高硅氧玻璃纤维

高硅氧玻璃纤维的生产是以合适的原始玻璃成分，按普通玻璃纤维的生产工艺制成纱、布等各种制品，经过酸沥滤和热烧结工艺，即得到耐高温性能接近石英纤维的高硅氧制品.对原始玻璃组分，目前主要有以E玻璃以及Si02-B203-Na2O和Si02-B203二元系统为原始玻璃组分，我国主要采用三组分的钠硼硅酸盐玻璃。

在生产中，将高硅氧制品经酸沥滤，利用其结构的分相，使B203和Na2O组分沥滤出来转入溶液中，使Si02富集量达到96%以上的微孔硅氧骨架，然后再经600一800℃的高温热烧结定型，使微孔闭合，骨架结构趋于紧密，而制得高性能的高硅氧玻璃纤维制品。

由于高硅氧玻璃纤维较石英等耐高温无机纤维成本低，使用安全，目前在欧美等国家有若干公司围绕高硅氧玻纤的高性能开发了一系列产品，著名的有美国ACIT耐高温复合材料公司、美国达科南方公司、德国Kelevers公司和美国H.I.Thompson公司等。而我国的研究开发基本上采用跟踪法，总体上落后于国际水平，国内持续研究时间长并形成规模生产和应用技术研究的只有通华新材料、陕西玻璃纤维以及南京玻璃纤维研究设计院.

高硅氧玻璃纤维其工艺原理是利用玻璃在熔融或冷却过程中，二个或二个以上互不相容的液相彼此分离，成微不均匀性，利用其结构的分相而生产的，高硅氧玻璃成分去组成落于分相区内，当玻璃冷却或再加热时，会分离成两相，一相几乎全是Si02,另一相则富有B203和Na20，他们很容易被酸溶出。从玻璃结构上看当Si02含量较高，而分子比Na20 : B203< 1时，玻璃中同时存在着[sio4]四面体、[B04]四面体和[B03]三角体，其中一部分[B04]四面体、[Si04]四面体组成均匀、统一和连续的网络结构，而另一部分形成独立的层状结构网络，因此在玻璃中存在一定的分相。而Si02相对酸很稳定，B203-Na2O则易溶于酸。高硅氧玻璃纤维的生产就是利用这种原理，将具有基础玻璃成分的纱或织物在一定条件下进行酸沥滤，使B203-Na2O相转入溶液中，留下微孔结构的硅氧骨架，然后再经600-800℃高温处理，使微孔闭合，骨架结构趋于紧密，从而获得高稳定性的纤维材料，这样三组分的纳硼硅酸盐玻璃就转化成高硅氧玻璃纤维了。

对高硅氧玻璃纤维的生产，国内外所来用的工艺大致相同，都经过合适的原料拉丝成型、纺织加工、酸沥滤、热烧结和后表面处理

对高硅氧玻璃纤维生产的原料，目前两种组分，其中部分厂家为了降低成本，也采用E玻璃进行后序加工而制备高硅氧玻纤制品，我国一般都采用三元系统生产优质的纤维制品，但在其融化中，因B2O3和Na20挥发较大，易造成成分的不稳定和对耐火材料的侵蚀较严重，与传统火焰窑相比，采用全电熔窑在1450℃左右进行高硅氧球的熔制，则可大为减少挥发率和降低对耐材的侵蚀。

高硅氧玻璃其硬化速度较低，拉丝温度在1150℃左右，析晶上限温度只有983℃，所以在拉丝过程中很少出现析晶现象.但玻璃液与漏板铂金的浸润角较小，所以在漏板设计中，要考虑各个因素的影响，并在拉丝中对强制冷却气流的控制以及专用浸润剂都提出了较高的要求。

酸沥滤是将结构中分相的非硅质相在酸作用下使其析出，以使结构中Si02含量达到96%以上。离子的分相迁移速率受酸的浓度、沥滤时间、温度以及酸液中H3B03含量的大小及沥滤速度等因素的影响，对各工艺的设定和各参数的合理控制是生产高硅氧玻纤制品的关键。尤其是溶液中H3B03的.含量对制品的断裂强力有很大的影响.

经酸沥滤的高硅氧玻纤制品，其分相中易溶组分B203和Na20等被酸沥滤出来，留下连续的富Si02的多孔骨架，需在600-800℃或更高温度下进行热烧结，使其微孔闭合，强度有所恢复，但当温度过高时，将会使玻璃表面的微裂纹在内应力作用下扩大，从而使制品的强力反而下降。同酸沥滤一样会对制品的物理力学性能产生较大的影响，其具体影响见表2。所以在生产过程中，需对热烧结的温度制度和烧结时间进行合理的控制，在保证恢复最大强力的同时使制品在应用条件下的线收缩率不大于3%。

近年来对高硅氧纤维的需求量也在不断增加,为提高高硅氧制品的应用性能，国内外公司都在进行提高硅氧玻璃纤维制品强度与耐热性的研究和开发，部分制品已成功应用于高温气体、液体和侵蚀性介质的过滤和国民经济各个高端领域。

(1)软化点接近1700℃，可长期在900℃环境下使用，瞬间可以耐数千度的气流部刷。

(2)在有机和无机酸中(氢氟酸、磷酸和盐酸除外)甚至在高温下，以及弱碱中保持良好的性能稳定。

(3)对热冲击和超高辐射有较高的稳定性，在高温和高湿条件绝缘性能优良，与高温胶具有良好的黏结性能。

(4)耐湿耐日光辐射并且抗震，可用于各种密封材料，制品结构牢固，在许多高温条件下保持柔软性。

(5) 结构及性能稳定，对人体没有危害，可代替陶瓷纤维和石棉纤维(高温下发生晶相转变)。

(6)防火温度高，在汽油中燃烧不氧化、不变色，强度高，不会造成二次污染。

(7)具有良好的耐磨性与绝缘性能，大多数情况下价格具有竞争优势。

(8)其骨架可以适当得以控制，制作各种膜件，用于液体过滤、气体分离或作为催化剂或酶的载体。

正是有如此多的优点和特性，高硅氧玻纤制品受到高度的重视和广泛的研究，并已在许多要求苛刻的工作环境中大规模应用，开发研究高性能的高硅氧玻纤制品将极具市场前景。

树脂基复合材料采用的增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。

目前用于高性能复合材料的玻璃纤维主要有高强度玻璃纤维、石英玻璃纤维和高硅氧玻璃纤维等。由于高强度玻璃纤维性价比较高，因此增长率也比较快，年增长率达到10%以上。高强度玻璃纤维复合材料不仅应用在军用方面，近年来民用产品也有广泛应用，如防弹头盔、防弹服、直升飞机机翼、预警机雷达罩、各种高压压力容器、民用飞机直板、体育用品、各类耐高温制品以及近期报道的性能优异的轮胎帘子线等。石英玻璃纤维及高硅氧玻璃纤维属于耐高温的玻璃纤维，是比较理想的耐热防火材料，用其增强酚醛树脂可制成各种结构的耐高温、耐烧蚀的复合材料部件，大量应用于火箭、导弹的防热材料。迄今为止，中国已经实用化的高性能树脂基复合材料用的碳纤维、芳纶纤维、高强度玻璃纤维三大增强纤维中，只有高强度玻璃纤维已达到国际先进水平，且拥有自主知识产权，形成了小规模的产业，现阶段年产可达500吨。

碳纤维具有强度高、模量高、耐高温、导电等一系列性能，首先在航空航天领域得到广泛应用，近年来在运动器具和体育用品方面也广泛采用。据预测，土木建筑、交通运输、汽车、能源等领域将会大规模采用工业级碳纤维。1997~2000年间，宇航用碳纤维的年增长率估计为31%，而工业用碳纤维的年增长率估计会达到130%。中国的碳纤维总体水平还比较低，相当于国外七十年代中、末期水平，与国外差距达20年左右。国产碳纤维的主要问题是性能不太稳定且离散系数大、无高性能碳纤维、品种单一、规格不全、连续长度不够、未经表面处理、价格偏高等。

20世纪80年代以来，荷兰、日本、前苏联也先后开展了芳纶纤维的研制开发工作。日本及俄罗斯的芳纶纤维已投入市场，年增长速度也达到20%左右。芳纶纤维比强度、比模量较高，因此被广泛应用于航空航天领域的高性能复合材料零部件（如火箭发动机壳体、飞机发动机舱、整流罩、方向舵等）、舰船（如航空母舰、核潜艇、游艇、救生艇等）、汽车（如轮胎帘子线、高压软管、摩擦材料、高压气瓶等）以及耐热运输带、体育运动器材等。

超高分子量聚乙烯纤维的比强度在各种纤维中位居第一，尤其是它的抗化学试剂侵蚀性能和抗老化性能优良。它还具有优良的高频声纳透过性和耐海水腐蚀性，许多国家已用它来制造舰艇的高频声纳导流罩，大大提高了舰艇的探雷、扫雷能力。除在军事领域，在汽车制造、船舶制造、医疗器械、体育运动器材等领域超高分子量聚乙烯纤维也有广阔的应用前景。该纤维一经问世就引起了世界发达国家的极大兴趣和重视。

热固性树脂基复合材料是指以热固性树脂如不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂等为基体，以玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等为增强材料制成的复合材料。环氧树脂的特点是具有优良的化学稳定性、电绝缘性、耐腐蚀性、良好的粘接性能和较高的机械强度，广泛应用于化工、轻工、机械、电子、水利、交通、汽车、家电和宇航等各个领域。1993年世界环氧树脂生产能力为130万吨，1996年递增到143万吨，1997年为148万吨，1999年150万吨，2003年达到180万吨左右。中国从1975年开始研究环氧树脂，据不完全统计，目前中国环氧树脂生产企业约有170多家，总生产能力为50多万吨，设备利用率为80%左右。酚醛树脂具有耐热性、耐磨擦性、机械强度高、电绝缘性优异、低发烟性和耐酸性优异等特点，因而在复合材料产业的各个领域得到广泛的应用。1997年全球酚醛树脂的产量为300万吨，其中美国为164万吨。中国的产量为18万吨，进口4万吨。乙烯基酯树脂是20世纪60年代发展起来的一类新型热固性树脂，其特点是耐腐蚀性好，耐溶剂性好，机械强度高，延伸率大，与金属、塑料、混凝土等材料的粘结性能好，耐疲劳性能好，电性能佳，耐热老化，固化收缩率低，可常温固化也可加热固化。南京金陵帝斯曼树脂有限公司引进荷兰Atlac系列强耐腐蚀性乙烯基酯树脂，已广泛用于贮罐、容器、管道等，有的品种还能用于防水和热压成型。南京聚隆复合材料有限公司、上海新华树脂厂、南通明佳聚合物有限公司等厂家也生产乙烯基酯树脂。

1971年以前中国的热固性树脂基复合材料工业主要是军工产品，70年代后开始转向民用。从1987年起，各地大量引进国外先进技术如池窑拉丝、短切毡、表面毡生产线及各种牌号的聚酯树脂（美、德、荷、英、意、日）和环氧树脂（日、德）生产技术；在成型工艺方面，引进了缠绕管、罐生产线、拉挤工艺生产线、SMC生产线、连续制板机组、树脂传递模塑(RTM)成型机、喷射成型技术、树脂注射成型技术及渔竿生产线等，形成了从研究、设计、生产及原材料配套的完整的工业体系，截止2000年底，中国热固性树脂基复合材料生产企业达3000多家，已有51家通过ISO9000质量体系认证，产品品种3000多种，总产量达73万吨/年，居世界第二位。产品主要用于建筑、防腐、轻工、交通运输、造船等工业领域。在建筑方面，有内外墙板、透明瓦、冷却塔、空调罩、风机、玻璃钢水箱、卫生洁具、净化槽等；在石油化工方面，主要用于管道及贮罐；在交通运输方面，汽车上主要有车身、引擎盖、保险杠等配件，火车上有车厢板、门窗、座椅等，船艇方面主要有气垫船、救生艇、侦察艇、渔船等；在机械及电器领域如屋顶风机、轴流风机、电缆桥架、绝缘棒、集成电路板等产品都具有相当的规模；在航空航天及军事领域，轻型飞机、尾翼、卫星天线、火箭喷管、防弹板、防弹衣、鱼雷等都取得了重大突破。

热塑性树脂基复合材料是20世纪80年代发展起来的，主要有长纤维增强粒料(LFP)、连续纤维增强预浸带(MITT)和玻璃纤维毡增强型热塑性复合材料(GMT)。根据使用要求不同，树脂基体主要有PP、PE、PA、PBT、PEI、PC、PES、PEEK、PI、PAI等热塑性工程塑料，纤维种类包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和硼纤维等一切可能的纤维品种。随着热塑性树脂基复合材料技术的不断成熟以及可回收 利用的优势，该品种的复合材料发展较快，欧美发达国家热塑性树脂基复合材料已经占到树脂基复合材料总量的30%以上。

高性能热塑性树脂基复合材料以注射件居多，基体以PP、PA为主。产品有管件（弯头、三通、法兰）、阀门、叶轮、轴承、电器及汽车零件、挤出成型管道、GMT模压制品（如吉普车座椅支架）、汽车踏板、座椅等。玻璃纤维增强聚丙烯在汽车中的应用包括通风和供暖系统、空气过滤器外壳、变速箱盖、座椅架、挡泥板垫片、传动皮带保护罩等。

滑石粉填充的PP具有高刚性、高强度、极好的耐热老化性能及耐寒性。滑石粉增强PP在车内装饰方面有着重要的应用，如用作通风系统零部件，仪表盘和自动刹车控制杠等，例如美国HPM公司用20%滑石粉填充PP制成的蜂窝状结构的吸音天花板和轿车的摇窗升降器卷绳筒外壳。

云母复合材料具有高刚性、高热变形温度、低收缩率、低挠曲性、尺寸稳定以及低密度、低价格等特点，利用云母/聚丙烯复合材料可制作汽车仪表盘、前灯保护圈、挡板罩、车门护 栏、电机风扇、百叶窗等部件，利用该材料的阻尼性可制作音响零件，利用其屏蔽性可制作蓄电池箱等。

中国的热塑性树脂基复合材料的研究开始于20世纪80年代末期，近十年来取得了快速发展，2000年产量达到12万吨，约占树脂基复合材料总产量的17%，，所用的基体材料仍以PP、PA为主，增强材料以玻璃纤维为主，少量为碳纤维，在热塑性复合材料方面未能有重大突破，与发达国家尚有差距。

中国复合材料发展潜力很大，但须处理好以下热点问题。

复合材料创新包括复合材料的技术发展、复合材料的工艺发展、复合材料的产品发展和复合材料的应用，具体要抓住树脂基体发展创新、增强材料发展创新、生产工艺发展创新和产品应用发展创新。到2007年，亚洲占世界复合材料总销售量的比例将从18%增加到25%，目前亚洲人均消费量仅为0.29kg，而美国为6.8kg，亚洲地区具有极大的增长潜力。

中国碳纤维工业发展缓慢，从CF发展回顾、特点、国内碳纤维发展过程、中国PAN基CF市场概况、特点、“十五”科技攻关情况看，发展聚丙烯腈基纤维既有需要也有可能。

中国玻璃纤维70%以上用于增强基材，在国际市场上具有成本优势，但在品种规格和质量上与先进国家尚有差距，必须改进和发展纱类、机织物、无纺毡、编织物、缝编织物、复合毡，推进玻纤与玻钢两行业密切合作，促进玻璃纤维增强材料的新发展。

一是清洁、可再生能源用复合材料，包括风力发电用复合材料、烟气脱硫装置用复合材料、输变电设备用复合材料和天然气、氢气高压容器；二是汽车、城市轨道交通用复合材料，包括汽车车身、构架和车体外覆盖件，轨道交通车体、车门、座椅、电缆槽、电缆架、格栅、电器箱等；三是民航客机用复合材料，主要为碳纤维复合材料。热塑性复合材料约占10%，主要产品为机翼部件、垂直尾翼、机头罩等。中国未来20年间需新增支线飞机661架，将形成民航客机的大产业，复合材料可建成新产业与之相配套；四是船艇用复合材料，主要为游艇和渔船，游艇作为高级娱乐耐用消费品在欧美有很大市场，由于中国鱼类资源的减少、渔船虽发展缓慢，但复合材料特有的优点仍有发展的空间。

国内外复合材料在桥梁、房屋、道路中的基础应用广泛，与传统材料相比有很多优点，特别是在桥梁上和在房屋补强、隧道工程以及大型储仓修补和加固中市场广阔。

重点发展物理回收（粉碎回收）、化学回收（热裂解）和能量回收，加强技术路线、综合处理技术研究，示范生产线建设，再生利用研究，大力拓展再生利用材料在石膏中的应用、在拉挤制品中的应用以及在SMC/BMC模压制品中的应用和典型产品中的应用。

21世纪的高性能树脂基复合材料技术是赋予复合材料自修复性、自分解性、自诊断性、自制功能等为一体的智能化材料。以开发高刚度、高强度、高湿热环境下使用的复合材料为重点，构筑材料、成型加工、设计、检查一体化的材料系统。组织系统上将是联盟和集团化，这将更充分的利用各方面的资源（技术资源、物质资源），紧密联系各方面的优势，以推动复合材料工业的进一步发展。