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　　玻璃纖維具有耐高溫、抗腐蝕、強(qiáng)度高、吸濕性低及伸長(zhǎng)率小等一系列優(yōu)異特性，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中不可或缺的高新技術(shù)材料。
 
　　自20世紀(jì)30年代末期玻璃纖維問世以來，世界各國(guó)均致力于開發(fā)具有更高性能的特種功能玻璃纖維?？蒲腥藛T通過改變玻璃的化學(xué)組分與性能關(guān)系、改變玻璃纖維的截面形狀、采用新的纖維成型工藝和表面處理技術(shù)等，成功研制了各種性能優(yōu)異的玻璃纖維，如高強(qiáng)玻璃纖維、低介電常數(shù)玻璃纖維、耐高溫的高硅氧玻璃纖維、異形截面玻璃纖維、輕質(zhì)透波空心玻璃纖維、鍍金屬玻璃纖維、耐輻射和中子混合輻射的耐輻照玻璃纖維等。這些玻璃纖維品種成為高性能復(fù)合材料的重要增強(qiáng)基材和功能材料。
 
　　我國(guó)于20世紀(jì)60年代中期開始研制高強(qiáng)度玻璃纖維，研制單位是南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院。該院于1968年成功研制了高強(qiáng)1號(hào)玻璃纖維，20世紀(jì)70年代中期又成功研制出了高強(qiáng)2號(hào)玻璃纖維，1974年10月通過技術(shù)鑒定后投入工業(yè)化生產(chǎn)。20世紀(jì)90年代，該院在高強(qiáng)2號(hào)玻璃纖維的基礎(chǔ)上，又進(jìn)一步提高強(qiáng)度和模量，繼續(xù)成功研制高強(qiáng)3號(hào)和4號(hào)玻璃纖維。本文以南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院的玻璃纖維研制為例，介紹國(guó)內(nèi)高強(qiáng)度玻璃纖維的研制及應(yīng)用情況。
 
玻璃化學(xué)組分的設(shè)計(jì)
 
　　高強(qiáng)玻璃纖維的玻璃化學(xué)組分為二氧化硅-三氧化二鋁-氧化鎂（SiO2-Al2O3-MgO）或SiO2-Al2O3-氧化鈣（CaO）-MgO。該類化學(xué)組分的玻璃纖維具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫和抗腐蝕等特性，與E玻璃纖維對(duì)比，其拉伸強(qiáng)度可提高30%～40%，彈性模量可提高10%～20%。
 
　　高強(qiáng)玻璃纖維生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)是玻璃熔制和纖維成型。因SiO2-Al2O3-MgO系統(tǒng)玻璃熔制和析晶上限溫度高，析晶速度快，玻璃液粘度大，氣泡難排除，給拉絲作業(yè)帶來了較大的困難。
 
　　為了選擇最佳玻璃組分，研究人員院先后設(shè)計(jì)了22個(gè)玻璃組分，其主要化學(xué)成分組成為：SiO221.5%～65%、Al2O3 5%～31%、MgO 6%～15%。同時(shí)還引入三氧化二鑭（La2O3）、氧化鋰（Li2O）等改性氧化物，其中La2O3能提高玻璃的表面張力及玻璃模量，增加玻璃的密度，改善玻璃的析晶性能，并能形成較佳的纖維拉絲成型粘度。

　　通過實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論：SiO2-Al2O3-MgO組分的玻璃纖維，當(dāng)SiO2在50%～65%之間，Al2O3在20%～31%之間時(shí)，其單絲強(qiáng)度能達(dá)到35 000～42 800kg/cm2，其中，Al2O3含量在25%以下纖維性能更好；但當(dāng)玻璃中的SiO2含量增加時(shí)，玻璃粘度急劇上升，不利于玻璃的熔制、澄清和均化，導(dǎo)致熔制溫度提高，體系中SiO2含量應(yīng)控制在60%以下。因此，理想的高強(qiáng)玻璃纖維化學(xué)組成應(yīng)為SiO2 50%～60%、Al2O3 20%～25%。
 
爐體耐火材料的選擇
 
　　高強(qiáng)玻璃纖維的玻璃組分確定后，研究人員直接選擇電熔石英磚和燒結(jié)純鋼玉磚分別做玻璃熔窯和代鉑拉絲爐的爐體耐火材料，但該耐火材料價(jià)格高、侵蝕大，因此有必要選擇耐腐蝕好、更為經(jīng)濟(jì)的耐火材料。由于高強(qiáng)玻璃是一種熔制溫度和析晶上限溫度都較高的“短料性”玻璃(即黏度隨時(shí)間的變化很快)，因此，選取天然白泡石、電熔石英磚、燒結(jié)純剛玉、電熔鋯剛玉和燒結(jié)鋯英石等5種耐火材料，作為高強(qiáng)玻璃耐火材料試驗(yàn)的基材。
 
　　通過相關(guān)的試驗(yàn)得出結(jié)論：①不同耐火材料，在同一種高溫玻璃液中，耐浸蝕性能是不同的，5種耐火材料在高溫玻璃液中耐浸蝕的優(yōu)劣程度，依次為鋯英石、剛玉磚、鋯剛玉、白泡石和石英磚；②同一種耐火材料，在不同溫度的同一種高溫玻璃液中，其耐浸蝕性能也不相同。一般來說，隨著玻璃液溫度的升高，浸蝕量也隨之增大。如鋯英石在1500℃的浸蝕量就為1400℃的2～3倍。經(jīng)過篩選，白泡石不但耐高強(qiáng)玻璃液的浸蝕性能優(yōu)于石英磚，而且價(jià)格低、取材易，所以高強(qiáng)玻璃熔窯和代鉑拉絲爐上的首批耐火材料全部選用了白泡石。
 
纖維拉絲工藝試驗(yàn)
 
　　在纖維拉絲工藝試驗(yàn)中采用全電熔無水冷鉬電極，合理控制爐內(nèi)各部分的電工參數(shù)及玻璃液深度，拉絲漏板選用抗高溫?zé)崛渥冃阅芎玫你K銠-25合金作底板材料，成型區(qū)吹風(fēng)強(qiáng)制冷卻漏嘴絲根，使得玻璃液獲得最佳拉絲粘度，玻璃液中無析晶，以確保拉絲作業(yè)穩(wěn)定性及單絲的高強(qiáng)度。
 
　　由纖維拉絲工藝試驗(yàn)得出結(jié)論：一是采用5%的改性氧化物二氧化鈰（CeO2）取代5%的SiO2，使得玻璃液的工藝性能大有改善，玻璃液粘度相應(yīng)地有較大的下降，玻璃液的析晶溫度下降到1300℃左右，有利于拉絲作業(yè)；二是爐內(nèi)玻璃液溫度分布較均勻，溫度梯度較小，玻璃液表面溫度較高，有利于冷玻璃的速熔，也有利于適當(dāng)降低爐內(nèi)最高溫度，以減少對(duì)耐火材料的浸蝕和浸蝕物對(duì)玻璃的污染；三是由于高強(qiáng)玻璃的粘度稍大，因此冷卻位置低、冷卻強(qiáng)度小、絲根成型較長(zhǎng)、成型性能較好，是適合連續(xù)拉制的玻璃纖維；另外，高強(qiáng)玻璃拉絲時(shí)的斷頭飛絲現(xiàn)象相對(duì)較少，拉絲作業(yè)較穩(wěn)定，單機(jī)產(chǎn)量較高；四是高強(qiáng)玻璃纖維的力學(xué)性能良好，其單絲強(qiáng)度、原紗斷裂強(qiáng)度和彈性模量都較好。
 
高強(qiáng)玻璃纖維的應(yīng)用

　　高強(qiáng)玻璃纖維的強(qiáng)度比E玻璃纖維的強(qiáng)度高30%～40%，彈性模量高16%～20%。在制品研發(fā)初期，僅有平紋布及商品紗2類，后來陸續(xù)開發(fā)了高強(qiáng)/碳纖維、高強(qiáng)/石英纖維混織布，以及高強(qiáng)紗織造的仿形編織套、多軸向織物、三維立體織物等系列產(chǎn)品。與碳纖維、芳綸纖維相比，高強(qiáng)玻璃纖維具有明顯的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍工、航空、船舶、高壓容器、化工管道及石油工業(yè)裝備等領(lǐng)域。
 
　　在國(guó)防軍工方面的應(yīng)用：用高強(qiáng)玻璃纖維增強(qiáng)塑料制成的導(dǎo)彈彈翼筒及炮彈引信等主件和零部件共70多種，實(shí)戰(zhàn)使用效果良好。同時(shí)，我國(guó)還研制成功了幾種火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，防熱及隔熱效果非常好，能確保發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。另外，由高強(qiáng)玻璃纖維制成的玻璃鋼頭盔，其防彈率可達(dá)90%以上，得到軍工部門的普遍贊賞。
 
　　在航空工業(yè)方面的應(yīng)用：用高強(qiáng)玻璃纖維增強(qiáng)塑料能夠制成直升飛機(jī)的漿葉及飛機(jī)的輪箍。用高強(qiáng)玻璃纖維布及無捻粗紗能夠制造飛機(jī)起落架及雷達(dá)罩等部件。
 
　　在船舶工業(yè)方面的應(yīng)用：高強(qiáng)玻璃纖維增強(qiáng)尼龍制成的螺旋漿葉，可用于8.5m救生艇和50t冷藏船。這種復(fù)合材料螺旋漿葉直徑為1 600mm，采用復(fù)式注射法成型，比強(qiáng)度高、剛性好、耐腐蝕性強(qiáng)、產(chǎn)品的幾何形狀準(zhǔn)確、再現(xiàn)性好、表面光潔度高，可降低主機(jī)軸系磨損，能提高漿葉效率，航速有所提高，耗油及振動(dòng)性能都大有改善。
 
　　在高壓容器方面的應(yīng)用：高強(qiáng)玻璃纖維增強(qiáng)塑料能夠制造2.3L、4.0L、4.4L、8.0L、15L、20L及40L等共7種規(guī)格的航空氣瓶。這類氣瓶具有耐壓高、質(zhì)量輕及性能穩(wěn)定性好等優(yōu)異特性，最高氣壓可達(dá)125～170kg/cm2。用高強(qiáng)玻璃纖維無捻粗紗，干法纏繞成型后，再浸漬樹脂，其制成的高壓容器，耐壓強(qiáng)度高、剛性好，爆破壓力達(dá)到600kg/cm2以上，經(jīng)疲勞試驗(yàn)后暴破壓力可達(dá)620～680kg/cm2，經(jīng)充壓（壓力為250kg）存放半年后，再打氣到600kg/cm2亦未爆破。
 
　　在石油工業(yè)方面的應(yīng)用：用高強(qiáng)玻璃纖維增強(qiáng)塑料制成石油深井探測(cè)器。探測(cè)器由一根3.9m長(zhǎng)的實(shí)心玻璃鋼棒、一根1.1m長(zhǎng)的空心玻璃鋼管和3套測(cè)試裝置組成。它能迅速測(cè)定深井的各種技術(shù)參數(shù)。探測(cè)器的使用環(huán)境條件惡劣，需在深達(dá)7000m的井下工作，溫度高達(dá)200℃，這要求探測(cè)器的耐高溫性能好，還要有較高的耐壓、耐拉強(qiáng)度及良好的電絕緣性能。
 
　　在化工方面的應(yīng)用：用高強(qiáng)玻璃粉增強(qiáng)聚四氟乙烯，制作機(jī)械的密封件，可大大提高密封件的耐磨性能。
 
　　近年來，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛躍發(fā)展及科技水平的不斷提高，高強(qiáng)度玻璃纖維的應(yīng)用將會(huì)越來越廣闊，市場(chǎng)前景被廣泛看好?。ㄎ恼聛碓矗盒虏牧袭a(chǎn)業(yè)）