高強度玻璃纖維及其復(fù)合材料低成本制造技術(shù)研究.pdf

1、高強度玻璃纖維是一種力學性能優(yōu)異的特種玻璃纖維，是高性能復(fù)合材料三大增強纖維(芳綸纖維、碳纖維、高強度玻璃纖維)之一。迄今為止，世界上只有美、法、俄、日、中五個國家掌握此項技術(shù)。二十世紀六十年代，美國首先研制成功高強度玻璃纖維，稱為S-994HTS纖維。八十年代，美國研制成功S-2(SiO2-Al2O3-MgO系)高強度玻璃纖維，采用水溶性浸潤劑，其性能與S-994HTS相比基本不變，但生產(chǎn)成本大幅降低。法國成功研制出R高強

2、度玻璃纖維投入生產(chǎn)，采用有機溶劑的浸潤劑；日本也研制生產(chǎn)出“T”高強度玻璃纖維(SiO2-Al2O3-MgO-TiO2系)；俄羅斯研制生產(chǎn)出“BMП”高強度玻璃纖維。美國的高強度玻璃纖維采用的是化工原料作為玻璃配合料、一步法拉絲生產(chǎn)工藝、漏板主要為400孔；俄羅斯高強度玻璃纖維采用的是礦物原料作為玻璃配合料、二步法即坩堝法生產(chǎn)工藝、漏板為400孔。國外的高強度玻璃纖維生產(chǎn)技術(shù)和裝備比較成熟，出現(xiàn)了先進的池窯拉絲(一步法)和二步

3、法多排多孔(400孔)拉絲生產(chǎn)工藝。與之匹配的浸潤劑品種不僅有適合不同樹脂體系的，而且有適合不同紡織類型用途的，更有適合于不同纖維直徑(9、11、13、15um)系列的。南京玻璃纖維研究設(shè)計院在七十年代初步研制出高強2#玻璃纖維，其新生態(tài)單絲強度為4020MPa，彈性模量為83GPa，密度為2.54 g/cm3，在九十年代末研制出高強4#玻璃纖維，其性能相當于美國S-2。經(jīng)過三十多年的研究發(fā)展，采用二步法100孔、200孔漏

4、板的拉絲工藝生產(chǎn)(年生產(chǎn)能力300噸)，成本高，產(chǎn)量低。但是，為我國的國防武器裝備配套作出了較大貢獻。目前，高強度玻璃纖維也是高性能復(fù)合材料三大增強纖維材料中唯一實現(xiàn)國產(chǎn)化批量生產(chǎn)、供應(yīng)的纖維。由于生產(chǎn)工藝及技術(shù)與國外差距較大，高強度玻璃纖維生產(chǎn)的高成本已制約了其在軍工和民用領(lǐng)域的進一步擴大應(yīng)用。研究采用先進的生產(chǎn)工藝、裝備和質(zhì)量控制技術(shù)，降低高強度玻璃纖維的生產(chǎn)成本；研究采用先進的復(fù)合材料制造工藝，降低高性能復(fù)合材料的生產(chǎn)成

5、本，符合我國先進材料技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略的研究方向。將高強玻璃纖維的高性能與低成本生產(chǎn)相結(jié)合，將高強度玻纖/碳纖維混雜增強復(fù)合材料的設(shè)計研究與高性能復(fù)合材料的低成本制造相結(jié)合，對我國國防軍工和民用高性能復(fù)合材料的應(yīng)用發(fā)展具有重要意義。本論文針對高強度玻璃纖維低成本化生產(chǎn)技術(shù)進行研究，主要工作為：優(yōu)化選擇組成穩(wěn)定、均勻性好且價格低廉的礦物原料替代目前采用的價高且難熔的化工原料作為高強度玻璃配合料原料。采用高精度自動測量、高均質(zhì)氣力混合

6、系統(tǒng)，研究高均度玻璃配合料的制備技術(shù)，從而實現(xiàn)高強度玻璃配合料的低成本制造。采用合理加深高強度玻璃熔制窯爐的熔化部和階梯式澄清部的窯爐結(jié)構(gòu)，通過增加熔化面積和電極數(shù)量等措施，使新窯爐的熔制能力由450kg/day提高至950kg/day。使熔窯的面積熔化率從595kg/m2提高到1528 kg/m2。通過研究特定結(jié)構(gòu)的拉絲通路，使得窯爐熔制的高均質(zhì)高強玻璃直接流入拉絲通路進行拉絲；通過研究特殊的纖維絲限冷卻措施，研究確定40

7、0孔拉絲工藝參數(shù)，穩(wěn)定一步法400孔拉絲工藝。從而實現(xiàn)低能耗的大結(jié)構(gòu)窯爐熔制及一步法400孔拉絲生產(chǎn)。在高強度2#玻璃纖維生產(chǎn)低成本化的同時，須保持纖維的品質(zhì)。通過纖維原絲的性能比對、浸膠NOL環(huán)的拉伸性能比對、浸膠束紗的拉伸性能比對等手段研究評定低成本制造的高強度玻璃纖維的性能。通過高強4#玻璃纖維有捻紗的一系列浸膠束紗強度的測定研究分析，闡述了在99.5％可信度前提下評判其力學性能的方法；通過浸膠束紗的應(yīng)力——壽命試驗分

8、析，計算分析高強4#玻璃纖維在一定應(yīng)力狀態(tài)和溫度下的壽命，從而評定高強4#玻璃纖維的性能。本論文針對低成本高強度玻璃纖維/碳纖維混雜增強復(fù)合材料進行的研究工作：根據(jù)混雜增強復(fù)合材料的理論，優(yōu)化設(shè)計碳纖維與高強度玻璃纖維混雜纏繞增強6.8L呼吸器氣瓶。通過混雜纏繞增強6.8L呼吸器氣瓶的疲勞試驗、爆破試驗、自緊試驗等手段探索研究碳纖維與高強度玻璃纖維層間混雜增強的機理，探索研究混雜纏繞增強復(fù)合材料壓力容器低成本制造的可行性。

9、試驗結(jié)果表明：1.采用礦物原料替代化工原料使高強度玻璃原料成本降低26％，采用大結(jié)構(gòu)窯爐熔制及一步法400孔拉絲生產(chǎn)使高強度玻璃纖維(SC13)的生產(chǎn)能耗降低了11.55％。綜合以上成果，本項目研究使高強度玻璃纖維的生產(chǎn)成本下降30％；2.低成本生產(chǎn)的高強度2#玻璃纖維的性能沒有降低，用于增強環(huán)氧樹脂時應(yīng)該采用JA型和JY型浸潤劑，用于增強尼龍類工程塑料時應(yīng)該采用PA型浸潤劑；3.批量生產(chǎn)的高強4#200孔B型浸潤劑S4C

10、8-28×1×4S100規(guī)格的高捻紗浸膠束紗性能比較穩(wěn)定，批次檢驗浸膠束紗強度均值大于3300MPa的可信度達到99.5％。高強4#玻璃纖維有捻紗環(huán)向纏繞增強復(fù)合筒體材料在46％～47％的恒應(yīng)力水平下、在40℃環(huán)境中能夠滿足連續(xù)工作達10萬小時以上(年失效要求小于1％)的設(shè)計要求；4.低成本生產(chǎn)的高強度玻璃纖維與碳纖維混雜纏繞增強6.8L鋁內(nèi)膽氣瓶在碳纖維體積百分比為60.6％時能夠達到、滿足氣瓶的爆破壓力、疲勞、疲勞后爆破壓