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第一章前言
1.1玻璃钢及复合材料发展概况
玻璃钢/复合材料FRP（Fiberglass-ReinforcedPlastics）学名叫玻璃纤维增强塑料，它是以玻璃纤维及其制品（玻璃布、带、毡、纱等）作为增强材料，以合成树脂作为基体材料的一种复合材料。
它具有轻质高强、耐腐蚀性能好、电性能好、热性能良好、可设计性好、工艺性能优良等特点，既能承受拉应力，又可承受弯曲、压缩和剪切应力。
由于其强度相当于钢材，有含有玻璃成分，也具有像玻璃那样的色泽、形体、耐腐蚀、电绝缘等性能，从而历史上形成了这个通俗易懂的名称“玻璃钢”。
相比于传统材料，复合材料具有一系列不可替代的特性，自第二次世界大战以来发展很快。
尽管产量小（据法国Vetrotex公司统计，全球复合材料产量达700万吨），但复合材料的水平已是衡量一个国家或地区科技、经济水平的标志之一。
美、日、西欧水平较高。
北美、欧洲的产量分别占全球产量的33%和32%以中国（含台湾省）、日本为主的亚洲占30%。
中国大陆2003年玻璃纤维增强塑料逾100万吨，已居世界第二位。
1.2玻璃钢的物理性能
玻璃钢具有较好的物理性能，以FW（纤维缠绕法）制造的玻纤环氧树脂（环氧玻璃钢）的产品为例，将其与钢比较，如表1-1所示。
表1-1GF/EPR与钢的性能比较
物理性能
GF/EPR（玻纤含量80wt%）
AISI11008冷轧钢
相对密度
2.08
7.86
拉伸强度
551.6Mpa
331.0Mpa
拉伸模量
27.58Mpa
206.7Mpa
伸长率
1.6%
37.0%
弯曲强度
689.5Mpa
弯曲模量
34.48Gpa
压缩强度
310.3Mpa
331.0Mpa
悬臂梁冲击强度
2385J/m
燃烧性（UL-94）
V-0
比热容
535J/Kg.K
233J/Kg.K
膨胀系数
热变形温度
204℃（1.82Mpa）
热导率
1.85W/m.k
介电强度
吸水率
0.5%（24h）
几种常用材料与复合材料的物理性能如表1-2所示。
表1-2几种常用材料与复合材料的物理性能
材料名称
密度g/cm3
拉伸强度×104MPa
弹性模量×106MPa
比强度×106cm
比模量×109cm
钢
7.8
10.10
20.59
0.13
0.27
铝
2.8
4.61
7.35
0.17
0.26
钛
4.5
9.41
11.8
0.21
0.25
玻璃钢
2
10.40
3.92
0.53
0.21
碳纤维/环氧树脂
1.45
14.71
13.73
0.21
碳纤维/环氧树脂
1.6
1049
23.54
1.5
芳纶纤维/环氧树脂
1.4
13.73
7.85
0.57
硼纤维/环氧树脂
2.1
13.53
20.59
1.0
硼纤维/铝
2.65
9.81
19.61
0.75
第2章设计原理
2.1玻璃钢管原材料和成型工艺的选择
玻璃钢是由玻璃纤维和树脂基体复合而成的。
玻璃纤维用作增强材料，它具有较高的拉伸强度和弹性模量。
玻璃钢产品设计通常包括三大部分，即性能（功能）、结构（强度和刚度）和工艺设计。
性能设计要充分考虑产品的使用条件，设计出具有与所要求性能相符合的玻璃钢产品外形尺寸。
结构设计是根据所承受的载荷和使用环境，设计出不使材料产生破坏及有害变形的结构尺寸，确保安全可靠。
工艺设计是要尽可能使成型方便，成本低廉。
如果我们在玻璃钢产品设计时，仅仅考虑如何满足性能要求，而对原材料和成型制造等工艺问题重视不够，则会使组织批量生产时发生困难。
随着新技术、新工艺和新材料的出现，更突出了在产品设计的初始阶段考虑工艺的必要。
2.1.1玻璃钢成型工艺的选择和设计
玻璃钢制品由树脂、增强材料和多种辅助成分合理组合而成，制造工艺种类繁多，最有代表意义的有手糊成型（handlapup）、树脂传递成型（RTM）及真空辅助树脂传递成型（VARTM-vacuumassistedresintransfermolding）、纤维缠绕（FW）、反应注射成型（ReactionInjectionMolding-RIM）及结构反应注射成型（SRIM-StructuralReactionInjectionMolding）、拉挤成型（Pultrusion）、真空袋法法成型（Vacuumbagprocess）、树脂膜熔浸成型（RFI-ResinFilmInfusion）、预浸料（高压釜）成型、低温固化预浸料成型以及SCRIMP（SeemanCompositeInfusionMoldingProcess—西曼复合材料公司树脂渗透成型法）,RIFT（ResinInfusionumderFlexibeTooling—柔性模具树脂渗透法）,VARTM（VscuumAssistedTransferMolding—真空辅助树脂传递成型）,这三种工艺原理相似。
近年来手糊成型的比例有所下降，重点在开发研究SMC、拉挤、RTM及高技术应用的带自动铺放等工艺，并相应的开展原材料、模具和工艺等的研究。
着重提高功效，改进表面质量，并采用组合工艺，如SMC的一个分支ZMC，就是将注射和模压相结合，还对注射和拉挤相结合的工艺也进行了研究，主要目的是为了提高劳动生产率。
RTM一类的传递模塑将向装备大型化发展。
我们选择的是拉挤成型工艺。
主要是采用玻璃纤维无捻粗纱（使用前预先放置在纱架上），它提供纵向（沿生产线方向）增强。
其它类型的增强材料有连续原丝毡、织物等。
它们补充横向增强，表面毡则用于提高成品表面质量。
树脂中可加入填料，改进型材性能（如阻燃），并可降低成本。
玻璃钢拉挤成型工艺开始于上世纪五十年代，以后一度徘徊，这些年发展很快。
这一类产品，在美国市场上约占玻璃钢总产量的6%，1989年的数量约6.8万吨，以后每年增长11%。
在日本，最近三年这类产品的产量有起伏，每年平均约增长6%。
近年来拉挤产品除日常的管、棒即各种型材外，已在研究从大型拉挤机中拉制出公共汽车的弯板及铁路用容器。
这种铁路专用贮罐，是在大型拉挤模具（长16m，宽2.58m）中专门拉挤出贮罐的零件，然后用粘结剂拼装并机械加固，安装成铁路专用贮罐。
于此同时，对拉挤工艺进行比较深入的研究，对各工艺参数进行控制，如树脂粘度、纤维张力、模具温度、控制速度、拉力及型面尺寸等，把这些参数建立数学模型，找出合适的关系和规律性，从而保证以最佳状态，使设备运行并得到高质量饿产品。
近年来的拉挤机采用拉缠结合方式，称pullwinding。
可使制品受力均匀。
最近的工艺趋向综合化，并使多种材料复合，如RTM--拉挤组合。
即把热塑形塑料注射与热固性拉挤结合在一起，使二者材料充分发挥特性，有效地提高了材料利用率。
拉缠结合的方式，可提高产品径向强度20～25%，玻璃含量增加18%，增重9%。
拉挤成型的程序是：
1）使玻璃纤维增强材料浸渍树脂；
2）玻璃纤维预成型后进入加热模具内，进一步浸渍（挤胶）、基体树脂固化、复合；
3）将型材按要求长度切断
拉挤成型将增强材料浸渍树脂有两种方式：
1）胶槽浸渍法（图2-1）：
通常采用此法，即将增强材料通过树脂槽浸胶，然后进入模具。
此法设备便宜作业性好，适于不饱和聚酯树脂、环氧树脂和乙烯基酯树脂。
图2-1胶槽浸渍法
2）注入浸渍法（图2-2）：
玻纤增强材料进入模具后，被注入模具内的树脂所浸渍。
此法适于凝胶时间短、粘度高、生产附产物的树脂基体，如酚醛、双马来酰亚胺树脂。
图2-2注入浸渍法
根据设计任务要求，我们设计的工艺流程如图2-3所示：
图2-3玻璃钢成型工艺流程图
2.1.2原材料的选择和配置
复合材料主要由增强材料与基体材料两大部分组成。
增强材料在复合材中不构成连续相，赋予复合材料主要的力学性能，如玻璃钢中的玻璃纤维，CFRP（碳纤维增强塑料）中的碳纤维就是增强材料。
基体材料是构成复合材料连续相的单一材料，如玻璃钢中的树脂就是基体。
玻璃钢是由玻璃纤维和树脂基体复合而成的。
玻璃纤维用作增强材料，它具有较高的拉伸强度和弹性模量。
对于常用的树脂而言，玻璃纤维的拉伸强度约为树脂拉伸强度的三十倍左右，玻璃纤维的弹性模量约为树脂弹性模量的的二十倍左右。
因此，玻璃钢构件的拉伸强度和刚度主要是由玻璃纤维确定的；玻璃钢构件的压缩强度、弯曲强度和电性能不与玻璃纤维有关，而与树脂的性能有关。
玻璃纤维对玻璃钢性能影响最大的因素是纤维的种类、含量、长度和取向，纤维直径和分布的均匀性及其间距则是影响力学性能的次要因素。
按照国际标准定义，玻璃纤维是一种无机非金属矿物纤维，由于成分不同，可以划分不同种类。
常见可以拉制成纤的玻璃种类如表2-1所示。
表2-1玻璃类型、代号及其性能特征
玻璃类型
代号
特征
无碱玻璃
E
碱金属氧化物含量0.8%以下，优异的电性能和力学性能
中碱玻璃
C
碱金属氧化物含量12%左右，良好的力学性能，耐化学侵蚀
高碱玻璃
A
碱金属氧化物含量14%或更高，耐酸性好
高强玻璃
S
优异的力学性能
高模量玻璃
M
高弹性模量，良好的电性能和机械强度
低介电玻璃
D
介电性能高于无碱玻璃
耐碱玻璃
AR
增强水泥用
无碱玻璃纤维在国外为通用玻璃纤维，占据产量的90%以上，在国内也是应用最多的类型之一。
无碱玻璃纤维抗拉强度比钢丝还高，与金属材料相比重量较轻，与金属铝相当；抗疲劳强度高，对须经受冲击载荷的结构载荷而言也是重要优点；优异的电性能，绝缘强度高，介电常数低；尺寸稳定性好，在最大应力条件下，伸长率仅3%～4%；耐温高，在343℃时，抗拉强度保留率50%；化学稳定性好，耐候性好，除强酸外，不受任何化学物质侵蚀；导热系数高，用作电绝缘材料时能迅速散热；并且几乎不吸水，遇火不燃烧、不冒烟。
无碱玻璃纤维一系列优异性能使它成为近代工业中应用最广泛的增强材料、电绝缘材料和工业材料。
中碱玻璃纤维与无碱玻璃纤维相比强度较低，在相同的实验条件下，无碱玻璃纤维抗拉强度为3120Mpa（312kgf/
），中碱玻璃纤维抗拉强度为2680Mpa（268kgf/
）。
玻璃纤维的电性能取决于玻璃成分中碱金属氧化物含量。
中碱纤维含有较多的碱金属氧化物，在水分侵蚀后会生成导电的电介质，因此电绝缘性能比无碱纤维差，不适宜用于电绝缘方面。
高碱玻璃纤维的力学性能远低于无碱和中碱，而且不耐水侵蚀，在大气中水分侵蚀下，制品会很快变脆，因而丧失强度而失去使用价值。
它是我国玻纤工业早期产品，现已趋于淘汰。
高强玻璃纤维是力学性能比无碱玻璃纤维更好的特种用途玻璃纤维之一。
高强玻璃纤维的抗拉强度比无碱玻璃纤维高30%，强度高35%，弹性模量高16%，比模量高19%，所以，用其制成的玻璃钢制品的抗拉强度要比同类无碱玻璃钢制品高30%，弯曲强度高20%，剪切强度相当。
可提高部件性能，减轻部件重量，节省燃料。
高模量玻璃纤维的弹性模量约比无碱玻璃纤维制品高25%，抗拉强度高23%。
高模量玻璃纤维的比模量和强度都很高，电绝缘性能又好。
高强和高模量玻璃纤维虽然力学性能比无碱纤维更好，但生产成本较高，目前仅用于国防军工、航空和体育、交通、电力等有特殊要求的民用产品。
低价电玻璃纤维具有比无碱玻璃纤维更好的电性能，介电常数更低（ε=3.5～4.0），介电损耗更小（
），加之密度较低，是制作雷达天线罩的良好材料。
耐碱玻璃纤维用作各种水泥制品的新型增强材料，用其制作的水泥制品具有质量轻、高强、耐冲击的优点。
结合上述各种玻璃纤维的主要性能，并且考虑原材料成本等因素，我们选用无碱玻璃纤维作为生产玻璃钢的原材料。
玻璃纤维制品的品种种类比较多，许多常用的产品已经列入国家标准。
连续玻璃纤维制品分为无捻结构和有捻结构两大系统。
无捻结构制品是无须进行纺织加工的原丝、复丝、直接无捻粗纱等产品；有捻结构包括：
单股纱、合股纱、多股络纱和花式线。
我们选择的是无捻粗纱。
无捻粗纱是由平行原丝或平行单丝集束的。
前者是指多股玻璃原丝络制而成的无捻粗纱，也称多股无捻粗纱。
后者指从拉丝漏板拉下的丝平行集束而成的无捻粗纱，又称直接无捻粗纱。
无捻粗纱按玻璃成分可划分为：
E玻璃无捻粗纱和C玻璃无捻粗纱。
生产无捻粗纱的玻璃纤维直径从13µm～23µm。
无捻粗纱的号数从150号到9600号（tex）。
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