Когато видим продукти, изработени отфибростъкло, често забелязваме само външния им вид и употреба, но рядко се замисляме: Каква е вътрешната структура на тази тънка черна или бяла нишка? Именно тези невидими микроструктури придават на фибростъклото неговите уникални свойства, като висока якост, устойчивост на високи температури и устойчивост на корозия. Днес ще се потопим във „вътрешния свят“ на фибростъклото, за да разкрием тайните на неговата структура.
Микроскопичната основа: „Неподреден ред“ на атомно ниво
От атомна гледна точка, основният компонент на фибростъклото е силициев диоксид (обикновено 50%-70% тегловни), като се добавят и други елементи като калциев оксид, магнезиев оксид и алуминиев оксид, за да се регулират свойствата му. Разположението на тези атоми определя основните характеристики на фибростъклото.
За разлика от „далечния ред“ на атомите в кристалните материали (като метали или кварцови кристали), атомното разположение във фибростъклото показва„краткосрочен ред, дългосрочен безпорядък.“Казано по-просто, в локална област (в обхвата на няколко атома), всеки силициев атом се свързва с четири кислородни атома, образувайки пирамида.„силициев тетраедър“структура. Това локално разположение е подредено. В по-голям мащаб обаче тези силициеви тетраедри не образуват правилна повтаряща се решетка, както в кристала. Вместо това те са произволно свързани и подредени по неподреден начин, подобно на купчина от градивни блокове, хаотично сглобени, образувайки аморфна стъклена структура.
Тази аморфна структура е една от ключовите разлики междуфибростъклои обикновено стъкло. По време на процеса на охлаждане на обикновеното стъкло, атомите имат достатъчно време да образуват малки, локално подредени кристали, което води до по-висока крехкост. За разлика от това, фибростъклото се произвежда чрез бързо разтягане и охлаждане на разтопено стъкло. Атомите нямат време да се подредят по подреден начин и са „замръзнали“ в това неподредено, аморфно състояние. Това намалява дефектите по границите на кристалите, позволявайки на влакното да запази свойствата на стъклото, като същевременно придобие по-добра жилавост и якост на опън.
Монофиламентна структура: Еднородна единица от „кожа“ до „ядро“
Фибростъклото, което виждаме, всъщност е съставено от многомонофиламенти, но всеки монофиламент е завършена структурна единица сам по себе си. Монофиламентът обикновено има диаметър от 5-20 микрометра (около 1/5 до 1/2 от диаметъра на човешки косъм). Структурата му е еднородна„твърда цилиндрична форма“без видимо наслояване. Въпреки това, от гледна точка на микроскопското разпределение на състава, има фини разлики между „кожата и ядрото“.
По време на процеса на изтегляне, докато разтопеното стъкло се екструдира от малките отвори на дюзата, повърхността бързо се охлажда при контакт с въздуха, образувайки много тънък слой.„кожа“слой (с дебелина около 0,1-0,5 микрометра). Този покривен слой се охлажда много по-бързо от вътрешния„ядро“.В резултат на това съдържанието на силициев диоксид в повърхностния слой е малко по-високо, отколкото в сърцевината, а атомното разположение е по-плътно с по-малко дефекти. Тази фина разлика в състава и структурата прави повърхността на монофиламента по-твърда и устойчива на корозия от сърцевината. Също така намалява възможността за повърхностни пукнатини – повредата на материала често започва с повърхностни дефекти и тази плътна обвивка действа като защитна „обвивка“ за монофиламента.
В допълнение към фината разлика между кожата и сърцевината, висококачественотофибростъклоМонофиламентът също така има силно кръгова симетрия в напречното си сечение, като грешката в диаметъра обикновено се контролира до 1 микрометър. Тази равномерна геометрична структура гарантира, че когато монофиламентът е натоварен, напрежението се разпределя равномерно по цялото напречно сечение, предотвратявайки концентрацията на напрежение, причинена от локални неравности в дебелината, и по този начин подобрявайки общата якост на опън.
Колективна структура: Подредената комбинация от „Прежда“ и „Плат“
Въпреки че монофиламентите са здрави, диаметърът им е твърде малък, за да се използват самостоятелно. Следователно, фибростъклото обикновено съществува под формата на„колективно“,най-често като„пряди от фибростъкло“и„фибростъклена тъкан“.Структурата им е резултат от подредената комбинация от монофиламенти.
Преждата от фибростъкло е колекция от десетки до хиляди монофиламенти, сглобени от„усукване“или бидейки„разплетен“.Неусуканата прежда е хлабава колекция от успоредни монофиламенти с проста структура, използвана предимно за производство на стъклена вата, нарязани влакна и др. Усуканата прежда, от друга страна, се образува чрез усукване на монофиламентите заедно, създавайки спирална структура, подобна на памучната нишка. Тази структура увеличава силата на свързване между монофиламентите, предотвратявайки разплитането на преждата под напрежение, което я прави подходяща за тъкане, навиване и други техники на обработка.„брой“на преждата (индекс, показващ броя на монофиламентите, например прежда с дебелина 1200 текса е съставена от 1200 монофиламента) и„обрат“(броят на усукванията на единица дължина) директно определят здравината, гъвкавостта и последващите характеристики на обработка на преждата.
Фибростъклената тъкан е листообразна структура, изработена от фибростъклена прежда чрез процес на тъкане. Трите основни тъкани са гладка, кепърна и сатенена.Обикновена тъканТъканта се образува чрез редуващо се преплитане на основата и вътъка, което води до плътна структура с ниска пропускливост, но с еднаква здравина, което я прави подходяща като основен материал за композитни материали.кепърна тъканПлатът, основата и утъкът се преплитат в съотношение 2:1 или 3:1, създавайки диагонален модел на повърхността. По-гъвкаво е от обикновеното тъкане и често се използва за продукти, които изискват огъване или оформяне.Сатенено тъканеима по-малко точки на преплитане, като нишките от основата или вътъка образуват непрекъснати плаващи линии по повърхността. Това тъкане е меко на допир и има гладка повърхност, което го прави подходящо за декоративни или компоненти с ниско триене.
Независимо дали става въпрос за прежда или плат, ядрото на колективната структура е да се постигне подобрение на производителността на„1+1>2“чрез подредена комбинация от монофиламенти. Монофиламентите осигуряват основната здравина, докато колективната структура дава на материала различни форми, гъвкавост и адаптивност към обработката, за да отговори на разнообразни нужди, от топлоизолация до структурно армиране.
Време на публикуване: 16 септември 2025 г.
