玻璃鋼的理化性能

  玻璃具有硬而易碎，具有很好的透明性以及耐高溫、耐腐蝕等性能；同時(shí)鋼鐵很硬并且不易碎，也具有耐高溫的特點(diǎn)。于是人們開(kāi)始想，如果能制造一種既具有玻璃的硬度、耐高溫、抗腐蝕的性質(zhì)，又具有鋼鐵一樣堅硬不碎的特點(diǎn)，那這種材料一定會(huì )大有用途。

  人們經(jīng)過(guò)研究試驗，終于制出了這樣一種復合材料。它，就是能與鋼鐵比肩而立的玻璃鋼。

  我們先來(lái)看一個(gè)試驗，了解了解它的性能優(yōu)良與否。

  在一個(gè)群山環(huán)抱、綠樹(shù)成蔭的山谷里，一次試驗正在進(jìn)行。遠在二百米以外的掩體后的人們，眼睛都盯著(zhù)山谷中央放著(zhù)的一個(gè)氧氣瓶?？諝鈮嚎s機有節奏地轉動(dòng)著(zhù)，通過(guò)合金鋼管道向那氧氣瓶不斷地充氣。壓力表上的指針牽動(dòng)著(zhù)每個(gè)人的心。讀數從100—200—400—500漸漸上升，直到７００公斤1平方厘米時(shí)，只聽(tīng)得一聲震天巨響，氧氣瓶爆炸了！周?chē)娜藗儦g呼著(zhù)跳起來(lái)：“成功了！”

  氧氣瓶是一種耐高壓容器。它所承受的工作壓力是１５０公斤/平方厘米。為了使用安全，制造時(shí)要求它能忍受三倍的工作壓力，即４５０公斤/平方厘米。不爆裂，才算合格。上面試驗的氧氣瓶，遠遠超出了設計要求。這是用什么鋼材制成的呢？是玻璃鋼，更為確切的說(shuō)，是玻璃與塑料復合在一起制成的。

  玻璃是硬而脆的材料，一摔就碎，這帶有玻璃名的玻璃鋼經(jīng)得起摔嗎？于是又進(jìn)行了新的試驗。

  將另一只玻璃鋼氧氣瓶充氣到１５０公斤/平方厘米，然后從山頂上滾下山谷。它與嶙峋的巖石碰撞著(zhù)，一直滾到谷底仍然沒(méi)有爆裂。玻璃鋼氧氣瓶經(jīng)過(guò)了質(zhì)量鑒定考試。

  一般玻璃的耐拉強度只有普通鋼材的八分之一。把玻璃融化，拉成只有頭發(fā)直徑的十幾分之一那么細的玻璃纖維，原來(lái)又硬又易碎的玻璃就變成了又軟又耐拉的玻璃纖維，其耐拉強度可增加十幾倍。

  大家都知道，水泥塊耐壓，鋼材耐拉。用鋼材作筋骨，水泥砂石作肌肉，讓它們凝為一體，互相取長(cháng)補短，變得堅強無(wú)比——這就是鋼筋混凝土。

  同樣，如我們用玻璃纖維作筋骨，用合成樹(shù)脂（酚醛塑料、環(huán)氧樹(shù)脂及聚酯樹(shù)脂）作肌肉，讓它們凝為一體，制成的材料，其抗拉強度可與鋼材相媲美—因此得名叫玻璃鋼。

  優(yōu)點(diǎn)和不足

  一、FRP有如下特性。

  (1)輕質(zhì)高強

  相對密度在1.5~2.0之間，只有碳鋼的1/4~1/5，可是拉伸強度卻接近，甚至超過(guò)碳素鋼，而比強度可以與合金鋼相比。因此，在航空、火箭、宇宙飛行器、高壓容器以及在其他需要減輕自重的制品應用中，都具有成效。某些環(huán)氧FRP的拉伸、彎曲和壓縮強度均能達到400Mpa以上。部分材料的密度、強度和比強度見(jiàn)表1-1。

  (2)耐腐蝕性能好

  FRP是良好的耐腐材料，對大氣、水和一般濃度的酸、堿、鹽以及多種油類(lèi)和溶劑都有較好的抵抗能力。已應用到化工防腐的各個(gè)方面，正在取代碳鋼、不銹鋼、木材、有色金屬等。

  (3)電性能好

  是優(yōu)良的絕緣材料，用來(lái)制造絕緣體。高頻下仍能保護良好介電性。微波透過(guò)性良好，已廣泛用于雷達天線(xiàn)罩。

  (4)熱性能良好

  FRP熱導率低，室溫下為1.25~1.67kJ/（m?h?K），只有金屬的1/100~1/1000，是優(yōu)良的絕熱材料。在瞬時(shí)超高溫情況下，是理想的熱防護和耐燒蝕材料，能保護宇宙飛行器在2000℃以上承受高速氣流的沖刷。

  (5)可設計性好

  ①可以根據需要，靈活地設計出各種結構產(chǎn)品，來(lái)滿(mǎn)足使用要求，可以使產(chǎn)品有很好的整體性。

  ②可以充分選擇材料來(lái)滿(mǎn)足產(chǎn)品的性能，如：可以設計出耐腐的，耐瞬時(shí)高溫的、產(chǎn)品某方向上有特別高強度的、介電性好的，等等。

  (6)工藝性?xún)?yōu)良

  ①可以根據產(chǎn)品的形狀、技術(shù)要求、用途及數量來(lái)靈活地選擇成型工藝。

  ②工藝簡(jiǎn)單，可以一次成型，經(jīng)濟效果突出，尤其對形狀復雜、不易成型的數量少的產(chǎn)品，更突出它的工藝優(yōu)越性。

  二、不能要求一種FRP來(lái)滿(mǎn)足所有要求，FRP也有以下一些不足之處。

  (1) 彈性模量低

  FRP的彈性模量比木材大兩倍，但比鋼（E=2.1×106）小10倍，因此在產(chǎn)品結構中常感到剛性不足，容易變形。

  可以做成薄殼結構、夾層結構，也可通過(guò)高模量纖維或者做加強筋等形式來(lái)彌補。

  (2) 長(cháng)期耐溫性差

  一般FRP不能在高溫下長(cháng)期使用，通用聚酯FRP在50℃以上強度就明顯下降，一般只在100℃以下使用；通用型環(huán)氧FRP在60℃以上，強度有明顯下降。但可以選擇耐高溫樹(shù)脂，使長(cháng)期工作溫度在200~300℃是可能的。

  (3) 老化現象

  老化現象是塑料的共同缺陷，FRP也不例外，在紫外線(xiàn)、風(fēng)沙雨雪、化學(xué)介質(zhì)、機械應力等作用下容易導致性能下降。

  (4) 層間剪切強度低

  層間剪切強度是靠樹(shù)脂來(lái)承擔的，所以很低?？梢酝ㄟ^(guò)選擇工藝、使用偶聯(lián)劑等方法來(lái)提高層間粘結力，主要的是在產(chǎn)品設計時(shí)，盡量避免使層間受剪。

  三、FRP有哪些生產(chǎn)方法？

  答：基本上分兩大類(lèi)，即濕法接觸型和干法加壓成型。如按工藝特點(diǎn)來(lái)分，有手糊成型、層壓成型、RTM法、擠拉法、模壓成型、纏繞成型等。手糊成型又包括手糊法、袋壓法、噴射法、濕糊低壓法和無(wú)模手糊法。

  目前世界上使用多的成型方法有以下四種。

  ①手糊法：主要使用國家有挪威、日本、英國、丹麥等。

  ②噴射法：主要使用國家有瑞典、美國、挪威等。

  ③模壓法：主要使用國家有德國等。

  ④RTM法（樹(shù)脂傳遞模塑）：主要使用國家有歐美各國、日本。

  還有：纖維纏繞成型法 拉擠成型法 和 熱壓灌成型法 等等

  我國有90%以上的FRP產(chǎn)品是手糊法生產(chǎn)的，其他有模壓法、纏繞法、層壓法等（見(jiàn)第十一章）。日本的手糊法仍占50%。從世界各國來(lái)看，手糊法仍占相當比重，說(shuō)明它仍有生命力。手糊法的特點(diǎn)是用濕態(tài)樹(shù)脂成型，設備簡(jiǎn)單，費用少，一次能糊10m以上的整體產(chǎn)品。缺點(diǎn)是機械化程度低，生產(chǎn)周期長(cháng)，質(zhì)量不穩定。近年來(lái)，我國從國外引進(jìn)了擠拉、噴涂、纏繞等工藝設備，隨著(zhù)FRP工業(yè)的發(fā)展，新的工藝方法將會(huì )不斷出現。