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 iPer￾tex 、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
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