[发明专利]一种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57.4‑60.9％，Al₂O₃为大于17％且小于等于19.8％，MgO为大于9％且小于等于12.8％，CaO为6.4‑11.8％，SrO为0‑1.6％，Na₂O+K₂O为0.1‑1.1％，Fe₂O₃为0.05‑1％，TiO₂为小于0.8％，SiO₂+Al₂O₃为小于等于79.4％，并且上述组分的合计含量大于99％，重量百分比的比值C1＝(Al₂O₃+MgO)/SiO₂的范围为0.43‑0.56，重量百分比的比值C2＝(CaO+MgO)/(SiO₂+Al₂O₃)的范围为大于0.205。该玻璃纤维组合物能提高玻璃纤维的模量，能有效降低玻璃的析晶速率，并获得理想的玻纤成型范围△T值，还有利于改善玻璃的澄清效果，特别适合用于池窑化生产高性能玻璃纤维。

技术领域

本发明涉及一种玻璃纤维组合物，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广泛应用。因此，追求更优异的模量和强度性能、更优的成型性能、更低的生产风险和成本，实现大规模池窑生产，从而大幅提升高性能玻璃纤维的性价比成为迫切的任务。

S玻璃是最早的高性能玻璃，其成分以MgO-Al₂O₃-SiO₂系统为主体，ASTM国际组织将S玻璃定义为一族主要由镁、铝、硅的氧化物组成的玻璃，典型方案如美国开发的S-2玻璃。S-2玻璃中SiO₂和Al₂O₃的重量百分比合量达90％，MgO约为10％，玻璃的熔制温度在1600℃以上，玻璃的成型温度高达1571℃，导致玻璃不易熔化澄清、气泡多；液相线温度高达1470℃，而且玻璃析晶速率快，这些因素使得S-2玻璃纤维的生产难度过大，不仅无法实现大规模池窑生产，甚至难于进行一步法的玻纤生产，从而导致S-2玻璃纤维的生产规模小、效率低、价格高，无法满足大规模推广应用的要求。资料显示，S-2玻璃纤维的模量在89-90GPa。

法国开发过一种以MgO-CaO-Al₂O₃-SiO₂系统为主体的R玻璃，但是传统R玻璃的硅铝总量依然较高，这造成玻璃成型困难、析晶风险大，其玻璃成型温度达到1410℃，液相线温度达到1350℃；同时，缺乏改善玻璃析晶的有效方案，钙镁比例设计不合理，导致玻璃性能损失明显、玻璃析晶速率快。这些因素导致传统R玻璃纤维在高效拉制上的困难，使得它同样难于实现大规模池窑生产。资料显示，传统R玻璃纤维的模量在87-90GPa。

日本专利JP8231240公开了一种玻璃纤维组合物，按重量百分比含量计，它含有62-67％的SiO₂，22-27％的Al₂O₃，7-15％的MgO，0.1-1.1％的CaO，0.1-1.1％的B₂O₃。相对于S玻璃，该组合物的气泡数量明显改善，但是成型仍然非常困难，成型温度超过1460℃。