高性能玻璃纤维发展研究进展

高岩立，冀克俭，邓卫华，赵晓刚，李艳玲，刘元俊，邵鸿飞，周 彤，华 兰

(中国兵器工业集团第五三研究所，山东 济南 250031)

高性能玻璃纤维是指相对于普通的无碱玻璃纤维而言拥有某种优异性能的玻璃纤维，具有用途特殊、性能特好、成分特定和工艺特别等特点[1]。结构类高性能玻璃纤维主要有高强度玻璃纤维和高模量玻璃纤维[2]。功能玻璃纤维主要有低介电玻璃纤维、高硅氧玻璃纤维和耐辐照玻璃纤维等[3]。上世纪六十年代末期，我国开始研发高性能玻璃纤维；随着科技与经济的发展，高性能玻璃纤维的产品越来越多；基于其优良性能，高性能玻璃纤维在越来越多的领域推广应用，像国防军工领域、航空航天领域、环保领域和电子电气领域[4]等。

1 高性能玻璃纤维的国内外研究进展

1.1 高强玻璃纤维

高强玻璃纤维的特点是拉伸强度高，缺点是制备过程中成型温度较高，拉丝温度较高，需用特殊的耐火材料及铑、铂等对金属材料作为炉窑内衬，生产成本较高。虽然每种高强玻璃纤维组分含量不尽相同，但高强玻璃纤维的主要氧化物组成体系主要是SiO2-Al2O3-CaO-MgO和SiO2-Al2O3-MgO，其中氧化铝含量均在25%左右；向体系中添加不同的氧化物可改变高强玻璃纤维的理化特性或者工艺流程[5]。目前市场上知名的高强玻璃纤维有美国AGY的S2TM高强玻璃纤维，日本日东纺织的T系高强玻璃纤维和美国OCV公司推出新一代Hiper-texTM高强玻璃纤维[7]。

S2TM高强玻璃纤维组成为：SiO2的质量分数是65%，Al2O3的质量分数是25%和MgO的质量分数是10%，该高强玻璃纤维的拉伸强度可达4600～4800 MPa；由于S2TM玻璃纤维的成型温度达1400℃以上，拉丝漏板温度近1600℃，因此生产S2TM玻璃纤维的窑内衬一般为耐火材料或者铑铂等贵金属，生产成本较高。高强玻璃纤维主要用于国防军工领域。

T高强玻璃纤维组成为：SiO2的质量分数是60%～70%，Al2O3的质量分数是17%～27%，MgO的质量分数是7%～17%和过渡金属氧化物的质量分数是0.1%～1%。T系高强玻璃纤维与S2TM高强玻璃纤维为同一种氧化物体系，其熔制、拉丝温度也很高，因此，T系高强玻璃纤维生产成本也较高。

近些年美国OCV公司推出新一代Hiper-texTM产品，其组成为：SiO2的质量分数是61%，Al2O3的质量分数是19%，MgO的质量分数是10%和CaO的质量分数是9%。Hiper-texTM性能与普通玻璃纤维相比强度提高30%，模量提高17%和耐振动性能提高10倍。Hiper-texTM玻纤作为风电叶片增强材料时，可以使叶片减重增加10%，叶片长度增加6%，用于防弹、防爆时，与钢铁相比减重40%，与K29芳纶降低成本50%[8]。

我国的高强玻璃纤维产品有南京玻璃纤维研究设计院的HSTM和重庆国际复合材料有限公司的TM-glassTM高强玻璃纤维。HSTM属于SiO2-Al2O3-MgO系，其组成为：SiO2的质量分数是55%，Al2O3的质量分数是24.4%～25.2%，MgO的质量分数是12.5%～16%和B2O3的质量分数是1.8%～3.5%。TM-glassTM高强玻璃纤维属于SiO2-Al2O3-CaO-MgO系，成型温度为1270～1300℃，可在现代窑池中大量生产，其强度比普通玻璃纤维高22%左右，模量高15%。此外，泰山玻璃纤维有限公司推出了GMGR高强玻璃纤维，其性能指标与Hiper-texTM接近[9]。

研究表明，SiO2是高强玻璃纤维网络结构的主要组成部分，含量过高会导致熔体的高温粘度升高，拉丝性能下降，从而导致生产成本增加；含量较低则会引起高强玻璃纤维耐酸性能下降。Al2O3主要影响玻璃纤维的耐水侵蚀性能、融化性和失透性。CaO不参与玻璃中的网络结构；而MgO存在两种配位，碱金属含量不足时，Mg2+作为网络外体，不进入网络结构，此，外MgO含量影响高强玻璃纤维的介电性能[10]。

1.2 低介电玻璃纤维

低介电玻璃纤维是一种硼含量较高的玻璃纤维，具有密度低、介电常数低、介电损耗低、频带宽和透波性高等特点。一开始主要用于国防透波复合材料中；随着电子信息产业的崛起，近些年低介电玻璃纤维也用于制造电子纤维布、铜覆板和印刷电路板的介质材料。与普通玻璃纤维比，低介电玻璃纤维二氧化硅含量较高，碱金属和碱土金属含量较少，熔融性能差，不易拉丝，生产成本较高。目前市场上成熟的低介电玻璃主要有日本东纺的NE低介电玻璃纤维、 AGY的L-glass 低介电玻璃纤维、泰山玻璃纤维有限公司的TLD-glass 低介电玻璃纤维和重庆国际复合材料有限公司的HL低介电玻璃纤维[11]。

NE低介电玻璃纤维的组成为：SiO2的质量分数是52%～58%的，Al2O3的质量分数是10%～15%，B2O3的质量分数是15%～20%，还有少量的CaO、MgO和TiO2。1 MHz频率下，NE玻璃纤维的介电常数约为4.3，介电损耗系数约为0.0006；10 GHz频率下，NE玻璃纤维的介电常数约为4.7，介电损耗系数约为0.004，成形温度不超过1350℃。

L-glass低介电玻璃纤维的组成为: SiO2的质量分数是52%～60%，Al2O3的质量分数是10%～18%，B2O3的质量分数是20%～30%和CaO的质量分数是4%～8%。在1 MHz频率下，LD-glass低介电玻璃纤维介电常数小于5，介电损耗系数约为0.0006；在10 GHz频率下，LD-glass低介电玻璃纤维介电常数约为5，介电损耗系数约为0.0031，成形温度不超过1350℃。

TLD-glass低介电玻璃纤维的组成为：SiO2的质量分数是50%～60%，Al2O3的质量分数是6.0%～9.5%，B2O3的质量分数是30.5%～35%，CaO的质量分数是0～5%和碱土金属氧化物的质量分数是0～7%。TLD-glass低介电玻璃纤维在1 MHz频率下，其介电常数约为4.3～4.5，在10 GHz频率下，其介电常数约为4.2～4.3。

HL低介电玻璃纤维的的组成为：SiO2的质量分数是48%～58%，Al2O3的质量分数是10%～18%，B2O3的质量分数是18%～28%，CaO的质量分数是0～6%和碱土金属氧化物的质量分数是0.5%～8%[12]。

研究发现，SiO2为低介电玻璃纤维网络骨架，结合能高，在外电场作用下不易产生极化，还可抑制玻璃析晶；SiO2为低介电纤维网络中间体，同样结合能较高、不易极化；提高低介电玻璃纤维中SiO2和Al2O3的含量，会降低玻璃纤维的的介电常数，但介电损耗随着纤维中SiO2含量升高而降低，随着纤维中Al2O3含量升高而增加，为使低介电玻璃纤维达到低介电常数和低介电损耗的目的，应控制Al2O3的含量(一般为15%～30%wt)。此外，如果纤维中SiO2含量过高，则会使熔融温度升高，造成生产成本过高[13]。

1.3 高硅氧玻璃纤维

高硅氧纤维是高纯氧化硅非晶体连续纤维的简称，其氧化硅含量高于96%，不含对身体有害的石棉或陶瓷棉等，连续耐温1000℃，短暂耐温1400℃，高硅氧纤维在1000℃时能长久保持良好的强度和弹性，其具有导热系数低、对高热冲击有良好的抵御性能，化学性能稳定和耐腐蚀性好等特点。世界上知名产品有美国达科南方公司、俄罗斯玻璃钢科研生产联合体和陕西华特玻璃纤维有限公司等[14～17]。

2 高性能玻璃的应用研究

2.1 国防军工领域

上世纪六十年代，美国的高强度玻璃纤维应用到“民兵”洲际导弹第三级发动机壳体用于减轻导弹重量，从此拉开了高性能玻璃纤维在国防军工领域应用的序幕。高强玻璃纤维作为增强材料应用于军事防御复合材料中像防弹车、防弹服；而石英玻璃纤维广泛应用于耐烧蚀材料中；高硅氧玻璃纤维和低介电玻璃纤维则在国防军工通讯中发挥了重要作用[18]。

2.2 航空航天领域

高强玻璃纤维在航空航天领域有广泛应用，主要作为增强材料用于飞机内饰材料、地板、舱门、机翼前缘、雷达罩、副油箱和直升机机翼等的制造。低介电玻璃纤维因其优异的透波功能和低介电常数广泛应用于飞机等雷达罩的制造[19]。

2.3 环保节能领域

高性能玻璃纤维具有高强度、耐高温、耐腐蚀、尺寸稳定性好和性价比高等特点，针对不同高温工业烟尘的过滤要求，改性后的高性能玻璃纤维应用于烟气除尘领域。此外在海水淡化、汽车尾气净化和风电领域，高性能玻璃纤维也有广泛应用[20]。

2.4 电子电气领域

低介电玻璃纤维作为增强材料应用于印制电路板和覆铜板等电子电气领域；印制电路板和覆铜板的机械性能和电性能很大程度依赖于低介电玻璃纤维的性能。低介电玻璃纤维的介电常数越低，电路板中信号传输速度越快，介电损耗常数越低，传输过程中的能量损失就越低。特别是近些年来，各国都在争相开发高性能低介电玻璃纤维覆铜板，以确保数码产品、通讯产品、电子计算机、雷达和卫星系统的迅速发展[21]。

3 结束语

目前高性能玻璃纤维广泛应用于社会生产生活的各个方面，发展潜力巨大。我国高性能玻璃纤维虽然起步晚但发展快，特别是高硅氧玻璃纤维优势巨大，占据了很大的市场份额。目前高性能玻璃纤维发展趋势分为两种，一种是侧重更高的性能，一种是侧重高性能玻璃纤维的工业化技术研究，致力于提高高性能玻璃纤维的工艺性能，同时降低成本，减少污染。