凡是能使材料的强度性能提高的材料统称为增强材料。环氧树脂所用的增强材料主要以纤维为主，其他的还有晶须及起增强作用的填料。 一、纤维增强材料 环氧树脂用纤维类增强材料主要有碳纤维、玻璃纤维、有机纤维等。 1.玻璃纤维的特性、品种规格、成分和单丝直径的合理选用 玻璃纤维是非结晶型无机纤维、不燃烧、伸长率和线膨胀系数小，能耐许多介质的腐蚀。耐高温，E-玻纤的软化点为846℃，C—玻纤的软化点为688℃，S—玻纤的软化点为970℃，适宜于较高温度下使用。缺点是不耐磨、易折断、易受机械损伤，长期放置强度下降。 按玻璃纤维的成分可分为：有碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维、低碱玻璃纤维和微碱玻璃纤维；按使用特性分为：普通玻璃纤维、耐酸玻璃纤维、耐碱玻璃纤维、高强玻璃纤维、高模量玻璃纤维等。其性能指标见表5-1。
国际上对玻璃钢用的纤维直径进行了大量的基础研究和应用实验，证明纤维直径的加粗对玻璃钢强度的影响并不显著。因此现在国外玻璃钢用的玻纤单丝直径已从9～10/μm逐渐增加到13～14、15～17、19～20μm。单丝直径加粗后，提高了玻纤产量，减少了合股工序，有利于树脂的浸润。但玻纤的脆性与它的直径四次方成正比，单丝越细，其柔软性、耐折性、耐磨性也越好。从经济和生产工艺角度考虑，直径越细，拉丝难度越大，产量和劳动生产率越低，成本越高。因此，必须根据使用要求选用最合理的单丝直径。 玻璃纤维纱可分无捻纱及有捻纱两种。无捻纱一般用增强型浸润剂，由原纱直接并股、络纱制成。有捻纱则多用纺织型浸润剂，原纱经过退绕、加捻、并股、络纱而制成。无捻纱对胶液的浸润性较好，强度较高、成本较低，但在成型产品过程中易磨损、起毛和断头；有捻纱的特点与其相反。 由于生产玻璃纤维纱的纤维直径、支数及股数不同，使无捻纱和有捻纱的规格有许多种。纱的牌号表示法为：成分一单丝直径一原纱支数/股数，国产玻璃纤维纱的规格及性能见表5-2～表5-4。
玻璃纤维织物的品种很多，主要有玻璃纤维布、玻璃纤维毡、玻璃纤维带等。玻璃纤维布又可分平纹布、斜纹布、缎纹布、无捻粗纱布、单向布、无纺布等。玻璃布的牌号表示法为：成分—布的厚度×1000。国产玻璃纤维布的部分品种和规格见表5-5～表5-7。各种玻纤的用途见表5-8。
选择玻璃纤维及织物作增强材料时，必须根据玻璃钢的使用条件、性能要求、几何形状、成型条件及经济效果等综合考虑。 2.碳纤维 碳纤维是一种高强度、高模量材料。它一般采用人造纤维（如：胶粘纤维、醋酸纤维或聚丙烯腈纤维）来制造，也可采用沥青纤维、木质素纤维等制造。但目前各国多采用聚丙烯腈纤维为原料制造碳纤维。 碳纤维的类型是按照它们的力学性能来区分的，可分为：普通型（低性能型）、中强中模型和高强高模型。它们的力学性能见表5-9。
碳纤维具有较高的强度和模量，是与它的结构分不开的。碳纤维是由小的乱层结构类同石墨晶体所组成的多晶体如图 5-1所示。
这种晶体与完善的石墨主要差别是：碳纤维的层面空间约0.342nm，石墨的层面空间约0.335nm；碳纤维的各平行层原子不是规则堆积，因而称之为乱层结构，而石墨层面上的原子与平行层面的原子有特殊的空间关系。碳纤维由于晶体的择优取向，即晶体的强力面平行于纤维轴而沿着圆周排列，故模量高。 碳纤维增强环氧的主要优点是，比强度、比刚度高，耐疲劳、耐蠕变、耐摩擦和耐热性好。缺点是价格高，冲击韧性、层间剪切强度低于玻璃纤维增强环氧树脂。环氧树脂碳纤维复合材料制品几乎有一半以上是应用于宇航、军用或民用飞机、火箭、导弹，也用于防火、防静电、防核辐射及防生物武器等方面，成为国防工业中不可缺少的结构材料。以飞机为例环氧树脂碳纤维材料主要用作机翼、蒙皮、中央翼盒、尾翼、机翼壁板。这种材料在直升机上应用已达到自重的50%以上，在军用飞机上的应用已超过25%。另外，环氧树脂碳纤维复合材料的另一大用途是用于制造运动器械，如高尔夫棒、滑雪板、雪橇、网球拍、钓鱼杆、撑杆跳杆等，主要是利用环氧树脂碳纤维复合材料的质量轻，高度的韧性、抗磨损性和高刚性。 3.芳香族聚酰胺纤维 芳香族聚酰胺纤维又称为Kevlar纤维，化学名为聚对苯二甲酰对苯二胺纤维，结构式为：
Kevlar一类的纤维具有比重小（只有钢丝的1/5～1/5.5）、热稳定性好、可耐240℃、拉伸强度高、模量中等、耐屈折、耐疲劳、耐磨、耐腐蚀、线胀系数小等特点，故有“人造钢丝”之称。Kevlar-49的拉伸强度和拉伸模量为玻璃纤维的2.5～3倍，但是碳纤维的1/2或比1/2还要低。此外Kevlar纤维的冲击韧度与耐疲劳性能也较一般纤维的要高。环氧树脂和芳纶制成的复合材料主要用于航空、航天工业中，例如：火箭发动机壳体和压力容器，宇宙飞船、航天飞机的驾驶舱、各种气体的容器等。在飞机上作为机翼前缘、襟翼、方向舵、窗框、舱壁、舱门、行李架，它的特点是比玻璃纤维增强材料减轻质量30%。 芳纶和其他有机纤维一样，很容易纺织成织物。将这些织物和环氧树脂制成复合材料的性能见表5-10～表5-11。
4.其他纤维增强材料 除了上面提到的三种纤维外，像硼纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、金属纤维和氧化铝、氮化锆等晶须，起增强作用的填料，以及混杂纤维等也可作为环氧树脂的增强材料。 二、选用原则 环氧树脂作为高性能复合材料使用时，增强材料主要选用的是纤维增强材料。至于选用哪一种纤维，主要由产品的性能要求、使用的环境等因素所决定，在满足要求的条件下，价格也是需要考虑的一个因素。纤维复合材料中，纤维一般占复合材料体积含量的60%～70%左右，短纤维增强材料中，纤维一般占体系重量的20%～30%。 环氧涂料或浇注料中，增强材料大都为起增强作用的填料，也可以是短切玻璃纤维、石棉纤维等。有关起增强作用的填料的选择见第六章。 |
