Основные свойства

Механические свойства. Стекловолокна имеют очень высокий предел прочности при растяжении, превышающий прочность других текстильных волокон. Удельная прочность стекловолокон (отношение прочности при растяжении к плотности) превышает аналогичную характеристику стальной проволоки.

По прочности (1000 - 6000 МПа) технические СВ значительно превосходят исходные массивные стекла (100 МПа) вследствие более изотропной структуры высокотемпературного расплава стекла, из которого вырабатываются волокна, и высокой скорости их охлаждения, предотвращающей образование опасных микродефектов и микротрещин на поверхности СВ в процессе их формования. Наиболее высокую техническую прочность, достигающую прочности кварцевых волокон, имеют СВ из стекол магнийалюмосиликатного состава (таблица 2).

Таблица 2 - Механические свойства СВ

На прочность СВ помимо химического состава стекла влияют метод и условия формования и главным образом состояние поверхности волокон и физико-химическое взаимодействие поверхностных дефектов с окружающей средой. Наиболее высокой прочностью обладают СВ с неповрежденной поверхностью, так называемые нетронутые волокна (отобранные сразу после вытяжки из фильер до контакта с замасливающим и наматывающим устройствами). Выпускаемые промышленностью СВ имеют механически и химически поврежденную поверхность, что снижает их прочность и увеличивает разброс показателей.

Термообработка СВ без нагрузки приводит к уменьшению их прочности и тем в большей степени, чем выше температура и продолжительность обработки. Это связано с ростом микронеоднородностей и поверхностной кристаллизацией, вызывающей образование микротрещин. Понижение прочности кварцевых волокон наступает при температуре обработки 873 К, бесщелочных алюмоборосиликатных - при 573 К, натрийкальцийсиликатных, боратных, свинцовых и фосфатных - при 373 - 473 К.

Рисунок 2- Зависимость прочности от температуры термообработки волокна:

1 - кварцевого; 2 - марки Е; 3 - марки А.

Прочность СВ возрастает с уменьшением их диаметра, но эта зависимость не всегда справедлива и определяется условиями формования волокон, их составом и условиями эксплуатации.

Так, в полимерных КМ зависимость прочности дефектных волокон от их геометрических параметров проявляется лишь при значительных диаметрах и можно достаточно эффективно использовать СВ диаметром 10 - 50 мкм и более. Согласно современным представлениям влияние диаметра волокна на его прочность выражено значительно слабее, если соблюдать неизменной скорость охлаждения волокна (рисунок 3, кривая 1).

Рисунок 3 - Зависимость прочности стеклянного волокна марки Е от диаметра при уменьшающейся (1) и постоянной (2) скорости охлаждения.

СВ имеют низкую стойкость к многократному изгибу и истиранию, которые значительно повышаются после пропитки их лаками, смолами. Склеивание волокон в нить увеличивает ее прочность на 20 - 25 %, а пропитка лаками - на 80 - 100 %. Сопротивление изгибу и кручению растет с уменьшением диаметра СВ.

При комнатной температуре, влажности примерно 50 - 55 % и кратковременной нагружении СВ ведут себя вплоть до разрушения как идеальные упругие тела, подчиняясь закону Гука. С повышением температуры модуль упругости СВ уменьшается незначительно до температуры размягчения. Исключение составляют кварцевые волокна, модуль упругости которых с температурой линейно увеличивается от 74,2 ГПа при 293 К до 82,9 ГПа при 1173 К.

Высокомодульные волокна в большинстве случаев имеют меньшую прочность и более высокую плотность, а следовательно, меньшие значения удельной жесткости и прочности.

Прочность кремнеземных волокон зависит от состава стекол, из которых они выщелочены, структуры волокон. Наибольшую прочность (800 - 1000 МПа) имеют кремнеземные волокна, полученные из натрийсиликатных стекол, низкую (1000 - 1500 МПа) - алюмокремнеземные и алюмосиликатньм волокна.

Физические свойства СВ идентичны свойствам массивных стекол того же состава и определяются в основном химическим составом стекла (таблица 1).

Кремнеземные волокна обладают высокой температурой размягчения. Так, температура размягчения высококремнеземных волокон типа «викор» равна 1773 К, волокна «рефразил» (98 - 99 % SiO₂) не плавятся и не испаряются до температуры 1923 К. Все виды кремнеземных волокон имеют хорошие теплофизические (при температуре 538 К l = 0,087 Вт/(м´К), с = 1,006 кДж/(кг´К)) и электроизоляционные свойства, мало изменяющиеся с повышением температуры. Алюмокремнеземные волокна имеют более высокую температуру спекания (1973 К), чем кремнеземные. Высокие температуры плавления (1973 - 2063 К) и спекания (1723 - 1773 К), хорошие электроизоляционные, теплоизоляционные (l = 0,22 Вт/(м´К) при температуре 373 К), звукоизоляционные свойства и низкую плотность (80 - 100 кг/м³) имеют алюмосиликатные волокна (каолиновые, каовул, файберакс). Алюмосиликатные и алюмохромосиликатные волокна могут длительно эксплуатироваться при температурах 1473—1723 К.

Химические свойства. Химическая стойкость СВ зависит от состава стекла, природы, концентрации, температуры и продолжительности действия реагента и определяется потерями массы и прочности под воздействием агрессивных сред. СВ имеют развитую поверхность и поэтому разрушаются интенсивнее, чем массивные стекла. Хотя химическая стойкость СВ не зависит от их диаметра, абсолютная растворимость в различных агрессивных средах выше у тонких СВ вследствие более развитой поверхности.

Высокой химической стойкостью к воде и пару высокого давления обладают кварцевые, кремнеземные, каолиновые, бесщелочные алюмоборосиликатные волокна. При длительном воздействии водяного пара различного давления прочность тонких волокон из многокомпонентных бесщелочных стекол снижается. В щелочных стеклах с увеличением содержания щелочных оксидов снижается стойкость к действию воды и водяного пара вследствие интенсивного выщелачивания, которое приводит к полному распаду структурной сетки стекла.

Кварцевые, кремнеземные и бесщелочные алюмосиликатные волокна, не содержащие борного ангидрида, стойки к действию органических и минеральных кислот, за исключением фтористоводородной, которая разрушает все виды стекол и СВ уже при нормальной температуре, и ортофосфорной, разрушающей СВ при температуре выше 573 К. При введении в алюмосиликатные стекла некоторых оксидов (титана, циркония, церия и др.) кислотостойкость волокон резко повышается.

Химическая стойкость и прочность волокон из Е-стекла под действием минеральных кислот различной концентрации снижается. При обработке кислотой волокон многощелочного состава растворяются все компоненты стекла, за исключением SiO₂.

Все СВ недостаточно устойчивы к действию щелочных растворов, что обусловлено хорошей растворимостью в щелочах кремнеземного каркаса. Кварцевые и кремнеземные волокна в щелочных средах разрушаются медленнее, чем волокна из обычных стекол. Стойкость СВ к щелочным растворам повышается при введении в стекло оксидов, уплотняющих их структуру. К таковым относятся оксиды циркония, алюминия, железа, цинка, олова, лантана и некоторые др.