高强度玻璃纤维是一种力学性能优异的特种玻璃纤维，是高性能复合材料三大增 强纤维(芳纶纤维、碳纤维、高强度玻璃纤维)之一。迄今为止，世界上只有美、法、 俄、日、中五个国家掌握此项技术。 二十世纪六十年代，美国首先研制成功高强度玻璃纤维，称为S-994HTS纤维。 八十年代，美国研制成功S-2(SiO2-Al2O3-MgO系)高强度玻璃纤维，采用水溶性浸 润剂，其性能与S-994HTS相比基本不变，但生产成本大幅降低。法国成功研制出R 高强度玻璃纤维投入生产，采用有机溶剂的浸润剂；日本也研制生产出“T”高强度 玻璃纤维(SiO2-Al2O3-MgO-TiO2系)；俄罗斯研制生产出“BMП”高强度玻璃纤维。美 国的高强度玻璃纤维采用的是化工原料作为玻璃配合料、一步法拉丝生产工艺、漏板 主要为400孔；俄罗斯高强度玻璃纤维采用的是矿物原料作为玻璃配合料、二步法即 坩埚法生产工艺、漏板为400孔。国外的高强度玻璃纤维生产技术和装备比较成熟， 出现了先进的池窑拉丝(一步法)和二步法多排多孔(400孔)拉丝生产工艺。与之 匹配的浸润剂品种不仅有适合不同树脂体系的，而且有适合不同纺织类型用途的，更 有适合于不同纤维直径(9、11、13、15um)系列的。 南京玻璃纤维研究设计院在七十年代初步研制出高强2#玻璃纤维，其新生态单丝 强度为4020MPa，弹性模量为83GPa，密度为2.54 g/cm3，在九十年代末研制出高强4# 玻璃纤维，其性能相当于美国S-2。经过三十多年的研究发展，采用二步法100孔、 200孔漏板的拉丝工艺生产(年生产能力300吨)，成本高，产量低。但是，为我国的 国防武器装备配套作出了较大贡献。目前，高强度玻璃纤维也是高性能复合材料三大 增强纤维材料中唯一实现国产化批量生产、供应的纤维。由于生产工艺及技术与国外 差距较大，高强度玻璃纤维生产的高成本已制约了其在军工和民用领域的进一步扩大 应用。研究采用先进的生产工艺、装备和质量控制技术，降低高强度玻璃纤维的生产 成本；研究采用先进的复合材料制造工艺，降低高性能复合材料的生产成本，符合我 国先进材料技术发展战略的研究方向。将高强玻璃纤维的高性能与低成本生产相结 合，将高强度玻纤/碳纤维混杂增强复合材料的设计研究与高性能复合材料的低成本 制造相结合，对我国国防军工和民用高性能复合材料的应用发展具有重要意义。 本论文针对高强度玻璃纤维低成本化生产技术进行研究，主要工作为： 优化选择组成稳定、均匀性好且价格低廉的矿物原料替代目前采用的价高且难熔 的化工原料作为高强度玻璃配合料原料。采用高精度自动测量、高均质气力混合系统， 研究高均度玻璃配合料的制备技术，从而实现高强度玻璃配合料的低成本制造。 采用合理加深高强度玻璃熔制窑炉的熔化部和阶梯式澄清部的窑炉结构，通过增 加熔化面积和电极数量等措施，使新窑炉的熔制能力由450kg/day提高至950kg/day。 使熔窑的面积熔化率从595kg/m2提高到1528 kg/m2。通过研究特定结构的拉丝通路， 使得窑炉熔制的高均质高强玻璃直接流入拉丝通路进行拉丝；通过研究特殊的纤维丝 限冷却措施，研究确定400孔拉丝工艺参数，稳定一步法400孔拉丝工艺。从而实现 低能耗的大结构窑炉熔制及一步法400孔拉丝生产。 在高强度2#玻璃纤维生产低成本化的同时，须保持纤维的品质。通过纤维原丝的 性能比对、浸胶NOL环的拉伸性能比对、浸胶束纱的拉伸性能比对等手段研究评定低 成本制造的高强度玻璃纤维的性能。 通过高强4#玻璃纤维有捻纱的一系列浸胶束纱强度的测定研究分析，阐述了在 99.5％可信度前提下评判其力学性能的方法；通过浸胶束纱的应力——寿命试验分析， 计算分析高强4#玻璃纤维在一定应力状态和温度下的寿命，从而评定高强4#玻璃纤维 的性能。 本论文针对低成本高强度玻璃纤维/碳纤维混杂增强复合材料进行的研究工作： 根据混杂增强复合材料的理论，优化设计碳纤维与高强度玻璃纤维混杂缠绕增强 6.8L呼吸器气瓶。通过混杂缠绕增强6.8L呼吸器气瓶的疲劳试验、爆破试验、自紧 试验等手段探索研究碳纤维与高强度玻璃纤维层间混杂增强的机理，探索研究混杂缠 绕增强复合材料压力容器低成本制造的可行性。 试验结果表明： 1.采用矿物原料替代化工原料使高强度玻璃原料成本降低26％，采用大结构窑炉 熔制及一步法400孔拉丝生产使高强度玻璃纤维(SC13)的生产能耗降低了11.55％。 综合以上成果，本项目研究使高强度玻璃纤维的生产成本下降30％； 2.低成本生产的高强度2#玻璃纤维的性能没有降低，用于增强环氧树脂时应该采 用JA型和JY型浸润剂，用于增强尼龙类工程塑料时应该采用PA型浸润剂； 3.批量生产的高强4#200孔B型浸润剂S4C8-28×1×4S100规格的高捻纱浸胶束纱 性能比较稳定，批次检验浸胶束纱强度均值大于3300MPa的可信度达到99.5％。高强 4#玻璃纤维有捻纱环向缠绕增强复合筒体材料在46％～47％的恒应力水平下、在40℃ 环境中能够满足连续工作达10万小时以上(年失效要求小于1％)的设计要求； 4.低成本生产的高强度玻璃纤维与碳纤维混杂缠绕增强6.8L铝内胆气瓶在碳纤 维体积百分比为60.6％时能够达到、满足气瓶的爆破压力、疲劳、疲劳后爆破压力等 性能指标的设计要求。采用碳纤维与高强度玻璃纤维混杂缠绕增强6.8L铝内胆气瓶 可以降低每只气瓶的生产成本约137.8元，其低成本效应是非常明显的。 关键词：低成本高强度玻璃纤维，原料，浸润剂，一步法拉丝，混杂缠绕