玻璃纖維增強的復(fù)合材料(玻璃鋼)是電絕緣材料，其體積電阻率為1013～1015(Ω.㎝)，表面電阻率為1012～1014(Ω)，具體根據(jù)不同樹脂配方、不同成型工藝、不同樹脂含量而不同。同時纖維增強復(fù)合材料的電性能具有方向性，垂直纖維鋪設(shè)平面方向和平行纖維方向的電性能是很不相同的。

隨著復(fù)合材料在航天航空、軍工、各工業(yè)部門等應(yīng)用的快速發(fā)展，由于摩擦、擠壓、化學(xué)介質(zhì)等原因，使復(fù)合材料產(chǎn)品表面積累電荷而產(chǎn)生靜電，引起靜電放電，導(dǎo)致生產(chǎn)障礙、火災(zāi)、爆炸現(xiàn)象時有發(fā)生，給社會帶來巨大的經(jīng)濟損失。因此，既要降低復(fù)合材料(玻璃鋼)的電阻率以使其具有良好的抗靜電性能，又要提高復(fù)合材料的阻燃性能，以減少火災(zāi)事故的發(fā)生。同時，在提高這兩個性能時，盡量不影響產(chǎn)品的強度性能。

有一些復(fù)合材料產(chǎn)品要求抗靜電，其體積電阻率為105～106(Ω.㎝)，表面電阻率為104～105(Ω)。主要采用添加導(dǎo)電性能特別好的石墨粉、炭黑粉、金屬粉等填料。某些產(chǎn)品由于使用性能要求不能加太多的填料，而要求混雜一些導(dǎo)電的碳纖維、金屬纖維等，這同樣可以達(dá)到抗靜電的要求。

以玻璃纖維纏繞的船用玻璃鋼管為例，為了抗靜電，也可以在纏繞過程中加一些碳纖維， 既可抗靜電，又提高管子的剛度和強度。玻璃纖維的電阻率在1011～1013范圍，碳纖維的電阻率在10-2量級，石墨等填料在10-3量級。各類樹脂的電阻率在1013～1016范圍。

2 電性能分析計算

2.1 玻璃鋼電阻率分析計算

玻璃纖維增強塑料(玻璃鋼)是透波材料，其重要的介電常數(shù)和介電損耗角正切的實驗數(shù)據(jù)和理論分析詳見文獻(xiàn)[1] ～[3]，本文專討論電阻率的分析計算。玻璃鋼是電絕緣材料，其電阻率已有大量實驗數(shù)據(jù)，至于理論分析，還是較少見到。

對于單向玻纖復(fù)合材料，沿纖維方向和垂直纖維鋪層方向的電阻率，可以采用電容器并聯(lián)、串聯(lián)的原理進(jìn)行理論分析計算。當(dāng)沿著纖維方向，加在試樣兩端的電壓是相同的，可以采用并聯(lián)電容器模式。并聯(lián)電容器系統(tǒng)的總電容量為[6]：

C=C1+C2+…+ Cn (1)

又根據(jù)電容與電壓、電流，直至與電阻的關(guān)系，最后可以得出普通玻璃鋼的電阻率計算公式：

ρ11 =ρg ρR ρO /(ρgρOvR+ρRρOvg+ρgρRvO) (2)

式中ρ為電阻率，v為體積百分比，下標(biāo)g代表玻璃纖維，R代表樹脂基體;o代表界面及孔隙率。ρ11表示平行纖維方向的電阻率。

對于垂直纖維鋪層方向的電阻率，產(chǎn)品使用的主要是這個方向的電阻率。由于纖維的截面基本上是圓的，詳細(xì)分析計算此方向的電阻率較復(fù)雜，以下僅以平行排列的方式，得出簡單的電阻率計算公式為：

ρ⊥=ρgvg+ρRvR+ρOvO (3)

由上述式(1)～(2)可知，復(fù)合材料中的界面及孔隙的性能ρOvO，對電阻率有較大影響。對于透波性能有極大關(guān)系的介電常數(shù)和損耗角正切，更是如此，見文獻(xiàn)[1]～[4]。

2.2 混有碳纖維玻璃鋼電阻率分析計算

當(dāng)導(dǎo)電的碳纖維混合在玻璃纖維中，這樣制成的玻璃鋼(復(fù)合材料)電阻率，同樣采用并聯(lián)、串聯(lián)電容器模式，最后得到如下計算公式：

ρ11 =ρg ρcρR ρO /(ρgρcρOvR+ρcρRρOvg+ρgρRρOvc +ρcρgρRvO) (4)

ρ⊥=ρgvg+ρcvc+ρRvR+ρOvO (5)

2.3 加有填料時玻璃鋼電阻率分析計算

當(dāng)在上述的玻璃鋼中又加填料時，由于填料分布是比較均勻的，即使在垂直玻璃鋼平面方向的電阻率，仍有一部分填料起著并聯(lián)電容器作用，特別是當(dāng)填料加之較多時。仍暫列出并聯(lián)、串聯(lián)電容器模式的計算公式：

ρ11 =ρg ρcρR ρO ρs /(ρgρcρsρOvR+ρsρcρRρOvg+ρsρgρRρOvc +ρsρcρgρRvO+ρOρgρcρRvs) (6)

ρ⊥=ρgvg+ρcvc+ρRvR+ρsvs+ρOvO (7)

式中下標(biāo)s代表填料。

3 抗靜電分析計算

要達(dá)到抗靜電，必須在電絕緣的玻璃鋼產(chǎn)品中加進(jìn)導(dǎo)電的纖維和填料。由于玻璃鋼是層狀材料，而產(chǎn)品的抗靜電要求，對于不同的使用環(huán)境條件，有的僅要求表面抗靜電，只要求表面的電阻率達(dá)104～105(Ω)或更低。對于這種產(chǎn)品，根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及使用，可以在產(chǎn)品表面涂上導(dǎo)電涂料、導(dǎo)電膠衣層即可。若對強度要求較高，也可以在表面層鋪設(shè)(或纏繞)一定的導(dǎo)電纖維、布或表面氈等。而有一些產(chǎn)品，一定要求體積電阻率也要達(dá)到抗靜電的電阻率。從上述各ρ⊥公式可知，僅加導(dǎo)電纖維(碳纖維或金屬纖維)，效果是很差的，必須加很多導(dǎo)電纖維，用量達(dá)70%～90% 。而對沿著纖維方向的電阻率，從上述各ρ11公式可知，僅加很少的導(dǎo)電纖維就可以，用量在幾千至萬分之一即可。

相對而言，導(dǎo)電纖維價較貴，效果又不明顯。因此，目前為了達(dá)到玻璃鋼的抗靜電要求，多數(shù)采用導(dǎo)電的石墨、炭黑及金屬粉的填料。

從實驗資料[5]可知，當(dāng)加石墨時，需加24%及以上時，才能達(dá)到體積電阻率為抗靜電的要求。當(dāng)加炭黑時，僅需1%～2%即可。最好使用乙炔碳黑，這種填料對玻璃鋼的彎曲強度影響小，在填料用量小于1%時，彎曲強度還有增加的現(xiàn)象[5]。

加導(dǎo)電填料，可以在垂直玻璃鋼產(chǎn)品平面方向形成通電通道，實現(xiàn)并聯(lián)電容器模式，其電阻率可按ρ11的公式計算。若同時又加導(dǎo)電纖維，效果更好。在公式(6)中，電阻率量級很小(10-2～10-3)的ρs、ρc 可以起著很大的作用，這是由于加了導(dǎo)電填料，使導(dǎo)電纖維也能達(dá)到沿垂直方向的電通道。這樣，在產(chǎn)品一定要求有導(dǎo)電纖維的要求下，可以大大降低導(dǎo)電纖維的含量，從而降低產(chǎn)品成本。

從導(dǎo)電碳纖維而言，隨著碳纖維橫截面積增加(即纖維粗一些)，軸向電阻率增加，而軸向彈性模量降低。

對于填料，效果最好的是乙炔炭黑，避免采用片狀的石墨，適當(dāng)加一點導(dǎo)電金屬粉也是有好處，關(guān)鍵是填料要均勻，盡可能使玻璃鋼產(chǎn)品沿垂直方向產(chǎn)生電通道。

若采用部分導(dǎo)電碳纖維、金屬纖維，必須把這些纖維分散各玻璃纖維紗或布中。采用整股碳纖維紗，其效果等于零，特別對于體積電阻率，這種加法毫無作用。

從成本及使用效果來看，對于要求抗靜電的體積電阻率而言，最好是加填料。為了達(dá)到抗靜電又滿足產(chǎn)品的強度要求，必須①加乙炔炭黑，不是加片狀石墨;②對填料進(jìn)行表面處理，能有一個很好的界面;③填料粒度細(xì)、分散均勻，能較好地包圍在玻璃纖維周圍，增大玻璃纖維與樹脂的摩擦，甚至與樹脂形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而形成電通道及提高強度;④在可能的條件，減少樹脂含量。

4 結(jié) 論

對于玻璃鋼產(chǎn)品，僅要求表面抗靜電要求，可以采用導(dǎo)電涂料、導(dǎo)電膠衣層、導(dǎo)電表面氈或布或纖維紗。

當(dāng)要求抗靜電的體積電阻率時，一定要加導(dǎo)電的填料。目前，效果較好的是加乙炔炭黑，金屬粉的效果也較好。對填料，必須經(jīng)表面化學(xué)處理，粒度細(xì)，分散均勻。對強度要求高的產(chǎn)品，盡量減少樹脂，適當(dāng)加一些導(dǎo)電纖維，并進(jìn)行科學(xué)、合理的鋪層設(shè)計。單純地加導(dǎo)電纖維紗，對于體積電阻率的作用等于零，除非加數(shù)量很大的導(dǎo)電纖維，這從成本而言，是不合算的，也是不現(xiàn)實的。