高强度高模量玻璃的结构与性能研究

摘要

高强度高模量玻璃纤维具有较好的机械性能、耐腐蚀性能、热稳定性能等，一般情况下作为增强材料制备复合材料，普遍应用于航空航天、交通运输、风力发电等领域。高强高模量基础玻璃，是制备相应高强度高模量玻璃纤维的基础。研究高强高模量基础玻璃的组成-结构-性能之间的关系十分重要，对新型高强高模量基础玻璃纤维的研究意义重大。本文利用核磁共振谱（NMR）、红外光谱、热膨胀分析、差式扫描量热法分析（DSC）研究了高强玻纤基础玻璃的结构和性能，并通过调整配方，对其抗折强度、弹性模量等性能进行一定的优化。 研究了Al/Si比对SiO2-Al2O3-MgO系玻璃的影响。研究表明，玻璃网络的聚合程度随Al/Si比的增加而呈现逐步降低的趋势。随着Al/Si比的增加，本系统玻璃的Tg、Tx温度随之提高。玻璃的热膨胀系数较小，在3.41×10-6~4.04×10-6℃-1之间。抗折强度介于146.1~158.7MPa之间，弹性模量介于91.9~95.6GPa之间，维氏硬度介于745.5~762.0MPa之间。随Al/Si比的增大，抗折强度和维氏硬度均随之不断降低，而弹性模量则是随之增大，Al/Si=0.81的玻璃样品（C3）其综合性能较好。 研究了Ca/Mg比对SiO2-Al2O3-MgO-CaO系玻璃的影响。研究表明，随Ca/Mg比的增大，玻璃网络结构的聚合程度呈现出先减弱后增强的趋势。玻璃的热膨胀系数和玻璃转变温度Tg均是随着Ca/Mg比的增大而先减小后增大，而Tx和Tg均先增大后减小，拐点为Ca/Mg=0.22。抗折强度在132.1~145.2MPa之间，弹性模量在92.8~94.9GPa之间，显微硬度在725.3~777.5MPa之间。随Ca/Mg比的增大，密度和抗折强度先减小后增大；而弹性模量和显微硬度则逐渐下降。析晶上限温度逐渐减小，有利于玻璃纤维的拉制，其中Ca/Mg=0.67（C6）时效果最佳。 研究了B2O3对SiO2-Al2O3-MgO-CaO玻璃的影响。研究表明，B2O3以网络修饰体的形式存在于网络之外，B2O3的加入导致本系统玻璃的聚合程度降低。析晶峰温度Tp随B2O3含量的增加而逐渐升高，玻璃转变温度Tg随之逐渐降低。随着B2O3含量的增加，玻璃软化温度逐渐降低，有利于玻璃的拉丝操作。随着B2O3含量的增加，玻璃的密度呈现逐渐降低的趋势，有利于实现复合材料轻量化的目的。玻璃的抗折强度在112.9~122MPa之间，弹性模量在86.6~90.2GPa之间，显微硬度在699.3~711.2MPa之间。且他们都随B2O3含量的增加而逐渐降低。B2O3添加量为2mol%时，B2O3对优化玻璃纤维的拉丝操作效果较好。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1玻璃纤维概述

1.1.1玻璃纤维的生产工艺

1.1.2玻璃纤维的分类及用途

1.2高强玻璃纤维的发展

1.2.1简介

1.2.2性能

1.2.3高强玻纤的用途

1.3研究进展

1.3.1高强玻纤的研究进展

1.3.2基础玻璃研究进展

1.4本课题研究内容

第2章 实 验

2.1实验设备与原料

2.1.1实验设备

2.1.2实验原料

2.2实验流程

2.3结构分析与测试方法

2.3.1结构分析

2.3.2热分析

2.3.3物理和机械性能测试

第3章 Al/Si比对SiO2-Al2O3-MgO系玻璃结构和性能的影响

3.1玻璃组成

3.2结构分析

3.2.1核磁共振分析

3.2.2红外光谱分析

3.3热分析

3.3.1 DSC分析

3.3.2热膨胀分析

3.4物理和机械性能分析

3.4.1密度

3.4.2抗折强度和弹性模量

3.4.3显微硬度

3.5本章小结

第4章 Ca/Mg比对SiO2-Al2O3-MgO-CaO系玻璃结构和性能的影响

4.1玻璃组成

4.2结构分析

4.2.1核磁共振分析

4.2.2红外光谱分析

4.3热分析

4.3.1 DSC分析

4.3.2热膨胀分析

4.3.3析晶上限温度

4.4物理和机械性能分析

4.4.1密度

4.4.2抗折强度和弹性模量

4.4.3显微硬度

4.5本章小结

第5章 B2O3含量对SiO2-Al2O3-MgO-CaO系玻璃结构和性能的影响

5.1玻璃组成

5.2结构分析

5.2.1核磁共振分析

5.2.2红外光谱分析

5.3热分析

5.3.1 DSC分析

5.3.2热膨胀分析

5.4物理和机械性能分析

5.4.1密度

5.4.2抗折强度和弹性模量

5.4.3显微硬度

5.5本章小结

第6章 结 论

致谢

参考文献

硕士期间发表的成果