Когда мы видим изделия, изготовленные изстекловолокноЧасто мы замечаем только их внешний вид и назначение, но редко задумываемся: какова внутренняя структура этой тонкой черной или белой нити? Именно эти невидимые микроструктуры придают стекловолокну его уникальные свойства, такие как высокая прочность, термостойкость и коррозионная стойкость. Сегодня мы погрузимся во «внутренний мир» стекловолокна, чтобы раскрыть секреты его структуры.
Микроскопические основы: «Неупорядоченный порядок» на атомном уровне
С атомной точки зрения, основным компонентом стекловолокна является диоксид кремния (обычно 50–70% по весу), а для регулирования его свойств добавляются другие элементы, такие как оксид кальция, оксид магния и оксид алюминия. Расположение этих атомов определяет основные характеристики стекловолокна.
В отличие от «дальнего порядка» атомов в кристаллических материалах (таких как металлы или кристаллы кварца), атомное расположение в стекловолокне демонстрирует«Ближний порядок, дальний беспорядок».Проще говоря, в локальной области (в пределах нескольких атомов) каждый атом кремния связывается с четырьмя атомами кислорода, образуя пирамидообразную структуру.«кремниевый тетраэдр»структура. Это локальное расположение упорядочено. Однако в более крупном масштабе эти кремнеземные тетраэдры не образуют правильную повторяющуюся решетку, как в кристалле. Вместо этого они случайным образом соединены и уложены в неупорядоченном порядке, подобно груде хаотично собранных строительных блоков, образуя аморфную стекловидную структуру.
Эта аморфная структура является одним из ключевых отличий междустекловолокнои обычного стекла. В процессе охлаждения обычного стекла атомы успевают образовать небольшие, локально упорядоченные кристаллы, что приводит к большей хрупкости. В отличие от них, стекловолокно изготавливается путем быстрого растяжения и охлаждения расплавленного стекла. Атомы не успевают упорядоченно расположиться и «застывают» в этом неупорядоченном, аморфном состоянии. Это уменьшает количество дефектов на границах кристаллов, позволяя волокну сохранять свойства стекла, одновременно повышая его прочность и прочность на разрыв.
Монофиламентная структура: однородная структура от «оболочки» до «ядра»
Стекловолокно, которое мы видим, на самом деле состоит из множествамонофиламентыОднако каждая мононить представляет собой самостоятельную структурную единицу. Диаметр мононити обычно составляет 5-20 микрометров (примерно от 1/5 до 1/2 диаметра человеческого волоса). Ее структура однородна.«сплошная цилиндрическая форма»При этом явных слоев не наблюдается. Однако с точки зрения микроскопического распределения состава имеются незначительные различия между «кожей и ядром».
В процессе волочения, когда расплавленное стекло выдавливается из мелких отверстий фильеры, его поверхность быстро охлаждается при контакте с воздухом, образуя очень тонкий слой."кожа"слой (толщиной примерно 0,1-0,5 микрометра). Этот поверхностный слой охлаждается гораздо быстрее, чем внутренний."основной."В результате содержание диоксида кремния в поверхностном слое немного выше, чем в сердцевине, а атомная структура более плотная и содержит меньше дефектов. Это незначительное различие в составе и структуре делает поверхность мононити более твердой и коррозионностойкой, чем сердцевина. Это также снижает вероятность образования поверхностных трещин — разрушение материала часто начинается с поверхностных дефектов, и этот плотный поверхностный слой действует как защитная «оболочка» для мононити.
Помимо едва уловимых различий между кожей и ее ядром, высокое качество имеет важное значение.стекловолокноМонофиламент также обладает высокой степенью круговой симметрии в поперечном сечении, при этом погрешность диаметра обычно контролируется в пределах 1 микрометра. Эта однородная геометрическая структура обеспечивает равномерное распределение напряжения по всему поперечному сечению при воздействии на монофиламент, предотвращая концентрацию напряжения, вызванную локальными неровностями толщины, и тем самым повышая общую прочность на растяжение.
Коллективная структура: упорядоченное сочетание слов «пряжа» и «ткань».
Хотя моноволокна прочны, их диаметр слишком мал, чтобы использовать их в чистом виде. Поэтому стекловолокно обычно существует в виде..."коллектив,"чаще всего как«стекловолоконная пряжа»и«стекловолоконная ткань».Их структура является результатом упорядоченного сочетания моноволокон.
Стекловолоконная пряжа представляет собой совокупность десятков или тысяч моноволокон, собранных либо«скручивание»или быть«нескрученный».Нескрученная пряжа представляет собой рыхлое скопление параллельных моноволокон простой структуры, используемое в основном для изготовления стекловаты, рубленого волокна и т. д. Скрученная пряжа, напротив, образуется путем скручивания моноволокон друг с другом, создавая спиральную структуру, подобную хлопчатобумажной нити. Эта структура увеличивает прочность сцепления между моноволокнами, предотвращая распутывание пряжи под нагрузкой, что делает ее пригодной для ткачества, намотки и других технологических процессов."считать"пряжи (индекс, указывающий количество моноволокон, например, пряжа 1200 текс состоит из 1200 моноволокон) и"крутить"(Количество витков на единицу длины) напрямую определяет прочность, гибкость и последующие технологические характеристики пряжи.
Ткань из стекловолокна представляет собой листообразную структуру, изготовленную из волокон стекловолокна методом ткачества. Существует три основных типа переплетения: простое, саржевое и сатиновое.Простое переплетениеТкань образуется путем чередования нитей основы и утка, в результате чего получается плотная структура с низкой проницаемостью, но равномерной прочностью, что делает ее подходящей в качестве базового материала для композитных материалов.саржевое переплетениеВ ткани нити основы и утка переплетаются в соотношении 2:1 или 3:1, создавая диагональный узор на поверхности. Она более гибкая, чем простое переплетение, и часто используется для изделий, требующих сгибания или придания формы.Атласное плетениеИмеет меньше точек переплетения, при этом нити основы или утка образуют непрерывные плавающие линии на поверхности. Это плетение мягкое на ощупь и имеет гладкую поверхность, что делает его подходящим для декоративных или низкофрикционных элементов.
Будь то пряжа или ткань, суть общей структуры заключается в повышении эксплуатационных характеристик.«1+1>2»за счет упорядоченного сочетания моноволокон. Моноволокна обеспечивают основную прочность, а общая структура придает материалу различные формы, гибкость и технологичность для удовлетворения разнообразных потребностей, от теплоизоляции до усиления несущих конструкций.
Дата публикации: 16 сентября 2025 г.
