我国高强度玻璃纤维的研制与应用

 

  玻璃纤维具有耐高温、抗腐蚀、强度高、吸湿性低及伸长率小等一系列优异特性,是国民经济中不可或缺的高新技术材料。

 

  自20世纪30年代末期玻璃纤维问世以来,世界各国均致力于开发具有更高性能的特种功能玻璃纤维。科研人员通过改变玻璃的化学组分与性能关系、改变玻璃纤维的截面形状、采用新的纤维成型工艺和表面处理技术等,成功研制了各种性能优异的玻璃纤维,如高强玻璃纤维、低介电常数玻璃纤维、耐高温的高硅氧玻璃纤维、异形截面玻璃纤维、轻质透波空心玻璃纤维、镀金属玻璃纤维、耐辐射和中子混合辐射的耐辐照玻璃纤维等。这些玻璃纤维品种成为高性能复合材料的重要增强基材和功能材料。

 

  我国于20世纪60年代中期开始研制高强度玻璃纤维,研制单位是南京玻璃纤维研究设计院。该院于1968年成功研制了高强1号玻璃纤维,20世纪70年代中期又成功研制出了高强2号玻璃纤维,1974年10月通过技术鉴定后投入工业化生产。20世纪90年代,该院在高强2号玻璃纤维的基础上,又进一步提高强度和模量,继续成功研制高强3号和4号玻璃纤维。本文以南京玻璃纤维研究设计院的玻璃纤维研制为例,介绍国内高强度玻璃纤维的研制及应用情况。

 

  玻璃化学组分的设计

 

  高强玻璃纤维的玻璃化学组分为二氧化硅-三氧化二铝-氧化镁(SiO2-Al2O3-MgO)或SiO2-Al2O3-氧化钙(CaO)-MgO。该类化学组分的玻璃纤维具有高强度、高模量、耐高温和抗腐蚀等特性,与E玻璃纤维对比,其拉伸强度可提高30%~40%,弹性模量可提高10%~20%。

 

  高强玻璃纤维生产的关键技术是玻璃熔制和纤维成型。因SiO2-Al2O3-MgO系统玻璃熔制和析晶上限温度高,析晶速度快,玻璃液粘度大,气泡难排除,给拉丝作业带来了较大的困难。

 

  为了选择最佳玻璃组分,研究人员院先后设计了22个玻璃组分,其主要化学成分组成为:SiO221.5%~65%、Al2O3 5%~31%、MgO 6%~15%。同时还引入三氧化二镧(La2O3)、氧化锂(Li2O)等改性氧化物,其中La2O3能提高玻璃的表面张力及玻璃模量,增加玻璃的密度,改善玻璃的析晶性能,并能形成较佳的纤维拉丝成型粘度。

 

  通过实验得出的结论:SiO2-Al2O3-MgO组分的玻璃纤维,当SiO2在50%~65%之间,Al2O3在20%~31%之间时,其单丝强度能达到35 000~42 800kg/cm2,其中,Al2O3含量在25%以下纤维性能更好;但当玻璃中的SiO2含量增加时,玻璃粘度急剧上升,不利于玻璃的熔制、澄清和均化,导致熔制温度提高,体系中SiO2含量应控制在60%以下。因此,理想的高强玻璃纤维化学组成应为SiO2 50%~60%、Al2O3 20%~25%。

 

  炉体耐火材料的选择

 

  高强玻璃纤维的玻璃组分确定后,研究人员直接选择电熔石英砖和烧结纯钢玉砖分别做玻璃熔窑和代铂拉丝炉的炉体耐火材料,但该耐火材料价格高、侵蚀大,因此有必要选择耐腐蚀好、更为经济的耐火材料。由于高强玻璃是一种熔制温度和析晶上限温度都较高的“短料性”玻璃(即黏度随时间的变化很快),因此,选取天然白泡石、电熔石英砖、烧结纯刚玉、电熔锆刚玉和烧结锆英石等5种耐火材料,作为高强玻璃耐火材料试验的基材。

 

  通过相关的试验得出结论:①不同耐火材料,在同一种高温玻璃液中,耐浸蚀性能是不同的,5种耐火材料在高温玻璃液中耐浸蚀的优劣程度,依次为锆英石、刚玉砖、锆刚玉、白泡石和石英砖;②同一种耐火材料,在不同温度的同一种高温玻璃液中,其耐浸蚀性能也不相同。一般来说,随着玻璃液温度的升高,浸蚀量也随之增大。如锆英石在1500℃的浸蚀量就为1400℃的2~3倍。经过筛选,白泡石不但耐高强玻璃液的浸蚀性能优于石英砖,而且价格低、取材易,所以高强玻璃熔窑和代铂拉丝炉上的首批耐火材料全部选用了白泡石。

 

  纤维拉丝工艺试验

 

  在纤维拉丝工艺试验中采用全电熔无水冷钼电极,合理控制炉内各部分的电工参数及玻璃液深度,拉丝漏板选用抗高温热蠕变性能好的铂铑-25合金作底板材料,成型区吹风强制冷却漏嘴丝根,使得玻璃液获得最佳拉丝粘度,玻璃液中无析晶,以确保拉丝作业稳定性及单丝的高强度。

 

  由纤维拉丝工艺试验得出结论:一是采用5%的改性氧化物二氧化铈(CeO2)取代5%的SiO2,使得玻璃液的工艺性能大有改善,玻璃液粘度相应地有较大的下降,玻璃液的析晶温度下降到1300℃左右,有利于拉丝作业;二是炉内玻璃液温度分布较均匀,温度梯度较小,玻璃液表面温度较高,有利于冷玻璃的速熔,也有利于适当降低炉内最高温度,以减少对耐火材料的浸蚀和浸蚀物对玻璃的污染;三是由于高强玻璃的粘度稍大,因此冷却位置低、冷却强度小、丝根成型较长、成型性能较好,是适合连续拉制的玻璃纤维;另外,高强玻璃拉丝时的断头飞丝现象相对较少,拉丝作业较稳定,单机产量较高;四是高强玻璃纤维的力学性能良好,其单丝强度、原纱断裂强度和弹性模量都较好。

 

  高强玻璃纤维的应用

 

  高强玻璃纤维的强度比E玻璃纤维的强度高30%~40%,弹性模量高16%~20%。在制品研发初期,仅有平纹布及商品纱2类,后来陆续开发了高强/碳纤维、高强/石英纤维混织布,以及高强纱织造的仿形编织套、多轴向织物、三维立体织物等系列产品。与碳纤维、芳纶纤维相比,高强玻璃纤维具有明显的性价比优势,已广泛应用于国防军工、航空、船舶、高压容器、化工管道及石油工业装备等领域。

 

  在国防军工方面的应用。用高强玻璃纤维增强塑料制成的导弹弹翼筒及炮弹引信等主件和零部件共70多种,实战使用效果良好。同时,我国还研制成功了几种火箭发动机壳体,防热及隔热效果非常好,能确保发动机正常运转。另外,由高强玻璃纤维制成的玻璃钢头盔,其防弹率可达90%以上,得到军工部门的普遍赞赏。

 

  在航空工业方面的应用。用高强玻璃纤维增强塑料能够制成直升飞机的浆叶及飞机的轮箍。用高强玻璃纤维布及无捻粗纱能够制造飞机起落架及雷达罩等部件。

 

  在船舶工业方面的应用。高强玻璃纤维增强尼龙制成的螺旋浆叶,可用于8.5m救生艇和50t冷藏船。这种复合材料螺旋浆叶直径为1 600mm,采用复式注射法成型,比强度高、刚性好、耐腐蚀性强、产品的几何形状准确、再现性好、表面光洁度高,可降低主机轴系磨损,能提高浆叶效率,航速有所提高,耗油及振动性能都大有改善。

 

  在高压容器方面的应用。高强玻璃纤维增强塑料能够制造2.3L、4.0L、4.4L、8.0L、15L、20L及40L等共7种规格的航空气瓶。这类气瓶具有耐压高、质量轻及性能稳定性好等优异特性,最高气压可达125~170kg/cm2。用高强玻璃纤维无捻粗纱,干法缠绕成型后,再浸渍树脂,其制成的高压容器,耐压强度高、刚性好,爆破压力达到600kg/cm2以上,经疲劳试验后暴破压力可达620~680kg/cm2,经充压(压力为250kg)存放半年后,再打气到600kg/cm2亦未爆破。

 

  在石油工业方面的应用。用高强玻璃纤维增强塑料制成石油深井探测器。探测器由一根3.9m长的实心玻璃钢棒、一根1.1m长的空心玻璃钢管和3套测试装置组成。它能迅速测定深井的各种技术参数。

 

  探测器的使用环境条件恶劣,需在深达7000m的井下工作,温度高达200℃,这要求探测器的耐高温性能好,还要有较高的耐压、耐拉强度及良好的电绝缘性能。

 

  在化工方面的应用。用高强玻璃粉增强聚四氟乙烯,制作机械的密封件,可大大提高密封件的耐磨性能。

 

  近年来,随着国民经济的飞跃发展及科技水平的不断提高,高强度玻璃纤维的应用将会越来越广阔,市场前景被广泛看好!

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