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CN105731813B - 一种高模量玻璃纤维组合物及其玻璃纤维和复合材料 - Google Patents

一种高模量玻璃纤维组合物及其玻璃纤维和复合材料 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高模量玻璃纤维组合物及其玻璃纤维和复合材料。其中，玻璃纤维组合物各组分的含量以重量百分比表示如下：SiO2为53‑68％，Al2O3为13‑24.5％，Y2O3+La2O3为0.1‑8％，La2O3为小于1.8％，CaO+MgO+SrO为10‑23％，Li2O+Na2O+K2O为小于2％，Fe2O3为小于1.5％，并且重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.5。该组合物能大幅提高玻璃的弹性模量，还能显著降低玻璃的液相线温度和成型温度，同等条件下大幅降低玻璃的析晶速率和气泡率，有效改善玻璃料性，特别适合用于池窑化生产低气泡率的高模量玻璃纤维。

Description

一种高模量玻璃纤维组合物及其玻璃纤维和复合材料
技术领域
本发明涉及一种高模量玻璃纤维组合物，尤其涉及一种能作为先进复合材料增强基材的高模量玻璃纤维组合物及其玻璃纤维和复合材料。
背景技术
玻璃纤维属于无机纤维材料，用它增强树脂可制得性能优良的复合材料。高模量玻璃纤维作为先进复合材料的增强基材，最初主要应用于航空、航天、兵器等国防军工领域。随着科技的进步及经济的发展，高模量玻璃纤维在风力叶片、高压容器、海洋管道、汽车制造等民用工业领域得到了广泛应用。
最早的高模量玻璃成分以MgO-Al2O3-SiO2系统为主体，典型方案如美国OC公司开发的S-2玻璃，模量在89-90GPa，但是它的生产难度过大，其玻纤成型温度高达1571℃，液相线温度高达1470℃，难于实现大规模池窑化生产。因此，OC公司主动放弃了生产S-2玻璃纤维，将其专利权转让给了美国AGY公司。
随后，OC公司还开发了HiPer-tex玻璃，模量在87-89GPa，这是一种以牺牲部分玻璃性能以降低生产难度的折衷策略，不过由于设计方案只是对S-2玻璃的简单改进，造成玻纤成型温度和液相线温度依然很高，生产难度还是很大，难于实现大规模池窑化生产。因此，OC公司也放弃了生产HiPer-tex玻璃纤维，将其专利权转让给了欧洲3B公司。
法国圣戈班公司开发过一种以MgO-CaO-Al2O3-SiO2系统为主体的R玻璃，模量在86-89GPa。但是传统R玻璃的硅铝总含量较高，又缺乏改善玻璃析晶性能的有效方案，钙镁比例也不合理，造成玻璃成型困难、析晶风险高，同时玻璃液的表面张力大、澄清难度高，其玻纤成型温度达到1410℃，液相线温度达到1350℃，这都造成玻璃纤维高效拉制上的困难，同样难于实现大规模池窑化生产。
在国内，南京玻璃纤维研究设计院开发过一种HS2玻璃，模量在84-87GPa，其主要成分也包括SiO2、Al2O3、MgO，同时还引入部分Li2O、B2O3、CeO2和Fe2O3，它的成型温度只有1245℃，液相线温度为1320℃，两者的温度均比S玻璃低得多，但其成型温度比液相线温度低△T值为负，极不利于玻璃纤维的高效拉制，必须提高拉丝温度，采用特殊形式的漏嘴，以防止拉丝过程中发生玻璃失透现象，这造成温度控制上的困难，也难于实现大规模池窑化生产。
综上所述，我们发现，现阶段的各类高模量玻璃纤维在实际生产中均存在池窑化生产难度大的普遍问题，具体表现为玻璃的液相线温度偏高、析晶速率快，成型温度偏高、表面张力大、澄清难度大，△T值小甚至为负。为此，大部分公司往往以牺牲部分玻璃性能的方式来降低生产难度，这造成上述玻璃纤维的模量水平无法与生产规模同步提升，也一直无法突破S玻璃的模量瓶颈。
发明内容
本发明旨在解决上面描述的问题。本发明的目的是提供一种高模量玻璃纤维组合物，该组合物能大幅提高玻璃的弹性模量，在此基础上，克服了传统高模量玻璃析晶风险高、澄清难度大、玻璃料性长，难于进行高效率池窑生产的问题，能显著降低高模量玻璃的液相线温度和成型温度，同等条件下大幅降低玻璃的析晶速率和气泡率，有效改善玻璃料性，特别适合用于池窑化生产低气泡率的高模量玻璃纤维。
根据本发明的一个方面，提供一种高模量玻璃纤维组合物，所述玻璃纤维组合物含有下述组分，各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.5。
其中，进一步限定重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.2。
其中，进一步限定Li2O的含量，以重量百分比表示为0.1-1.5％。
其中，进一步限定La2O3的含量，以重量百分比表示为0.05-1.7％。
其中，进一步限定La2O3的含量，以重量百分比表示为0.1-1.5％。
其中，进一步限定重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.55。
其中，进一步限定重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.22。
其中，进一步限定重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.26。
其中，各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.5，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.2。
其中，各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.5，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.2。
其中，各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.5，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.2。
其中，各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.5，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.2。
其中，进一步限定CaO的含量，以重量百分比表示为小于12％。
其中，进一步限定CaO的含量，以重量百分比表示为2-11％。
其中，进一步限定Y2O3+La2O3的含量，以重量百分比表示为0.5-7％。
其中，进一步限定Y2O3+La2O3的含量，以重量百分比表示为1.5-6％。
其中，各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.5，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.2。
其中，各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.5，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.2。
其中，各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.5，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.2。
其中，各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.55，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.2。
其中，各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.55，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.22。
其中，各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.6，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.22。
其中，进一步限定重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.65。
其中，进一步限定重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为0.7-0.95。
其中，各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为0.7-0.95，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.26。
其中，进一步限定SrO的含量，以重量百分比表示为小于2％。
其中，进一步限定SrO的含量，以重量百分比表示为0.1-1.5％。
其中，进一步限定MgO的含量，以重量百分比表示为8.1-12％。
其中，进一步限定MgO的含量，以重量百分比表示为大于12％且小于等于14％。
其中，各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.5。
其中，所述高模量玻璃纤维组合物还含有TiO2，其含量以重量百分比表示为0.1-3％。
其中，所述高模量玻璃纤维组合物还含有ZrO2，其含量以重量百分比表示为0-2％。
其中，所述高模量玻璃纤维组合物还含有CeO2，其含量以重量百分比表示为0-1％。
其中，所述高模量玻璃纤维组合物还含有B2O3，其含量以重量百分比表示为0-2％。
根据本发明的另一个方面，提供一种玻璃纤维，所述玻璃纤维由上述的玻璃纤维组合物制成。
其中，所述玻璃纤维的弹性模量大于90GPa。
其中，所述玻璃纤维的弹性模量大于95GPa。
根据本发明的第三方面，提供一种复合材料，所述复合材料包括上述的玻璃纤维。
根据本发明的高模量玻璃纤维组合物，主要创新点是引入稀土氧化物Y2O3和La2O3，利用两者的协同效应，严格控制Y2O3/(Y2O3+La2O3)和(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的比值，合理配置Y2O3、La2O3、Li2O、CaO、MgO和CaO+MgO+SrO的含量范围，以及利用CaO、MgO、SrO的混合碱土效应和K2O、Na2O、Li2O的混合碱效应，此外还可以选择性地引入适量TiO2、ZrO2、CeO2和B2O3等。
具体来说，根据本发明的高模量玻璃纤维组合物含有下述组分，且各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.5。
该玻璃纤维组合物中各组分的作用及含量说明如下：
SiO2是形成玻璃骨架的主要氧化物，并且起稳定各组分的作用。在本发明的玻璃纤维组合物中，限定SiO2的重量百分比含量范围为53-68％。优选地，SiO2的重量百分比含量范围可以限定为54-64％。
Al2O3也是形成玻璃骨架的氧化物，与SiO2结合时可对玻璃的机械性能起到实质性的作用。在本发明的玻璃纤维组合物中，限定Al2O3的重量百分比含量范围为13-24.5％，若其含量较低会无法获得足够高的玻璃机械性能；若其含量太高则会使玻璃的粘度过高导致熔化、澄清困难。优选地，Al2O3的重量百分比含量范围可以限定为14-24％。另外，在一实施方案中，发明人意外发现，当控制Al2O3的重量百分比含量大于19％且小于等于23％，MgO的重量百分比含量小于等于11％，Li2O+Na2O+K2O的重量百分比含量小于等于1％时，玻璃能获得特别优异的模量性能、抗析晶能力及成型范围ΔT值。
Y2O3是一种重要的稀土氧化物，发明人发现，它在提高玻璃模量方面特别有效，在抑制玻璃析晶方面也有较好效果。Y3+很难进入玻璃网络，一般处于网络空隙间作为网络外离子，它的配位数高、场强高、电荷高，积聚能力强，能捕获游离氧填补网络缺陷，提高玻璃结构的稳定性，提高玻璃模量，同时还能有效阻止其他离子的移动排列，达到降低玻璃析晶倾向的目的。La2O3也是一种重要的稀土氧化物，发明人发现，当单独使用它时，在提高玻璃模量及抑制玻璃析晶方面的作用明显弱于Y2O3。但是，当同时使用两种稀土氧化物并控制它们的比值在合适数值时，两者的协同效应显著，在提高玻璃模量及抑制玻璃析晶方面优于单独使用Y2O3或La2O3，获得了意想不到的效果。发明人认为，Y2O3和La2O3属于同族氧化物，各项物理、化学性质比较相近，但是两者的配位状态却不相同，钇离子一般处于六配位结构，镧离子一般处于八配位结构，因此，当同时使用两种稀土氧化物并控制它们的重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)大于0.5时，第一方面，能提供更丰富的网络外离子配位结构，有利于提高玻璃结构的稳定性，提高玻璃模量；第二方面，以钇离子的六配位结构为主结合镧离子的八配位结构，能进一步增强玻璃结构的完整性，提高玻璃模量；第三方面，当温度降低时，离子产生规则排列的机率也会减少，这有利于显著降低晶体的生长速率，从而进一步提高玻璃的抗析晶能力。此外，氧化镧还能改善玻璃的澄清效果。但是，由于镧的摩尔质量和离子半径均较大，而且过量的八配位离子也不利于结构稳定，因此镧的引入量不宜太多。
在本发明的玻璃纤维组合物中，限定Y2O3+La2O3的重量百分比含量范围为0.1-8％。优选地，Y2O3+La2O3的重量百分比含量范围可以限定为0.5-7％，更优选地，Y2O3+La2O3的重量百分比含量范围可以限定为1.5-6％。同时，限定重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.5。优选地，可以限定重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.55。优选地，可以限定重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.6。优选地，可以限定重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.65。优选地，可以限定重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为0.7-0.95。此外，可以限定La2O3的重量百分比含量范围为小于1.8％。优选地，La2O3的重量百分比含量范围可以限定为0.05-1.7％，更优选地，La2O3的重量百分比含量范围可以限定为0.1-1.5％。进一步地，可以限定Y2O3的重量百分比含量范围为0.1-6.3％。优选地，Y2O3的重量百分比含量范围可以限定为0.3-6％，更优选地，Y2O3的重量百分比含量范围可以限定为1-5.5％。
发明人还发现，两种稀土产生的协同效应与玻璃中游离氧的含量密切相关。Y2O3在晶体状态下存在空位缺陷，当Y2O3加入到玻璃中后，这些空位缺陷可以由其他氧化物特别是碱金属氧化物提供的游离氧填充，不同的填充程度会影响Y2O3的配位状态及其堆积密度，从而对玻璃性能产生显著的影响。与之类似，La2O3同样需要较多的氧来填补空位。为了获得足够的游离氧，使结构堆积更紧密、抗析晶作用更显著，本发明中限定重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.2。优选地，比值C2的范围可以限定为大于0.22。更优选地，比值C2的范围可以限定为大于0.26。
K2O和Na2O均能降低玻璃粘度，是良好的助熔剂。发明人发现，在碱金属氧化物总量不变的情况下，用K2O替代Na2O，能降低玻璃的析晶倾向，改善纤维成型性能。同Na2O和K2O相比，Li2O不仅能显著地降低玻璃粘度，从而改善玻璃熔制性能，并且对提高玻璃的力学性能有明显帮助。同时，少量Li2O就能提供可观的游离氧，有利于更多的铝离子形成四面体配位，增强玻璃体系的网络结构，可进一步降低玻璃的析晶能力。但由于碱金属离子过多会降低玻璃的耐腐蚀性，故引入量不宜多。因此，在本发明的玻璃纤维组合物中，限定Li2O+Na2O+K2O的重量百分比含量范围为小于2％。进一步地，可以限定Li2O的重量百分比含量范围为0.1-1.5％。
CaO、MgO和SrO主要起控制玻璃析晶、调节玻璃粘度和料性的作用。尤其是在控制玻璃析晶方面，发明人通过控制它们的引入量和比例关系获得了意想不到的效果。一般来说，以MgO-CaO-Al2O3-SiO2系统为主体的高性能玻璃，其玻璃析晶后所包含的晶相主要包括透辉石(CaMgSi2O6)和钙长石(CaAl2Si2O8)。为了有效抑制两种晶相的析晶倾向，降低玻璃的液相线温度和析晶速率，本发明中通过合理控制CaO+MgO+SrO的含量范围及各组分间的比例关系，利用混合碱土效应形成更紧密的堆积结构，使其晶核形成和长大时需要更多的能量，从而达到抑制玻璃析晶倾向的目的，同时有效改善玻璃料性。而且，引入适量氧化锶所形成的玻璃结构更加稳定，有利于玻璃性能的进一步提升。在本发明的玻璃纤维组合物中，限定CaO+MgO+SrO的重量百分比含量范围为10-23％。优选地，CaO+MgO+SrO的重量百分比含量范围可以限定为12-22％。
CaO作为重要的网络外体氧化物，其含量过高会增大玻璃的析晶倾向，造成从玻璃中析出钙长石、硅灰石等晶体的危险。进一步地，可以限定CaO的重量百分比含量范围为小于12％。优选地，CaO的含量范围可以限定为2-11％。MgO在玻璃中的作用与CaO大体类似，但Mg2+的场强更高，对提高玻璃的模量起重要的作用。进一步地，在一实施方案中，MgO的重量百分比含量范围可以限定为8.1-12％。在另一实施方案中，MgO的重量百分比含量范围可以限定为大于12％且小于等于14％。进一步地，可以限定SrO的重量百分比含量范围为小于2％。优选地，SrO的含量范围可以限定为0.1-1.5％。
Fe2O3有利于玻璃的熔制，也能改善玻璃的析晶性能。但由于铁离子和亚铁离子具有着色作用，故引入量不宜多。因此，在本发明的玻璃纤维组合物中，限定Fe2O3的重量百分比含量范围为小于1.5％。
本发明的玻璃纤维组合物中，还可以选择性地引入适量TiO2、ZrO2、CeO2和B2O3，以进一步提高玻璃的模量、改善玻璃的析晶倾向和澄清效果。在本发明的玻璃纤维组合物中，限定TiO2的重量百分比含量范围为0.1-3％，限定ZrO2的重量百分比含量范围为0-2％，限定CeO2的重量百分比含量范围为0-1％，限定B2O3的重量百分比含量范围为0-2％。
此外，本发明的玻璃纤维组合物中还允许含有少量其他组分，重量百分比总含量一般不超过2％。
本发明的玻璃纤维组合物中，选择各组分含量的上述范围的有益效果在后面会通过实施例给出具体实验数据来说明。
下面是根据本发明的玻璃纤维组合物中所包括的各组分的优选取值范围示例。
优选示例一
根据本发明的高模量玻璃纤维组合物含有下述组分，且各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.5，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.2。
根据优选示例一，由该组合物形成的玻璃纤维的弹性模量为大于90GPa。
优选示例二
根据本发明的高模量玻璃纤维组合物含有下述组分，且各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.5，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.2。
优选示例三
根据本发明的高模量玻璃纤维组合物含有下述组分，且各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.5，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.2。
优选示例四
根据本发明的高模量玻璃纤维组合物含有下述组分，且各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.5，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.2。
优选示例五
根据本发明的高模量玻璃纤维组合物含有下述组分，且各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.5，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.2。
优选示例六
根据本发明的高模量玻璃纤维组合物含有下述组分，且各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.5，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.2。
优选示例七
根据本发明的高模量玻璃纤维组合物含有下述组分，且各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.55，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.2。
优选示例八
根据本发明的高模量玻璃纤维组合物含有下述组分，且各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.55，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.22。
优选示例九
根据本发明的高模量玻璃纤维组合物含有下述组分，且各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.6，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.22。
优选示例十
根据本发明的高模量玻璃纤维组合物含有下述组分，且各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.5，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.2。
优选示例十一
根据本发明的高模量玻璃纤维组合物含有下述组分，且各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.5。
根据优选示例十一，由该组合物形成的玻璃纤维的弹性模量为大于95GPa。
优选示例十二
根据本发明的高模量玻璃纤维组合物含有下述组分，且各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.5。
根据优选示例十二，由该组合物形成的玻璃纤维的弹性模量为大于95GPa。
优选示例十三
根据本发明的高模量玻璃纤维组合物含有下述组分，且各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为0.7-0.95，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.22。
根据优选示例十三，该组合物的液相线温度不大于1300℃，优选地不大于1280℃，更优选地不大于1230℃；由该组合物形成的玻璃纤维的弹性模量为92-106GPa。
优选示例十四
根据本发明的高模量玻璃纤维组合物含有下述组分，且各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为0.7-0.95，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.26。
优选示例十五
根据本发明的高模量玻璃纤维组合物含有下述组分，且各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.5。
优选示例十六
根据本发明的高模量玻璃纤维组合物含有下述组分，且各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.5。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
本发明的基本思想是，玻璃纤维组合物的各组分含量以重量百分比表示为：SiO2为53-68％，Al2O3为13-24.5％，Y2O3+La2O3为0.1-8％，La2O3为小于1.8％，CaO+MgO+SrO为10-23％，Li2O+Na2O+K2O为小于2％，Fe2O3为小于1.5％，并且重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.5。该组合物能大幅提高玻璃的弹性模量，在此基础上，克服了传统高模量玻璃析晶风险高、澄清难度大、玻璃料性长，难于进行高效率池窑生产的问题，能显著降低高模量玻璃的液相线温度和成型温度，同等条件下大幅降低玻璃的析晶速率和气泡率，有效改善玻璃料性，特别适合用于池窑化生产低气泡率的高模量玻璃纤维。
选取本发明的玻璃纤维组合物中SiO2、Al2O3、Y2O3、La2O3、CaO、MgO、Li2O、Na2O、K2O、Fe2O3、TiO2、SrO和ZrO2的具体含量值作为实施例，与S玻璃、传统R玻璃和改良R玻璃的性能参数进行对比。在性能对比时，选用六个性能参数：
(1)成型温度，对应于玻璃熔体在粘度为103泊时的温度。
(2)液相线温度，对应于玻璃熔体冷却时晶核开始形成的温度，即玻璃析晶的上限温度。
(3)ΔT值，成型温度与液相线温度之差，表示拉丝成型的温度范围。
(4)析晶峰温度，DTA测试过程中对应于玻璃析晶最强峰的温度。一般情况下，该温度越高，表明晶核长大所需能量越多，玻璃的析晶倾向越小。
(5)弹性模量，是沿纵向的弹性模量，表征玻璃抵抗弹性变形的能力，按ASTM2343测试。
(6)气泡数量，其中测定气泡数量的大致方法为：利用专用的模具将每个实施例配合料压制成一样形状的样品，放置于高温显微镜的样品平台，然后按程序升温至设定空间温度1500℃，不保温，玻璃样品随炉冷却至常温；然后，通过偏光显微镜从微观角度观察各个玻璃样品的气泡数量。其中，气泡数量按显微镜成像范围为准。
上述六个参数及其测定方法是本领域技术人员所熟知的，因此采用上述参数能够有力地说明本发明的玻璃纤维组合物的性能。
实验的具体过程为：各组分可从适当的原料中获取，按比例将各种原料进行混合，使各组分达到最终的预期重量百分比，混合后的配合料进行熔化并澄清，然后玻璃液通过漏板上的漏嘴被拉出从而形成玻璃纤维，玻璃纤维被牵引绕到拉丝机旋转机头上形成原丝饼或纱团。当然，这些玻璃纤维可用常规方法进行深加工以符合预期要求。
下面给出根据本发明的玻璃纤维组合物的具体实施例。
实施例一
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)为0.82，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)为0.61。
在实施例一中测定的六个参数的数值分别是：
实施例二
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)为0.87，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)为0.35。
在实施例二中测定的六个参数的数值分别是：
实施例三
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)为0.89，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)为0.27。
在实施例三中测定的六个参数的数值分别是：
实施例四
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)为0.93，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)为0.23。
在实施例四中测定的六个参数的数值分别是：
实施例五
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)为0.89，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)为0.31。
在实施例五中测定的六个参数的数值分别是：
实施例六
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)为0.89，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)为0.38。
在实施例六中测定的六个参数的数值分别是：
下面进一步通过列表的方式，给出本发明玻璃纤维组合物的上述实施例以及其他实施例与S玻璃、传统R玻璃和改良R玻璃的性能参数的对比。其中，玻璃纤维组合物的含量以重量百分比表示。需要说明的是，实施例组分总含量略微小于100％，可以理解为残余量是微量杂质或不能分析出的少量组分。
表1A
表1B
表1C
由上述表中的具体数值可知，与S玻璃和传统R玻璃相比，本发明的玻璃纤维组合物拥有以下优势：(一)具有高得多的弹性模量；(二)具有低得多的液相线温度，这有利于降低玻璃的析晶风险、提高纤维的拉丝效率；具有较高的析晶峰温度，这表明玻璃在析晶过程中晶核的形成和长大需要更多的能量，也就是说同等条件下本发明玻璃的析晶速率更小；(三)气泡数量大幅减少，这表明玻璃的澄清效果特别优异。
S玻璃和传统R玻璃均无法实现池窑化生产，改良R玻璃通过牺牲部分性能的方式来降低液相线温度和成型温度，以降低生产难度实现池窑化生产。与之不同的是，本发明组合物不仅拥有足够低的液相线温度和更小的析晶速率，可以进行池窑化生产，同时还实现了玻璃模量的大幅提升，打破了S级和R级玻璃纤维的模量水平无法与生产规模同步提升的技术瓶颈。
由此可知，与目前主流的高模量玻璃相比，本发明的玻璃纤维组合物在弹性模量、析晶性能和玻璃澄清方面取得了突破性的进展，同等条件下玻璃的弹性模量大幅提升、析晶风险大幅下降、气泡数量大幅减少，整体技术方案特别适合用于池窑化生产低气泡率的高模量玻璃纤维。
由根据本发明的玻璃纤维组合物可制成具有上述优良性能的玻璃纤维。
根据本发明的玻璃纤维组合物与一种或多种有机和/或无机材料结合可制备得到性能优良的复合材料，例如，玻纤增强基材。
最后应说明的是：在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包含一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (37)

1.一种高模量玻璃纤维组合物，其特征在于，所述玻璃纤维组合物含有下述组分，各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.5。
2.根据权利要求1所述的高模量玻璃纤维组合物，其特征在于，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.2。
3.根据权利要求1所述的高模量玻璃纤维组合物，其特征在于，Li2O的含量以重量百分比表示为0.1-1.5％。
4.根据权利要求1所述的高模量玻璃纤维组合物，其特征在于，La2O3的含量以重量百分比表示为0.1-1.5％。
5.根据权利要求1所述的高模量玻璃纤维组合物，其特征在于，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.55。
6.根据权利要求1所述的高模量玻璃纤维组合物，其特征在于，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.22。
7.根据权利要求1所述的高模量玻璃纤维组合物，其特征在于，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.26。
8.根据权利要求1所述的高模量玻璃纤维组合物，其特征在于，所述玻璃纤维组合物含有下述组分，各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.5，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.2。
9.根据权利要求1所述的高模量玻璃纤维组合物，其特征在于，所述玻璃纤维组合物含有下述组分，各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.5，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.2。
10.根据权利要求1所述的高模量玻璃纤维组合物，其特征在于，所述玻璃纤维组合物含有下述组分，各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.5，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.2。
11.根据权利要求1所述的高模量玻璃纤维组合物，其特征在于，所述玻璃纤维组合物含有下述组分，各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.5，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.2。
12.根据权利要求1所述的高模量玻璃纤维组合物，其特征在于，CaO的含量以重量百分比表示为小于12％。
13.根据权利要求1所述的高模量玻璃纤维组合物，其特征在于，CaO的含量以重量百分比表示为2-11％。
14.根据权利要求1所述的高模量玻璃纤维组合物，其特征在于，Y2O3+La2O3的含量以重量百分比表示为0.5-7％。
15.根据权利要求1所述的高模量玻璃纤维组合物，其特征在于，Y2O3+La2O3的含量以重量百分比表示为1.5-6％。
16.根据权利要求1所述的高模量玻璃纤维组合物，其特征在于，所述玻璃纤维组合物含有下述组分，各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.5，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.2。
17.根据权利要求1所述的高模量玻璃纤维组合物，其特征在于，所述玻璃纤维组合物含有下述组分，各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.5，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.2。
18.根据权利要求1所述的高模量玻璃纤维组合物，其特征在于，所述玻璃纤维组合物含有下述组分，各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.5，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.2。
19.根据权利要求1所述的高模量玻璃纤维组合物，其特征在于，所述玻璃纤维组合物含有下述组分，各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.55，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.2。
20.根据权利要求1所述的高模量玻璃纤维组合物，其特征在于，所述玻璃纤维组合物含有下述组分，各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.55，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.22。
21.根据权利要求1所述的高模量玻璃纤维组合物，其特征在于，所述玻璃纤维组合物含有下述组分，各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.6，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.22。
22.根据权利要求1所述的高模量玻璃纤维组合物，其特征在于，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.65。
23.根据权利要求1或21所述的高模量玻璃纤维组合物，其特征在于，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为0.7-0.95。
24.根据权利要求1所述的高模量玻璃纤维组合物，其特征在于，所述玻璃纤维组合物含有下述组分，各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为0.7-0.95，重量百分比的比值C2＝(Li2O+Na2O+K2O)/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.26。
25.根据权利要求1或16所述的高模量玻璃纤维组合物，其特征在于，SrO的含量以重量百分比表示为小于2％。
26.根据权利要求1或16所述的高模量玻璃纤维组合物，其特征在于，SrO的含量以重量百分比表示为0.1-1.5％。
27.根据权利要求1或9所述的高模量玻璃纤维组合物，其特征在于，MgO的含量以重量百分比表示为8.1-12％。
28.根据权利要求1所述的高模量玻璃纤维组合物，其特征在于，MgO的含量以重量百分比表示为大于12％且小于等于14％。
29.根据权利要求1所述的高模量玻璃纤维组合物，其特征在于，所述玻璃纤维组合物含有下述组分，各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Y2O3/(Y2O3+La2O3)的范围为大于0.5。
30.根据权利要求1所述的高模量玻璃纤维组合物，其特征在于，所述高模量玻璃纤维组合物还含有TiO2，其含量以重量百分比表示为0.1-3％。
31.根据权利要求1所述的高模量玻璃纤维组合物，其特征在于，所述高模量玻璃纤维组合物还含有ZrO2，其含量以重量百分比表示为0-2％。
32.根据权利要求1所述的高模量玻璃纤维组合物，其特征在于，所述高模量玻璃纤维组合物还含有CeO2，其含量以重量百分比表示为0-1％。
33.根据权利要求1所述的高模量玻璃纤维组合物，其特征在于，所述高模量玻璃纤维组合物还含有B2O3，其含量以重量百分比表示为0-2％。
34.一种玻璃纤维，其特征在于，所述玻璃纤维由如权利要求1-33中任一项所述的玻璃纤维组合物制成。
35.根据权利要求34所述的玻璃纤维，其特征在于，所述玻璃纤维的弹性模量大于90GPa。
36.根据权利要求34所述的玻璃纤维，其特征在于，所述玻璃纤维的弹性模量大于95GPa。
37.一种复合材料，其特征在于，所述复合材料包括如权利要求34-36中任一项所述的玻璃纤维。
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