什么是玻璃,现代研究人员如何增强其性能?

2023-04-21

c&en


很多人可能没有意识到玻璃是以纤维形式制造和使用的,因为应用大多是隐藏的

  “许多人可能没有意识到玻璃是以纤维形式制造和使用的,因为应用大多是隐藏的,”领先的玻璃纤维制造商欧文斯科宁公司的高级科学家米歇尔科尔温埃德森说。 她指出,玻璃纤维被广泛用作房屋和建筑的隔热材料,但它可能会被忽视,因为它通常被石膏板覆盖或隐藏在阁楼中。


  玻璃纤维可能不是一种华而不实的材料,但它无处不在。 这也是一笔大生意。 “如今,仅增强玻璃纤维就有超过 40,000 种应用,”Korwin-Edson 说。 在全球范围内,制造商每年生产约 500 万吨这种材料,主要用于绝缘材料和复合材料。 市场分析师估计,2017 年的产量价值近 140 亿美元。 他们预测,到 2025 年,这一数字将攀升至超过 210 亿美元。


  自 1930 年代以来,玻璃纤维制造商一直在商业化生产这种纤细的材料,当时它开始作为建筑物的隔热材料取得进展。 自那时以来发生了很大变化,因为制造商已经学会调整玻璃纤维的成分以赋予更适合一种或另一种应用的特性。 但许多基础知识,包括关键的起始材料——硅砂(主要是 SiO2)、纯碱(或碳酸钠,Na2CO3)和石灰石 (CaCO3)——保持不变。


  为了形成直径在 5 到 20 µm 范围内的纤维,制造商将熔融玻璃输送到挤压设备,该设备驱动热液体通过具有数千个小孔的喷嘴。 设置和处理步骤因所生产纤维的类型而异。 例如,Korwin-Edson 说,制造用于绝缘的玻璃棉纤维最初类似于制造棉花糖。 细小的玻璃流从旋转的旋转器中的孔中水平流出并迅速凝固。 之后,它们被气流切碎,将它们吹到移动的传送带上,在那里它们被收集起来并制成绝缘产品,包括羊毛、垫子和板材。


  玻璃制造商通常使用垂直挤压工艺来制造所谓的用于增强塑料的连续纤维。 据 Nippon Electric Glass 的资深科学家 Hong Li 介绍,单根纤维被聚集成 200 至 6,000 根长丝的束并编织成织物,用聚合物(树脂)处理以将它们结合在一起,或以其他方式处理,具体取决于应用 。


  增强纤维的第一个主要应用是印刷电路板。 在几乎所有的电子设备中都可以找到这些熟悉的绿色板材,其中包含 E-玻璃纤维,主要由二氧化硅、氧化铝、氧化钙 (CaO) 和氧化硼 (B2O3) 组成,包裹在环氧树脂中。


  除了以低重量提供高强度和刚度(这是所有玻璃纤维的典型特征)外,无碱玻璃还结合了低介电常数和介电损耗值,这是高速电子产品中使用的绝缘体的关键特性,Li 解释道。 纤维还可以抵抗热膨胀,从而在多个钻孔和组装步骤构建复杂电路时保持电路板的尺寸不变。


  尽管它的名字叫 E-glass,但它的应用远不止电子产品,它可以进入管道、储罐和其他工业部件,以及用于运输和可再生能源的产品。 长距离来自定制纤维的化学成分。


  例如,无碱玻璃中典型的氧化硼成分为电路板提供了一些重要的电气特性。 但它也降低了材料对酸和腐蚀性化学品侵蚀的防护能力。 因此,制造商想出了一种无硼版本,称为 E-CR,可提供耐酸和耐化学性,例如用于运输管道和储存腐蚀性物质的储罐。

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