Những bí mật về cấu trúc vi mô của sợi thủy tinh

Khi chúng ta nhìn thấy các sản phẩm được làm từsợi thủy tinhChúng ta thường chỉ chú ý đến vẻ ngoài và công dụng của chúng, nhưng hiếm khi xem xét: Cấu trúc bên trong của sợi mảnh màu đen hoặc trắng này là gì? Chính những cấu trúc vi mô vô hình này đã tạo nên những đặc tính độc đáo của sợi thủy tinh, chẳng hạn như độ bền cao, khả năng chịu nhiệt cao và khả năng chống ăn mòn. Hôm nay, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu “thế giới bên trong” của sợi thủy tinh để khám phá những bí mật về cấu trúc của nó.

Nền tảng vi mô: “Trật tự hỗn loạn” ở cấp độ nguyên tử

Xét ở cấp độ nguyên tử, thành phần cốt lõi của sợi thủy tinh là silic dioxide (thường chiếm 50%-70% theo trọng lượng), cùng với các nguyên tố khác như canxi oxit, magie oxit và nhôm oxit được thêm vào để điều chỉnh các đặc tính của nó. Sự sắp xếp của các nguyên tử này quyết định các đặc tính cơ bản của sợi thủy tinh.

Không giống như “trật tự tầm xa” của các nguyên tử trong vật liệu tinh thể (như kim loại hoặc tinh thể thạch anh), sự sắp xếp nguyên tử trong sợi thủy tinh thể hiện…“Trật tự trong phạm vi ngắn hạn, hỗn loạn trong phạm vi dài hạn.”Nói một cách đơn giản, trong một khu vực cục bộ (trong phạm vi vài nguyên tử), mỗi nguyên tử silic liên kết với bốn nguyên tử oxy, tạo thành cấu trúc hình chóp.“tứ diện silica”Cấu trúc này được sắp xếp theo trật tự cục bộ. Tuy nhiên, ở quy mô lớn hơn, các tứ diện silica này không tạo thành một mạng lưới lặp lại đều đặn như trong tinh thể. Thay vào đó, chúng được kết nối và xếp chồng ngẫu nhiên một cách hỗn loạn, giống như một đống các khối xây dựng được lắp ráp một cách tùy tiện, tạo thành một cấu trúc thủy tinh vô định hình.

Cấu trúc vô định hình này là một trong những điểm khác biệt chính giữasợi thủy tinhvà thủy tinh thông thường. Trong quá trình làm nguội thủy tinh thông thường, các nguyên tử có đủ thời gian để hình thành các tinh thể nhỏ, có trật tự cục bộ, dẫn đến độ giòn cao hơn. Ngược lại, sợi thủy tinh được tạo ra bằng cách kéo giãn và làm nguội nhanh thủy tinh nóng chảy. Các nguyên tử không có thời gian để sắp xếp theo trật tự và bị "đóng băng" trong trạng thái vô định hình, không có trật tự này. Điều này làm giảm các khuyết tật tại ranh giới tinh thể, cho phép sợi duy trì các đặc tính của thủy tinh đồng thời có được độ dẻo dai và độ bền kéo tốt hơn.

Cấu trúc sợi đơn: Một thực thể đồng nhất từ ​​"lớp vỏ" đến "lõi"

Sợi thủy tinh mà chúng ta thấy thực chất được cấu tạo từ nhiều thành phần khác nhau.sợi đơnTuy nhiên, mỗi sợi đơn là một đơn vị cấu trúc hoàn chỉnh. Một sợi đơn thường có đường kính từ 5-20 micromet (khoảng 1/5 đến 1/2 đường kính của sợi tóc người). Cấu trúc của nó đồng nhất.“hình trụ đặc”Không có sự phân lớp rõ ràng. Tuy nhiên, xét từ góc độ phân bố thành phần vi mô, có những khác biệt tinh tế giữa "lớp vỏ và lõi".

Trong quá trình kéo sợi, khi thủy tinh nóng chảy được đùn ra từ các lỗ nhỏ của đầu phun, bề mặt nhanh chóng nguội đi khi tiếp xúc với không khí, tạo thành một lớp rất mỏng."da"lớp ngoài (dày khoảng 0,1-0,5 micromet). Lớp ngoài này nguội nhanh hơn nhiều so với lớp bên trong.“cốt lõi.”Kết quả là, hàm lượng silicon dioxide trong lớp vỏ cao hơn một chút so với lõi, và sự sắp xếp nguyên tử dày đặc hơn với ít khuyết tật hơn. Sự khác biệt nhỏ này về thành phần và cấu trúc làm cho bề mặt của sợi đơn cứng hơn và có khả năng chống ăn mòn tốt hơn so với lõi. Nó cũng làm giảm khả năng nứt bề mặt—sự hỏng hóc vật liệu thường bắt đầu từ các khuyết tật bề mặt, và lớp vỏ dày đặc này hoạt động như một “vỏ bọc” bảo vệ cho sợi đơn.

Ngoài sự khác biệt tinh tế về cấu trúc da, chất lượng cao cũng là một yếu tố quan trọng.sợi thủy tinhSợi đơn cũng có mặt cắt ngang đối xứng hình tròn cao, với sai số đường kính thường được kiểm soát trong phạm vi 1 micromet. Cấu trúc hình học đồng nhất này đảm bảo rằng khi sợi đơn chịu ứng suất, ứng suất được phân bố đều trên toàn bộ mặt cắt ngang, ngăn ngừa sự tập trung ứng suất do sự không đồng đều về độ dày cục bộ và do đó cải thiện độ bền kéo tổng thể.

Cấu trúc tập thể: Sự kết hợp có trật tự giữa “sợi” và “vải”

Mặc dù sợi đơn rất chắc chắn, nhưng đường kính của chúng quá nhỏ để sử dụng riêng lẻ. Do đó, sợi thủy tinh thường tồn tại ở dạng sợi đơn.“tập thể,”thường gặp nhất là“sợi thủy tinh”Và“Vải sợi thủy tinh.”Cấu trúc của chúng là kết quả của sự kết hợp có trật tự của các sợi đơn.

Sợi thủy tinh là tập hợp từ hàng chục đến hàng nghìn sợi đơn, được kết hợp với nhau bằng một trong hai cách sau:“xoắn”hoặc đang“không bị xoắn.”Sợi không xoắn là một tập hợp lỏng lẻo các sợi đơn song song, có cấu trúc đơn giản, chủ yếu được sử dụng để làm len thủy tinh, sợi cắt nhỏ, v.v. Mặt khác, sợi xoắn được tạo thành bằng cách xoắn các sợi đơn lại với nhau, tạo ra cấu trúc xoắn ốc tương tự như sợi bông. Cấu trúc này làm tăng lực liên kết giữa các sợi đơn, ngăn sợi bị bung ra dưới tác động của lực căng, làm cho nó phù hợp với dệt, cuộn và các kỹ thuật xử lý khác."đếm"của sợi (một chỉ số biểu thị số lượng sợi đơn, ví dụ, sợi 1200 tex được cấu tạo từ 1200 sợi đơn) và“xoay”(Số vòng xoắn trên một đơn vị chiều dài) quyết định trực tiếp độ bền, độ dẻo và hiệu suất gia công tiếp theo của sợi.

Vải sợi thủy tinh là một cấu trúc dạng tấm được làm từ sợi thủy tinh thông qua quá trình dệt. Ba kiểu dệt cơ bản là dệt trơn, dệt chéo và dệt satin.Dệt trơnVải được tạo thành bằng cách đan xen các sợi dọc và sợi ngang, tạo nên cấu trúc chặt chẽ với độ thấm thấp nhưng độ bền đồng đều, thích hợp làm vật liệu cơ bản cho vật liệu composite.dệt chéoVải dệt kiểu này có các sợi dọc và sợi ngang đan xen vào nhau theo tỷ lệ 2:1 hoặc 3:1, tạo thành hoa văn chéo trên bề mặt. Nó linh hoạt hơn so với kiểu dệt trơn và thường được sử dụng cho các sản phẩm cần uốn cong hoặc tạo hình.Dệt satinLoại vải này có ít điểm đan xen hơn, với các sợi dọc hoặc sợi ngang tạo thành các đường nổi liên tục trên bề mặt. Kiểu dệt này mềm mại khi chạm vào và có bề mặt nhẵn, thích hợp cho các bộ phận trang trí hoặc có độ ma sát thấp.

Dù là sợi hay vải, cốt lõi của cấu trúc tập thể là nhằm đạt được sự nâng cao hiệu suất.“1+1>2”Thông qua sự kết hợp có trật tự của các sợi đơn. Các sợi đơn cung cấp độ bền cơ bản, trong khi cấu trúc tập thể mang lại cho vật liệu nhiều hình dạng khác nhau, tính linh hoạt và khả năng thích ứng trong gia công để đáp ứng các nhu cầu đa dạng, từ cách nhiệt đến gia cố kết cấu.