一種高性能玻璃纖維組合物及其玻璃纖維和復(fù)合材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高性能玻璃纖維組合物，尤其涉及一種能作為先進(jìn)復(fù)合材料增強(qiáng) 基材的高性能玻璃纖維組合物及其玻璃纖維和復(fù)合材料。
【背景技術(shù)】
[0002] 玻璃纖維屬于無機(jī)纖維材料，用它增強(qiáng)樹脂可制得性能優(yōu)良的復(fù)合材料。高性能 玻璃纖維作為先進(jìn)復(fù)合材料的增強(qiáng)基材，最初主要應(yīng)用于航空、航天、兵器等國防軍工領(lǐng) 域。隨著科技的進(jìn)步及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高性能玻璃纖維在風(fēng)力葉片、高壓容器、海洋管道、汽車 制造等民用工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
[0003] 最早的高性能玻璃成分以Mg〇-Al2〇3_Si〇2系統(tǒng)為主體，典型方案如美國0C公司開 發(fā)的S-2玻璃，模量在89-90GPa，但是它的生產(chǎn)難度過大，其玻纖成型溫度高達(dá)1571°C，液相 線溫度高達(dá)1470°C，難于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模池窯化生產(chǎn)。因此，0C公司主動(dòng)放棄了生產(chǎn)S-2玻璃纖 維，將其專利權(quán)轉(zhuǎn)讓給了美國AGY公司。
[0004] 隨后，0C公司還開發(fā)了 HiPer-tex玻璃，模量在87-89GPa，這是一種以犧牲部分玻 璃性能以降低生產(chǎn)難度的折衷策略，不過由于設(shè)計(jì)方案只是對(duì)S-2玻璃的簡單改進(jìn)，造成玻 纖成型溫度和液相線溫度依然很高，生產(chǎn)難度還是很大，難于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模池窯化生產(chǎn)。因 此，0C公司也放棄了生產(chǎn)HiPer-tex玻璃纖維，將其專利權(quán)轉(zhuǎn)讓給了歐洲3B公司。
[0005] 法國圣戈班公司開發(fā)過一種以Mg〇-Ca〇-Al2〇3_Si〇2系統(tǒng)為主體的R玻璃，模量在 86-89GPa。但是傳統(tǒng)R玻璃的硅鋁總含量較高，又缺乏改善玻璃析晶性能的有效方案，鈣鎂 比例也不合理，造成玻璃成型困難、析晶風(fēng)險(xiǎn)高，同時(shí)玻璃液的表面張力大、澄清難度高，其 玻纖成型溫度達(dá)到1410°C，液相線溫度達(dá)到1350°C，這都造成玻璃纖維高效拉制上的困難， 同樣難于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模池窯化生產(chǎn)。
[0006] 在國內(nèi)，南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院開發(fā)過一種HS2玻璃，模量在84-87GPa，其主要 成分也包括31〇2)12〇3、1 80，同時(shí)還引入部分1^2〇、82〇3工6〇2和？62〇3，它的成型溫度只有 1245Γ，液相線溫度為1320Γ，兩者的溫度均比S玻璃低得多，但其成型溫度比液相線溫度 低ΛΤ值為負(fù)，極不利于玻璃纖維的高效拉制，必須提高拉絲溫度，采用特殊形式的漏嘴，以 防止拉絲過程中發(fā)生玻璃失透現(xiàn)象，這造成溫度控制上的困難，也難于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模池窯化 生產(chǎn)。
[0007] 綜上所述，我們發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段的各類高性能玻璃纖維在實(shí)際生產(chǎn)中均存在池窯化 生產(chǎn)難度大的普遍問題，具體表現(xiàn)為玻璃的液相線溫度偏高、析晶速率快，成型溫度偏高、 表面張力大、澄清難度大，ΛΤ值小甚至為負(fù)。為此，大部分公司往往以犧牲部分玻璃性能的 方式來降低生產(chǎn)難度，這造成上述高性能玻璃纖維的性能水平無法與生產(chǎn)規(guī)模同步提升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明旨在解決上面描述的問題。本發(fā)明的目的是提供一種高性能玻璃纖維組合 物，該組合物能大幅提高玻璃的機(jī)械強(qiáng)度和彈性模量，在此基礎(chǔ)上，克服了傳統(tǒng)高性能玻璃 析晶風(fēng)險(xiǎn)高、表面張力大、澄清難度大，難于進(jìn)行高效率池窯生產(chǎn)的問題，能顯著降低高性 能玻璃的液相線溫度和成型溫度，同等條件下大幅降低玻璃的析晶速率、表面張力和氣泡 率，特別適合用于池窯化生產(chǎn)低氣泡率的高強(qiáng)度高模量玻璃纖維。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種高性能玻璃纖維組合物，所述玻璃纖維組合物 含有下述組分，各組分的含量以重量百分比表不如下： Si02 52-64% AI:〇3 12-24% RE2〇3="Y"2〇3+La2〇3+Cid2.〇3 0.05-8%
[001 0] R20=Li20+Na20+K20 <2 5% K20 >1% CaO+MgO+SrO 10-24% CaO 2-14% MgO <13%
[0011] Ti()2 <2% Fe：0, <1.5%
[0012] 其中，進(jìn)一步限定重量百分比的比值Cl =K20/R20的范圍為大于0.44。
[0013] 其中，進(jìn)一步限定重量百分比的比值C2 = (Mg0+Sr0)/CaO的范圍為大于0.9。
[0014]其中，進(jìn)一步限定Li20的含量，以重量百分比表示為0.1-1 %。
[0015] 其中，進(jìn)一步限定γ2〇3的含量，以重量百分比表示為〇. 05-6 %。
[0016] 其中，進(jìn)一步限定La203的含量，以重量百分比表示為0.05-2%。
[0017]其中，進(jìn)一步限定SrO的含量，以重量百分比表示為小于2.5%。
[0018]其中，進(jìn)一步限定CaO的含量，以重量百分比表示為4-11 %。
[0019]其中，進(jìn)一步限定MgO的含量，以重量百分比表示為6-12%。
[0020]其中，進(jìn)一步限定重量百分比的比值Cl =K20/R20的范圍為大于等于0.5。
[0021 ] 其中，進(jìn)一步限定重量百分比的比值C2 = (Mg0+Sr0)/CaO的范圍為大于等于1。
[0022]其中，各組分的含量以重量百分比表示如下： Si02 52-64% Abo；, 12-24% RE2O3-Y2〇3+L32〇3+Cid2Q3 0.05-8% R?P=Li?0+Na,0+K20 <2.5% K,0 >1%
[0023] Li20 0.1-1% CaO+MgO+SrO 10-24% GaO 2-14% MgO <13% Ti02 <2%
[0024] Fe20? <1.5%
[0025] 并且，重量百分比的比值Cl =K20/R20的范圍為大于0.44。
[0026] 其中，各組分的含量以重量百分比表示如下： Si02 52-64% AI2〇3 12-24% RE2〇3=Y2〇3+La2〇3+Gd2〇3 0.05-8% Y2〇3 0.05-6% R:0=Li20+Na20+K20 <2.5%
[0027] Κ2〇 >1% CaO+MgO+SrO 10-24% CaO 2-14% MgO <13% Ti02 <2% Fe20, <1.5%
[0028] 并且，重量百分比的比值Cl =K20/R20的范圍為大于0.44。
[0029] 其中，各組分的含量以重量百分比表示如下： SiO, 52-64% Al2〇3 12-24% RE203=Y203+La2Q 3+Gd203 0.05-8% La2〇v 0.05-2% R20=Li?.0+Na20+K20 <2.5%
[0030] K2〇 >1% CaO+MgO+SrO 10-24% CaO 2-14% MgO <13% Ti02 <2% Fe20, <15%
[0031 ] 并且，重量百分比的比值Cl =K20/R20的范圍為大于0.44。
[0032] 其中，各組分的含量以重量百分比表示如下： Si02 52-64% Alio. 12-24% RE2〇3=Y2()3+La203+Gd 203 0.05-8% R30=Li2〇+Na20+K20 <2.5% K2D >1%
[0033] CaO+MgO+SrO 10-24% CaO 2-14% MgO <13% SrO <2.5% 丁 i()2 <2% Fe20；5 <1.5%
[0034] 并且，重量百分比的比值Cl =K20/R20的范圍為大于0.44。
[0035] 其中，各組分的含量以重量百分比表示如下： Si03 52-64% Ai20? 12-24% RE:〇3=Y；2〇3 十 La:〇3+Ud2〇.3 0.05-8% R2(3=Li20+Na20+K20 <2.5% K20 >1% Li,0 0.1-1%
[0036] CaO+MgO+SrO 10-24% CaO 2-14% MgO <13% SrO <2.5% TiO? <2% Fe2〇3 <1.5%
[0037] 并且，重量百分比的比值Cl =K20/R20的范圍為大于0.44，重量百分比的比值C2 = (Mg0+Sr0)/Ca0的范圍為大于0.9。
[0038] 其中，各組分的含量以重量百分比表示如下： Si02 52-64% Al2〇3 12-24% 1^1^2〇；；=丫2〇.3+1^3>：2〇3十^^:￡12〇3 0.05-8% Y2〇3 0.05-6% R20=Li20-fNa20+K20 <2.5% K20 >1%
[0039] Li20 0.1-1 % CaO+MgQ+SrD 10-24% CaO 2-14% MgO <13% SrO <2.5% Ti02 <2% Fe2：〇3 <1.5%
[0040] 并且，重量百分比的比值Cl =K20/R20的范圍為大于0.44，重量百分比的比值C2 = (Mg0+Sr0)/Ca0的范圍為大于0.9。
[0041 ]其中，各組分的含量以重量百分比表示如下： Si02 52-64% Abo., 12-24% RE.O.^^O^La.O.+Gd.O；, 0.05-8% La20. 0.05-2% R?0=L i20+Na20+K20 <2.5%
[0042] K20 >1% I,i20 0.1-1% CaO+MgO+SrO 10-24% CaO 2-14% MgO <13% SrO <2.5% TiCh <2%
[0043] Fe.2〇3 < 1.5
[0044] 并且，重量百分比的比值Cl =K20/R20的范圍為大于0.44，重量百分比的比值C2 = (Mg0+Sr0)/Ca0的范圍為大于0.9。
[0045] 其中，進(jìn)一步限定SrO的含量，以重量百分比表示為0.1-2%。
[0046] 其中，進(jìn)一步限定Si02+Al203的含量，以重量百分比表示為小于80%。
[0047] 其中，進(jìn)一步限定Y203的含量，以重量百分比表示為0.5-5%。
[0048] 其中，進(jìn)一步限定Gd203的含量，以重量百分比表示為0.05-1 %。
[0049] 其中，進(jìn)一步限定Y203+La20 3+Gd203的含量，以重量百分比表示為1 -6 %。
[0050] 其中，進(jìn)一步限定重量百分比的比值C2 = (Mg0+Sr0)/Ca0的范圍為1.1-1.7。
[0051 ]其中，各組分的含量以重量百分比表示如下： Si03 52-64% Ai20? 12-24% RE:〇3=Y；2〇3 十 La:〇3+Ud2〇.3 1-6% R2(3=Li20+Na20+K20 <2.5% 1<20 >1% Li,0 0.1-1%
[0052] CaO+MgO+SrO 10-24% CaO 4-11% MgO 6-12% SrO <2.5% Ti03 <2% Fe2〇3 <1.5%
[0053] 并且，重量百分比的比值Cl =K20/R20的范圍為大于等于0.5,重量百分比的比值C2 = (Mg0+Sr0)/Ca0的范圍為大于等于1。
[0054] 其中，各組分的含量以重量百分比表示如下： Si02 54-62% AI2〇3 13-21% RE2〇3=Y2〇.+La2〇3+Gd2〇3 1-6% Y2〇3 0.5-5% R:0=Li20+Na20+K20 <2.