高巖立，冀克儉，鄧衛(wèi)華，趙曉剛，李艷玲，劉元俊，邵鴻飛，周 彤，華 蘭

(中國兵器工業(yè)集團第五三研究所，山東 濟南 250031)

高性能玻璃纖維是指相對于普通的無堿玻璃纖維而言擁有某種優(yōu)異性能的玻璃纖維，具有用途特殊、性能特好、成分特定和工藝特別等特點[1]。結(jié)構(gòu)類高性能玻璃纖維主要有高強度玻璃纖維和高模量玻璃纖維[2]。功能玻璃纖維主要有低介電玻璃纖維、高硅氧玻璃纖維和耐輻照玻璃纖維等[3]。上世紀六十年代末期，我國開始研發(fā)高性能玻璃纖維；隨著科技與經(jīng)濟的發(fā)展，高性能玻璃纖維的產(chǎn)品越來越多；基于其優(yōu)良性能，高性能玻璃纖維在越來越多的領域推廣應用，像國防軍工領域、航空航天領域、環(huán)保領域和電子電氣領域[4]等。

1 高性能玻璃纖維的國內(nèi)外研究進展

1.1 高強玻璃纖維

高強玻璃纖維的特點是拉伸強度高，缺點是制備過程中成型溫度較高，拉絲溫度較高，需用特殊的耐火材料及銠、鉑等對金屬材料作為爐窯內(nèi)襯，生產(chǎn)成本較高。雖然每種高強玻璃纖維組分含量不盡相同，但高強玻璃纖維的主要氧化物組成體系主要是SiO2-Al2O3-CaO-MgO和SiO2-Al2O3-MgO，其中氧化鋁含量均在25%左右；向體系中添加不同的氧化物可改變高強玻璃纖維的理化特性或者工藝流程[5]。目前市場上知名的高強玻璃纖維有美國AGY的S2TM高強玻璃纖維，日本日東紡織的T系高強玻璃纖維和美國OCV公司推出新一代Hiper-texTM高強玻璃纖維[7]。

S2TM高強玻璃纖維組成為：SiO2的質(zhì)量分數(shù)是65%，Al2O3的質(zhì)量分數(shù)是25%和MgO的質(zhì)量分數(shù)是10%，該高強玻璃纖維的拉伸強度可達4600～4800 MPa；由于S2TM玻璃纖維的成型溫度達1400℃以上，拉絲漏板溫度近1600℃，因此生產(chǎn)S2TM玻璃纖維的窯內(nèi)襯一般為耐火材料或者銠鉑等貴金屬，生產(chǎn)成本較高。高強玻璃纖維主要用于國防軍工領域。

T高強玻璃纖維組成為：SiO2的質(zhì)量分數(shù)是60%～70%，Al2O3的質(zhì)量分數(shù)是17%～27%，MgO的質(zhì)量分數(shù)是7%～17%和過渡金屬氧化物的質(zhì)量分數(shù)是0.1%～1%。T系高強玻璃纖維與S2TM高強玻璃纖維為同一種氧化物體系，其熔制、拉絲溫度也很高，因此，T系高強玻璃纖維生產(chǎn)成本也較高。

近些年美國OCV公司推出新一代Hiper-texTM產(chǎn)品，其組成為：SiO2的質(zhì)量分數(shù)是61%，Al2O3的質(zhì)量分數(shù)是19%，MgO的質(zhì)量分數(shù)是10%和CaO的質(zhì)量分數(shù)是9%。Hiper-texTM性能與普通玻璃纖維相比強度提高30%，模量提高17%和耐振動性能提高10倍。Hiper-texTM玻纖作為風電葉片增強材料時，可以使葉片減重增加10%，葉片長度增加6%，用于防彈、防爆時，與鋼鐵相比減重40%，與K29芳綸降低成本50%[8]。

我國的高強玻璃纖維產(chǎn)品有南京玻璃纖維研究設計院的HSTM和重慶國際復合材料有限公司的TM-glassTM高強玻璃纖維。HSTM屬于SiO2-Al2O3-MgO系，其組成為：SiO2的質(zhì)量分數(shù)是55%，Al2O3的質(zhì)量分數(shù)是24.4%～25.2%，MgO的質(zhì)量分數(shù)是12.5%～16%和B2O3的質(zhì)量分數(shù)是1.8%～3.5%。TM-glassTM高強玻璃纖維屬于SiO2-Al2O3-CaO-MgO系，成型溫度為1270～1300℃，可在現(xiàn)代窯池中大量生產(chǎn)，其強度比普通玻璃纖維高22%左右，模量高15%。此外，泰山玻璃纖維有限公司推出了GMGR高強玻璃纖維，其性能指標與Hiper-texTM接近[9]。

研究表明，SiO2是高強玻璃纖維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的主要組成部分，含量過高會導致熔體的高溫粘度升高，拉絲性能下降，從而導致生產(chǎn)成本增加；含量較低則會引起高強玻璃纖維耐酸性能下降。Al2O3主要影響玻璃纖維的耐水侵蝕性能、融化性和失透性。CaO不參與玻璃中的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)；而MgO存在兩種配位，堿金屬含量不足時，Mg2+作為網(wǎng)絡外體，不進入網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，此，外MgO含量影響高強玻璃纖維的介電性能[10]。

1.2 低介電玻璃纖維

低介電玻璃纖維是一種硼含量較高的玻璃纖維，具有密度低、介電常數(shù)低、介電損耗低、頻帶寬和透波性高等特點。一開始主要用于國防透波復合材料中；隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的崛起，近些年低介電玻璃纖維也用于制造電子纖維布、銅覆板和印刷電路板的介質(zhì)材料。與普通玻璃纖維比，低介電玻璃纖維二氧化硅含量較高，堿金屬和堿土金屬含量較少，熔融性能差，不易拉絲，生產(chǎn)成本較高。目前市場上成熟的低介電玻璃主要有日本東紡的NE低介電玻璃纖維、 AGY的L-glass 低介電玻璃纖維、泰山玻璃纖維有限公司的TLD-glass 低介電玻璃纖維和重慶國際復合材料有限公司的HL低介電玻璃纖維[11]。

NE低介電玻璃纖維的組成為：SiO2的質(zhì)量分數(shù)是52%～58%的，Al2O3的質(zhì)量分數(shù)是10%～15%，B2O3的質(zhì)量分數(shù)是15%～20%，還有少量的CaO、MgO和TiO2。1 MHz頻率下，NE玻璃纖維的介電常數(shù)約為4.3，介電損耗系數(shù)約為0.0006；10 GHz頻率下，NE玻璃纖維的介電常數(shù)約為4.7，介電損耗系數(shù)約為0.004，成形溫度不超過1350℃。

L-glass低介電玻璃纖維的組成為: SiO2的質(zhì)量分數(shù)是52%～60%，Al2O3的質(zhì)量分數(shù)是10%～18%，B2O3的質(zhì)量分數(shù)是20%～30%和CaO的質(zhì)量分數(shù)是4%～8%。在1 MHz頻率下，LD-glass低介電玻璃纖維介電常數(shù)小于5，介電損耗系數(shù)約為0.0006；在10 GHz頻率下，LD-glass低介電玻璃纖維介電常數(shù)約為5，介電損耗系數(shù)約為0.0031，成形溫度不超過1350℃。

TLD-glass低介電玻璃纖維的組成為：SiO2的質(zhì)量分數(shù)是50%～60%，Al2O3的質(zhì)量分數(shù)是6.0%～9.5%，B2O3的質(zhì)量分數(shù)是30.5%～35%，CaO的質(zhì)量分數(shù)是0～5%和堿土金屬氧化物的質(zhì)量分數(shù)是0～7%。TLD-glass低介電玻璃纖維在1 MHz頻率下，其介電常數(shù)約為4.3～4.5，在10 GHz頻率下，其介電常數(shù)約為4.2～4.3。

HL低介電玻璃纖維的的組成為：SiO2的質(zhì)量分數(shù)是48%～58%，Al2O3的質(zhì)量分數(shù)是10%～18%，B2O3的質(zhì)量分數(shù)是18%～28%，CaO的質(zhì)量分數(shù)是0～6%和堿土金屬氧化物的質(zhì)量分數(shù)是0.5%～8%[12]。

研究發(fā)現(xiàn)，SiO2為低介電玻璃纖維網(wǎng)絡骨架，結(jié)合能高，在外電場作用下不易產(chǎn)生極化，還可抑制玻璃析晶；SiO2為低介電纖維網(wǎng)絡中間體，同樣結(jié)合能較高、不易極化；提高低介電玻璃纖維中SiO2和Al2O3的含量，會降低玻璃纖維的的介電常數(shù)，但介電損耗隨著纖維中SiO2含量升高而降低，隨著纖維中Al2O3含量升高而增加，為使低介電玻璃纖維達到低介電常數(shù)和低介電損耗的目的，應控制Al2O3的含量(一般為15%～30%wt)。此外，如果纖維中SiO2含量過高，則會使熔融溫度升高，造成生產(chǎn)成本過高[13]。

1.3 高硅氧玻璃纖維

高硅氧纖維是高純氧化硅非晶體連續(xù)纖維的簡稱，其氧化硅含量高于96%，不含對身體有害的石棉或陶瓷棉等，連續(xù)耐溫1000℃，短暫耐溫1400℃，高硅氧纖維在1000℃時能長久保持良好的強度和彈性，其具有導熱系數(shù)低、對高熱沖擊有良好的抵御性能，化學性能穩(wěn)定和耐腐蝕性好等特點。世界上知名產(chǎn)品有美國達科南方公司、俄羅斯玻璃鋼科研生產(chǎn)聯(lián)合體和陜西華特玻璃纖維有限公司等[14～17]。

2 高性能玻璃的應用研究

2.1 國防軍工領域

上世紀六十年代，美國的高強度玻璃纖維應用到“民兵”洲際導彈第三級發(fā)動機殼體用于減輕導彈重量，從此拉開了高性能玻璃纖維在國防軍工領域應用的序幕。高強玻璃纖維作為增強材料應用于軍事防御復合材料中像防彈車、防彈服；而石英玻璃纖維廣泛應用于耐燒蝕材料中；高硅氧玻璃纖維和低介電玻璃纖維則在國防軍工通訊中發(fā)揮了重要作用[18]。

2.2 航空航天領域

高強玻璃纖維在航空航天領域有廣泛應用，主要作為增強材料用于飛機內(nèi)飾材料、地板、艙門、機翼前緣、雷達罩、副油箱和直升機機翼等的制造。低介電玻璃纖維因其優(yōu)異的透波功能和低介電常數(shù)廣泛應用于飛機等雷達罩的制造[19]。

2.3 環(huán)保節(jié)能領域

高性能玻璃纖維具有高強度、耐高溫、耐腐蝕、尺寸穩(wěn)定性好和性價比高等特點，針對不同高溫工業(yè)煙塵的過濾要求，改性后的高性能玻璃纖維應用于煙氣除塵領域。此外在海水淡化、汽車尾氣凈化和風電領域，高性能玻璃纖維也有廣泛應用[20]。

2.4 電子電氣領域

低介電玻璃纖維作為增強材料應用于印制電路板和覆銅板等電子電氣領域；印制電路板和覆銅板的機械性能和電性能很大程度依賴于低介電玻璃纖維的性能。低介電玻璃纖維的介電常數(shù)越低，電路板中信號傳輸速度越快，介電損耗常數(shù)越低，傳輸過程中的能量損失就越低。特別是近些年來，各國都在爭相開發(fā)高性能低介電玻璃纖維覆銅板，以確保數(shù)碼產(chǎn)品、通訊產(chǎn)品、電子計算機、雷達和衛(wèi)星系統(tǒng)的迅速發(fā)展[21]。

3 結(jié)束語

目前高性能玻璃纖維廣泛應用于社會生產(chǎn)生活的各個方面，發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｎ覈咝阅懿ＡЮw維雖然起步晚但發(fā)展快，特別是高硅氧玻璃纖維優(yōu)勢巨大，占據(jù)了很大的市場份額。目前高性能玻璃纖維發(fā)展趨勢分為兩種，一種是側(cè)重更高的性能，一種是側(cè)重高性能玻璃纖維的工業(yè)化技術(shù)研究，致力于提高高性能玻璃纖維的工藝性能，同時降低成本，減少污染。