[发明专利]一种含过渡金属氧化物的高强度玻璃纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高强度玻璃纤维领域，特别涉及一种含过渡金属氧化物的高强度玻璃纤维及其制备方法。

背景技术

与普通无碱玻璃纤维相比，高强度高模量玻璃纤维具有拉伸强度高、弹性模量高、抗冲击性能好、化学稳定性好、抗疲劳性好、耐高温等优良性能，可广泛应用于航天、航空、兵器、舰船、化工等对复合材料性能要求更苛刻的领域，如导弹发动机壳体、宇航飞机内衬、枪托、发射炮筒、防弹装甲、高压容器、大尺寸风机叶片等。

高强度玻璃纤维系统主要体系有SiO₂-Al₂O₃-MgO或SiO₂-Al₂O₃-CaO，虽然各种高强度玻璃成分的质量分数不尽相同，但其中主要氧化物的含量如氧化硅和氧化铝含量都非常高，其中Al₂O₃的含量可达25％左右。

美国S-2高强度玻璃纤维，其成分仅为硅、铝和镁的氧化物，含量为65wt％SiO₂、25wt％Al₂O₃、10wt％MgO，S-2玻纤的优点是拉伸强度高，但玻璃成型温度高，其液相温度高达1470℃，拉丝漏板温度达到1570℃，熔制窑炉内衬材料需要使用特殊耐火材料以及铂、铑等贵金属材料，拉丝工艺条件苛刻，生产成本较高。

法国R玻纤是一种高强度玻璃纤维，主要用于航空、航天和军事领域。R玻纤主要由硅、铝、钙和镁的氧化物组成，其主要成分为58～60wt％SiO₂、23.5～25.5wt％Al₂O₃、5～6wt％MgO和9～11wt％CaO。R玻纤的液相温度和成型温度高于1350℃，熔制、拉丝温度同样很高，因此与S玻纤一样，生产成本较高。

欧洲的3B玻璃纤维公司生产的Hiper-tex玻纤以熔制工艺、纤维成型以及浸润剂技术为基础，使其纤维强度可提高30％，模量可提高17％，线性热膨胀系数低30％，但同样存在熔制温度和生产成本高等问题。因此高强玻璃纤维的生产难度大，生产成本高，制约了高强玻璃纤维的大规模生产与应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种含过渡金属氧化物的高强度玻璃纤维及其制备方法，该玻璃纤维是在常规高强玻璃纤维中通过添加过渡金属氧化物并控制氧化硅和氧化铝的总含量制备高强玻璃纤维，使其具有较高的拉伸强度和较低的熔制温度和玻璃粘度，具有良好的应用前景。

本发明的一种含过渡金属氧化物的高强度玻璃纤维，按重量百分比，由以下组分组成：SiO₂55～64％、Al₂O₃15～21％、CaO 9～15％、MgO 5～10％、ZnO 1.5～3.5％、TiO₂0.5～3％和ZrO₂0.5～3.5％。

本发明所采用技术方案的高强玻璃纤维体系为SiO₂-Al₂O₃-CaO-MgO-ZnO-TiO₂-ZrO₂，不含氧化硼和氟化物。

为了能制备玻璃化优良并有利于玻璃纤维拉丝且具有高强度的玻璃纤维，上述所述的玻璃组分还必须满足以下特征：

所述的玻璃组分中SiO₂的优选范围：58～63％；Al₂O₃的优选范围：17～20％；SiO₂+Al₂O₃的优选范围75～80％。SiO₂是硅酸盐玻璃中最主要的网络形成体，在玻璃系统中起主要骨架的作用，提高SiO₂的含量，虽然增强了玻璃骨架结构，但是玻璃液在相同熔制温度下的粘度上升，熔制澄清温度升高。Al₂O₃不能单独形成玻璃，但可改善玻璃的玻璃化程度和失透性，提高玻璃纤维的化学稳定性。Al₂O₃含量高同样使得玻璃的液相线上升，因此为了既保证玻璃纤维有着较高的拉伸强度，又使得玻璃纤维熔制温度适中，控制SiO₂+Al₂O₃的含量在75～80％。