Khi chúng ta nhìn thấy những sản phẩm được làm bằngsợi thủy tinhChúng ta thường chỉ chú ý đến vẻ ngoài và công dụng của chúng, mà hiếm khi cân nhắc: Cấu trúc bên trong của sợi thủy tinh mảnh mai màu đen hoặc trắng này là gì? Chính những cấu trúc vi mô vô hình này đã mang lại cho sợi thủy tinh những đặc tính độc đáo, chẳng hạn như độ bền cao, khả năng chịu nhiệt độ cao và khả năng chống ăn mòn. Hôm nay, chúng ta sẽ khám phá “thế giới bên trong” của sợi thủy tinh để khám phá bí mật về cấu trúc của nó.
Nền tảng vi mô: “Trật tự hỗn loạn” ở cấp độ nguyên tử
Xét về mặt nguyên tử, thành phần cốt lõi của sợi thủy tinh là silicon dioxide (thường chiếm 50%-70% trọng lượng), cùng với các nguyên tố khác như canxi oxit, magie oxit và nhôm oxit được thêm vào để điều chỉnh các tính chất 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 tầm ngắn, rối loạn tầm xa.”Nói một cách đơn giản, trong một khu vực cục bộ (trong phạm vi của một vài nguyên tử), mỗi nguyên tử silicon liên kết với bốn nguyên tử oxy, tạo thành một hình kim tự tháp“tứ diện silica”Cấu trúc. Sự sắp xếp cục bộ này có trật tự. Tuy nhiên, ở quy mô lớn hơn, các tứ diện silica này không tạo thành mạng lưới lặp lại đều đặn như trong tinh thể. Thay vào đó, chúng được kết nối ngẫu nhiên và xếp chồng lên nhau một cách hỗn loạn, giống như một đống khối xây dựng được lắp ráp một cách bừa bãi, 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 thủy tinh nóng chảy nhanh chóng. Các nguyên tử không có thời gian để sắp xếp theo trật tự và bị "đông cứng" trong trạng thái vô định hình, hỗn loạn 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 tăng cường độ dẻo dai và độ bền kéo.
Cấu trúc sợi đơn: Một thực thể thống nhất từ “Da” đến “Lõi”
Sợi thủy tinh mà chúng ta thấy thực sự được tạo thành từ nhiềusợi đơn, nhưng mỗi sợi monofilament là một đơn vị cấu trúc hoàn chỉnh. Một sợi monofilament thường có đường kính từ 5-20 micromet (khoảng 1/5 đến 1/2 đường kính sợi tóc người). Cấu trúc của nó đồng nhất.“hình trụ đặc”không có sự phân lớp rõ ràng. Tuy nhiên, xét về phân bố thành phần vi mô, có những khác biệt tinh tế giữa lớp vỏ và lõi.
Trong quá trình kéo, khi thủy tinh nóng chảy được đùn ra từ các lỗ nhỏ của ống kéo sợi, bề mặt sẽ nhanh chóng nguội đi khi tiếp xúc với không khí, tạo thành một lớp rất mỏng"da"(dày khoảng 0,1-0,5 micromet). Lớp da này nguội nhanh hơn nhiều so với lớp bên trong“lõi”.Kết quả là, hàm lượng silicon dioxide trong lớp vỏ cao hơn một chút so với lớp lõi, và sự sắp xếp nguyên tử dày đặc hơn với ít khuyết tật hơn. Sự khác biệt tinh tế về thành phần và cấu trúc này làm cho bề mặt của sợi monofilament cứng hơn và chống ăn mòn tốt hơn 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 "lớp vỏ" bảo vệ cho sợi monofilament.
Ngoài sự khác biệt tinh tế giữa lớp da và lõi, chất lượng caosợi thủy tinhSợi monofilament cũng có tính đối xứng tròn cao ở mặt cắt ngang, 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 monofilament chịu ứng suất, ứng suất được phân bổ đều trên toàn bộ mặt cắt ngang, ngăn ngừa hiện tượng tập trung ứng suất do độ dày cục bộ không đồng đều, từ đó cải thiện độ bền kéo tổng thể.
Cấu trúc tập thể: Sự kết hợp có trật tự của “Sợi” và “Vải”
Mặc dù sợi đơn rất chắc, nhưng đường kính của chúng quá nhỏ để sử dụng riêng lẻ. Do đó, sợi thủy tinh thường tồn tại dưới dạng“tập thể,”phổ biến 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 của hàng chục đến hàng nghìn sợi đơn, được lắp ráp bằng“xoắn”hoặc là“không xoắn.”Sợi không xoắn là tập hợp các sợi đơn song song lỏng lẻo, có cấu trúc đơn giản, chủ yếu được sử dụng để sản xuất bông 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 khi chịu lực, do đó thích hợp cho các kỹ thuật dệt, quấn và xử lý khác."đếm"của sợi (một chỉ số biểu thị số lượng sợi đơn, ví dụ, sợi 1200 tex được tạo thành từ 1200 sợi đơn) và“xoắn”(số vòng xoắn trên một đơn vị chiều dài) quyết định trực tiếp độ bền, độ linh hoạt và hiệu suất xử lý tiếp theo của sợi.
Vải sợi thủy tinh là một cấu trúc dạng tấm được tạo thành từ sợi thủy tinh thông qua quá trình dệt. Ba kiểu dệt cơ bản là trơn, vân chéo và satin.Dệt trơnvải được hình thành bằng cách đan xen xen kẽ các sợi dọc và sợi ngang, tạo ra cấu trúc chặt chẽ với độ thấm thấp nhưng độ bền đồng đều, khiến nó phù hợp làm vật liệu cơ bản cho vật liệu composite. Trongdệt chéoSợi vải, sợi dọc và sợi ngang đan xen theo tỷ lệ 2:1 hoặc 3:1, tạo ra họa tiết chéo trên bề mặt. Kiểu dệt này linh hoạt hơn kiểu dệt trơn và thường được sử dụng cho các sản phẩm cần uốn cong hoặc định hình.Dệt satincó ít điểm đan xen hơn, với 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 chi tiết trang trí hoặc ma sát thấp.
Cho dù đó là sợi hay vải, cốt lõi của cấu trúc tập thể là đạt được sự cải thiện hiệu suất của“1+1>2″Thông qua sự kết hợp có trật tự của các sợi đơn. Các sợi đơn tạo nên độ bền cơ bản, trong khi cấu trúc tổng thể mang lại cho vật liệu nhiều hình dạng, độ linh hoạt và khả năng thích ứng với quy trình gia công khác nhau để đáp ứng các nhu cầu đa dạng, từ cách nhiệt đến gia cố kết cấu.
Thời gian đăng: 16-09-2025
