[发明专利]氧氮化合物玻璃纤维

说明书

本发明涉及一种氧氮化合物玻璃、其生产过程和此氧氮化合物玻璃的纤维。更确切地说，本发明既涉及一种具有高弹性模量和优良的硬度并适于做强化材料的氧氮化合物玻璃，又涉及其生产过程和这种氧氮化合物玻璃的纤维。

将本发明的氧氮化合物玻璃制成纤维或碎屑，它适于作复合材料的原材料，如塑料组合物的增强材料和金属的面料。块状和片状的本发明的氧氮化合物可直接被用于各种用途如具有高硬度和高抗拉强度的塑模。

本发明的纤维适于作复合材料的增强纤维如纤维增强塑料（FRP）和纤维增强水泥。

氧氮化合物玻璃的结构是在氧化物玻璃中氧被Ⅲ价氮取代。据认为，这种取代由于形成比氧化物玻璃更多的键而导致这种玻璃网状组织的密化。因而，与一般普通的玻璃相比，氧氮化合物玻璃具有高的弹性模量。

已知的氧氮化合物玻璃的组成包括：Ca-Si-Al-O-N，Na-Ca-Si-O-N，La-Si-Al-O-N，Na-B-Si-O-N，Mg-Si-Al-O-N，Si-Al-O-N，Y-Al-Si-O-N，Na-B-Al-P-O-N等。

这些氧氮化合物玻璃是由熔炼法、溶液-凝胶法，吹N₂法，多孔玻璃的NH₃处理等法制成的。

熔炼法是将金属氮化物加入金属氧化物中并在高温下熔炼。这样的金属氧化物的例子有SiO₂，Na₂O，K₂O，La₂O₃，Y₂O₃，ZrO₂，TiO₂，B₂O₃等等。这样的金属氮化物的例子包括Si₃N₄，AlN等等。

溶液-凝胶法，具有-OH或-OR基的氧化物玻璃前驱体与NH₃反应。这样的氧化物玻璃前驱体的例子有四烷氧基硅，四烷氧基钛等等。

已知的氧氮化物玻璃的组分中，不能获得具有15%原子比（相当于9%的重量比）或多一些的氮含量的玻璃。也就是说，氧氮化合物组分的已知组成或化合比率不能用氮充分地取代氧化物玻璃中的氧。在制备氧氮化合物玻璃时，原材料中的氮化玻璃体系中逃逸，结果获得具有低氮含量（5-6%重量）的氧氮化物玻璃。

玻璃纤维作为一种增强化材料是有用的。作为一种如塑料或水泥铸造中的增强材料的有效方法，最近已制成一种复合材料，这种复合材料是由所说材料和玻璃纤维组成的。一般用在这样的常规复合材料里的纤维是E玻璃纤维或S玻璃纤维，其强度还不足。也就是说，E玻璃的最大弹性模量是7，500kg/mm²而具有最高弹性模量的特等品N-672（Imperial N-672）只有12，110kg/mm²。

已知的通过溶液-凝胶法制出氧氮化物玻璃的方法并通过这个方法在这里制成的块状氧氮化物玻璃、然后再熔炼制成纤维的方法，请请参看美国专利4，609，631。已知的由溶液-凝胶方法获得的氧氮化物玻璃纤维只具有8000kg/mm²的弹性模量，对于复合材料用的增强玻璃纤维来说是不够的。在另一方面，已知的由块状氧氮化物的再熔炼制成的氧氮化物玻璃纤维具有的最大氮含量是15%原子比和140-180GPa的高弹性模量，但这样的纤维很贵，因为它含有42.6-45.6%重量比的贵重的钇。

本发明已作了深入细致的研究用氮有效取代氧化物玻璃中的氧来获得氧氮化物玻璃和用作增强材料的具有优良强度的氧氮化物玻璃的纤维。因此，已发现通过增加CaO的含量，氧氮化物玻璃可含大量的氮，由这样的氧氮化物玻璃通过熔炼法制出的纤维具有不同一般的高强度和高弹性模量。

因此，提供一具有高硬度和弹性模量的氧氮化物玻璃是本发明的目的。

本发明的另一个目的是提供制备具有高氮含量和高弹性模量的氧氮化物玻璃纤维的方法。

本发明的进一步目的是提供具有高弹性模量的玻璃纤维。

下面的描述对于那些熟悉这种工艺的人来说，本发明的这些和其他目的和优点是很明显的。

本发明中所期望的改进的氧氮化物玻璃具有Si-M₁-M₂-O-N体系并含有摩尔百分比满足下列等式（a）和（b）的SiO₂、Si₃N₄和M₁O：