| Тип волокна | Расшифровка | Основная система | Ключевые характеристики | Основное применение |
|---|---|---|---|---|
| E-стекло | Electrical glass (электрическое) | SiO₂-Al₂O₃-CaO-B₂O₃ | Низкощелочное, высокие диэлектрические свойства, бесщелочное (<1% щелочных оксидов) | Универсальное армирование полимеров, печатные платы, электроизоляция |
| S-стекло | Strength glass (прочностное) | SiO₂-Al₂O₃-MgO | Высокая прочность, повышенный модуль упругости, теплостойкость | Авиакосмическая промышленность, баллистическая защита, высоконагруженные конструкции |
| R-стекло | Reinforcement glass (армирующее) | SiO₂-Al₂O₃-CaO-MgO | Высокая механическая прочность, кислотостойкость, содержит CaO и MgO | Европейский аналог S-стекла, конструкционные композиты |
| AR-стекло | Alkali Resistant glass (щелочестойкое) | SiO₂-ZrO₂ (16-24% ZrO₂) | Высокая щелочестойкость за счет циркония | Армирование бетона, фибробетон, фасадные системы |
| ECR-стекло | Electrical/Chemical Resistance | SiO₂-Al₂O₃-CaO (бесборное) | Повышенная кислотостойкость, электроизоляция | Химическая промышленность, резервуары, трубопроводы |
| Тип волокна | Плотность, г/см³ | Предел прочности при растяжении, МПа | Модуль упругости, ГПа | Относительное удлинение при разрыве, % |
|---|---|---|---|---|
| E-стекло | 2,54-2,60 | 3100-3800 | 72-76 | 4,5-4,9 |
| E-стекло (бесборное) | 2,62 | 3100-3800 | 80-81 | 4,6-4,8 |
| S-стекло | 2,48-2,50 | 4400-4650 | 85-90 | 5,0-5,4 |
| S-2 стекло | 2,46-2,49 | 4600-4890 | 89-91 | 5,2-5,6 |
| R-стекло | 2,53-2,55 | 4200-4400 | 85-90 | 4,8-5,2 |
| AR-стекло | 2,70-2,78 | 1700-3500 | 70-80 | 2,5-4,0 |
| ECR-стекло | 2,66-2,68 | 3200-3600 | 80-85 | 4,4-4,7 |
| Компонент | E-стекло | S-стекло | R-стекло | AR-стекло | ECR-стекло |
|---|---|---|---|---|---|
| SiO₂ | 53-57 | 64-66 | 58-60 | 60-65 | 58-62 |
| Al₂O₃ | 12-15 | 24-26 | 23-26 | 0-2 | 11-15 |
| CaO | 16-25 | 0-0,3 | 14-17 (сумма) | 5-10 | 17-25 |
| MgO | 0-5 | 8-12 | 0-2 | 0-4 | |
| B₂O₃ | 5-8 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| ZrO₂ | 0-0,5 | 0 | 0 | 16-24 | 0 |
| Na₂O + K₂O | <1,0 | <0,5 | <1,0 | 13-18 | <1,0 |
| Fe₂O₃ | <0,5 | <0,3 | <0,5 | <1,0 | <0,5 |
Содержание статьи
Стеклянные волокна в композитных материалах
Стеклянные волокна представляют собой основной класс армирующих элементов для полимерных композиционных материалов, составляя более 85 процентов от общего мирового объема производства волокон для композитов. Технология получения непрерывных стеклянных волокон путем вытягивания из расплава была разработана компанией Owens Corning в тридцатые годы прошлого столетия и с тех пор получила широкое распространение в промышленности.
Основой для производства текстильных стеклянных волокон служит диоксид кремния в виде полимерной сетки, не имеющей истинной точки плавления. Чистый кремнезем начинает размягчаться при температурах выше 1600 градусов Цельсия. Для снижения температуры формования в стекломассу вводят различные оксиды металлов, выполняющие функцию модификаторов сетки и флюсующих добавок. Химический состав определяет ключевые характеристики волокна — прочность, модуль упругости, химическую стойкость и диэлектрические свойства.
Стеклянные волокна производятся в форме моноволокон диаметром от трех до двадцати микрометров, которые объединяются в комплексные нити, ровинги, ткани и маты. Аморфная структура стекла обеспечивает изотропность свойств волокна по длине и поперечному сечению, что важно для проектирования композитных конструкций.
Стеклянные волокна характеризуются высоким соотношением прочности к массе, отличной химической стойкостью к большинству агрессивных сред, негорючестью и относительно низкой стоимостью по сравнению с углеродными или арамидными волокнами. Модуль упругости стеклянных волокон сопоставим с алюминием и составляет от 70 до 90 ГПа в зависимости от типа стекла.
E-стекло — универсальное армирующее волокно
Электрическое стекло изначально разрабатывалось для применения в электротехнике благодаря высоким диэлектрическим характеристикам. Данный тип волокна представляет собой алюмоборосиликатное стекло с содержанием щелочных оксидов менее одного процента. Низкое содержание щелочных металлов обеспечивает стабильность электроизоляционных свойств и минимизирует миграцию ионов при эксплуатации.
Химический состав и структура
Классическое E-стекло содержит 53-57 процентов диоксида кремния, 12-15 процентов оксида алюминия, 16-25 процентов оксида кальция и 5-8 процентов оксида бора. Оксид бора снижает температуру формования и улучшает технологичность, однако в современных производствах его заменяют бесборными составами в соответствии с экологическими нормативами.
Бесборные модификации E-стекла демонстрируют несколько повышенный модуль упругости — 80-81 ГПа против 72-76 ГПа у борсодержащих аналогов при сохранении прочностных характеристик на уровне 3100-3800 МПа. Плотность бесборного стекла составляет 2,62 грамма на кубический сантиметр, что немного выше традиционного варианта.
Области применения
E-стекло находит применение в производстве стеклопластиков для автомобильной промышленности, судостроения, строительных конструкций, спортивного оборудования. Материал используется для изготовления печатных плат в электронике, где требуется сочетание механической прочности и электроизоляционных свойств. В композитах на основе эпоксидных, полиэфирных и винилэфирных смол E-стекло обеспечивает оптимальное соотношение характеристик и экономической эффективности.
E-стекло подвержено воздействию хлорид-ионов, что ограничивает его применение в морской среде без дополнительной защиты. При температурах выше 180 градусов Цельсия может происходить частичная деградация связи волокно-матрица в полимерных композитах.
S-стекло и R-стекло для высоконагруженных композитов
Прочностное стекло разработано для применений, требующих максимальных механических характеристик. Волокна S-стекла на 40 процентов превосходят E-стекло по пределу прочности при растяжении и демонстрируют модуль упругости на уровне 85-90 ГПа. Материал относится к системе алюмомагнийсиликатных стекол без содержания оксида кальция.
Состав и свойства
S-стекло содержит 64-66 процентов диоксида кремния, 24-26 процентов оксида алюминия и 8-12 процентов оксида магния. Высокое содержание кремнезема обеспечивает повышенную температурную стойкость волокна — точка размягчения достигает 986 градусов Цельсия согласно методу Литтлтона. В составе композитов с полимерной матрицей рабочий температурный диапазон ограничивается свойствами связующего. Плотность S-стекла составляет 2,48-2,50 грамма на кубический сантиметр, что ниже E-стекла и обеспечивает лучшие удельные характеристики.
Модификация S-2 стекло, разработанная компанией AGY, демонстрирует предел прочности до 4890 МПа и модуль упругости 89-91 ГПа. Данные характеристики достигаются благодаря оптимизации технологии формования и химического состава стекломассы.
R-стекло — европейский аналог
Армирующее стекло европейского производства представляет собой алюмосиликатную систему, содержащую оба оксида — CaO и MgO в суммарном количестве 14-17 процентов. Механические свойства R-стекла сопоставимы с S-стеклом — прочность на уровне 4200-4400 МПа при модуле упругости 85-90 ГПа. R-стекло дополнительно характеризуется повышенной кислотостойкостью по сравнению с E-стеклом.
Применение высокопрочных стекол
S-стекло и R-стекло находят применение в авиакосмической промышленности для изготовления композитных конструкций летательных аппаратов, космических обтекателей, лопастей вертолетов. Материалы используются в баллистической защите благодаря высокой удельной прочности и способности поглощать энергию удара. В ветроэнергетике высокопрочные стекла применяются для лопастей ветрогенераторов большого диаметра, работающих в условиях высоких динамических нагрузок.
AR-стекло для армирования бетонов
Щелочестойкое стекло специально разработано для применения в цементных композитах, где волокна подвергаются воздействию агрессивной щелочной среды. Обычные стеклянные волокна деградируют в бетоне вследствие растворения диоксида кремния в щелочном растворе с показателем pH выше 12. AR-стекло содержит значительное количество диоксида циркония, который обеспечивает стойкость к щелочному воздействию.
Роль циркония в стекле
Коммерческие AR-стекла содержат от 16 до 24 процентов оксида циркония. Ионы четырехвалентного циркония участвуют в построении стеклянной сетки и формируют защитную оболочку на поверхности волокон в агрессивной среде. Высокое содержание ZrO₂ повышает температуру формования стекла, что создает технологические сложности при производстве волокон из-за необходимости работы с расплавом при более высоких температурах.
AR-стекло характеризуется повышенной плотностью 2,70-2,78 грамма на кубический сантиметр за счет тяжелого циркония. Механические свойства варьируются в широком диапазоне в зависимости от конкретного состава — прочность от 1700 до 3500 МПа, модуль упругости 70-80 ГПа.
Применение в стеклофибробетоне
AR-стекло применяется для производства стеклофибробетонных панелей фасадных систем зданий, архитектурных элементов, тонкостенных конструкций. Волокна вводятся в цементную матрицу методом напыления или премикса. Дозировка определяется проектными требованиями и типом изделия. AR-стекло обеспечивает прочность и трещиностойкость бетонных изделий, предотвращает образование усадочных трещин.
Стандарт ASTM C1666/C1666M устанавливает требования к щелочестойким стеклянным волокнам для армирования бетона, определяя минимальное содержание ZrO₂ и другие характеристики. Европейский стандарт EN 15422 содержит аналогичные требования к характеристикам AR-стекла.
Специальные типы стеклянных волокон
ECR-стекло для химической промышленности
Кислотостойкое стекло представляет собой бесборную алюмокальцийсиликатную систему с содержанием щелочей менее одного процента. ECR-стекло демонстрирует улучшенную стойкость к воздействию кислот по сравнению с E-стеклом при сохранении диэлектрических характеристик. Материал применяется для изготовления резервуаров, трубопроводов, емкостей для хранения агрессивных химических сред.
C-стекло и D-стекло
Коррозионностойкое C-стекло содержит повышенное количество оксида бора и применяется для производства аккумуляторных сепараторов, фильтров, изоляционных материалов. D-стекло характеризуется низкой диэлектрической постоянной благодаря борсодержащему составу и используется в высокочастотных электронных применениях.
Высокомодульные стекла
Разработаны экспериментальные составы стекол на основе щелочноземельных алюмосиликатов с потенциальным модулем упругости до 100 ГПа. Модификации E6, E7, E8 демонстрируют улучшенную химическую стойкость и термостабильность по сравнению с классическим E-стеклом, что позволяет применять их в нефтедобывающей промышленности при повышенных температурах.
Технологические аспекты применения
Формы выпуска стеклянных волокон
Стеклянные волокна поставляются в виде ровингов — жгутов непрерывных волокон массой от 300 до 4800 текс, крученых нитей, тканей различного переплетения, стеклянных матов и рубленых волокон. Ровинги применяются для намотки баллонов, труб, методов пултрузии. Ткани используются в ручной выкладке, вакуумной инфузии, автоклавном формовании. Рубленые волокна вводятся в термопласты методом литья под давлением.
Замасливатели и аппреты
На поверхность стеклянных волокон наносятся замасливатели — водные эмульсии органических соединений, обеспечивающие защиту от истирания при технологических операциях и совместимость с полимерной матрицей. Состав замасливателя выбирается в зависимости от типа связующего — эпоксидного, полиэфирного, винилэфирного, фенольного. Аппрет содержит силановые аппретирующие агенты, формирующие химические связи между стеклом и полимером.
Технологии переработки
Стеклянные волокна перерабатываются методами контактного формования, напыления, вакуумной инфузии, RTM-процессов, намотки, пултрузии. Выбор технологии определяется требованиями к качеству поверхности, точности размеров, механическим характеристикам композита. Автоклавное формование препрегов обеспечивает максимальные свойства при минимальной пористости, но требует значительных капитальных затрат.
Механические свойства стеклянных волокон определяются согласно стандартам ASTM D3039 для испытаний на растяжение композитов, ASTM D790 для испытаний на изгиб, ASTM D2344 для определения межслоевого сдвига. Российский стандарт ГОСТ 11262-2017 устанавливает метод испытания на растяжение пластмасс.
