УП Наполнители. Федеральное агентство по образованию
 Скачать 8.75 Mb.
|
15.3 Характеристика стекловолокон 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 SiO2 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 [3].
Продолжение таблицы 1.3
Чистый оксид кремния SiО2 в стеклообразном состоянии (кварцевое стекло) прозрачен в диапазоне длин волн от 200 до 5000 нм, устойчив к действию минеральных кислот (кроме HF и Н3Р04 при нагревании), отличается радиационной стойкостью, термостойкостью, огнеупорностью (Траб=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 (Т2150°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 В2О3, 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 [3].
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 [4], натриевого состава — 9,8 ГПа, кварцевых волокон— 14 ГПа [4]. 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 [3]. 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 [3]. 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 [3]. 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 [3]. 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 [3].  1- бесщелочное медьсодержащее; 2 – стекло YM-31А; 3 - стекло CYZ713Li; 4 - бесщелочное алюмоборосиликатное; 5,6,7 – стекло Е. Рисунок 15.5 – Зависимость модуля упругости стекловолокон от температуры термообработки [3].  1 - стекло YM-31А, термообработанное при 5000С; 2 – стекло Е, термообработанное при 5000С; 3,4 – алюмоборосиликатное; 5 – кальций-натриевое; 6 – щелочное; 7 – свинцовое. Рисунок 15.6 – Изменение модуля упругости стекловолокон при нагревании [3]. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||