高強(qiáng)度玻璃纖維及其復(fù)合材料低成本制造技術(shù)研究.pdf

1、高強(qiáng)度玻璃纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的特種玻璃纖維，是高性能復(fù)合材料三大增強(qiáng)纖維(芳綸纖維、碳纖維、高強(qiáng)度玻璃纖維)之一。迄今為止，世界上只有美、法、俄、日、中五個(gè)國家掌握此項(xiàng)技術(shù)。二十世紀(jì)六十年代，美國首先研制成功高強(qiáng)度玻璃纖維，稱為S-994HTS纖維。八十年代，美國研制成功S-2(SiO2-Al2O3-MgO系)高強(qiáng)度玻璃纖維，采用水溶性浸潤劑，其性能與S-994HTS相比基本不變，但生產(chǎn)成本大幅降低。法國成功研制出R高強(qiáng)

2、度玻璃纖維投入生產(chǎn)，采用有機(jī)溶劑的浸潤劑；日本也研制生產(chǎn)出“T”高強(qiáng)度玻璃纖維(SiO2-Al2O3-MgO-TiO2系)；俄羅斯研制生產(chǎn)出“BMП”高強(qiáng)度玻璃纖維。美國的高強(qiáng)度玻璃纖維采用的是化工原料作為玻璃配合料、一步法拉絲生產(chǎn)工藝、漏板主要為400孔；俄羅斯高強(qiáng)度玻璃纖維采用的是礦物原料作為玻璃配合料、二步法即坩堝法生產(chǎn)工藝、漏板為400孔。國外的高強(qiáng)度玻璃纖維生產(chǎn)技術(shù)和裝備比較成熟，出現(xiàn)了先進(jìn)的池窯拉絲(一步法)和二步

3、法多排多孔(400孔)拉絲生產(chǎn)工藝。與之匹配的浸潤劑品種不僅有適合不同樹脂體系的，而且有適合不同紡織類型用途的，更有適合于不同纖維直徑(9、11、13、15um)系列的。南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院在七十年代初步研制出高強(qiáng)2#玻璃纖維，其新生態(tài)單絲強(qiáng)度為4020MPa，彈性模量為83GPa，密度為2.54 g/cm3，在九十年代末研制出高強(qiáng)4#玻璃纖維，其性能相當(dāng)于美國S-2。經(jīng)過三十多年的研究發(fā)展，采用二步法100孔、200孔漏

4、板的拉絲工藝生產(chǎn)(年生產(chǎn)能力300噸)，成本高，產(chǎn)量低。但是，為我國的國防武器裝備配套作出了較大貢獻(xiàn)。目前，高強(qiáng)度玻璃纖維也是高性能復(fù)合材料三大增強(qiáng)纖維材料中唯一實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化批量生產(chǎn)、供應(yīng)的纖維。由于生產(chǎn)工藝及技術(shù)與國外差距較大，高強(qiáng)度玻璃纖維生產(chǎn)的高成本已制約了其在軍工和民用領(lǐng)域的進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用。研究采用先進(jìn)的生產(chǎn)工藝、裝備和質(zhì)量控制技術(shù)，降低高強(qiáng)度玻璃纖維的生產(chǎn)成本；研究采用先進(jìn)的復(fù)合材料制造工藝，降低高性能復(fù)合材料的生產(chǎn)成

5、本，符合我國先進(jìn)材料技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略的研究方向。將高強(qiáng)玻璃纖維的高性能與低成本生產(chǎn)相結(jié)合，將高強(qiáng)度玻纖/碳纖維混雜增強(qiáng)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)研究與高性能復(fù)合材料的低成本制造相結(jié)合，對我國國防軍工和民用高性能復(fù)合材料的應(yīng)用發(fā)展具有重要意義。本論文針對高強(qiáng)度玻璃纖維低成本化生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行研究，主要工作為：優(yōu)化選擇組成穩(wěn)定、均勻性好且價(jià)格低廉的礦物原料替代目前采用的價(jià)高且難熔的化工原料作為高強(qiáng)度玻璃配合料原料。采用高精度自動測量、高均質(zhì)氣力混合

6、系統(tǒng)，研究高均度玻璃配合料的制備技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度玻璃配合料的低成本制造。采用合理加深高強(qiáng)度玻璃熔制窯爐的熔化部和階梯式澄清部的窯爐結(jié)構(gòu)，通過增加熔化面積和電極數(shù)量等措施，使新窯爐的熔制能力由450kg/day提高至950kg/day。使熔窯的面積熔化率從595kg/m2提高到1528 kg/m2。通過研究特定結(jié)構(gòu)的拉絲通路，使得窯爐熔制的高均質(zhì)高強(qiáng)玻璃直接流入拉絲通路進(jìn)行拉絲；通過研究特殊的纖維絲限冷卻措施，研究確定40

7、0孔拉絲工藝參數(shù)，穩(wěn)定一步法400孔拉絲工藝。從而實(shí)現(xiàn)低能耗的大結(jié)構(gòu)窯爐熔制及一步法400孔拉絲生產(chǎn)。在高強(qiáng)度2#玻璃纖維生產(chǎn)低成本化的同時(shí)，須保持纖維的品質(zhì)。通過纖維原絲的性能比對、浸膠NOL環(huán)的拉伸性能比對、浸膠束紗的拉伸性能比對等手段研究評定低成本制造的高強(qiáng)度玻璃纖維的性能。通過高強(qiáng)4#玻璃纖維有捻紗的一系列浸膠束紗強(qiáng)度的測定研究分析，闡述了在99.5％可信度前提下評判其力學(xué)性能的方法；通過浸膠束紗的應(yīng)力——壽命試驗(yàn)分

8、析，計(jì)算分析高強(qiáng)4#玻璃纖維在一定應(yīng)力狀態(tài)和溫度下的壽命，從而評定高強(qiáng)4#玻璃纖維的性能。本論文針對低成本高強(qiáng)度玻璃纖維/碳纖維混雜增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行的研究工作：根據(jù)混雜增強(qiáng)復(fù)合材料的理論，優(yōu)化設(shè)計(jì)碳纖維與高強(qiáng)度玻璃纖維混雜纏繞增強(qiáng)6.8L呼吸器氣瓶。通過混雜纏繞增強(qiáng)6.8L呼吸器氣瓶的疲勞試驗(yàn)、爆破試驗(yàn)、自緊試驗(yàn)等手段探索研究碳纖維與高強(qiáng)度玻璃纖維層間混雜增強(qiáng)的機(jī)理，探索研究混雜纏繞增強(qiáng)復(fù)合材料壓力容器低成本制造的可行性。

9、試驗(yàn)結(jié)果表明：1.采用礦物原料替代化工原料使高強(qiáng)度玻璃原料成本降低26％，采用大結(jié)構(gòu)窯爐熔制及一步法400孔拉絲生產(chǎn)使高強(qiáng)度玻璃纖維(SC13)的生產(chǎn)能耗降低了11.55％。綜合以上成果，本項(xiàng)目研究使高強(qiáng)度玻璃纖維的生產(chǎn)成本下降30％；2.低成本生產(chǎn)的高強(qiáng)度2#玻璃纖維的性能沒有降低，用于增強(qiáng)環(huán)氧樹脂時(shí)應(yīng)該采用JA型和JY型浸潤劑，用于增強(qiáng)尼龍類工程塑料時(shí)應(yīng)該采用PA型浸潤劑；3.批量生產(chǎn)的高強(qiáng)4#200孔B型浸潤劑S4C

10、8-28×1×4S100規(guī)格的高捻紗浸膠束紗性能比較穩(wěn)定，批次檢驗(yàn)浸膠束紗強(qiáng)度均值大于3300MPa的可信度達(dá)到99.5％。高強(qiáng)4#玻璃纖維有捻紗環(huán)向纏繞增強(qiáng)復(fù)合筒體材料在46％～47％的恒應(yīng)力水平下、在40℃環(huán)境中能夠滿足連續(xù)工作達(dá)10萬小時(shí)以上(年失效要求小于1％)的設(shè)計(jì)要求；4.低成本生產(chǎn)的高強(qiáng)度玻璃纖維與碳纖維混雜纏繞增強(qiáng)6.8L鋁內(nèi)膽氣瓶在碳纖維體積百分比為60.6％時(shí)能夠達(dá)到、滿足氣瓶的爆破壓力、疲勞、疲勞后爆破壓