[发明专利]一种高模量玻璃纤维组合物及其玻璃纤维和复合材料

说明书

本发明提供一种高模量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43‑58％，Al₂O₃为15.5‑23％，MgO为8‑18％，Al₂O₃+MgO≥25％，CaO为0.1‑7.5％，Y₂O₃为7.1‑22％，MgO+Y₂O₃≥16.5％，TiO₂为0.01‑5％，Fe₂O₃为0.01‑1.5％，Na₂O为0.01‑2％，K₂O为0‑1.5％，Li₂O为0‑0.9％，SrO为0‑4％，La₂O₃+CeO₂为0‑5％。该玻璃纤维组合物能显著提高玻璃纤维模量，显著降低玻璃澄清温度，优化玻璃料性、改善玻璃纤维的冷却效果，降低玻璃析晶速率，适合用于规模化生产高模量玻璃纤维。

技术领域

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

背景技术

高模量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、国防军工等特殊领域。随着科技进步及经济发展，高模量玻璃纤维被广泛应用于大型风力叶片、高压容器、光缆加强芯、汽车制造等民用工业领域。以风电领域为例，伴随大型风力叶片的快速发展，高模量玻璃纤维替代普通玻璃纤维的比例越来越高。目前，追求更优异的模量性能并实现规模化生产，成为高模量玻璃纤维的重要发展方向。

S玻璃是最早的高强度高模量玻璃，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的重量百分比含量达90％，MgO约为10％，玻璃不易熔化澄清、气泡多，玻璃成型温度高达1571℃，液相线温度高达1470℃，同时玻璃析晶速率快，使得S-2玻璃纤维的生产难度过大，无法实现大规模池窑生产，甚至难于进行一步法生产，导致S-2玻璃纤维的生产规模小、效率低、价格高，无法实现大规模工业应用。

对标S玻璃，我国开发了HS系列高强度玻璃，其主要成分也包括SiO₂、Al₂O₃、MgO，同时引入高含量的Li₂O、B₂O₃和Fe₂O₃，它的成型温度范围在1310-1330℃，液相线温度范围在1360-1390℃，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，这不利于玻璃纤维的高效拉制，必须提高拉丝温度，采用特殊的漏板、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生产。同时，由于引入高含量的Li₂O和B₂O₃，两者的重量百分比总量一般超过2％甚至3％，玻璃机械性能和耐腐蚀性能受到一定的负面影响。而且，HS系列玻璃的弹性模量与S玻璃相当。

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℃。