[发明专利]一种高性能玻璃纤维组合物及其玻璃纤维和复合材料

说明书

本发明提供一种高性能玻璃纤维组合物及其玻璃纤维和复合材料。其中，玻璃纤维组合物各组分的含量以重量百分比表示如下：SiO₂为52‑64％，Al₂O₃为12‑24％，Y₂O₃+La₂O₃+Gd₂O₃为0.05‑8％，Li₂O+Na₂O+K₂O为小于2.5％，K₂O为大于1％，CaO+MgO+SrO为10‑24％，CaO为2‑14％，MgO为小于13％，TiO₂为小于2％，Fe₂O₃为小于1.5％。该组合物能大幅提高玻璃的机械强度和弹性模量，还能显著降低玻璃的液相线温度和成型温度，同等条件下大幅降低玻璃的析晶速率、表面张力和气泡率，特别适合用于池窑化生产低气泡率的高强度高模量玻璃纤维。

技术领域

本发明涉及一种高性能玻璃纤维组合物，尤其涉及一种能作为先进复合材料增强基材的高性能玻璃纤维组合物及其玻璃纤维和复合材料。

背景技术

玻璃纤维属于无机纤维材料，用它增强树脂可制得性能优良的复合材料。高性能玻璃纤维作为先进复合材料的增强基材，最初主要应用于航空、航天、兵器等国防军工领域。随着科技的进步及经济的发展，高性能玻璃纤维在风力叶片、高压容器、海洋管道、汽车制造等民用工业领域得到了广泛应用。

最早的高性能玻璃成分以MgO-Al₂O₃-SiO₂系统为主体，典型方案如美国OC公司开发的S-2玻璃，模量在89-90GPa，但是它的生产难度过大，其玻纤成型温度高达1571℃，液相线温度高达1470℃，难于实现大规模池窑化生产。因此，OC公司主动放弃了生产S-2玻璃纤维，将其专利权转让给了美国AGY公司。

随后，OC公司还开发了HiPer-tex玻璃，模量在87-89GPa，这是一种以牺牲部分玻璃性能以降低生产难度的折衷策略，不过由于设计方案只是对S-2玻璃的简单改进，造成玻纤成型温度和液相线温度依然很高，生产难度还是很大，难于实现大规模池窑化生产。因此，OC公司也放弃了生产HiPer-tex玻璃纤维，将其专利权转让给了欧洲3B公司。

法国圣戈班公司开发过一种以MgO-CaO-Al₂O₃-SiO₂系统为主体的R玻璃，模量在86-89GPa。但是传统R玻璃的硅铝总含量较高，又缺乏改善玻璃析晶性能的有效方案，钙镁比例也不合理，造成玻璃成型困难、析晶风险高，同时玻璃液的表面张力大、澄清难度高，其玻纤成型温度达到1410℃，液相线温度达到1350℃，这都造成玻璃纤维高效拉制上的困难，同样难于实现大规模池窑化生产。

在国内，南京玻璃纤维研究设计院开发过一种HS2玻璃，模量在84-87GPa，其主要成分也包括SiO₂、Al₂O₃、MgO，同时还引入部分Li₂O、B₂O₃、CeO₂和Fe₂O₃，它的成型温度只有1245℃，液相线温度为1320℃，两者的温度均比S玻璃低得多，但其成型温度比液相线温度低△T值为负，极不利于玻璃纤维的高效拉制，必须提高拉丝温度，采用特殊形式的漏嘴，以防止拉丝过程中发生玻璃失透现象，这造成温度控制上的困难，也难于实现大规模池窑化生产。

综上所述，我们发现，现阶段的各类高性能玻璃纤维在实际生产中均存在池窑化生产难度大的普遍问题，具体表现为玻璃的液相线温度偏高、析晶速率快，成型温度偏高、表面张力大、澄清难度大，△T值小甚至为负。为此，大部分公司往往以牺牲部分玻璃性能的方式来降低生产难度，这造成上述高性能玻璃纤维的性能水平无法与生产规模同步提升。

发明内容