复材制造 COMPOSITE MANUFAC TURING 高强度玻璃纤维研究与应用 Research and Application of High- Strength Glass Fiber 中材科技股份有限公司祖群陈士洁孔令珂 高强玻璃纤维是特种功能玻璃纤维中应用最广的· 种,具有强度高、耐高温、抗冲击、透波高、耐腐蚀等优异的 综合性能,在高性能复合材料及耐热材料领域应用广泛 等优异的性能,在高性能复合材料及 耐热材料领域应用广泛。本文对近 高强玻璃纤维组分 年来研究与应用的高强玻璃纤维成 目前,高强玻璃纤维包括美国 分、性能、应用与发展方向进行了简S-2高强纤维(AGY公司)法国R 述。与普通无碱玻璃(E-gass)相比,纤维( Saint- Gobain)、日本T纤维 高强玻璃纤维生产技术难度大、总产(日东纺)和中国HS高强纤维(中材 祖群 量低,但其需求增长速度是普通玻璃科技股份有限公司)4类。高强玻璃 教授级高工,现任中材科技股份 有限公司特种纤维事业部副总经理中纤维的4倍以上,其优良的性价比是成分如表1所示,商业生产的高强玻 国复合材料学会理事中国硅酸盐学会目前其他纤维材料无法替代的,已在璃纤维成分为SiO2-A2O3-MgO或 会员江苏省跨世纪人才ˉ3工程第航空、航天、船舶、兵器、建筑、体育、SiO2-Al2O3-CaO-MgO系统,这种 梯队培养对象。2004年被命名为南 化工、电子等领域广泛应用 玻璃存在析晶上限温度高、析晶速度 京市“中青年行业技术学科带头人 2006年获第七届江苏省优秀科技工作 表1商业高强玻璃主要组分 W 者称号。长期从事高性能纤维材料制 备与应用技术研究,主持和承担国家科 高强纤维制造企业的牌号SO2 Al-O, 技攻关,国家“863国防军品配套江 苏省青年科技基金等国家和部省科技 美国AGY公司S-2 计划近20项,先后荣获部级科技进步 法国 Saint- Gobain R纤维 3.5~25.5 二等奖2项,三等奖2项.杜邦科技创 日本日东纺T纤维 新奖1项。 俄罗斯玻璃钢联合体BMn 高强玻璃纤维是特种功能玻璃 602515 纤维中应用最广的一种,具有强度 中材科技HS2/S2 高、耐高温、抗冲击、透波高、耐腐蚀 中材科技HS4/S 10~19.5 92航空制造技术·2009年第15期 91994-2010ChinaAcademicJournalelEctronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
92 航空制造技术·2009 年第 15 期 复材制造 COMPOSITE MANUFACTURING 高强度玻璃纤维研究与应用 Research and Application of High - Strength Glass Fiber 中材科技股份有限公司 祖 群 陈士洁 孔令珂 高强玻璃纤维是特种功能玻璃 纤维中应用最广的一种，具有强度 高、耐高温、抗冲击、透波高、耐腐蚀 等优异的性能，在高性能复合材料及 耐热材料领域应用广泛。本文对近 年来研究与应用的高强玻璃纤维成 分、性能、应用与发展方向进行了简 述。与普通无碱玻璃（E-glass）相比， 高强玻璃纤维生产技术难度大、总产 量低，但其需求增长速度是普通玻璃 纤维的 4 倍以上，其优良的性价比是 目前其他纤维材料无法替代的，已在 航空、航天、船舶、兵器、建筑、体育、 化工、电子等领域广泛应用。 高强玻璃纤维组分 目前，高强玻璃纤维包括美国 S-2 高强纤维（A GY 公司）、法国 R 纤维（Saint-Gobain）、日本 T 纤维 （日东纺）和中国 HS 高强纤维（中材 科技股份有限公司）4 类。高强玻璃 成分如表 1 所示，商业生产的高强玻 璃纤维成分为 SiO2-Al2O3-MgO 或 SiO2-Al2O3-CaO-MgO 系统，这种 玻璃存在析晶上限温度高、析晶速度 高强纤维制造企业的牌号 SiO2 Al2O3 MgO CaO 美国 AGY 公司 S-2 65 25 10 — 法国 Saint-Gobain R 纤维 58 ～ 60 23.5 ～ 25.5 5 ～ 6 9 ～ 11 日本日东纺 T 纤维 65 23 11 <0.01 俄罗斯玻璃钢联合体вмл 60 25 15 — 中材科技 HS2/S2 52 ～ 57 20 ～ 25 4 ～ 10 — 中材科技 HS4/S4 50 ～ 60 23.5 ～ 26.5 10 ～ 19.5 — 表1 商业高强玻璃主要组分 w/% 祖 群 教授级高工，现任中材科技股份 有限公司特种纤维事业部副总经理、中 国复合材料学会理事、中国硅酸盐学会 会员、江苏省跨世纪人才“333”工程第 二梯队培养对象。2004 年被命名为南 京市“中青年行业技术、学科带头人”， 2006 年获第七届江苏省优秀科技工作 者称号。长期从事高性能纤维材料制 备与应用技术研究，主持和承担国家科 技攻关、国家“863”、国防军品配套、江 苏省青年科技基金等国家和部省科技 计划近 20 项，先后荣获部级科技进步 二等奖 2 项、三等奖 2 项、杜邦科技创 新奖 1 项。 高强玻璃纤维是特种功能玻璃纤维中应用最广的一 种，具有强度高、耐高温、抗冲击、透波高、耐腐蚀等优异的 综合性能，在高性能复合材料及耐热材料领域应用广泛
COMPOSITE MANUFACTU 复材制造 表2高强玻璃纤维组分与性能(日东纺田邨进-试验) 维新生态强度提高5%~10%,纤维 成型工艺稳定。日东纺将高强玻璃 试验序号 S玻璃 纤维应用到印刷线路板上,对玻璃纤 维中的气泡数量进行严格的限定, w(Sio, )/ 65.0 563165为了有效降低玻璃中的气泡,避免 w(Al2O3)/% 24.8 24.6 30长时间熔制,提高纤维成型性能,田 w(Mgo)/% 949494100邨进一等先后在S-2玻璃组分中加 w(Cao)/% 入了0.1%-0.5%的Fe2O3TiO 1.0 MnO2、CO2O3、CuO、ZnO、CeO2等 过渡金属氧化物,同时取代了Sb2O3 拉丝温度/C 1471 和AS2O3有害澄清剂,其中0.6% 液相温度/C 1449 1440 1440 1445 Fe2O3的引入可显著降低玻璃中气泡 5h后气泡/个 1051 数量,而含FeO3的玻璃熔制中还需 15h后气泡/个 严格控制FeO的生成,如当HS2玻 拉伸强度/(kgf·mm2476 530 500璃中FeO含量增加到0.3%以上时, 断丝次数/(次,日)10 0 纤维新生态强度将从4100MPa下降 注:1kgf=9.80665N。 到2800MPa,为此需要控制玻璃原 料的COD值以及矿物原料中还原 表3高强玻璃纤维组分与工艺性能(日东纺上田浩司试验) 性氧化物杂质的含量。为进一步提 试验序号 高高强玻璃纤维成型工艺性能,拓宽 组分 S玻璃 纤维成型温度范围,日东纺上田浩司 w(SiO,)/% 64865216454650065006489等以S-2玻璃成分为基础,用TO2 w(Al2O3∥% 249221.7221.50 001900262化物对SiO2-A1O3-MgO组分进行 (MgO)/% 991010105010501095调整,降低析晶上限温度和拉丝温 0.05 度,减少气泡数量,如表3所示 w(TiO,/% 0.75 1252.70 w(zrO,)/% 1.25 1.23 高强玻璃纤维及制品性能 w(Na,o)/% 0.050.11 0.100.11 美国军标(MIL-R-60346C) w(Fe,,)/% 0.14 400400140.140.35 规定,高强度(S)玻璃纤维G级 AQ/MgO(比例)2501971972051811.97无捻粗纱浸胶束纱强度不得低 于2758MPa,而无碱玻璃纤维 粘度温度/(103℃) 14641447 1437 14351 (E- glass)无捻粗纱浸胶束纱强度 液相温度/C 14714251415141514171420不得低于1930MPa,从标准规定上 作业温度范围/C 与无碱玻璃纤维相比,高强玻璃纤维 拉伸强度/GPa 4.51 4.344.58431 提高了43%,而实测的单丝直径 弹性模量/GPa 85086.992.586.8846905为9um的S-2无捻粗纱浸胶束纱 气泡数(2.5mm对角中)/个13.54.36.59.0 度在3700MPa以上(美标ASTM D2343),13μm无捻粗纱浸胶束 快、玻璃熔体粘度大、玻璃中气泡不进一等在SiO2-A2O3_MgO组分中纱强度在3100MPa以上,表4为不 易排除等问题,影响了纤维强度及成分别加入0.1%-1.1%的CaO和同牌号高强玻璃纤维性能。表5为 型工艺的连续性。为了熔制作业性B2O3在1600℃C下熔制5~15h,观资料报道的法国高强R纤维和无碱 能优良的玻璃,通常在玻璃组分中引察玻璃中气泡的数量(见表2),当玻玻璃纤维在不同温度下的强度 入助熔剂以进一步提高高强玻璃纤璃加入CaO和B2O3后,与S-2玻高强玻璃纤维制品有无捻粗纱 维的生产工艺稳定性。日东纺田邨璃相比,气泡数可下降2-5倍,纤直接无捻粗纱、短切纱、纺织纱、布 2009年第15期·航空制造技术93 91994-2010ChinaAcademicJournalelEctronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
2009 年第 15 期·航空制造技术 93 COMPOSITE MANUFACTURING 复材制造 快、玻璃熔体粘度大、玻璃中气泡不 易排除等问题，影响了纤维强度及成 型工艺的连续性。为了熔制作业性 能优良的玻璃，通常在玻璃组分中引 入助熔剂，以进一步提高高强玻璃纤 维的生产工艺稳定性。日东纺田邨 进一等在 SiO2-Al2O3-MgO 组分中 分别加入 0.1％～ 1.1％的 CaO和 B2O3，在 1600℃下熔制 5 ～ 15h，观 察玻璃中气泡的数量（见表 2），当玻 璃加入 CaO 和 B2O3 后，与S－2玻 璃相比，气泡数可下降 2 ～ 5 倍，纤 维新生态强度提高 5% ～ 10%，纤维 成型工艺稳定。日东纺将高强玻璃 纤维应用到印刷线路板上，对玻璃纤 维中的气泡数量进行严格的限定， 为了有效降低玻璃中的气泡，避免 长时间熔制，提高纤维成型性能，田 邨进一等先后在 S-2 玻璃组分中加 入了 0.1% ～ 0.5％的 F e2O3、Ti O2、 MnO2、Co2O3、CuO、ZnO、CeO2 等 过渡金属氧化物，同时取代了 Sb2O3 和 As2O3 有 害 澄 清 剂，其 中 0.6 ％ Fe2O3 的引入可显著降低玻璃中气泡 数量，而含 F e2O3 的玻璃熔制中还需 严格控制 F e O 的生成，如当 H S2 玻 璃中 F e O 含量增加到 0.3% 以上时， 纤维新生态强度将从 4100MPa 下降 到 2800M P a，为此需要控制玻璃原 料的 COD 值以及矿物原料中还原 性氧化物杂质的含量。为进一步提 高高强玻璃纤维成型工艺性能，拓宽 纤维成型温度范围，日东纺上田浩司 等以 S-2 玻璃成分为基础，用 TiO2、 ZrO2、CaO、Na2O、Fe2O3、B2O3 等氧 化物对 SiO2-Al2O3-MgO 组分进行 调整，降低析晶上限温度和拉丝温 度，减少气泡数量，如表 3 所示。 高强玻璃纤维及制品性能 美国军标（MIL-R-60346C） 规 定，高强度（S）玻 璃 纤 维 G 级 无捻粗纱浸胶束纱强度不得低 于 2758M P a，而无碱玻璃纤维 （E- gl a s s）无捻粗纱浸胶束纱强度 不得低于 1930M P a，从标准规定上， 与无碱玻璃纤维相比，高强玻璃纤维 强度提高了 43%，而实测的单丝直径 为 9μm 的 S-2 无捻粗纱浸胶束纱 强度在 3700MPa 以上（美标 ASTM － D2343），13μm 无捻粗纱浸胶束 纱强度在 3100M P a 以上 , 表 4 为不 同牌号高强玻璃纤维性能。表 5 为 资料报道的法国高强 R 纤维和无碱 玻璃纤维在不同温度下的强度。 高强玻璃纤维制品有无捻粗纱、 直接无捻粗纱、短切纱、纺织纱、布、 组 分 S 玻璃 试验序号 12345 w(SiO2)/％ 65.5 65.1 65.0 64.5 63.1 65.5 w(Al2O3)/％ 25 24.5 24.8 24.6 26.0 23.0 w(MgO)/％ 9.5 9.5 9.4 9.4 9.4 10.0 w(CaO)/％ — 0.5 0.3 0.5 0.5 0.5 w(B2O3)/％ — — 0.5 1.0 1.0 1.0 拉丝温度 /℃ 1471 1466 1462 1454 1454 1460 液相温度 /℃ 1464 1461 1449 1440 1440 1445 5h 后气泡 / 个 1051 899 495 495 209 301 15h 后气泡 / 个 111 72 22 22 1 5 拉伸强度 /(kgf·mm-2) * 476 484 500 530 530 500 断丝次数 /（次·日 -1) 10 8 6 0 0 2 表2 高强玻璃纤维组分与性能（日东纺田邨进-试验） 组分 S 玻璃 试验序号 12345 w(SiO2)/％ 64.8 65.21 64.54 65.00 65.00 64.89 w(Al2O3)/％ 24.92 21.72 21.50 19.00 19.00 21.62 w(MgO)/％ 9.97 11.01 10.90 10.50 10.50 10.95 w(CaO)/％ 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 w(TiO2)/％ 0.02 0.75 1.25 2.70 5.21 0.80 w(ZrO2)/％ 0.00 0.75 1.25 — — 1.23 w(Na2O)/％ 0.05 0.11 0.11 0.11 0.10 0.11 w(Fe2O3)/％ 0.14 0.40 0.40 0.14 0.14 0.35 Al2O3/MgO( 比例 ) 2.50 1.97 1.97 2.05 1.81 1.97 粘度温度 /（103 ℃） 1464 1447 1437 1445 1435 1442 液相温度 /℃ 1467 1425 1415 1415 1417 1420 作业温度范围 /℃ － 3 22 22 30 18 22 拉伸强度 /GPa 4.51 4.51 4.34 4.58 4.31 4.29 弹性模量 /GPa 85.0 86.9 92.5 86.8 84.6 90.5 气泡数（2.5mm 对角中） / 个 13.5 4.3 6.5 9.0 9.5 7.5 表3 高强玻璃纤维组分与工艺性能（日东纺上田浩司试验） * 注：1kgf=9.80665N
复材制造 COMPOSITE MANUFAC TURING 表4不同牌号高强玻璃纤维性能 发动机壳体上,大大减轻了导弹重 T BMJ E-glass 量。由于高强玻璃纤维具有高强、耐 热、抗冲击、高透波等优异的综合性 新生态强度MPa4020 4600 400450450 能,使得它在高性能复合材料等领域 弹性模量/GPa82.9 84.7 83.8 84.3 广泛应用。欧文斯·科尔宁公司(原 OCF)用S-2 Zentron无捻粗纱 600~3300-3500 浸胶纱强度MPa3403803900034003000制造的 Silentex汽车消音器系统 已在丰田汽车中使用,福特工程师采 表5R-ga和E-gas在不同温度下强度保留率以200孔为主,400孔拉丝漏用S-2玻璃纤维生产汽车催化反应 板生产13μm以上的高强玻器的密封垫。波音公司采用S-2纤 温度/℃ E-glass 强度保留率/%强度保留率/% 璃纤维制品,如无捻粗纱等。维制造货运输送带,波音AWAC等 高强玻璃纤维浸润剂是多种飞机雷达罩采用了高强玻璃纤 高强玻璃纤维生产与应用的维复合材料,飞机机身、机翼外壳、飞 关键技术,分增强型和纺织机地板等复合材料采用S-2玻璃纤 91 型2类,中材科技股份有限公维增强,S-2玻璃纤维在许多直升飞 司的高强玻璃纤维用增强型机叶片和传动件上也有应用。空客 浸润剂有16种,分别适用于A380是目前航空飞机中复合材料用 增强聚酯、乙烯基树脂、环氧量最大的一种飞机,S-2玻璃纤维 树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂、增强 GLARE板在A380飞机的机 氯丁二烯和PFL橡胶,以及身外壳等部位上应用。许多防弹装 混杂布(高强/碳纤维、高强/石热塑性树脂(如PEEK、PEL、BMI、甲车、防弹服中也采用高强玻璃纤维 英纤维、高强/无碱玻璃纤维)等LCP)等,能够满足目前高强玻璃纤作为防弹材料,且性价比优于芳纶纤 多种产品。表6为中材科技高强玻维生产工艺与复合材料应用的要求。维,也是近年来不断扩产的S-2纤 璃纤维布性能,表7为美国 Hexcel 维主要应用领域。我国高强玻璃纤 Schwebel公司高强玻璃纤维布性 高强玻璃纤维的应用 维在航天、航空、兵器、舰船、化工等 能,表8为用R和E玻璃纤维增强 20世纪50年代,美国空军材料领域广泛应用,如导弹发动机壳体, 的复合材料强度和模量对比,表9为实验室(AFML)与欧文斯·科尔宁宇航飞机内衬、复合材料枪托、发射 中材科技高强粗纱与R纤维的对比,玻璃纤维(OCF)公司签订硏发比炮筒、高压容器、抽油杆、防弹装甲 表10、1l为中材科技高强玻璃纤维金属铝更轻更强的材料,50年代末等。随着高强玻璃纤维在压力容器 和美国S-2的49-AA-750无捻OCF硏发成功S玻璃纤维并成功应光缆、耐温材料、摩擦材料等工业领 粗纱性能对比,从表中数据可知,国用到“民兵Ⅱ”州际弹道导弹第3级域的推广应用,对其需求量也在不 产的高强玻璃纤维粗纱性能与国外 高强R纤维和S-2纤维性能相当。 表6高强玻璃纤维布性能(中材科技) 产品代号组织结构(根/(根,经物/(gm人、体断裂力 经密纬密 高强玻璃纤维的制造 重量厚度 S-2高强玻璃纤维熔制温度高 向纬向 达1650℃,据有关专家介绍,美国SW109%34H纹22222424100116060 S-2玻璃纤维生产采用一步法拉丝,SW140B-902/2斜纹14144848140014 电熔窑熔制玻璃,耐火材料内衬铂sw20c-9a4H纹20109%62420010223040 金,原丝为9m的拉丝漏板为400w210-90平纹 2100.2116001350 孔,直接无捻粗纱拉丝漏板孔数达 sw220-90a2/2斜纹181472722400.221900160 2000孔。我国与俄罗斯均采用坩埚 sw20C-90a4H缎纹181472722400.2220 1600 法拉丝,即先将高强玻璃配合料熔制 成高强玻璃球,高强球在坩埚中二次Sw280-90a3/8锻纹201872722800.2520001700 熔化经漏板拉丝,9以m以下的原丝SW309鞍99m92|192|30|032130130 94航空制造技术·2009年第15期 91994-2010ChinaAcademicJournalelEctronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
94 航空制造技术·2009 年第 15 期 复材制造 COMPOSITE MANUFACTURING 混杂布（高强 / 碳纤维、高强 /石 英纤维、高强 / 无碱玻璃纤维）等 多种产品。表 6 为中材科技高强玻 璃纤维布性能，表 7 为美国 H e x c el Schwebel 公司高强玻璃纤维布性 能，表 8 为用 R 和 E 玻璃纤维增强 的复合材料强度和模量对比，表9为 中材科技高强粗纱与 R 纤维的对比， 表 10、11 为中材科技高强玻璃纤维 和美国 S-2 的 449-AA-750 无捻 粗纱性能对比，从表中数据可知，国 产的高强玻璃纤维粗纱性能与国外 高强 R 纤维和 S-2 纤维性能相当。 高强玻璃纤维的制造 S-2 高强玻璃纤维熔制温度高 达 1650℃，据有关专家介绍，美国 S-2 玻璃纤维生产采用一步法拉丝， 电熔窑熔制玻璃，耐火材料内衬铂 金，原丝为 9μm 的拉丝漏板为 400 孔，直接无捻粗纱拉丝漏板孔数达 2000 孔。我国与俄罗斯均采用坩埚 法拉丝，即先将高强玻璃配合料熔制 成高强玻璃球，高强球在坩埚中二次 熔化经漏板拉丝，9μm 以下的原丝 以 200 孔为主，400 孔拉丝漏 板生产 13μm 以上的高强玻 璃纤维制品，如无捻粗纱等。 高强玻璃纤维浸润剂是 高强玻璃纤维生产与应用的 关键技术，分增强型和纺织 型 2 类，中材科技股份有限公 司的高强玻璃纤维用增强型 浸润剂有 16 种，分别适用于 增强聚酯、乙烯基树脂、环氧 树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂、 氯丁二烯和 PF L 橡胶，以及 热塑性树脂（如 PEEK、PEL、BMI、 L C P）等，能够满足目前高强玻璃纤 维生产工艺与复合材料应用的要求。 高强玻璃纤维的应用 20 世纪 50 年代，美国空军材料 实验室（AFML）与欧文斯·科尔宁 玻璃纤维（O CF）公司签订研发比 金属铝更轻更强的材料，50 年代末 OCF 研发成功 S 玻璃纤维并成功应 用到“民兵Ⅱ”州际弹道导弹第 3 级 发动机壳体上，大大减轻了导弹重 量。由于高强玻璃纤维具有高强、耐 热、抗冲击、高透波等优异的综合性 能，使得它在高性能复合材料等领域 广泛应用。欧文斯·科尔宁公司（原 OCF）用 S-2 ZenTronTM 无捻粗纱 制造的 SilentexTM 汽车消音器系统 已在丰田汽车中使用，福特工程师采 用 S-2 玻璃纤维生产汽车催化反应 器的密封垫。波音公司采用 S-2 纤 维制造货运输送带，波音 AWAC 等 多种飞机雷达罩采用了高强玻璃纤 维复合材料，飞机机身、机翼外壳、飞 机地板等复合材料采用 S-2 玻璃纤 维增强，S-2 玻璃纤维在许多直升飞 机叶片和传动件上也有应用。空客 A380 是目前航空飞机中复合材料用 量最大的一种飞机，S-2 玻璃纤维 增强 GLARE 板在 A380 飞机的机 身外壳等部位上应用。许多防弹装 甲车、防弹服中也采用高强玻璃纤维 作为防弹材料，且性价比优于芳纶纤 维，也是近年来不断扩产的 S-2 纤 维主要应用领域。我国高强玻璃纤 维在航天、航空、兵器、舰船、化工等 领域广泛应用，如导弹发动机壳体， 宇航飞机内衬、复合材料枪托、发射 炮筒、高压容器、抽油杆、防弹装甲 等。随着高强玻璃纤维在压力容器、 光缆、耐温材料、摩擦材料等工业领 域的推广应用，对其需求量也在不 牌 号 HS2/S2 HS4/S4 S-2 R T вмл E-glass 新生态强度 /MPa 4020 4600 4500 ～ 4890 4400 4650 4500 ～ 5000 3445 弹性模量 /GPa 82.9 86.4 84.7 ～ 86.9 83.8 84.3 95.0 72 浸胶纱强度 /MPa 2600 ～ 3400 3300 ～ 3800 3500 ～ 3900 ≥ 3400 ≥ 3400 ≥ 3300 2400 表4 不同牌号高强玻璃纤维性能 温度 /℃ E-glass 强度保留率 /％ R-glass 强度保留率 /％ － 200 100 100 200 98 100 300 82 91 400 65 77 500 46 61 600 14 45 700 — 27 表5 R-glass和E-glass在不同温度下强度保留率 产品代号 组织结构 经密 /（根· cm-1） 纬密 /（根· cm-1） 经纱 /Tex 纬纱 /Tex 重量 /（g· m-2） 厚度 /mm 拉伸断裂强力 ≥ N/2.5cm 经向 纬向 SW110C-90a 4H 缎纹 22 22 24 24 110 0.11 600 600 SW140B-90a 2/2 斜纹 14 14 48 48 140 0.14 900 900 SW200C-90a 4H 缎纹 20 10 96 24 200 0.2 2300 400 SW210A-90a 平纹 16 12 72 72 210 0.21 1600 1350 SW220B-90a 2/2 斜纹 18 14 72 72 240 0.22 1900 1600 SW220C-90a 4H 缎纹 18 14 72 72 240 0.22 2000 1600 SW280R-90a 3/8 缎纹 20 18 72 72 280 0.25 2000 1700 SW360A-90a 平纹 9 9 192 192 360 0.32 1350 1350 表6 高强玻璃纤维布性能（中材科技）
COMPOSITE MANUFACTU 复材制造 表7S-2玻璃纤维布性能( Hexcel schwebel公司产品) 强玻璃纤维应用领域。俄罗斯玻璃 钢联合体在20世纪90年代中期,高 拉伸断裂强力 强玻璃纤维年产量最高可达2000t 牌号组织结构(根 经密/纬密/重量 cmy)(根:cm)(gm3)厚度/m ≥N/2.5cm 经向纬向 玻璃熔窑产量2.5t/d,面积熔化率 50~950kg/(d·m2)熔窑寿命3 2/2斜纹 149 13351335 4年,产品主要应用于军工领域,在 4522 0.1 623 高压容器、体育器材中也有所应用。 4526席纹2×2141 13.4 0.15 近年来日东纺为改善高强玻璃 452 纤维生产工艺,对玻璃组分进行了深 入硏究,从助熔剂到玻璃析晶初相与 4622 0.14 1156 气泡等研究成果都有数篇专利,目的 0.16 1324756 是进一步改善拉丝工艺性能、提高 6434般纹1891828032026 成品率、降低成本,将高强玻璃纤维 65574H纹2241181830.151557266 用于印刷线路板中。美国欧文斯科 6580 8H缎纹 8.3 13351112 尔宁(OC)公司近年来研发 Hiper 8H缎纹 22.4 3020231780144tex高性能玻璃纤维,其成本低于高 6781(HT)8H缎纹 22.4 0.252382358强S-2玻璃纤维,性能优于无碱玻 表8纤维增强树脂性能对比 璃纤维,已在风叶、CNG和防弹复合 断扩大。 材料应用方面进行了大量验证试验 层压板经向性能| R-glass/MPa E-glass/MPa提高/% 并正向市场推广应用。我国高强玻 拉伸强度 9268高强玻璃纤维的发展璃纤维已进入工业化生产阶段,通过 无捻粗纱拉伸模量2.76×10209×1016 美国高强玻璃纤维生产工艺改进和浸润剂优化等途径 聚酯树脂|弯曲强度 74工业化生产已很成熟,已使高强4号(HS4/S2)达到国外 :=60%弯曲模量273×10218×10252产品成品率高、工艺性高强玻璃纤维产品性能,目前正进一 表10国内外高强粗纱浸胶纱性能对比 拉伸强度 455 无捻粗纱拉伸模量2.6×1022×10 织物增强 样品名称 /MPa 变异系数/% 环氧树弯曲强度70 中=60%0弯曲模量2.98×102.4×10°424 S-2449AA750 3803.4 HS4C9-6603175 3883.9 拉伸强度709 7781织拉伸模量301×102.66×1013 表11国内外高强粗纱№oL环性能对比 物增强环弯曲强度 586 568 3 层间剪切强度一 ASTM D2344 中=60%弯曲模量295×102.50×1018 43.2 样品名称 标准状态 潮湿状态 强度 中r为纤维体积分数 强度变异系数强度变异系数保留率/ /MPa /MPa 表9粗纱单向板复合材料性能 449AA750 63.58 88.71 项目 R纤维粗纱 中材科技高强粗纱 C9-660317571.43 3.03 6882292 弯曲强度/MPa 弯曲模量/GPa 56.0 能优良、产品生产与应步拓宽高强玻璃纤维应用范围,特别 层剪强度/MPa 用技术居世界领先地是在拓宽高强玻璃纤维在航空材料 位,美国AGY公司充分防弹材料、化工管道、耐热绝缘及建 拉伸强度/MPa 1608 利用高强玻璃纤维性价筑材料中的应用。 拉伸模量/GPa 比优势,正不断拓宽高 (责编小颖) 2009年第15期·航空制造技术95 91994-2010ChinaAcademicJournalelEctronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
2009 年第 15 期·航空制造技术 95 COMPOSITE MANUFACTURING 复材制造 牌号 组织结构 经密 / ( 根· cm-1) 纬密 / ( 根·cm-1) 重量 (g·m-2) 厚度 /mm 拉伸断裂强力 ≥ N/2.5cm 经向 纬向 1893 2/2 斜纹 22 22 149 0.11 1335 1335 4522 平纹 8.7 9.4 123 0.13 623 578 4526 席纹 2×2 14.1 13.4 190 0.15 890 801 4527 平纹 8.7 9.4 125 0.10 623 578 4533 平纹 7.1 7.1 201 0.19 1210 1321 4622 平纹 11.8 6.3 125 0.14 778 1156 4985 平纹 7.1 8.7 159 0.16 1324 756 6543 4H 缎纹 18.9 11.8 288 0.23 2670 266 6557 4H 缎纹 22.4 11.8 183 0.15 1557 266 6580 8H 缎纹 28.3 28.3 193 0.15 1335 1112 6781 8H 缎纹 22.4 21.2 302 0.23 1780 1446 6781 (HT) 8H 缎纹 22.4 22.4 305 0.25 2358 2358 表7 S-2玻璃纤维布性能（Hexcel Schwebel 公司产品） 层压板 经向性能 R-glass/MPa E-glass/MPa 提高 /% 无捻粗纱 织物增强 聚酯树脂 φf * =60% 拉伸强度 660 392 68 拉伸模量 2.76×104 2.09×104 16 弯曲强度 451 258 74 弯曲模量 2.73×104 2.18×104 25.2 ILSS 30.9 20.4 51 无捻粗纱 织物增强 环氧树脂 φf =60% 拉伸强度 774 455 70 拉伸模量 2.86×104 2.2×104 30 弯曲强度 770 650 18 弯曲模量 2.98×104 2.4×104 24 ILSS 55.5 45 23 7781 织 物增强环 氧树脂 φf =60% 拉伸强度 709 574 24 拉伸模量 3.01×104 2.66×104 13 弯曲强度 586 568 3 弯曲模量 2.95×104 2.50×104 18 ILSS 45.6 43.2 4 表8 纤维增强树脂性能对比 项 目 R 纤维粗纱 中材科技高强粗纱 弯曲强度 /MPa 1611 1590 弯曲模量 /GPa 54.7 56.0 层剪强度 /MPa 67.4 78.4 拉伸强度 /MPa 1608 1746 拉伸模量 /GPa 56.3 55.5 表9 粗纱单向板复合材料性能 断扩大。 高强玻璃纤维的发展 美国高强玻璃纤维 工业化生产已很成熟， 产品成品率高、工艺性 能优良、产品生产与应 用技术居世界领先地 位，美国 AGY 公司充分 利用高强玻璃纤维性价 比优势，正不断拓宽高 强玻璃纤维应用领域。俄罗斯玻璃 钢联合体在 20 世纪 90 年代中期，高 强玻璃纤维年产量最高可达 2000t， 玻璃熔窑产量 2.5t/ d，面积熔化率 850～ 950kg/(d·m2 )，熔窑寿命 3 ～ 4 年，产品主要应用于军工领域，在 高压容器、体育器材中也有所应用。 近年来日东纺为改善高强玻璃 纤维生产工艺，对玻璃组分进行了深 入研究，从助熔剂到玻璃析晶初相与 气泡等研究成果都有数篇专利，目的 是进一步改善拉丝工艺性能、提高 成品率、降低成本，将高强玻璃纤维 用于印刷线路板中。美国欧文斯科 尔宁（OC）公司近年来研发 Hipert e x 高性能玻璃纤维，其成本低于高 强 S-2 玻璃纤维，性能优于无碱玻 璃纤维，已在风叶、CNG 和防弹复合 材料应用方面进行了大量验证试验， 并正向市场推广应用。我国高强玻 璃纤维已进入工业化生产阶段，通过 生产工艺改进和浸润剂优化等途径， 已使高强 4 号（H S4/ S4）达到国外 高强玻璃纤维产品性能，目前正进一 步拓宽高强玻璃纤维应用范围，特别 是在拓宽高强玻璃纤维在航空材料、 防弹材料、化工管道、耐热绝缘及建 筑材料中的应用。 （责编 小颖） 样品名称 层间剪切强度 -ASTM D2344 标准状态 潮湿状态 强度 强度 保留率 /% /MPa 变异系数 /% 强度 /MPa 变异系数 /% 449AA 750 71.67 3.29 63.58 3.26 88.71 S4C9-660 3175 71.43 3.03 68.82 2.92 96.37 表11 国内外高强粗纱NOL环性能对比 样品名称 浸胶纱强度 /MPa 变异系数 /% 与 S-2 对比 /% S-2 449AA 750 3803.4 4.90 100 HS4C9-660 3175 3883.9 3.39 2.1 表10 国内外高强粗纱浸胶纱性能对比 *φf 为纤维体积分数
