玻璃纖維具有耐高溫、抗腐蝕、強度高、吸濕性低及伸長率小等一系列優異特性，是國民經濟中不可或缺的高新技術材料。

 

　　自20世紀30年代末期玻璃纖維問世以來，世界各國均致力于開發具有更高性能的特種功能玻璃纖維。科研人員通過改變玻璃的化學組分與性能關系、改變玻璃纖維的截面形狀、采用新的纖維成型工藝和表面處理技術等，成功研制了各種性能優異的玻璃纖維，如高強玻璃纖維、低介電常數玻璃纖維、耐高溫的高硅氧玻璃纖維、異形截面玻璃纖維、輕質透波空心玻璃纖維、鍍金屬玻璃纖維、耐輻射和中子混合輻射的耐輻照玻璃纖維等。這些玻璃纖維品種成為高性能復合材料的重要增強基材和功能材料。

 

　　我國于20世紀60年代中期開始研制高強度玻璃纖維，研制單位是南京玻璃纖維研究設計院。該院于1968年成功研制了高強1號玻璃纖維，20世紀70年代中期又成功研制出了高強2號玻璃纖維，1974年10月通過技術鑒定后投入工業化生產。20世紀90年代，該院在高強2號玻璃纖維的基礎上，又進一步提高強度和模量，繼續成功研制高強3號和4號玻璃纖維。本文以南京玻璃纖維研究設計院的玻璃纖維研制為例，介紹國內高強度玻璃纖維的研制及應用情況。

 

　　玻璃化學組分的設計

 

　　高強玻璃纖維的玻璃化學組分為二氧化硅-三氧化二鋁-氧化鎂(SiO2-Al2O3-MgO)或SiO2-Al2O3-氧化鈣(CaO)-MgO。該類化學組分的玻璃纖維具有高強度、高模量、耐高溫和抗腐蝕等特性，與E玻璃纖維對比，其拉伸強度可提高30%～40%，彈性模量可提高10%～20%。

 

　　高強玻璃纖維生產的關鍵技術是玻璃熔制和纖維成型。因SiO2-Al2O3-MgO系統玻璃熔制和析晶上限溫度高，析晶速度快，玻璃液粘度大，氣泡難排除，給拉絲作業帶來了較大的困難。

 

　　為了選擇最佳玻璃組分，研究人員院先后設計了22個玻璃組分，其主要化學成分組成為：SiO221.5%～65%、Al2O3 5%～31%、MgO 6%～15%。同時還引入三氧化二鑭(La2O3)、氧化鋰(Li2O)等改性氧化物，其中La2O3能提高玻璃的表面張力及玻璃模量，增加玻璃的密度，改善玻璃的析晶性能，并能形成較佳的纖維拉絲成型粘度。

 

　　通過實驗得出的結論：SiO2-Al2O3-MgO組分的玻璃纖維，當SiO2在50%～65%之間，Al2O3在20%～31%之間時，其單絲強度能達到35 000～42 800kg/cm2，其中，Al2O3含量在25%以下纖維性能更好;但當玻璃中的SiO2含量增加時，玻璃粘度急劇上升，不利于玻璃的熔制、澄清和均化，導致熔制溫度提高，體系中SiO2含量應控制在60%以下。因此，理想的高強玻璃纖維化學組成應為SiO2 50%～60%、Al2O3 20%～25%。

 

　　爐體耐火材料的選擇

 

　　高強玻璃纖維的玻璃組分確定后，研究人員直接選擇電熔石英磚和燒結純鋼玉磚分別做玻璃熔窯和代鉑拉絲爐的爐體耐火材料，但該耐火材料價格高、侵蝕大，因此有必要選擇耐腐蝕好、更為經濟的耐火材料。由于高強玻璃是一種熔制溫度和析晶上限溫度都較高的“短料性”玻璃(即黏度隨時間的變化很快)，因此，選取天然白泡石、電熔石英磚、燒結純剛玉、電熔鋯剛玉和燒結鋯英石等5種耐火材料，作為高強玻璃耐火材料試驗的基材。

 

　　通過相關的試驗得出結論：①不同耐火材料，在同一種高溫玻璃液中，耐浸蝕性能是不同的，5種耐火材料在高溫玻璃液中耐浸蝕的優劣程度，依次為鋯英石、剛玉磚、鋯剛玉、白泡石和石英磚;②同一種耐火材料，在不同溫度的同一種高溫玻璃液中，其耐浸蝕性能也不相同。一般來說，隨著玻璃液溫度的升高，浸蝕量也隨之增大。如鋯英石在1500℃的浸蝕量就為1400℃的2～3倍。經過篩選，白泡石不但耐高強玻璃液的浸蝕性能優于石英磚，而且價格低、取材易，所以高強玻璃熔窯和代鉑拉絲爐上的首批耐火材料全部選用了白泡石。

 

　　纖維拉絲工藝試驗

 

　　在纖維拉絲工藝試驗中采用全電熔無水冷鉬電極，合理控制爐內各部分的電工參數及玻璃液深度，拉絲漏板選用抗高溫熱蠕變性能好的鉑銠-25合金作底板材料，成型區吹風強制冷卻漏嘴絲根，使得玻璃液獲得最佳拉絲粘度，玻璃液中無析晶，以確保拉絲作業穩定性及單絲的高強度。

 

　　由纖維拉絲工藝試驗得出結論：一是采用5%的改性氧化物二氧化鈰(CeO2)取代5%的SiO2，使得玻璃液的工藝性能大有改善，玻璃液粘度相應地有較大的下降，玻璃液的析晶溫度下降到1300℃左右，有利于拉絲作業;二是爐內玻璃液溫度分布較均勻，溫度梯度較小，玻璃液表面溫度較高，有利于冷玻璃的速熔，也有利于適當降低爐內最高溫度，以減少對耐火材料的浸蝕和浸蝕物對玻璃的污染;三是由于高強玻璃的粘度稍大，因此冷卻位置低、冷卻強度小、絲根成型較長、成型性能較好，是適合連續拉制的玻璃纖維;另外，高強玻璃拉絲時的斷頭飛絲現象相對較少，拉絲作業較穩定，單機產量較高;四是高強玻璃纖維的力學性能良好，其單絲強度、原紗斷裂強度和彈性模量都較好。

 

　　高強玻璃纖維的應用

 

　　高強玻璃纖維的強度比E玻璃纖維的強度高30%～40%，彈性模量高16%～20%。在制品研發初期，僅有平紋布及商品紗2類，后來陸續開發了高強/碳纖維、高強/石英纖維混織布，以及高強紗織造的仿形編織套、多軸向織物、三維立體織物等系列產品。與碳纖維、芳綸纖維相比，高強玻璃纖維具有明顯的性價比優勢，已廣泛應用于國防軍工、航空、船舶、高壓容器、化工管道及石油工業裝備等領域。

 

　　在國防軍工方面的應用。用高強玻璃纖維增強塑料制成的導彈彈翼筒及炮彈引信等主件和零部件共70多種，實戰使用效果良好。同時，我國還研制成功了幾種火箭發動機殼體，防熱及隔熱效果非常好，能確保發動機正常運轉。另外，由高強玻璃纖維制成的玻璃鋼頭盔，其防彈率可達90%以上，得到軍工部門的普遍贊賞。

 

　　在航空工業方面的應用。用高強玻璃纖維增強塑料能夠制成直升飛機的漿葉及飛機的輪箍。用高強玻璃纖維布及無捻粗紗能夠制造飛機起落架及雷達罩等部件。

 

　　在船舶工業方面的應用。高強玻璃纖維增強尼龍制成的螺旋漿葉，可用于8.5m救生艇和50t冷藏船。這種復合材料螺旋漿葉直徑為1 600mm，采用復式注射法成型，比強度高、剛性好、耐腐蝕性強、產品的幾何形狀準確、再現性好、表面光潔度高，可降低主機軸系磨損，能提高漿葉效率，航速有所提高，耗油及振動性能都大有改善。

 

　　在高壓容器方面的應用。高強玻璃纖維增強塑料能夠制造2.3L、4.0L、4.4L、8.0L、15L、20L及40L等共7種規格的航空氣瓶。這類氣瓶具有耐壓高、質量輕及性能穩定性好等優異特性，最高氣壓可達125～170kg/cm2。用高強玻璃纖維無捻粗紗，干法纏繞成型后，再浸漬樹脂，其制成的高壓容器，耐壓強度高、剛性好，爆破壓力達到600kg/cm2以上，經疲勞試驗后暴破壓力可達620～680kg/cm2，經充壓(壓力為250kg)存放半年后，再打氣到600kg/cm2亦未爆破。

 

　　在石油工業方面的應用。用高強玻璃纖維增強塑料制成石油深井探測器。探測器由一根3.9m長的實心玻璃鋼棒、一根1.1m長的空心玻璃鋼管和3套測試裝置組成。它能迅速測定深井的各種技術參數。

 

　　探測器的使用環境條件惡劣，需在深達7000m的井下工作，溫度高達200℃，這要求探測器的耐高溫性能好，還要有較高的耐壓、耐拉強度及良好的電絕緣性能。

 

　　在化工方面的應用。用高強玻璃粉增強聚四氟乙烯，制作機械的密封件，可大大提高密封件的耐磨性能。

 

　　近年來，隨著國民經濟的飛躍發展及科技水平的不斷提高，高強度玻璃纖維的應用將會越來越廣闊，市場前景被廣泛看好!

圖片來源：找項目網