浅谈高强玻璃纤维的发展和应用

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《玻璃纤维》2008年 第5期 9
技术交流
音器填料减少噪声;高强玻纤与橡胶材料复合制作 同步带,这种同步带用在汽车发动机内比金属链更 耐高温、耐腐蚀。 4.3.2 压力容器增强 高强玻纤可以直接用于缠绕各种高压气瓶(医 疗、煤矿、消防、登山体育用),或者和碳纤维一 起使用,增强气瓶的抗冲击力和耐磨擦性能。 4.3.3 电机行业 传统换向器加强环多为金属环,不仅强度低 ( 只有400,MPa),也不绝缘,采用高强玻纤生产的 加强环不仅具有良好的绝缘性能,强度也可以达到 800~1,200,MPa,是钢环的2~3倍,能确保转子轴 在高速运转下产生强大的离心力,对漆包线起到固 定作用。 4.3.4 高强格栅 高强玻纤强度高,耐腐蚀性能好,用于生产超 长跨距格栅,其纵向筋条的间隔可以非常大。国内
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高强玻纤的耐疲劳性能比E玻纤高出10倍以上, 该特性决定用高强玻纤制成的复合材料具有更长的 工作寿命。 2.4 化学稳定特性 高强玻纤具有高的化学稳定性,其水煮,酸洗, 碱洗后强度保持率比E玻纤高。 2.5 耐高温性能 高强玻纤在比E玻纤更高的温度下熔制而成, 具有较高的软化点,通常高强玻纤要比E玻纤更耐 100~150,℃。
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客户生产的高强格栅产品通过美国海岸警卫队测试, 在海洋石油平台,人行通道,船甲板,地铁,煤矿 等紧急逃生通道或救生场所得到广泛的应用。 4.3.5 风力发电 据国外研究,单台风力机组的发电量和风力叶 片的长度的平方成正比,这就要求风力叶片尺寸能 尽量的长,以提供发电效率降低发电成本。叶片的 大型化就要求叶片本身刚性硬度高,以避免在强风 时叶片弯曲变形和塔身相碰。现在研究表明:E玻纤 的理论设计极限叶片长度50米左右,因此我们有理 由相信随着风电产业的发展高强玻纤必将会得到应 用。 4.4 体育、休闲行业 高强玻纤作为纤维增强材料用来制作滑雪板和 冲浪板、游艇、帆船等陆上及水上项目用品;也可 以用来制作钓竿、曲棍球棍、棒球和垒球棒等等。
量提高15%~20%。1968年推出商用化产品S-2玻纤。 1998年后,S-2玻纤由 AGY公司生产和销售。 法国的圣戈班集团的维托特克斯公司开发出了 商标为R(或RH)高强玻纤;日本的日东纺织株式会 社,板旭子公司也分别开发出了牌号或商标T及U高 强玻纤,前苏联的波洛茨克公司(现白俄罗斯)生 产牌号BMП高强玻纤。 南京玻璃纤维研究设计院,上世纪70年代起成 功开发了具有自主知识产权的HS系列高强玻璃纤维,
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中图分类号:TQ171.77+7.17 文献标识码:A
浅谈高强玻璃纤维的发展和应用
凌根华,李雯 (中材科技股份有限公司,南京 210012)
摘 要:介绍了高强玻璃纤维和普通无碱玻璃纤维相比具有的拉伸强度高、弹性模量高、抗冲击性能好、化学稳定性好、 耐高温、抗疲劳性好等优良特征,高强玻璃纤维在国内外发展的情况,高强玻璃纤维及其制品纱及织物的主要技术性能, 它在航空航天、国防工业、一般工业、体育休闲器材等高性能的增强材料方面的广泛应用。 关键词:高强玻璃纤维;S-2 玻纤;HS玻纤
表1 几种高强玻璃纤维化学成分质量百分比 %
S-2玻纤 R玻纤 HS4玻纤 BMП T玻纤
SiO2 64~66 58~60 55~62 58~60
65
Al2O3 24~25 23.5~25.5
25 20~27
23
CaO 0~0.2 8~10
0 前言
1938年,美国欧文斯—科宁公司发明了E玻璃纤 维。后应美国空军的需求开发了一种比E玻纤强度和 模量更高玻璃纤维,因其强度较高,取名为S玻纤。 S玻纤比常规E玻纤拉伸强度提高30%~40%,弹性模
收稿日期:2008-05-27 作者简介:凌根华,男,1966年生,中材科技股份有限公司特纤 事业部高级工程师。
的新材料,被列入国家科技部、财政部、税务总局 共同组织编制的《中国高新技术产品目录》,中材 科技股份有限公司也新建了年产1,000,t高强玻纤生 产线,为日益增长的市场需求提供有利保障。
1 高强玻纤的化学成分
SiO2-Al2O3-MgO或SiO2-Al2O3-CaO-MgO是高强玻 璃系统主要体系,各种高强玻璃成分的质量分数不 尽相同,但其中主要氧化物的含量均比E玻纤高,其 中Al2O3的含量均在25%左右。高强玻纤的化学成分 的质量分数见下表1。
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产品性能接近或达到国外先进水平。 高强玻璃纤维作为先进复合材料的增强基材, 最初主要用于航空、航天、兵器等国防军工领域。 随着科学技术水平进步及世界经济的发展,高强玻 纤在民用一般工业领域如电机行业、风力产业、压 力容器增强、高强格栅、汽车行业、体育休闲器材、 海上石油管道、建筑补强得到了广泛应用。 近年来,随着需求的不断增加,高强玻纤在北 美、欧洲等发达国家发展较快,年需求自2004年以 来,均以每年25%以上的速度递增,国外高强玻纤主 要由美国AGY公司生产,其生产及销售量占全世界的 80%以上。在我国,高强玻纤作为国家鼓励重点发展
SW110C-90a SC8 12 1×2 22×22 110 四枚缎纹
SW140B-90a SC8 12 2×2 14×14 140 斜纹
SW180D-90a SC8 12 2×2 18×18 180 五枚缎纹
SW200C-90a SC8 12 2×4 20×10 200 四枚缎纹
Leabharlann Baidu
SW210A-92a SC8 12 2×3 16×12 210 平纹
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表2 BGF和HEXCEL公司主要织造下列规格的高强布
牌号 纱线规格 经/纬密度/根 cm 质量/g m-2 组织
6522 SC9 33 1×2
9×9
125
平纹
6533 SC9 66 1×2
7×7
200
平纹
6580 SC9 33 1×1
29×28
190 八枚缎纹
6581 SC9 33 1×2
- - <0.01
MgO 9.5~10
5~7 12~14 10~15
11
Na2O+K2O 0.02 0~1 -
0.18~0.45 <0.1
B2O3 -
0~0.35 <3 -
<0.01
Fe2O3 0~0.1 0~0.5
1 0.1~0.6
<0.1
2 高强玻纤的性能
高强玻纤与常用E玻纤相比具有下列主要六大特 点:拉伸强度高,弹性模量高刚性好,断裂伸长量 大抗冲击性能好,化学稳定性好,耐高温,抗疲劳 特性及雷达透波性能好。 2.1 高强玻纤的拉伸强度及弹性模量 高强玻纤的拉伸强度,弹性模量分别比E玻纤提 高了30%~40%和16%~20%以上。用高强玻纤制成的 复合材料其强度及模量比E玻纤制成的复合材料分别 高近50%。 2.2 耐冲击性能 断裂伸长率表示纤维抗冲击变形的能力,是材 料耐冲击的重要指标,高强玻纤的断裂伸长量大于 5%,和芳纶纤维、碳纤维相比,其在一定应力下形 变能力最大,能充分吸收冲击能量,该特性决定高 强纤维可以作为一种比较理想的防弹材料。 2.3 耐疲劳特性
23×21
302 八枚缎纹
6781 SC9 66 1×1
23×21
302 八枚缎纹
表3 中材科技股份有限公司高强布织造规格
牌号
纱线规格
经/纬密度 质量
根 cm
g m-2
组织
SW80B-90b SC8 12 1×2 16×16
80
斜纹
SW100A-100a SC8 12 1×2 20×20 100 平纹
DEVELOPMENTS AND APPLICATIONS OF HIGH STRENGTH GLASS FIBERS
LING Genhua,Li Wen (Sinoma Science Technology Co.Ltd,Nanjing 210012)
Abstract:Compared with conventional E-glass fibers,high strength glass fibers are characterized by superior tensile strength, elastic modulus,impact resistance,chemical stability,heat resistance and fatigue endurance. This article presents the developments of high strength glass fibers at home and abroad,the main technical properties of high strength glass fibers and their products,and their extensive uses as high performance reinforcements in aerospace,defence,sports and leisure and industrial applications. Key words:high strength glass fiber;S-2 glass fiber;HS glass fiber
SW220B-90b SC8 12 2×3 18×14 240 斜纹
SW280F-92a SC8 12 2×3 20×18 280 八枚缎纹
4 高强玻纤的主要应用领域 4.1 航空、航天
目前高强玻纤在世界航空领域中占20%~30%市 场,常见的材料有GLARE层板,S玻纤单向预浸料以及 S玻纤细纱布。其用途作为飞机内装材料,地板,舱 门,机翼前缘;雷达罩;副油箱;直升飞机机翼等 等。 4.2 国防军事、警用器材 高强玻纤断裂伸长量大抗冲击性能好,高强玻 纤的断裂伸长量大于5%使之能成为吸收能量的理想 材料,高强无捻粗纱方格布和酚醛树脂复合制成高 强玻纤复合材料层压板可以用于各种军事或民用目 的防弹装甲。 4.3 一般民用工业 4.3.1 汽车工业 利用高强玻纤的耐高温性能,用作Silentex消
4 000 3 500 3 000 2 500 2 000 1 500 1 000
500 0
高强玻纤VS无碱玻纤 3535
2275
E 玻纤
HS4玻纤
测试方法 ASTM D2343
图1 国产高强玻纤拉伸强度
纤维模量/GPa
高强玻纤VS无碱玻纤 90
87
85
80
75
73
70
65 E 玻纤
HS4玻纤
测试方法 ASTM D2343
3 高强玻纤制品
高强纤维制品分为直接制品和复合制品两类, 直接制品分为高强玻纤纱线,合股无捻粗纱,直接 无捻粗纱,高强玻纤布,单向布,无捻粗纱布等等。 3.1 纺织纱 国外高强玻纤有捻纱以9,μ,,m68,tex的单捻纱为
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抗拉强度/MPa
图2 国产高强玻纤拉伸模量
主,也有少量的9,μ,,m33,tex的单捻纱和合股纱,浸 润剂分为淀粉型,直接增强用硅烷型。纺织纱主要 用于供应玻纤织布厂家。我国高强纱主要模仿前苏 联的产品以8,μ,,m的直接增强细纱为主。 3.2 无捻粗纱 高强无捻粗纱通常由直径9,μ,,m以上原丝来合股 而成,其浸润剂分别适用环氧、酚醛、乙烯基等树 脂基体。值得一提的是AGY公司在2000年以后推出 ZenTron及VeTron的两种牌号的直接无捻粗纱。 3.3 高强玻纤布 国外高强玻纤厂家通常自身不织布,而是将纺 织纱供应给专业的织布厂商来织造高强布。 除上述规格的高强玻纤布外,BGF和HEXCEL公司 还制造一些规格的高强单向布和无捻粗纱布。 中材科技股份有限公司除可以向市场提供高强 纱之外,也生产下列规格的高强玻纤布。
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