玻璃钢

定义

玻璃钢的正式名称是玻璃纤维增强塑料,属于纤维增强复合材料的一类:增强相为玻璃纤维及其制品,如玻璃布、玻璃带、玻璃毡与玻璃纱,基体相为合成树脂,两者经复合工艺结合成整体^[4][5]。按所用树脂的性质,可分为热固性玻璃钢与热塑性玻璃钢;实际生产中以前者为主,常用基体包括不饱和聚酯、环氧、酚醛与呋喃等树脂^[4]。狭义上的玻璃钢一般只指热固性玻璃钢^[4]。

这一名称并不表示材料由玻璃和钢组成。它的强度可与钢材相比,又含有玻璃组分并具有类似玻璃的色泽与耐蚀、绝缘、隔热性能,因而在历史上形成了“玻璃钢”这样一个通俗称呼;国外则称其为玻璃纤维增强塑料^[2]。随着增强纤维由玻璃纤维扩展到碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、氧化铝纤维与碳化硅纤维,单纯的“玻璃钢”已不能涵盖全部品种,较完整的表述为玻璃钢复合材料或纤维增强复合材料^[2]。

原理

玻璃钢的力学原理与钢筋混凝土类似:玻璃纤维承担主要的外加拉力,合成树脂起粘结作用,把松散的纤维固结为整体并传递载荷^[6]。单根玻璃纤维直径很小,一般小于 10 微米,强度高但脆,单独使用时纤维间彼此松散,只能承受拉力,无法承受弯曲、剪切与压缩,也不易保持固定形状^[1][2]。基体树脂具有黏弹性与弹塑性,属于韧性材料,二者复合后可制成既能受拉又能承受弯曲、压缩和剪切应力的刚性制品^[1][2]。

因此制品的性能取决于纤维的种类、含量与排布方向,以及树脂体系的选择。设计时可以按受力方向铺放纤维,或通过改变树脂配方获得耐腐蚀、耐瞬时高温、特定方向高强度或介电性能优良等不同效果,这也是玻璃钢被称为可设计材料的原因^[2]。

成型是原理链条上的关键环节。常用工艺包括手工糊制、模压、纤维缠绕、喷射、树脂传递模塑、拉挤以及计算机程序控制的自动化成型等,其中手工糊制设备简单、适应性强,缠绕工艺多用于压力容器、储罐与管道,拉挤工艺则连续生产型材与杆材^[1][3]。手工糊制的成型温度一般在室温或 100℃ 以下,与金属材料相比成型能耗较低^[1]。

发展历程

玻璃钢的工程化建立在合成树脂与连续玻璃纤维两项技术之上。1932 年,玻璃纤维增强聚酯的复合技术在美国出现;1940 年,以手糊成型制成的玻璃纤维增强聚酯军用飞机雷达罩问世,其后美国莱特空军发展中心设计制造了以玻璃纤维增强树脂为机身与机翼的飞机,并于 1944 年 3 月在莱特-帕特空军基地试飞成功,这类材料由此受到军界与工程界关注^[7][8]。

第二次世界大战结束后,玻璃钢迅速由军用转向民用。1946 年纤维缠绕成型技术在美国出现,为缠绕压力容器积累了技术储备;1949 年玻璃纤维预混料研究成功,可制出表面光洁、尺寸与形状准确的模压件;1950 年真空袋与压力袋成型工艺研究成功,并用于制造直升机螺旋桨^[7]。20 世纪 60 年代,美国利用纤维缠绕技术制造出北极星、土星等大型固体火箭发动机壳体;1961 年片状模塑料(SMC)在法国问世,可生产汽车与船艇壳体、卫生洁具等大幅面制件^[8]。

中国的玻璃钢工业起步于 1958 年。1955 年 10 月,时任重工业部副部长的赖际发赴苏联考察时接触到玻璃纤维增强塑料制品,回国时带回样品并推动研制;1958 年 1 月,建材部玻璃陶瓷研究院抽调 7 人组成中国第一个玻璃钢研究小组,同年压制出长 1.2 米、宽 0.5 米、厚 5 毫米的第一块玻璃钢板^[9][10]。1958 年以手糊工艺研制了玻璃钢艇,并以层压与卷制工艺研制玻璃钢板、管和火箭弹;1961 年制成用于远程火箭的玻璃纤维-酚醛树脂烧蚀防热弹头;1970 年用玻璃钢蜂窝夹层结构制造了直径 44 米的雷达罩;70 年代以后逐渐转向民用^[11]。1981 年中国玻璃钢复合材料年产量为 1.5 万吨,1986 年增至 6.5 万吨^[11]。

应用

化工与环保是玻璃钢用量较大的方向。因其对大气、水以及一般浓度的酸、碱、盐和多种油类、溶剂有较好的抵抗能力,常被用于制造储罐、反应罐、吸收塔、洗涤塔、烟气脱硫装置、化工管道、格栅与风机等,并在部分场合替代碳钢、不锈钢与木材^[2][3]。给排水工程改造、污水处理与海水淡化工程则拉动了大口径玻璃钢管道和储罐的需求^[12]。

建筑与市政领域利用其质轻、耐蚀和成型自由度大的特点,制品包括冷却塔构件、采光瓦、围护板、建筑模板、门窗、整体卫浴间以及景观雕塑等^[3]。交通运输方面,玻璃钢用于汽车外覆件、客车与冷藏车部件、高铁和城市轨道交通的车头、裙板、窗框与地板结构等,以减轻自重^[13][12]。船艇是传统应用市场,游艇、渔船、救生艇与各类高速工作艇大量采用玻璃钢船体^[13]。

能源与电气领域同样重要。风电叶片的基体以环氧与不饱和树脂为主,业界已在 5 兆瓦、6 兆瓦机组上尝试制造 70 多米长的叶片;2012 年中国新增风电装机按 2 兆瓦整机测算,叶片等部件粗略折算需玻璃钢 20 多万吨^[13][12]。玻璃钢介电性能好、微波透过性良好,可用作绝缘杆、绝缘管、开关柜部件与雷达天线罩;其导热率低,室温下为 1.25 至 1.67 kJ/(m·h·K),只有金属的百分之一到千分之一,适合作绝热与耐烧蚀结构^[2]。航空航天与体育器材也使用玻璃钢制作高压容器、桨叶、球拍、撑杆等制品^[6]。

局限

弹性模量偏低是玻璃钢的固有问题。其弹性模量虽比木材大约两倍,却比钢小一个数量级,因此构件常显得刚性不足、容易变形,通常需要借助薄壳结构、夹层结构、高模量纤维或加强筋来弥补^[14]。层间剪切强度低也与结构有关:层间剪切由树脂承担,而树脂强度远低于纤维,故设计时应尽量避免层间受剪,并可通过工艺选择与偶联剂提高层间粘结力^[14]。

耐温性有限。通用聚酯玻璃钢在 50℃ 以上强度明显下降,一般只在 100℃ 以下使用;通用型环氧玻璃钢在 60℃ 以上强度明显下降;若选用耐高温树脂,长期工作温度提高到 200 至 300℃ 是可能的^[14]。老化也是塑料的共同缺陷,玻璃钢在紫外线、风沙雨雪、化学介质与机械应力作用下性能会下降^[14]。此外,长期浸水尤其是盐水中使用时,吸水与膨胀会使强度降低;其热膨胀系数明显高于碳钢,长距离管道在温差大的地区须考虑热胀冷缩的影响^[15]。热固性玻璃钢还存在生产周期较长、废料不易回收的问题,热塑性片状模塑料工艺正是针对这一短板发展起来的^[7]。

参见

• 复合材料 —— 玻璃钢所属的材料大类,由两种或以上材料复合而成。

• 玻璃纤维 —— 玻璃钢中的增强相,承担主要载荷。

• 不饱和聚酯树脂 —— 玻璃钢最常用的基体树脂之一。

• 片状模塑料 —— 20 世纪 60 年代出现的模压成型用料,推动玻璃钢规模化生产。

• 碳纤维增强复合材料 —— 以碳纤维替代玻璃纤维的另一类纤维增强材料。