无硼无氟玻璃纤维组成与性能的研究

摘要

玻璃纤维是一种新型功能材料和结构材料,以其优良的性能广泛应用于电子、通讯、核能、航空、航天、兵器等高端领域,成为二十一世纪不可缺少的可持续发展的高新技术材料。目前生产的连续玻璃纤维90％以上是E玻璃,但是,在E玻璃熔制过程中硼、氟以氟硅酸、氢氟酸和氟硼酸盐的形式挥发,不但会影响玻璃成分的均一性、玻璃的使用性能,而且会污染环境。降低E玻璃纤维生产过程中硼、氟对环境造成的污染,成为人们关注的焦点。
　　 本文在充分分析国内外研究现状的基础上,对无硼无氟玻璃系统结构、性能和工艺性能进行了系统研究。分别采用相同摩尔数的MgO、TiO2、ZnO替代CaO,通过传统的熔融冷却法制备无硼无氟玻璃系统玻璃。运用红外光谱分析(IR)、核磁共振等方法分析了玻璃结构的变化,并对玻璃的密度、介电常数、化学稳定性、工艺性能进行了测试,讨论微观结构与性能之间的关系。在此基础上设计优化得到最优无硼无氟玻璃纤维的配方。
　　 无硼无氟玻璃纤维基础体系引入碱土金属氧化物MgO。红外光谱和核磁共振研究结果表明:在基础玻璃体系中,Al3+没有完全进入玻璃网络结构,部分Al3+以[AlO6]的形式存在于网络结构;1.5mol％MgO的引入有利于剩余的Al3+进入网络结构,玻璃的网络结构增强。随着MgO取代量的增加,玻璃的密度逐渐增加;介电常数和介电损耗值降低;化学稳定性增强;析晶上限温度先降低后升高;拉丝温度逐渐降低,其中MgO取代量为3mol％-6mol％时,符合玻璃纤维的拉丝工艺要求。
　　 无硼无氟玻璃纤维基础体系分别引入过渡金属氧化物TiO2和ZnO的研究。①红外光谱分析表明,TiO2取代量为1.5mol％-3mol％时,Ti4+以网络外体的形式存在;取代量4.5mol％时,Ti4+以[TiO4]形式进入网络结构;取代量6mol％时,Ti4+反极化作用明显,玻璃的网络结构先增强后降低。随着TiO2取代量的增加,玻璃的密度逐渐增加;介电常数和介电损耗值均表现出先降低后增大的趋势;化学稳定性提高;析晶上限温度先降低后升高;拉丝温度逐渐降低。TiO2取代量为1.5-3mol％时,符合玻璃纤维的拉丝工艺要求。②红外光谱测试表明,ZnO取代量为7.5mol％时,Zn2+仍以网络外体的形式存在,玻璃的网络结构逐渐增强。随着ZnO取代量的增加,密度增加;玻璃介电常数先降低后增加;介电损耗逐渐降低;化学稳定性提高;析晶上限温度先降低后升高;拉丝温度逐渐降低。ZnO取代量为1.5-4.5mol％时,符合玻璃纤维的拉丝工艺要求。
　　 根据前面的实验结果,考察了Mgo、ZnO、TiO2共同作用对无硼无氟玻璃纤维性能的影响,并得到最佳无硼无氟玻璃纤维配方。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 无硼无氟玻璃纤维的研究现状

1.3 铝硅酸盐玻璃研究现状

1.4 本课题研究的目的及内容

第二章 实验过程与方法

2.1 原料制备

2.2 玻璃熔制及性能测试

2.2.1 玻璃熔制

2.2.2 玻璃密度的测定

2.2.3 玻璃化学稳定性的测定

2.2.4 玻璃介电性能的测定

2.2.5 玻璃失透温度范围的测定

2.2.6 玻璃高温粘度的测定

2.3 物相及结构分析

2.3.1 差热分析

2.3.2 X射线衍射分析

2.3.3 扫描电镜观察

2.3.4 红外光谱分析

2.3.5 核磁共振分析

2.4 基础实验配比的选择

第三章 氧化镁对无硼无氟玻璃结构和性能影响的研究

3.1 实验方案

3.2 结果与讨论

3.2.1 红外光谱分析

3.2.2 核磁共振分析

3.2.3 DTA分析

3.2.4 密度的研究

3.2.5 介电性能的研究

3.2.6 化学稳定性的研究

3.2.7 玻璃纤维的工艺性能分析

3.3 本章小结

第四章 氧化钛对无硼无氟玻璃结构和性能影响的研究

4.1 实验方案

4.2 结果与讨论

4.2.1 红外光谱分析

4.2.2 DTA分析

4.2.3 密度的研究

4.2.4 介电性能的研究

4.2.5 化学稳定性的研究

4.2.6 玻璃纤维工艺性能的研究

4.3 本章小结

第五章 氧化锌对无硼无氟玻璃结构和性能影响的研究

5.1 实验方案

5.2 结果与讨论

5.2.1 红外光谱分析

5.2.2 DTA分析

5.2.3 密度的研究

5.2.4 介电性能的研究

5.2.5 化学稳定性的研究

5.2.6 玻璃纤维的工艺性能的研究

5.3 本章小结

第六章 玻璃组成成分优化研究

6.1 实验方案

6.2 结果与讨论

6.3 本章小结

第七章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表及待发表的学术论文