Transcript 高强度高模量玻璃纤维的特性与应用简介

莫常新
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重庆国际复合材料有限公司
目
录
1. 玻璃纤维概况
2. 高性能玻璃纤维
3. 耐腐蚀玻璃纤维
4. 高强度高模量玻璃纤维
5. 低介电玻璃纤维
1、玻璃纤维概况
玻璃纤维简介
玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属
新材料，广泛用于汽车、电子、风力发电、
造船、航空、建筑、石油、化工、环保等方
面，是国家鼓励发展的高新技术产品。
玻璃纤维产业发展历程简介

20世纪30年代，美国欧文斯·科宁公司生产的E玻璃纤维问世。

1938—1942年，环氧树脂、聚酯相继研制成功， (玻璃钢、FRP)工
业诞生，并在军工方面得到应用，如防刺穿的汽油桶,飞机部件,雷达
罩,军用盔甲等。


第2次世界大战促进了玻璃纤维工业的迅速发展。
1950年，美国杜邦公司发明了沃兰偶联剂，在解决无机玻璃纤维与
有机树脂间的界面结合问题方面取得突破，为玻纤复合材料的发展奠
定了非常重要的作用。

在20世纪50年代，玻璃纤维脱离平板玻璃工业范畴，自成体系。

1959年，年产1000吨的玻璃纤维池窑拉丝工艺投入运行；

20世纪70年代，池窑法生产玻纤已成为主流，主要集中欧美日。
中国玻璃纤维产业发展简介

1956~1986年，以单台拉丝炉为主的起步阶段，封闭孤立中发展
，到86年的产量接近10万吨

1986年~1998年，开始采用直接熔融法生产，玻纤生产技术取得突
破，并向大型组合炉，万吨级的窑炉发展；

1998年，开始向大型窑炉发展，以重庆CPIC、浙江巨石、山东
泰山为主的三大玻纤厂家助推中国玻纤进入高速发展期，到2007
年就成为全球最大的玻纤大国;

2010年的产量接近250万吨，占到全球的50%以上, 玻璃纤维被纳入
新材料产业。
全球玻纤产量分布及中国玻纤的地位
C PIC
中国大陆
全球
470
468
500
393
450
400
350
350
400
375
320
295
247
300
228
250
200
160
125
150
95
100
50
213
65
47
6
6
11
2003
2004
2005
15
24
34
29
39
2006
2007
2008
2009
2010
0
技术突破、资金投入、制造业重心转移等因素，助推中国玻璃纤
维产业步入发展的快速通道。7年里，中国玻纤产量增加近5倍，在全球
的比重从15.9%提升到了52%左 右，成为玻纤大国。
“十一五”期间，中国玻纤的量产水平和品质均得到提升
池窑法量产技术取得重大突破，年产能10万吨以上的Eglass、4万吨的ECR、3.6万吨的电子纱，均居世界之首；
质量水平得到很大的提升，池窑法生产纤维比重从不到
70%提升到了87%左右。
玻璃纤维应用领域及产业化技术的发展
市
场
坩埚法+池窑法
池窑法
池窑法
池窑法
国外
中规模
大规模
全球化
产地转移
国内
坩埚法
坩埚法+池窑法
池窑法
小规模
中规模
大规模
中国产业
池窑法
设计并创新
应用领域的延伸和拓展，刺激了玻璃纤维产业的发展和提升
2、高性能玻璃纤维
高性能玻璃纤维：力学、电学、化学等性能显著优于普通玻
璃纤维
高模量
高强度
高耐蚀
低介电常数
种类
耐高温
高导热
高导电
……
无
玻碱
璃高
纤性
维能
3、 耐腐蚀玻璃纤维
材料抵抗周围介质腐蚀破坏作用的能力称为耐腐蚀性。
由材料的成分、化学性能、组织形态等决定的。
耐水性
广
义
耐
腐
蚀
性
能
耐酸性
耐碱性
耐候性
耐老化
耐紫外线
……
3.1 几种常见耐腐蚀玻璃纤维
1
2
3
玻璃类型
特点
E-玻璃，亦
称无碱玻璃
良好的电气绝缘性
及机械性能，耐水
性、耐侯性优良
易被无机酸侵蚀， 产量最大，发
故不适合用在酸 展最成熟，使
性环境
用最广泛
C-玻璃，亦
称中碱玻璃
耐酸性优于无碱玻
璃，具有比较低的
成本
耐水性、耐侯性
明显不如E玻璃，
电气性能、机械
强度比较差
国外主要用于
表面毡，并不
作为主要的增
强材料
生产成本高，使
用受到限制
用于增强水泥
制品
AR玻璃
属于SiO2-ZrO2-R2O体
系
耐碱性非常好
不足
说明
玻璃类型
不足
说明
E-CR玻璃， 有良好的电气绝缘性
E-Glass of 及机械性能和耐腐蚀
4
chemical
性，综合性能优于Eresistance
玻璃和C玻璃
矿物原料的成
本高，熔化温
度高，成纤难
度大，颜色深
在耐温、耐酸的
环境中具有明显
的优势
基本上保持了ECR的
耐酸性、耐温性，颜
色得到明显的改进，
力学性能也有增加
熔化温度高，
成纤难度大
可替代E玻璃，尤
其可应用于各种
苛刻环境中
5
ECT玻璃
特点
3.2 ECR玻璃纤维
1980年OWENS CORNING首先推出
以E玻璃成分为基础
结构特点
不含B2O3和F2
加入了不超过3%的TiO2和ZnO
无氟无硼，生产环保性好
优异的耐酸性、耐水性、耐应力腐蚀性以及
优
点
短期抗碱性，尤其受力情况下，优势更明显
耐温性好,软化点比E玻璃高50度左右
表面电阻大，在耐高电压方面更有优势
3.3 ECR玻璃纤维耐腐蚀性能
ECR玻璃耐酸性
(10%HCL)
40℃
E-Glass
(粉体）
ECR
(粉体）
E-Glass
(纤维）
ECR
(纤维）
60℃
(10%H2SO4)
80℃
40℃
60℃
80℃
-23.34 -27.67 -31.73 -22.15 -28.04 -32.65
-0.53
-1.27
-2.32
-0.47
-1.33 -2.48
-21.83 -25.42 -29.87 -19.88 -26.28 -30.13
-0.31
-0.96
-1.55
-0.36
注：在一定温度的介质中浸泡24小时后的失重百分比。
-0.92 -1.47
ECR玻璃纤维耐碱性
采用玻璃粉对比测试
(NaOH 0.1N)
采22微米的纤维对比测试
(NaOH 0.1N)
温度
40℃
60℃
80℃
40℃
60℃
80℃
E玻璃
1.87
6.3
7.87
1.36
5.86
6.94
ECR
0.83
2.11
4.08
0.68
1.84
3.11
失重倍
数
2.25
2.99
1.93
2.00
3.18
2.23
注：在一定温度的介质中浸泡24小时后的失重百分比。
ECR玻璃纤维耐腐蚀性性能
注：粉末失重法，80℃，24h
ECR玻璃纤维载荷下耐酸性
测试条件：
样品直径：18mm;
化学介质:1mol/L HNO3
负载：7000Kg
客户要求：>100H
E-glass
ECR-glass
测试结果（断裂时间）：
1）E-glass增强的:5~12H
2）ECR增强的:>500H
10%的硫酸中浸泡30天
加载下测试环氧棒抗拉性能
受载荷时，ECR增强制品的耐酸优势更加明显
3.4 ECR玻璃纤维应用
管道
…
船艇
ECR
电线
杆
化工
设备
环保
设备
储罐
应用实例：ECR玻纤用于耐腐蚀管道中
石油输送管道
城市污水管（日本、欧洲）
盐碱地用输送管道
例如：Amiantit1980年生产的
E-CR管道，在25年后检测，基
本上没有腐蚀，设计寿命可达
50年以上。
19
3.5 新一代耐腐蚀玻璃纤维
Advantex（OCV）
ECR
改
进
型
ECT（CPIC）
E6（巨石集团）
TCR（泰山玻纤）
特点：保留ECR耐腐蚀性能，力学性能更优， 纤维
颜色更浅，综合性能更强，性价比更高
ECT玻纤特点
以E玻璃成分为基础
结构特点
不含B2O3和F2
TiO2含量小于1%，基本不含ZnO
性
能
优
点
无氟无硼，生产环保性好
原料成本更低，性价比更高
耐腐蚀性能与ECR玻纤接近，力学性能更高
软化点大于900℃，耐温性高于E玻璃和ECR玻璃
纤维颜色更浅，应用范围更广
ECT玻纤物化性能
性能
检测标准
单位
ECT
密度
ASTM C693
g/cm3
2.52-2.6
折射率
ASTM A1648
浸胶纱拉伸强度
ASTM D2101
MPa
2465
浸胶纱弹性模量
ASTM D2101
GPa
83
%
4.9
W/m·K
1.25
℃
905-915
断裂伸长量
热导率
ASTM C177
软化点
1.56
热膨胀系数，23300℃
ASTM D696
×10-6 cm/cm·℃
5.6
比热容，23℃
ASTM C832
KJ/kg·K
0.8
Ω
>1015
电阻率
ECT玻纤耐腐蚀性能
0
ECT
ECR
ECT
ECR
ER
-5
粉末法 (%)
22um纤维法 (%)
-10
-15
-20
-25
10% H2SO4溶液
10% HCL溶液
0.1N NaOH溶液
-30
ECT玻纤耐化学腐蚀性与ECR接近，远好于E-glass
ECT玻纤力学性能
注：以上数据为ECT浸胶纱力学性能检测数据
ECT玻纤应用
（1）可替代普通E-glass，应用于所有传统玻纤领域
（2）可应用于绝大部分ECR玻纤领域
（3）特别可用于风力发电叶片、烟气脱硫管道（要求耐
温、耐腐蚀）、汽车消音器、 汽车尾气净化器、汽车
其它零部件、高压气瓶、高压玻璃钢管道、要求浅色
的各种耐腐蚀器件 …….
4、高强度高模量玻璃纤维
最早出现于20世纪60年代——S-2玻璃纤维

成分： SiO2-Al2O3-MgO三相体系

力学性能好：高强度，高模量，单丝强度高达
4800MPa，模量90GPa。

成型困难：熔制温度1650℃，成型温度约1471℃，液
相线温度约1464℃。

应用：主要用于国防军工。

类似产品：R玻纤、T玻纤、HS系列玻纤等
4.1 高强度高模量玻璃纤维性能
高强高模玻璃纤维主要组分 wt/%
种类
SiO2
A12O3
CaO
MgO
R2O
B2O3
Fe2O3
E-glass
52-56
12-16
16-25
0-5
0-1
5-10
0-0.8
S-2玻纤
64-66
24-25
0-0.2
9.5-10
0.02
---
0-0.1
R玻纤
58-60
23.5-25.5
8-10
5-7
0-1
0-0.35
0-0.5
T玻纤
65
23
0-0.01
11
0-0.1
0-0.01
0-0.1
BMΠ
58-60
20-27
---
10-15
0.18-0.45
---
0.1-0.6
HS2
52-57
20-25
---
4-10
0-1.2
0-5
0-1.2
HS4
50-60
23.5-26.5
---
10-19.5
0-1
0-4
0.5-1.5
高强高模玻璃纤维力学与作业性能
力学性能
E-glass
S-2玻纤
R玻纤
T玻纤
HS2
HS4
单丝强度/MPa
3445
4500-4900
4400
4650
4020
4600
弹性模量/GPa
72
88-91
83.8
84.3
82.9
86.4
作业性能
E-glass
S-2玻纤
R玻纤
T玻纤
HS2
HS4
成型温度/℃
1203
1471
>1350
1500
1320
1450
液相温度/℃
1080
1464
>1350
1465
1245
1350
4.2 高强高模玻璃纤维发展趋势
HiPer-tex
军
用
领
域
民
用
市
场
S-1 GLASS
TM-glass
ViPro玻纤
GMG玻纤
……
特点：



力学性能略接近于S-2玻璃纤维，远高于E玻纤
生产难度明显降低，可采用池窑法生产
成本降低，性价比高，可应用于各种民用场合
4.3 TM玻璃纤维

TM玻璃纤维是CPIC 于2009年推出的一种高强度高模量环
保型的高性能玻璃纤维。

TM玻璃纤维属于无碱玻璃，主要由SiO2-Al2O3-CaO-MgO
四元系统组成。

TM玻璃纤维不含B2O3和F2，有害气体零排放。

采用纯氧助燃技术，玻璃质量更好，更节能，污染更小。

性能优异，可应用于各种环境条件和性能要求更为苛刻的
领域。
突出特点
 TM玻纤的拉伸强度、弹性模量分别比E玻
机械
性能
纤提高了30%%和20%以上。
 用TM玻纤制成的复合材料其强度及模量
比E玻纤制成的复合材料分别高近50%。
物化
性能
TM玻纤的软化温度比普通E玻纤高100~150℃。
耐疲劳性能比E玻纤高出10倍以上
耐酸、耐碱、耐水性都明显优于普通E玻纤
TM玻纤物化性能
性能
检测标准
单位
TM
密度
ASTM C693
g/cm3
2.62
折射率
ASTM A1648
浸胶纱拉伸强度
ASTM D2101
MPa
2678
浸胶纱弹性模量
ASTM D2101
GPa
91
%
4.9
W/m·K
1.3
℃
935-955
断裂伸长量
热导率
ASTM C177
软化点
1.56
热膨胀系数，23300℃
ASTM D696
×10-6 cm/cm·℃
5.2
比热容，23℃
ASTM C832
KJ/kg·K
0.8
Ω
>1015
电阻率
新一代高强高模玻璃纤维主要组分 wt/%
种类
SiO2
A12O3
CaO
MgO
R2O
B2O3
Fe2O3
E-glass
52-56
12-16
16-25
0-5
0-1
5-10
0-0.8
HiPer-tex
50-65
12-20
13-16
6-12
0-2
0-3
0-1
TM
56-64
13-20
8-13
7-12
0-1
---
0-0.6
S-2玻纤
64-66
24-25
0-0.2
9.5-10
0.02
---
0-0.1
新一代高强高模玻璃纤维性能对比
性能
TM玻纤
HiPer-tex
S-2玻纤
E-glass
单丝强度/MPa
4500
4500
4500-4900
3445
弹性模量/GPa
84-86
85
88-91
72
性能
TM玻纤
HiPer-tex
S-2玻纤
E-glass
成型温度/℃
1265-1300
1335
1471
1203
液相温度/℃
1170-1225
1239
1464
1080
TM玻纤力学性能
TM玻璃纤维耐腐蚀性性能
注：粉末失重法，80℃，24h
4.4 高强度高模量玻璃纤维应用
高强玻纤
航空
车辆
军工
风电
高压容器
……
5、低介电玻璃纤维




通讯信息高速化
传输信号高频化
通信质量高保真
电子器件轻薄化
V=K1×C/ε0.5
PL=K2×f×tanδ
CCL
低介电常数
低介电损耗
玻璃纤维
低介电常数
低介电损耗
V：信号传播速度；
K1、K2：常数；
C：光速；
ε—CCL的介电常数；
PL：信号传播损失；
f—频率;
tanδ—CCL的介电损耗角正切
5.1 低介电玻璃纤维研究历
程
电子玻璃纤维
E玻璃
易生产，成
本低，但介
电常数高
（6.6），介
电损耗大
（0.0012）
D玻璃
介电常数低
（ 4.1 ） ， 介
电 损 耗 小
（0.0008），
但难生产，成
本高，主要用
于军工
NE玻璃
L玻璃
……
介电常数小于5.0，介
电损耗小于0.001。生
产难度明显降低，性
价比大大优于D玻璃
5.2 低介电玻璃纤维特点
早期D玻璃—军用
现代D玻璃—民用
特点：以SiO2-B2O3两
相为主，介电性能好
，但熔点高，粘度大
，成型难，成本高。
而且制品CCL的钻孔
性、耐热性、耐水性
差。
目前NTB和AGY取得一
定突破，产品：NE玻璃
和L玻璃
特点：以SiO2- Al2O3 B2O3三相为主，介电性
能基本满足要求，但生
产难度明显减小，成本
更低，性价比好。
组分与性能对比
玻璃组分
E玻璃
D玻璃
NE玻璃
L玻璃
SiO2
52~56
72~76
52~56
52~60
Al2O3
12~16
0~5
10~15
11~16
CaO
16~25
—
0~10
4~8
MgO
0~5
—
0~5
—
R2O
0~1
3~5
—
0~1
B2O3
5~10
20~25
15~20
20~30
TiO2
—
—
0·5~5
—
6.6
4.1
4.4
<5.0
0.0012
0.0008
0.0006
0.0005
介电常数ε
（1MHz）
介电损耗
（1MHz）
国防
计算机
互联网
导航
低介电玻纤
无线通信
……