2. Виды и формы

Обычно СВ имеют форму сплошного круглого цилиндра, СВ другой формы, например полые, называются профилированными. К наиболее перспективным профилированным СВ относятся волокна, имеющие в сечении форму треугольника, квадрата, шестигранника, волокна лентовидной и других форм с гладкой и гофрированной поверхностью.

Полые СВ получают протягиванием расплавленной стекломассы через фильеры при подаче воздуха под давлением в зону формования через сопло, расположенное внутри фильеры концентрически ее отверстию. Профилированные СВ с поперечным сечением сложной формы изготавливают вытягиванием заготовки с поперечным сечением такой же формы, как у готового СВ, вытягиванием стекломассы через фильеры, имеющие форму сектора, а также через коническую диафрагму. Плоские непрерывные СВ вырабатывают путем предварительного пропускания стекломассы через формующее устройство, с открытой стороны которого стекломасса охлаждается быстрее, чем с закрытой.

Полые (капиллярные) СВ по сравнению со сплошными имеют высокие значения плотности, диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь и теплопроводности, а также более высокие жесткость при изгибе и прочность при сжатии. Свойства полых СВ в значительной степени определяются коэффициентом капиллярности, который представляет собой отношение внутреннего диаметра волокна к его наружному диаметру. Полые СВ из бесщелочного алюмоборосиликатного стекла типа Е при кажущейся плотности 1700 кг/м³, среднем наружном диаметре 10,2 мкм, среднем коэффициенте капиллярности 0,57 имеют среднюю прочность при растяжении 2500 – 2800 МПа

В результате длительной практики промышленность стекловолокон установила несколько стандартов на толщину моноволокон (таблица 2). Значения диаметров, выраженные в микрометрах, округлены.

Таблица 2 - Маркировка и размеры элементарных стекловолокон

Маркировка	Диаметр, мкм	Маркировка	Диаметр, мкм	Маркировка	Диаметр, мкм
В	3,8	DE	6,0	H	10,0
С	4,5	Е	7.0	K	13,0
D	5,0	G	9,0

3. 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

Тип, парка стекла	Е, ГПа	раст, МПа	, %
Алюмоборосиликатиое Е-стекло	73,5	3500	4,8
Высокомодульное ВМ-1 (РФ)	95	4200	4,8
М-стекло (США)	110	3500	…
Высокопрочное магнийалюмосиликатное
ВМП (РФ)	93	…	…
УП-68 (РФ)	84,7	...	...
УП-73 (РФ)	82,6	…	…
S-994 (США)	86,8	4650 - 4900	5,4
D-стекло с низкой диэлектрической проницаемостью (США)	52,5	2450	4,7
Известково-натриевое А-стекло (США)	66,0	2400	4,0
Кислотостойкое
№ 7-А (РФ)	74,0	2000	3,6
С-стекло (США)	70,0	3150	...
Плавленый кварц	74,2	6000	...
Свинцовосиликатное L-стекло (США)	51,0	1680	4,6

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.

Р исунок 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).

Р исунок 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  = 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 ( = 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.

Эксплуатационные свойства стекловолокон

Тепло- и огнестойкость. Так как природа стекловолокон неорганическая, они не горят и не поддерживают горение. Высокая температура плавления стекловолокон позволяет использовать их в области высоких температур.

Биостойкость. Стекловолокна устойчивы к воздействию грибков, бактерий и насекомых.

Влагостойкость. Стекловолокна не сорбируют влагу, следовательно, не набухают, не растягиваются и не разрушаются под ее воздействием. Стекловолокна не гниют и сохраняют свои высокие прочностные свойства в среде с повышенной влажностью.

Термические свойства. Стекловолокна имеют низкий коэффициент линейного расширения и большой коэффициент теплопроводности. Эти свойства позволяют эксплуатировать их при повышенных температурах, особенно, если необходима быстрая диссипация температуры.

Электрические свойства. Поскольку стекловолокна не проводят ток, они могут быть использованы как очень хорошие изоляторы. Это особенно выгодно там, где необходимы высокая электрическая прочность и низкая диэлектрическая постоянная.

Таблица 3 - Свойства стекловолокон

Свойства	Марка стекла
	А	С	Е	S
Физические
Плотность, кг/м^3	2500	2490	2540	2480
Твердость по Моосу	—	6,5	6,5	6,5
Механические
Предел прочности при растяжении МПа:
при 22 °С	3033	3033	3448	4585
при 371 °С	—	—	2620	3768
при 533 °С	—	—	1724	2413
Модуль упругости при растяжении при 22°С, МПа	—	69,о	72,4	85,5
Предел текучести, %	—	4,8	4,8	5,7
Упругое восстановление, К	—	100	100	100
Термические
Коэффициент линейного термического расширения, 10^-6 К^-1	8,6	7,2	5	5,6
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К)	—	—	10,4	—
Удельная теплоемкость при 22 °С	—	0,212	0,197	0,176
Температура размягчения, °С	727	749	841	—
Электрические
Электрическая прочность, В/мм			19 920
Диэлектрическая постоянная при 22°С: при 60 Гц	—		5,9 - 6,4	5,0 - 5,4
при 1 МГц	6,9	7	6,3	5,1
Потери при 22°С: при 60 Гц			0,005	0,003
при 1 МГц	—	—	0,002	0,003
Объемное сопротивление при 22 °С и 500 В постоянного тока, Ом-м	—	—	10^17	10^18
Поверхностное сопротивление при 22 °С и 500 В постоянного тока, Ом-м	—	—	10^15	10^16
Оптические
Коэффициент преломления	—	—	1,547	1,423
Акустические
Скорость звука, м/с	—	—	5330	5850

Свойства СВ во многом определяются их составом. В зависимости от основного назначения могут быть получены волокна с повышенной прочностью или с повышенным модулем упругости (магнийалюмосиликатные композиции типа ВМП, ВМ-1), волокна с повышенной стойкостью к действию кислот (средне-щелочное силикатное стекло типа ТА), тугоплавкие кварцевые волокна (кремнеземные с содержанием SiO₂ не менее 94%), волокна с хорошими электроизоляционными свойствами и высокой прочностью (алюмоборосиликатные композиции). Основные физико-механические свойства СВ, наиболее распространенных в производстве волокнистых стеклопластиков в РФ, приведены в таблице 5.

Таблица 5 – Характеристики стеклянных волокон

Свойства	Марка стекла*
	MAC	АБС	КС
Физические:
плотность , кг/м^3	2480	2540	2490
Механические:
предел прочности при растяжении s, МПа:
при 22 °С	4585	3448	3033
при 371 °С	3768	2620	-
пои 533 °С	2413	1724	-
Модуль упругости при растяжении Е, МПа, при 22 °С	85,5	72,4	69
Предел текучести стт, %	5,7	4,8	4,8
Термические: КЛТР 10^6, К^-1	5,6	5	7,2
Коэффициент теплопроводности X, Вт/(мК)		10,4
Удельная теплоемкость, Дж/(кгК), при 22 °С	0,176	0,197	0,212
Температура размягчения Т, °С	-	841	749

Примечание. MAC - магнийалюмосиликатные, АБС - алюмоборосиликатные, КС — кислотостойкие.