[发明专利]高强度玻璃组合物和纤维

说明书

技术领域

本公开总体上涉及玻璃组合物，其适合用于连续制备高强度的玻璃纤维，具体而言，本公开涉及由该组合物形成的纤维及其复合材料。

背景技术

当前存在大量的针对高强度和高模量而设计的、至少能够形成纤维的玻璃类型。例如，R-玻璃和S-玻璃是这些玻璃类型的例子，这两种玻璃的强度都高于含硼E-玻璃。R-玻璃被认为是高强度、高模量的玻璃，其可形成纤维并且在航空复合材料应用中是有用的。R-玻璃通常由氧化硅、氧化铝、氧化镁和氧化钙构成。

S-玻璃通常由氧化硅、氧化铝和氧化镁构成（国际ASTM（D578-05））。S-玻璃纤维具有稍微更高的机械强度，这在部分程度上是由于其具有比R-玻璃纤维更高的二氧化硅含量和更少的氧化钙含量。S-玻璃类型的化学组成还提供了可用于高强度应用（例如弹道防护装备）的高强度玻璃纤维。德国标准化学会（DIN）将S-玻璃归类为铝硅酸盐玻璃（例如，主要为三氧化铝和二氧化硅）并且具有约10重量%的MgO（DIN1259-1），而没有添加CaO。

R-玻璃类型和S-玻璃类型的一个缺陷在于：与E-玻璃相比，在纤维形成过程中它们需要采用更高的熔融和加工温度，而这通常要求通过在专用熔窑中将组合物成分熔化来制备R-玻璃和S-玻璃，所述熔窑例如是具有铂衬里的熔窑，这样，与E-玻璃纤维相比，形成R-玻璃纤维和S-玻璃纤维的制备成本就升高了。此外，较高的加工温度会降低纤维漏板（fiber bushing）的寿命，而更换纤维漏板的费用是昂贵的。理想的是，希望将采用耐火衬里熔窑（refractory lined melter）和低纤维漏板温度的连续成纤工艺与高强度的玻璃组合物结合。

发明内容

提供了用于形成连续玻璃纤维的玻璃组合物，其适合用于高强度应用并且能够采用低成本的直接熔化炉而经济地形成玻璃纤维。所述玻璃组合物表现出适于耐火衬里炉的低熔化温度和成纤温度。所述玻璃组合物既具有这些加工优点，又具有那些价格较高、加工较受限的玻璃纤维（例如S-玻璃和R-玻璃）所具有的强度特性。

由此，在一个实施方案中，提供了一种组合物，其包含：介于约56重量%至约61重量%之间的SiO₂；介于约16重量%至约23重量%之间的Al₂O₃，其中SiO₂/Al₂O₃的重量%之比为介于约2至约4之间；介于约8.5重量%至约11.5重量%之间的MgO；介于约6重量%至约10重量%之间的CaO，其中MgO/CaO的重量%之比为介于约0.7至约1.5之间；介于约0重量%至约2重量%之间的Na₂O；小于约1重量%的Li₂O；以及总量小于约2重量%的剩余的过渡金属氧化物。还提供了由所述组合物形成的玻璃纤维。

一方面，所述玻璃组合物包含：介于约57.5重量%至约60.5重量%之间的SiO₂；介于约17.3重量%至约21.5重量%之间的Al₂O₃，其中SiO₂/Al₂O₃的重量%之比为介于约2.7至约3.5之间；介于约9.0重量%至约11.3重量%之间的MgO；介于约7.5重量%至约9.7重量%之间的CaO，其中MgO/CaO的重量%之比介于约1.0至约1.2之间；介于约0重量%至约2重量%之间的Na₂O；小于约0.5重量%的Li₂O；以及总量小于约2重量%的剩余的过渡金属氧化物。还提供了由所述组合物形成的玻璃纤维。

另一方面，存在于所述玻璃组合物或纤维中的四种含量最高的氧化物的重量%可以如下表示：57≤SiO₂≤60；17≤A1₂O₃≤22；7≤MgO≤12；7≤CaO≤11.5；1≤Na₂O≤2；其中，所述玻璃组合物或纤维具有以下氧化物之比：2.7≤SiO₂/Al₂O₃≤3.5（按重量%计）以及0.8≤MgO/CaO≤1.2（按重量%计）。