна зарекомендовал себя только с положительной стороны, даже при длительном использовании полностью исключается появление ржавчины.
Что касается пластмассы, то она, наоборот, слишком ломкая, хрупкая и не способна выдерживать значительные нагрузки, но характеризуется небольшим весом. Открытие стеклопластика все кардинально изменило.
Внутреннее строение стеклопластика
Современный материал стеклопластик представляет собой эпоксидное стекловолокно, основой которого является наполнитель из ткани, обработанный смолой. Каркас материала создает именно волокно, отвечающее также за уровень качества детали, изготовленной из стеклопластика. Основными критериями этого вещества являются степень стойкости при изгибе или разрыве и уровень прочности.
Эпоксидная смола является связующим компонентом. Именно она определяет эксплуатационные свойства стеклопластика, например, антикоррозионную стойкость, теплопроводность, упругость и диэлектрические показатели. Стекловолокно и эпоксидная смола образуют уникальную структуру, которая позволяет иметь столько преимуществ перед всеми остальными материалами.
Технология производства эпоксидного стекловолокна
Промышленное производство стеклопластика осуществляется либо в одну, либо в две стадии. При проведении технологического процесса стекловолокно вытягивается непосредственно из расплавленной стеклянной массы. Если же производство материала проводится в два этапа, то сначала делаются небольшие части оплавленного стекла или же своеобразные стеклянные шарики. Они расплавляются, после чего к полученной стеклоткани добавляется смола. Благодаря данной технологии бампер из стекловолокна получается намного прочнее, чем из пластмассы.
Преимущества материала
Стекловолокно имеет довольно много важных преимуществ перед всеми остальными аналогичными материалами. Рассмотрим их:
- влагонепроницаемость;
- небольшой вес;
- простота укладки;
- стойкость к воздействию окружающей среды;
- стоимость (выбирая стекловолокно, цена которого - около 100 руб. за 1 кв. метр, вы значительно удешевляет ;
- высокий уровень теплоизоляции;
- продолжительный срок эксплуатации - до 50 лет;
- низкая степень теплопроводности;
- быстрота монтажа.
Стекловолокно широко используется в разных сферах. Тем не менее, основное применение этот материал нашел в автомобильных системах. Здесь из него производят кузов, бампер и другие детали.
Технология ремонтных работ
Стекловолокно для авто - наиболее подходящий материал, особенно если необходимо выполнить ремонт кузова. Для этой работы главное - в точности соблюдать технологию.
- Кузов необходимо очистить от краски, для этого можно воспользоваться специальной смывкой.
- После этого вырезается кусок стекловолокна, размеры которого должны соответствовать поврежденному месту.
- Следующим этапом будет подготовка эпоксидной смолы. Надо подобрать специальную емкость, добавить отвердитель и хорошо перемешать.
- Поврежденное место на кузове обрабатывают смолой.
- После этого наклеивают стекловолокно и опять покрывают смолой. Этот процесс очень длительный, так как необходимо тщательно обработать всю поверхность.
- Последний штрих - финишная пропитка смолой с помощью валика хаотичными движениями.
Возможности стекловолокна
Многие водители предпочитают самостоятельно экспериментировать со стекловолокном, изготавливая из него новые детали. Однако сформировать его достаточно сложно. Для этого рекомендуется использовать стекломаты. Такой процесс не потребует больших вложений. Стекловолокно (цена, повторимся, - от 100 рублей) чаще всего обрабатывают гелькоутом, стоимость которого не превышает 400 р. за один килограмм. Наносят его кисточкой или краскопультом, и после этого формируют необходимую плоскость.
Почему стекловолокно?
В настоящее время большинство производителей предлагает потребителям стекловолокно для авто разных марок, исходя из их функционального назначения. На современном строительном рынке данный материал составляет достойную конкуренцию другим видам, которые еще до недавнего времени прочно занимали ведущие позиции, например, стеклу, бетону, металлам и их сплавам, керамике и древесине. По своим основным характеристикам и свойствам ни один из этих материалов не способен сравниться со стекловолокном.
Благодаря его использованию детали автомобиля приобретают высокую прочность: если машина постоянно используется зимой, то ее детали, изготовленные из стеклопластика, спокойно выдерживают разные климатические условия. Стоит добавить, что данный материал, как и нержавеющая сталь, совершенно не поддается ни гниению, ни коррозии. Именно благодаря его изобретению появилась уникальная возможность продлить срок эксплуатации автомобилей на несколько десятков лет, поскольку такие детали на протяжении долгого периода времени не требуют никакой антикоррозионной обработки.