第39卷第8期 Vol 39 No 8 011年8月 NEW CHEM ICAL MATERIALS 行业评述 高强度高模量玻璃纤维特性与应用 韩利雄·2曾庆文2 L中国地质大学环境学院,武汉430074;2重庆国际复合材料有限公司,重庆400082) 摘要与传统E玻瑀纤维相比,高强度高模量玻瑀纤维在拉伸强度、弹性模量、抗冲击性能、耐高温性能、耐腐蚀性 能、电绝缘性和介电性能等方面都具有明显优势,可广泛地应用于航空航天、国防军事、风力发电、交通运输、体育休闲、压 力容器、建筑工程、管道、环境处理、石油、机械等许多领域,成为本行业研究与开发的热点和重点 关键词玻璃纤维,强度,模量,特性,应用 Characteristic and application of high+strength and high modulus glass fiber Han Lixiong- Zeng Qingw (L School of Environment al Studies, China U niv ersity of Geosciences, Wuhan 430074; 2 Chongqing Polycomp International Corp, Chongqing 400082 Abstract Compared wit h the traditional E glass fiber, the higl strengt h and higl- modulus glass fiber had obvious adv antages in tensile strength, modulus, impact resistance, hightemperature resist ance, corrosion resistance, electrical insulation, dielect ric pro perty and so on. Therefore, it could be w idely used in aerospace, defense military, w ind po wer, transportation, sport s leisure, pressure vessels, construction engineering, pipeline, env ironment treatment, oil engineer mechanical engineering and etc, and had become an import ant research interest in industry and academe Key words glass fiber, strength. modulus, characterist ic application 随着时代的不断发展和科技的不断进步,玻璃纤维(玻 进入21世纪,玻璃纤维行业蓬勃发展,市场应用不断扩 纤)的应用范围在不断扩大,人们对玻璃纤维的性能要求也在 大,同时玻璃纤维的理论水平以及生产装备与工艺技术也在 不断提高。而作为增强材料,力学性能的提升一直是玻璃 不断进步。近两年,各大玻璃纤维企业都推出了新一代的高 维发展的最主要方向之一。尤其是近年来,由于能源危机的强度高模量玻璃纤维。其中的典型代表有美国OCV公司的 日趋严重和环境保护的日益重视,人们对车辆的轻量化、大叶 HiPertex玻纤,重庆国际复合材料有限公司的 TM-glas玻 片风能发电等方面的关注和呼声越来越高。此时,高强度高纤,巨石集团有限公司的ⅤiPro玻纤,泰山玻璃纤维有限公 模量玻璃纤维复合材料以其优异的力学性能、相对较小的比司的GMG玻纤 重、合适的生产成本自然成为行业研究与开发的热点和重点。 2高强度高模量玻璃纤维特点 1典型高强度高模量玻璃纤维 从表1-3可看出,传统的E玻璃纤维一般为SiOr 最早的高强度玻璃纤维可追溯到1968年面世的S2玻k2 Or CaO-B2O3系统,基本组成为50%-55%的SiO2,10% 纤,它是为了满足当时的军事需要而研制的。S2玻纤的基 15%的Al2O3,20%-25%的CaO,5%-10%的B2O3,另外 本组成为65%的S2,25%的Ah2O3,10%的MgO,其拉伸强还含有一般小于2%的碱金属、F2、TiO2、Fe2O3等其它微量组 度约为4500MPa,模量约为83GPa。随后其它国家也纷纷 分。这种组成使得E玻璃纤维具有良好的电绝缘性能和机械 发出了类似的高强度高模量玻璃纤维,如日本的T纤维、俄性能,其抗拉强度一般在3000-3500MPa,弹性模量约为70 罗斯的BMI纤维、法国的R纤维和中国的HS系列纤维 75GPa。而且对弱酸弱碱和水都具有一定耐腐蚀性。另外虽 这些高强度高模量玻璃纤维力学性能都十分优异,但由于成然E玻璃纤维中碱金属含量不高(一般小于1%),但由于含有 型温度过高,生产难度大,无法在现代池窑上实现规模化生 定量B和F,其拉丝成型温度一般不超过1200℃,析晶温度 产,多局限在军工需要 一般不超过1150℃,8T都在50℃以上 作者简介:韩利雄(1981-),男,博士,主要从事玻璃纤维产品开发及其复合材料的研究工作 91994-2013ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
第 39 卷第 8 期 2011 年 8 月 化 工 新 型 材 料 NEW CH EM ICAL MATERIALS Vol 39 No 8 1 作者简介: 韩利雄( 1981- ) , 男, 博士, 主要从事玻璃纤维产品开发及其复合材料的研究工作。 行业评述 高强度高模量玻璃纤维特性与应用 韩利雄1, 2 曾庆文2 ( 1 中国地质大学环境学院, 武汉 430074; 2 重庆国际复合材料有限公司, 重庆 400082) 摘 要 与传统 E 玻璃纤维相比, 高强度高模量玻璃纤维在拉伸强度、弹性模量、抗冲击性能、耐高温性能、耐腐蚀性 能、电绝缘性和介电性能等方面都具有明显优势, 可广泛地应用于航空航天、国防军事、风力发电、交通运输、体育休闲、压 力容器、建筑工程、管道、环境处理、石油、机械等许多领域, 成为本行业研究与开发的热点和重点。 关键词 玻璃纤维, 强度, 模量, 特性, 应用 Characteristic and application of high-strength and high- modulus glass fiber Han Lix iong 1, 2 Zeng Qingw en 2 ( 1 Schoo l of Enviro nmental Studies, China U niv ersity o f Geosciences, Wuhan 430074; 2 Chongqing Po lycomp International Cor p. , Chongqing 400082) Abstract Compared wit h the tr aditional E- g lass fiber, the high- strengt h and high-modulus g lass fiber had obvious adv antag es in tensile- str eng th, modulus, impact resistance, high- temperature r esist ance, corro sion resistance, electrical insulation, dielect ric pro perty and so on. Ther efo re, it could be w idely used in aero space, defense military , w ind power, transpo rtation, sports leisure, pr essure v essels, construction eng ineering, pipeline, env ir onment treatment, oil engineering , mechanical engineering and etc. , and had become an important r esear ch inter est in industry and academe. Key words glass f iber, str eng th, modulus, characterist ic, applicatio n 随着时代的不断发展和科技的不断进步, 玻璃纤维( 玻 纤) 的应用范围在不断扩大, 人们对玻璃纤维的性能要求也在 不断提高。而作为增强材料, 力学性能的提升一直是玻璃纤 维发展的最主要方向之一。尤其是近年来, 由于能源危机的 日趋严重和环境保护的日益重视, 人们对车辆的轻量化、大叶 片风能发电等方面的关注和呼声越来越高。此时, 高强度高 模量玻璃纤维复合材料以其优异的力学性能、相对较小的比 重、合适的生产成本自然成为行业研究与开发的热点和重点。 1 典型高强度高模量玻璃纤维 最早的高强度玻璃纤维可追溯到 1968 年面世的 S-2 玻 纤, 它是为了满足当时的军事需要而研制的。S- 2 玻纤的基 本组成为 65% 的 SiO2 , 25% 的 Al2O3 , 10% 的 M gO, 其拉伸强 度约为 4500MPa, 模量约为 83GPa。随后其它国家也纷纷开 发出了类似的高强度高模量玻璃纤维, 如日本的 T 纤维、俄 罗斯的 BM纤维、法国的 R 纤维和中国的 HS 系列纤维。 这些高强度高模量玻璃纤维力学性能都十分优异, 但由于成 型温度过高, 生产难度大, 无法在现代池窑上实现规模化生 产, 多局限在军工需要。 进入 21 世纪, 玻璃纤维行业蓬勃发展, 市场应用不断扩 大, 同时玻璃纤维的理论水平以及生产装备与工艺技术也在 不断进步。近两年, 各大玻璃纤维企业都推出了新一代的高 强度高模量玻璃纤维。其中的典型代表有美国 OCV 公司的 H iPer- tex 玻纤, 重庆国际复合材料有限公司的 TM- g lass 玻 纤, 巨石集团有限公司的 ViPro 玻纤, 泰山玻璃纤维有限公 司的 GMG 玻纤。 2 高强度高模量玻璃纤维特点 从表 1 - 3 可看出, 传统 的 E 玻璃纤维 一般为 SiO2- Al2O3-CaO-B2O3 系统, 基本组成为 50% ~ 55% 的 SiO2 , 10% ~ 15% 的 Al2O3, 20% ~ 25% 的 CaO, 5% ~ 10% 的 B2O3 , 另外 还含有一般小于 2% 的碱金属、F2、TiO2、Fe2O3 等其它微量组 分。这种组成使得 E 玻璃纤维具有良好的电绝缘性能和机械 性能, 其抗拉强度一般在3000~ 3500M Pa, 弹性模量约为 70~ 75GPa。而且对弱酸弱碱和水都具有一定耐腐蚀性。另外虽 然 E 玻璃纤维中碱金属含量不高( 一般小于 1% ) , 但由于含有 一定量 B 和 F, 其拉丝成型温度一般不超过 1200 , 析晶温度 一般不超过 1150 ,T 都在 50 以上
化工新型材料 第39卷 表1典型玻璃纤维主要组分表 种类 A120 9 TM- glass 6~64 13~20 8~13 0~0.6 0.05~2 0~2 0.05~ GMG 57~62.514.5~19.912~14.5 0~1 E玻璃 50~55 表2典型玻璃纤维力学性能 单丝强度/MPa 3990~4250 00~3800 弹性模量/GP 84~86 8l~84 表3典型玻璃纤维作业温度 TM-glass GMG 成型温度/℃ 1275~1300 液相温度/℃ l170~1225 203~1228 250~1270 l239 而高强度高模量玻璃纤维则以SrAl2OrCa-MgO 纤维复合材料已成为航空航天工业中不可或缺的一种材料, 元相为主要成分,去掉了E玻璃中的B2O3成分。这样不仅提与铝合金、钢和钛合金三大金属材料共同成为支撑航空航天 高了本身的力学性能,而且有效地降低了有害污染物的排放 事业发展的基石 生产更加环保。与传统E玻璃纤维相比,高强度高模量玻璃 在航空上,无论是民用客机还是军用飞机都使用了玻纤复 纤维在拉伸强度、弹性模量、抗冲击性能、耐高温性能、耐腐蚀合材料如内外侧副翼、方向舵、雷达罩、副油箱和扰流板等。 性能、电绝缘性和介电性能等方面都具有明显优势。而且,相纤维增强塑料有效地减轻了飞机质量,提高了商用载荷,节约 对于S2玻纤的高成型温度,新一代的高强度高模量玻璃纤了能源。客舱内的顶板、行李箱、各类仪表盘、机身空调舱、盖 维成型难度显著降低。 板等都用到了纤维增强工程塑料,达到质轻美观耐用的效果。 21更强的力学性能 在航天领域,高性能玻纤复合材料作为主承力结构材料 由于玻璃网络结构的变化,高强度高模量玻璃纤维的力在运载火箭和航天器上的应用越来越普遍。利用纤维缠绕工 学性能十分突出。它的拉伸强度一般在4000MPa以上,弹性艺制造的纤维/环氧复合材料固体发动机壳是近代复合材料 模量大于80GPa,抗冲击性能约是E玻纤的2倍,耐疲劳性更发展史上的一个里程碑,它具有耐腐蚀、耐高温、耐辐射、阻 是比E玻纤提高了将近10倍。 燃、抗老化的性能。航天器上的防热材料也大量采用了纤维 22更好的耐高温性能 高硅氧增强酚醛树脂-。 相对于传统E玻璃纤维,高强度高模量玻璃纤维的耐高32国防军事、警用器材 温性能更好,其软化点温度提高了100℃以上。 高强度高模量玻纤最早就是因为军事需要而开发的。高 23更优异的耐腐蚀性能 强度高模量玻纤由于比强度高,断裂伸长量大、抗冲击性能 由于玻璃组成接近于ECR玻纤,高强度高模量玻璃纤维好,因而能成为吸收能量的理想材料,它与酚醛树脂复合制成 的耐腐蚀性能也非常好,其耐酸性、耐碱性和耐水性都达到了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 ECR玻纤水平,远远优于E玻璃纤维。 服、防弹装甲,例如各种轮式轻型装甲车辆(如悍马”),海军 24合适的加工成型温度 的舰艇、水雷、鱼雷、火箭弹等习。 改进后的新一代高强度高模量玻璃纤维成型温度约为33风力发电 1280℃,虽比E玻纤高80℃左右,但由于大量新装备新工艺在 据位于比利时布鲁塞尔的全球风能委员会(GWEC)近期 现代玻璃纤维工业的成功应用,如全氧助燃、电助熔、铂金漏介绍,2007年全球风力发电新增装机容量超过20GW,预计到 板弥散强化技术等,使得现代玻璃池窑完全可以满足高强度012年全球风电总装机容量将达240GW。同时在过去10年 高模量玻璃纤维的规模化生产需要。目前 TM-glass、Her 中,风力发电涡轮机的平均额定容量翻了一番,从15MW增 tex、ViPr和GMG等都实现了量产 至2-25MW,预计在未来10年中,风力涡轮机的平均容量 3高强度高模量玻璃纤维应用 将增至3MW或更多 而据国外研究,单台风力机组的发电量和风力叶片的长 31航空航天 度平方成正比。这就意味着要增加单台风力涡轮机容量就必 航空航天是目前高强度高模量玻璃纤维应用最广泛的领须要求风力叶片尺寸能尽量的长,以提供发电效率降低发电 域之一,约占其20%~30%的市场份额。可以说,高性能玻璃成本。叶片的大型化就要求叶片本身强度更高,模量更大,抗 91994-2013ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
化 工 新 型 材 料 第 39 卷 表 1 典型玻璃纤维主要组分表 ( wt/ % ) 种类 SiO2 A12 O3 CaO MgO R2O B2 O3 Fe2O3 HiPer-t ex 61 19 9 10 0. 25 0. 4 T M- glass 56~ 64 13~ 20 8~ 13 7~ 12 0~ 1 0~ 0. 6 ViPro 57~ 65 14~ 20 8~ 13 7~ 12 0. 05~ 2 0~ 2 0. 05~ 1 GMG 57~ 62. 5 14. 5~ 19. 9 12~ 14. 5 7~ 10 0~ 2. 5 0~ 1 E 玻璃 50~ 55 10~ 15 20~ 25 0~ 3 0~ 1 5~ 10 0~ 1 表 2 典型玻璃纤维力学性能 性能 TM-glass ViPro GMG HiPer-t ex E-glass 单丝强度/ M Pa 4500 3990~ 4250 3600~ 3800 4500 3445 弹性模量/ GPa 84~ 86 79 81~ 84 85 72 表 3 典型玻璃纤维作业温度 性能 TM-glass ViPro GMG HiPer-t ex E-glass 成型温度/ 1265~ 1300 1275~ 1300 1276~ 1300 1335 1203 液相温度/ 1170~ 1225 1203~ 1228 1250~ 1270 1239 1080 而高强度高模量玻璃纤维则以 SiO2- Al2O3-CaO-MgO 四 元相为主要成分, 去掉了 E 玻璃中的 B2O3 成分。这样不仅提 高了本身的力学性能, 而且有效地降低了有害污染物的排放, 生产更加环保。与传统 E 玻璃纤维相比, 高强度高模量玻璃 纤维在拉伸强度、弹性模量、抗冲击性能、耐高温性能、耐腐蚀 性能、电绝缘性和介电性能等方面都具有明显优势。而且, 相 对于 S- 2 玻纤的高成型温度, 新一代的高强度高模量玻璃纤 维成型难度显著降低。 2 1 更强的力学性能 由于玻璃网络结构的变化, 高强度高模量玻璃纤维的力 学性能十分突出。它的拉伸强度一般在 4000MPa 以上, 弹性 模量大于 80GPa, 抗冲击性能约是 E 玻纤的 2 倍, 耐疲劳性更 是比 E 玻纤提高了将近 10 倍[ 1] 。 2 2 更好的耐高温性能 相对于传统 E 玻璃纤维, 高强度高模量玻璃纤维的耐高 温性能更好, 其软化点温度提高了 100 以上。 2 3 更优异的耐腐蚀性能 由于玻璃组成接近于 ECR 玻纤, 高强度高模量玻璃纤维 的耐腐蚀性能也非常好, 其耐酸性、耐碱性和耐水性都达到了 ECR 玻纤水平, 远远优于 E 玻璃纤维。 2 4 合适的加工成型温度 改进后的新一代高强度高模量玻璃纤维成型温度约为 1280 , 虽比 E 玻纤高 80 左右, 但由于大量新装备新工艺在 现代玻璃纤维工业的成功应用, 如全氧助燃、电助熔、铂金漏 板弥散强化技术等, 使得现代玻璃池窑完全可以满足高强度 高模量玻璃纤维的规模化生产需要。目前 TM- glass 、H iPertex 、ViPro 和 GMG 等都实现了量产。 3 高强度高模量玻璃纤维应用 3 1 航空航天 航空航天是目前高强度高模量玻璃纤维应用最广泛的领 域之一, 约占其 20% ~ 30% 的市场份额。可以说, 高性能玻璃 纤维复合材料已成为航空航天工业中不可或缺的一种材料, 与铝合金、钢和钛合金三大金属材料共同成为支撑航空航天 事业发展的基石。 在航空上, 无论是民用客机还是军用飞机都使用了玻纤复 合材料, 如内外侧副翼、方向舵、雷达罩、副油箱和扰流板等。 纤维增强塑料有效地减轻了飞机质量, 提高了商用载荷, 节约 了能源。客舱内的顶板、行李箱、各类仪表盘、机身空调舱、盖 板等都用到了纤维增强工程塑料, 达到质轻美观耐用的效果。 在航天领域, 高性能玻纤复合材料作为主承力结构材料 在运载火箭和航天器上的应用越来越普遍。利用纤维缠绕工 艺制造的纤维/ 环氧复合材料固体发动机壳是近代复合材料 发展史上的一个里程碑, 它具有耐腐蚀、耐高温、耐辐射、阻 燃、抗老化的性能。航天器上的防热材料也大量采用了纤维、 高硅氧增强酚醛树脂[ 2] 。 3 2 国防军事、警用器材 高强度高模量玻纤最早就是因为军事需要而开发的。高 强度高模量玻纤由于比强度高, 断裂伸长量大、抗冲击性能 好, 因而能成为吸收能量的理想材料, 它与酚醛树脂复合制成 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 服、防弹装甲, 例如各种轮式轻型装甲车辆( 如 悍马) , 海军 的舰艇、水雷、鱼雷、火箭弹等[ 3] 。 3 3 风力发电 据位于比利时布鲁塞尔的全球风能委员会( GWEC) 近期 介绍, 2007 年全球风力发电新增装机容量超过 20GW, 预计到 2012 年全球风电总装机容量将达 240GW。同时在过去 10 年 中, 风力发电涡轮机的平均额定容量翻了一番, 从 1 5MW 增 至 2~ 2 5MW, 预计在未来 10 年中, 风力涡轮机的平均容量 将增至 3MW 或更多。 而据国外研究, 单台风力机组的发电量和风力叶片的长 度平方成正比。这就意味着要增加单台风力涡轮机容量就必 须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强度更高, 模量更大, 抗 2
第8 韩利雄等:高强度高模量玻璃纤维特性与应用 疲劳性更好,以避免在强风时叶片折断或弯曲变形和塔身相 下水泥结构中钢材的理想替代品。 碰。现在研究表明:通用的E玻纤只能用于生产长度在45米39环境保护领域 以内的叶片,若需要较经济的生产更长的叶片,就需要使用高 由于耐高温、耐腐蚀,高强度高模量玻璃纤维可直接用于 强度高模量玻纤。目前高强度高模量玻纤在大功率风力发电工业窑炉废气的脱硫、消烟、除尘,以及废水处理过程中的耐 领域中应用越来越广泛[4。 腐蚀设备、装置和构筑物。例如炭黑、水泥、冶金和热力工业 34交通运输业 以及焚烧烟气等领域的除尘净化用滤袋,燃煤烟气脱硫装置 由于全球的能源紧张以及人们对节能环保理念的追求 和配套管道,含硫含氟烟气处理后尾气输送风机,一些污水处 车辆轻量化已成为汽车、轨道交通等行业研究的热点。人们 理装置和相应的走廊和操作平台等7 要求新一代车辆强度更高更安全,质量更轻更节能,成本更 高强度高模量玻璃纤维还可作为催化剂载体材料,负载 更便宜,高强度高模量玻璃纤维制成的复合材料无疑便成为WO3等催化剂,用于汽车尾气、工业废气等气体中除去氮氧 首选 化物 例如阿尔斯通报告其AGV列车使用高性能玻纤复合材310其它用途 料后减少燃料用量15%,减轻重量70t。玻璃纤维复合材料可 由于采油机抽油杆的工作条件十分恶劣,普通钢质抽油 应用于客车内部部件,包括顶棚、地板、侧壁、隔离板、防火 杆已成为油井抽油系统中的薄弱环节,玻璃钢抽油杆因其质 板、门、窗框、过道连接框、楼梯、行李架/柜、卫生间、厨房、驾量轻、弹性好和抗腐蚀性能优异,可达到节能降耗、减少设备 驶室、座椅等1 投资、降低作业成本和增加产能的目的 利用高强度高模量玻纤的耐高温性能,还可用作汽车发 传统换向器加强环多为金属环,不仅强度低(只有 动机外壳、消音器催化反应器的密封垫等;与橡胶材料复合400MPa),也不绝缘,采用高强玻纤生产的加强环不仅具有良 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好的绝缘性能,强度也可以达到800-1200MPa,是钢环的2- 温、耐腐蚀习。 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 35体育休闲行业 线起到固定作用习 高强度高模量玻纤作为纤维增强材料可用来制作滑雪板 由于优异的力学性能,高强度高模量玻璃纤维还可用于 和冲浪板、游艇、帆船等陆上及水上项目用品:也可以用来制大型电机汽轮发电机的绝缘绕组材料,超导磁体中线圈材 作山地自行车、钓竿、曲棍球棍、棒球和垒球棒、网/羽球拍 料、光纤加强材料等许多领域 赛/皮划艇、高尔夫球杆、撑杆、滑雪板等等1 36压力容器 参考文献 高强度高模量玻纤可以直接用于缠绕各种高压气瓶(医1 I David Gecko,高建枢译高强玻璃纤维仍在不断开发J玻璃纤 疗、煤矿、消防、体育用),可以质量更轻、更耐高温、耐冲击。 维,2009,6:4548 目前世界各国都十分重视压缩天然气(CNG)作为汽车新 2]刘新年,张红林,贺祯等.玻璃纤维新的应用领域及发展[陕 能源的研究、开发和应用,发展CNG汽车也是我国的一项绿 西科技大学学报,2009.10.27(5):169172 3」凌根华李雯.浅谈高强玻璃纤维的发展和应用[J玻璃纤维, 色环保工程。CNG气瓶是CNG汽车的重要零部件,高强度 2008,5:710 高模量玻璃纤维以其质轻价廉、抗腐蚀性和抗疲劳性好而成 4]陈亚君吴国庆,倪红军等.风力发电机组叶片材料综述[J化 为制造CNG气瓶最有前途的复合材料 工新型材料,2010.9,38(9):3739. 37工程领域 5」叶鼎铨轨道交通:发展中的复合材料市场[玻璃纤维2009 高强度高模量玻纤强度高,耐腐蚀性能好,用于生产超长 3:3941 跨距格栅,其纵向筋条的间隔可以非常大。国内生产的某高6」吴建玲.国产S玻纤及其应用前景[J高科技纤维与应用 强格栅产品通过了美国海岸警卫队测试,在海洋石油平台,人 003.6.28(3):2831. 行通道船甲板,地铁,煤矿等紧急逃生通道或救生场所得到71姜肇中努力开发玻璃纤维应用新局面J玻璃纤维,2084 66-72. 38复合材料钢筋 8]s2玻璃纤维用于超导磁体[高科技纤维与应用,2008,4 高强度高模量玻纤与乙烯基酯树脂采用拉挤工艺、在线 44 9」王峨吴建玲,王婷.高强度玻璃纤维在光缆中的应用[J.玻璃 缠绕及在线涂层工艺可生产出复合材料钢筋,其密度仅为钢 纤维,2004,31L13 材的14,而拉伸强度为钢材的2倍,耐腐蚀、不导电、不导 收稿日期:201+0621 热、不屏蔽、透波性能好,可预制成标准弯形及其它形状,且热 膨胀系数比钢材更接近水泥,是海水、淡水、腐蚀介质等环境 投槁请登陆httpiwww.hgxx.org网站,点击我要投槁” 91994-2013ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
第 8 期 韩利雄等: 高强度高模量玻璃纤维特性与应用 疲劳性更好, 以避免在强风时叶片折断或弯曲变形和塔身相 碰。现在研究表明: 通用的 E 玻纤只能用于生产长度在 45 米 以内的叶片, 若需要较经济的生产更长的叶片, 就需要使用高 强度高模量玻纤。目前高强度高模量玻纤在大功率风力发电 领域中应用越来越广泛[3- 4] 。 3 4 交通运输业 由于全球的能源紧张以及人们对节能环保理念的追求, 车辆轻量化已成为汽车、轨道交通等行业研究的热点。人们 要求新一代车辆强度更高更安全, 质量更轻更节能, 成本更低 更便宜, 高强度高模量玻璃纤维制成的复合材料无疑便成为 首选。 例如阿尔斯通报告其 AGV 列车使用高性能玻纤复合材 料后减少燃料用量 15% , 减轻重量 70t。玻璃纤维复合材料可 应用于客车内部部件, 包括顶棚、地板、侧壁、隔离板、防火挡 板、门、窗框、过道连接框、楼梯、行李架/ 柜、卫生间、厨房、驾 驶室、座椅等[ 5] 。 利用高强度高模量玻纤的耐高温性能, 还可用作汽车发 动机外壳、消音器、催化反应器的密封垫等; 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[ 3] 。 3 5 体育休闲行业 高强度高模量玻纤作为纤维增强材料可用来制作滑雪板 和冲浪板、游艇、帆船等陆上及水上项目用品; 也可以用来制 作山地自行车、钓竿、曲棍球棍、棒球和垒球棒、网/ 羽球拍、 赛/ 皮划艇、高尔夫球杆、撑杆、滑雪板等等[3] 。 3 6 压力容器 高强度高模量玻纤可以直接用于缠绕各种高压气瓶( 医 疗、煤矿、消防、体育用) , 可以质量更轻、更耐高温、耐冲击。 目前世界各国都十分重视压缩天然气( CNG) 作为汽车新 能源的研究、开发和应用, 发展 CNG 汽车也是我国的一项绿 色环保工程。CNG 气瓶是 CNG 汽车的重要零部件, 高强度 高模量玻璃纤维以其质轻价廉、抗腐蚀性和抗疲劳性好而成 为制造 CNG 气瓶最有前途的复合材料[ 6] 。 3 7 工程领域 高强度高模量玻纤强度高, 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。国内生产的某高 强格栅产品通过了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[3] 。 3 8 复合材料钢筋 高强度高模量玻纤与乙烯基酯树脂采用拉挤工艺、在线 缠绕及在线涂层工艺可生产出复合材料钢筋, 其密度仅为钢 材的 1/ 4 , 而拉伸强度为钢材的 2 倍, 耐腐蚀、不导电、不导 热、不屏蔽、透波性能好, 可预制成标准弯形及其它形状, 且热 膨胀系数比钢材更接近水泥, 是海水、淡水、腐蚀介质等环境 下水泥结构中钢材的理想替代品[ 6] 。 3 9 环境保护领域 由于耐高温、耐腐蚀, 高强度高模量玻璃纤维可直接用于 工业窑炉废气的脱硫、消烟、除尘, 以及废水处理过程中的耐 腐蚀设备、装置和构筑物。例如炭黑、水泥、冶金和热力工业 以及焚烧烟气等领域的除尘净化用滤袋, 燃煤烟气脱硫装置 和配套管道, 含硫含氟烟气处理后尾气输送风机, 一些污水处 理装置和相应的走廊和操作平台等[ 7] 。 高强度高模量玻璃纤维还可作为催化剂载体材料, 负载 WO3 等催化剂, 用于汽车尾气、工业废气等气体中除去氮氧 化物。 3 10 其它用途 由于采油机抽油杆的工作条件十分恶劣, 普通钢质抽油 杆已成为油井抽油系统中的薄弱环节, 玻璃钢抽油杆因其质 量轻、弹性好和抗腐蚀性能优异, 可达到节能降耗、减少设备 投资、降低作业成本和增加产能的目的[6] 。 传统换 向器 加 强环 多为 金属 环, 不 仅 强度 低 ( 只有 400M Pa) , 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~ 1200MPa, 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[ 3] 。 由于优异的力学性能, 高强度高模量玻璃纤维还可用于 大型电机、汽轮发电机的绝缘绕组材料, 超导磁体中线圈材 料、光纤加强材料等许多领域[8- 9] 。 参考文献 [ 1 ] David Fecko, 高建枢译. 高强玻璃纤维仍在不断开发[ J] 玻璃纤 维, 2009, 6: 45- 48. [ 2 ] 刘新年, 张红林, 贺祯等. 玻璃纤维新的应用领域及发展[ J] 陕 西科技大学学报, 2009. 10, 27( 5) : 169- 172. [ 3 ] 凌根华, 李雯. 浅谈高强玻璃纤维的发展和应用[ J] 玻璃纤维, 2008, 5: 7-10. [ 4 ] 陈亚君, 吴国庆, 倪红军等. 风力发电机组叶片材料综述[ J] 化 工新型材料, 2010. 9, 38( 9) : 37-39. [ 5 ] 叶鼎铨. 轨道交通: 发展中的复合材料市场[ J] 玻璃纤维, 2009, 3: 39-41. [ 6 ] 吴建玲. 国产 S 玻纤及其应用前景[ J] 高科技纤维与应用, 2003. 6, 28( 3) : 28-31. [ 7 ] 姜肇中. 努力开发玻璃纤维应用新局面[ J] 玻璃纤维, 2008, 4: 66-72. [ 8 ] S-2 玻璃纤维用于超导磁体[ J] 高科技纤维与应用, 2008, 4: 44. [ 9 ] 王峨,吴建玲, 王婷. 高强度玻璃纤维在光缆中的应用[ J] . 玻璃 纤维, 2004, 3: 11-13. 收稿日期: 2011- 06- 21 投稿请登陆 htt p: www. hgx x. org 网站, 点击 我要投稿 3