CN103153895A - 用于防弹应用的低密度和高强度纤维玻璃 - Google Patents

用于防弹应用的低密度和高强度纤维玻璃 Download PDF

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Abstract

本发明涉及织物、复合材料、预浸料坯、层合体、和混入了由玻璃组合物所形成的玻璃纤维的其他产品。该玻璃纤维在一些实施方案中被混入到复合材料中，该复合材料可以适用于高能冲击应用例如防弹或者防爆应用中。由一些实施方案的玻璃组合物所形成的玻璃纤维会具有某些令人期望的性能，其可以包括例如令人期望的电性能(例如低Dk)或者令人期望的机械性能(例如比强度)。

Description

用于防弹应用的低密度和高强度纤维玻璃
关于联邦政府资助研究或者开发的声明
本发明是在陆军研究实验室设立的合同W911NF-09-9-0003下，由政府支持来进行的。政府拥有本发明中的某些权利。
交叉引用的相关申请
本申请要求2010年9月14日提交的美国临时专利申请序列号61/382794的优先权，其全部公开内容在此引入作为参考。本申请要求2011年9月9日提交的美国专利申请No.13/229012的优先权并且是其部分继续申请，申请No.13/229012是2010年11月5日提交的美国专利申请No.12/940764的部分继续申请，申请No.12/940764是2006年12月14日提交的美国专利申请No.11/610761，现在的美国专利No.7829490(颁布日2010年11月9日)的继续申请，其每个的内容在此以其全部引入作为参考。
发明领域
本发明涉及包含玻璃纤维的复合材料，其适用于高能冲击应用例如防弹或者防爆应用。
发明背景
能够用于经受来自不同来源(例如射弹和爆炸压缩波)的高能冲击的材料获得了广泛的应用，包括民用和军用结构增强应用和带装甲的车辆应用。陶瓷板和增强的复合材料材料例如已经用于防护车辆不受由于不同的爆炸装置引起的潜在损害。但是，预期在防弹应用中将表现出令人期望的性能的材料是非常困难的。
多年来玻璃纤维已经被用于增强不同的聚合物树脂。用于增强应用的一些通常使用的玻璃组合物包括“E-玻璃”和“D-玻璃”族的组合物。另一种通常使用的玻璃组合物以商品名“S-2Glass”市售自AGY(Aiken，南卡罗莱纳州)。但是，用于高能冲击应用例如防弹或者防爆应用的用玻璃纤维增强聚合物树脂也不必然会产生具有其他令人期望的机械性能的复合材料。
通常，玻璃纤维可以由通过位于轴衬中的小孔挤出的熔融玻璃细流来生产。由轴衬流出的熔融玻璃纤维是通过牵引该纤维直到达到期望的直径，来衰减到期望的直径，在此期间，该纤维冷却和凝固。这些冷却的纤维或者细丝然后可以用施胶剂涂覆，其可以赋予期望的性能。作为此处使用的，术语“施胶剂”指的是在成形后立即施用到纤维玻璃细丝上的涂料组合物，并且该术语可以与术语“胶结”、“施胶组合物”、“初始胶结”、“粘合剂组合物”和“粘合剂”交替使用。在它们形成和处理后，该胶结的玻璃纤维可以聚集成包含多个单纤维的捆或者原丝。类似的，捆或者原丝可以进一步聚集成包含多个捆或者原丝的粗纱。连续的原丝或者粗纱可以在线轴上卷绕来形成包。原丝或者粗纱的长度然后可以根据需要从该线轴上分配。
发明内容
本发明的各种实施方案总体涉及低密度和高强度玻璃纤维，和涉及到适用于防弹或者防爆应用的包含低密度和高强度玻璃纤维的纤维玻璃原丝、纱线、织物，复合材料和装甲板。
在一种实施方案中，本发明的复合材料包含聚合物树脂和布置在该聚合物树脂中的多个玻璃纤维，其中该多个玻璃纤维至少之一包含含有下面的组分的玻璃组合物：
SiO2     60-68重量%；
B2O3     7-12重量%；
Al2O3    9-15重量%；
MgO      8-15重量%；
CaO      0-4重量%；
Li2O     0-2重量%；
Na2O     0-1重量%；
K2O      0-1重量%；
Fe2O3    0-1重量%；
F2       0-1重量%；
TiO2     0-2重量%；和
其他组分总共0-5重量%；
其中(Li2O+Na2O+K2O)含量小于2重量%，其中MgO含量基于重量%是CaO含量的至少两倍，和其中该复合材料适用于防弹或者防爆应用。
在另外一种实施方案中，本发明的复合材料包含聚合物树脂和布置在该聚合物树脂中的多个玻璃纤维，其中该多个玻璃纤维至少之一包含含有下面的组分的玻璃组合物：
SiO2     53.5-77重量%；
B2O3     4.5-14.5重量%；
Al2O3    94.5-18.5重量%；
MgO      4-12.5重量%；
CaO      0-10.5重量%；
Li2O     0-4重量%；
Na2O     0-2重量%；
K2O      0-1重量%；
Fe2O3    0-1重量%；
F2       0-2重量%；
TiO2     0-2重量%；和
其他组分总共0-5重量%；
其中该复合材料适用于防弹或者防爆应用。
在一些实施方案中，当通过美国国防部1997年12月的用于V50装甲防弹测试的测试方法标准MIL-STD-662F来测量时，本发明的复合材料在大约2lb/ft2的面密度和大约5-6mm的厚度时能够表现出0.30口径FSP V50值为至少大约900fps。在一些实施方案中，当通过美国国防部1997年12月的用于V50装甲防弹测试的测试方法标准MIL-STD-662F来测量时，本发明的复合材料在大约4.8-4.9lb/ft2的面密度和大约13-13.5mm的厚度时能够表现出0.50口径FSP V50值为至少大约1200fps。
在本发明的一些实施方案中能够使用的聚合物树脂包括环氧树脂。在一些实施方案中，该聚合物树脂可以包含下面的至少一种：聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚酰胺树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂、聚碳酸酯树脂、热塑性聚氨酯树脂、酚类树脂、聚酯树脂、乙烯基酯树脂和热固性聚氨酯树脂。
在一些实施方案中，复合材料所用的多个玻璃纤维排布形成织物。用于本发明的复合材料的一些实施方案中的多个玻璃纤维是机织形成织物的。这样的织物在一些实施方案中可以包括平织织物、斜纹织物、网纹织物、缎织织物、缝编织物或者3D机织织物。
本发明的一些实施方案涉及装甲板，其包含本发明的复合材料。
这些和其他实施方案将在下面的详细说明中更详细的讨论。
具体实施方式
在本说明书中，除非另有指示，表示说明书中所用的成分、反应条件等的量的全部数字被理解为在全部的情况中是用术语“大约”修正的。因此，除非有相反的指示，否则下面的说明书中阐明的数字参数是近似的，其可以根据本发明所寻求获得的期望的性能而变化。最起码，和并非打算使用等价原则来限制权利要求的范围，每个数字参数应当至少按照所报告的有效数字的数值和通过使用通常的四舍五入技术来解释。
虽然阐明本发明宽的范围的数字范围和参数是近似的，但是在具体实施例中所述的数值为尽可能精确来报告的。但是任何数值本质上包含了由可应用的测试测量中存在的标准偏差所必然形成的误差。
另外要注意的是，作为本说明书中所用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”包括了复数指示物，除非明确的和毫无疑义的限制到一种指示物之外。
已经开发了可纤维化的玻璃组合物，其提供了相对于标准的E-玻璃改进的电性能(即，低介电常数Dk和/或低耗散系数Df)，同时提供与以前的低Dk玻璃方案相比更有益于商业实践中的纤维成型的温度-粘度关系。这样的玻璃组合物描述在美国专利No.7829490和2011年9月9日提交的美国专利申请序列号13/229012中，二者的内容在此以它们全部引入作为参考。描述在美国专利No.7829490和美国专利申请序列号13/229012中的玻璃组合物的另一任选的方面是至少一些的该组合物可以用相对低的原料批次成本来商业制造。
本发明的一些实施方案涉及包含玻璃纤维的复合材料。本发明的复合材料在一些实施方案中适用于高机械应力应用，包括但不限于高能冲击应用。在一些实施方案中，例如本发明的复合材料包含聚合物树脂和布置在该聚合物树脂中的多个玻璃纤维。在本发明的一些实施方案中有用的玻璃纤维可以表现出用于高能冲击应用例如防弹或者防爆应用的特别令人期望的性能。与包含E-玻璃的玻璃纤维相比，在本发明的一些实施方案中有用的玻璃纤维可以表现出高的应变失效、高强度和/或低纤维密度，该组合能够产生玻璃纤维增强的复合材料，其具有对于给定的纤维体积分数或者给定的复合材料性能来说具有更低的面密度。
在一些实施方案中，本发明的复合材料可以适用于装甲应用。例如一些实施方案的复合材料可以用于装甲板的生产中。在一些实施方案中，本发明的复合材料可以形成板，其中当通过美国国防部1997年12月的用于V50装甲防弹测试的测试方法标准MIL-STD-662F来测量时(下文称作“MIL-STD-662F”，其整个内容在此引入作为参考)，该板在大约2lb/ft2的板面密度和大约5-6mm的板厚度时能够表现出0.30口径FSP(“破片模拟弹(fragment simulating projectile)”)V50值为至少大约900英尺/秒(fps)。在本文上下文中，术语“复合材料”一般指的是包含聚合物树脂和布置在该聚合物树脂中的多个玻璃纤维的材料，而术语“板”指的是具有片状物理尺度或者形状的复合材料。在其他实施方案中，本发明的复合材料可以形成板，其中当通过MIL-STD-662F测量时，该板在大约4.8-4.9lb/ft2的板面密度和大约13-13.5mm的板厚度时能够表现出0.50口径FSP V50值为至少大约1200fps。因为V50值可以取决于板的面密度和板厚度，因此本发明的复合材料会具有不同的V50值，这取决于该板是如何构造的。本发明的一些实施方案的一个优点是提供了这样的复合材料，其具有比使用E-玻璃纤维合股的类似构造的复合材料更高的V50值。
在一些实施方案中，本发明的复合材料包含聚合物树脂和布置在该聚合物树脂中的多个玻璃纤维，其中该多个玻璃纤维中至少之一包含含有下面组分的玻璃组合物：
SiO2     60-68重量%；
B2O3     7-12重量%；
Al2O3    9-15重量%；
MgO      8-15重量%；
CaO      0-4重量%；
Li2O     0-2重量%；
Na2O     0-1重量%；
K2O      0-1重量%；
Fe2O3    0-1重量%；
F2       0-1重量%；
TiO2     0-2重量%；和
其他组分总共0-5重量%；
其中该复合材料适用于防弹或者防爆应用。在一些实施方案中，(Li2O+Na2O+K2O)含量可以小于2重量%和MgO含量基于重量%可以是CaO含量的至少两倍。在其他实施方案中，Li2O含量可以大于Na2O含量或者K2O含量。
在一些实施方案中，本发明的复合材料包含聚合物树脂和布置在该聚合物树脂中的多个玻璃纤维，其中该多个玻璃纤维中至少之一包含含有下面组分的玻璃组合物：
SiO2     53.5-77重量%；
B2O3     4.5-14.5重量%；
Al2O3    4.5-18.5重量%；
MgO      4-12.5重量%；
CaO      0-10.5重量%；
Li2O     0-4重量%；
Na2O     0-2重量%；
K2O      0-1重量%；
Fe2O3    0-1重量%；
F2       0-2重量%；
TiO2     0-2重量%；和
其他组分总共0-5重量%；
其中该复合材料适用于防弹或者防爆应用。在一些实施方案中，(Li2O+Na2O+K2O)含量可以小于2重量%和MgO含量可以是CaO含量的至少两倍，基于重量%。在其他实施方案中，Li2O含量可以大于Na2O含量或者K2O含量。
这里公开了许多的其他玻璃组合物，并且本发明的其他实施方案涉及复合材料,其包含由这样的组合物所形成的多个玻璃纤维。
本发明的一些实施方案涉及板例如装甲板，其包含本发明的复合材料。在一些实施方案中，本发明的复合材料可以形成板，其中当通过MIL-STD-662F来测量时，该板在大约2lb/ft2的板面密度和大约5-6mm的板厚度时能够表现出0.30口径FSP V50值为至少大约900fps。在其他实施方案中，本发明的复合材料可以形成板，其中当通过MIL-STD-662F来测量时，该板会在大约2lb/ft2的板面密度和大约5-6mm的板厚度时表现出0.30口径FSP V50值为至少大约1000fps。在本发明仍然的其他实施方案中，复合材料可以形成板，其中当通过MIL-STD-662F来测量时，该板会在大约2lb/ft2的板面密度和大约5-6mm的板厚度时表现出0.30口径FSP V50值为至少大约1100fps。在本发明的一些实施方案中，复合材料可以形成板，其中当通过MIL-STD-662F来测量时，该板会在大约2lb/ft2的板面密度和大约5-6mm的板厚度时表现出0.30口径FSP V50值为大约900fps-大约1140fps。
在一些实施方案中，本发明的复合材料可以形成板，其中当通过MIL-STD-662F测量时，该板会在大约4.8-4.9lb/ft2的板面密度和大约13-13.5mm的板厚度时表现出0.50口径FSP V50值为至少大约1200fps。在本发明的其他实施方案中，复合材料可以形成板，其中当通过MIL-STD-662F测量时，该板会在大约4.8-4.9lb/ft2的板面密度和大约13-13.5mm的板厚度时表现出0.50口径FSP V50值为至少大约1300fps。在本发明仍然的其他实施方案中，复合材料可以形成板，其中当通过MIL-STD-662F测量时，该板会在大约4.8-4.9lb/ft2的板面密度和大约13-13.5mm的板厚度时表现出0.50口径FSP V50值为至少大约1400fps。在本发明的一些实施方案中，复合材料可以形成板，其中当通过MIL-STD-662F测量时，该板会在大约4.8-4.9lb/ft2的板面密度和大约13-13.5mm的板厚度时表现出0.50口径FSP V50值为大约1200fps-大约1440fps。
本发明的复合材料可以包含不同的聚合物树脂，这取决于期望的性能和应用。在本发明的一些实施方案中，复合材料包含聚合物树脂和布置在该聚合物树脂中的多个玻璃纤维，其中该多个玻璃纤维至少之一包含此处公开的玻璃组合物，该复合材料可以形成板，例如用于防弹或者防爆的装甲板，和该聚合物树脂包含环氧树脂。本发明的复合材料在一些实施方案中包含聚合物树脂和布置在该聚合物树脂中的多个玻璃纤维，其中该多个玻璃纤维至少之一包含此处公开的玻璃组合物，该复合材料可以形成板，例如用于防弹或者防爆的装甲板，和该聚合物树脂包含聚二环戊二烯树脂。在本发明的一些实施方案中，该聚合物树脂可以包含聚乙烯树脂，聚丙烯树脂，聚酰胺(包括尼龙)树脂，聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂，聚碳酸酯树脂，热塑性聚氨酯树脂，酚类树脂，聚酯树脂，乙烯基酯树脂，热固性聚氨酯树脂，氰酸酯树脂或者双马来酰亚胺树脂。
在本发明的一些实施方案中，复合材料包含聚合物树脂和布置在该聚合物树脂中的多个玻璃纤维，其中该多个玻璃纤维至少之一包含此处公开的玻璃组合物，该复合材料可以形成板，例如用于防弹或者防爆的装甲板，和该多个玻璃纤维至少之一至少部分地涂覆有施胶组合物。在本发明的一些实施方案中，该施胶组合物可以是与该聚合物树脂相容的。
在本发明的一些实施方案中，复合材料包含聚合物树脂和布置在该聚合物树脂中的多个玻璃纤维，其中该多个玻璃纤维至少之一包含此处公开的玻璃组合物，该复合材料可以形成板，例如用于防弹或者防爆的装甲板，和该多个玻璃纤维排布形成织物。在本发明的一些包含多个玻璃纤维排布形成织物的实施方案中，该复合材料可以形成板，其中当通过MIL-STD-662F来测量时，该板会在大约2lb/ft2的板面密度和大约5-6mm的板厚度时表现出0.30口径FSP V50值为至少大约1000fps。在本发明的其他包含多个玻璃纤维排布形成织物的实施方案中，该复合材料可以形成板，其中当通过MIL-STD-662F来测量时，该板会在大约2lb/ft2的板面密度和大约5-6mm的板厚度时表现出0.30口径FSP V50值为至少大约1100fps。在本发明的仍然其他包含多个玻璃纤维排布形成织物的实施方案中，该复合材料可以形成板，其中当通过MIL-STD-662F来测量时，该板会在大约2lb/ft2的板面密度和大约5-6mm的板厚度时表现出0.30口径FSP V50值为大约900fps-大约1140fps。在本发明的一些包含多个玻璃纤维排布形成织物的实施方案中，该复合材料可以形成板，其中当通过MIL-STD-662F测量时，该板会在大约4.8-4.9lb/ft2的板面密度和大约13-13.5mm的板厚度时表现出0.50口径FSP V50值为至少大约1200fps。在本发明的其他包含多个玻璃纤维排布形成织物的实施方案中，该复合材料可以形成板，其中当通过MIL-STD-662F测量时，该板会在大约4.8-4.9lb/ft2的板面密度和大约13-13.5mm的板厚度时表现出0.50口径FSP V50值为至少大约1300fps。在本发明的仍然的其他包含多个玻璃纤维排布形成织物的实施方案中，该复合材料可以形成板，其中当通过MIL-STD-662F测量时，该板会在大约4.8-4.9lb/ft2的板面密度和大约13-13.5mm的板厚度时表现出0.50口径FSP V50值为至少大约1400fps。在本发明的一些包含多个玻璃纤维排布形成织物的实施方案中，该复合材料可以形成板，其中当通过MIL-STD-662F测量时，该板会在大约4.8-4.9lb/ft2的板面密度和大约13-13.5mm的板厚度时表现出0.50口径FSP V50值为大约1200fps-大约1440fps。
在本发明的一些包含多个玻璃纤维排布形成织物的实施方案中，该多个玻璃纤维机织形成织物。在本发明的其他实施方案中，该玻璃纤维织物包括平织织物、斜纹织物、网纹织物、缎织织物、缝编织物(也称作非压接织物)或者“三维”机织织物。
在本发明的一些包含多个玻璃纤维排布形成织物的实施方案中，该聚合物树脂包含环氧树脂。在本发明的一些包含多个玻璃纤维排布形成织物的实施方案中，该聚合物树脂包括聚二环戊二烯树脂。在本发明的一些实施方案中，该聚合物树脂包括聚乙烯树脂，聚丙烯树脂，聚酰胺(包括尼龙)树脂，聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂，聚碳酸酯树脂，热塑性聚氨酯树脂，酚类树脂，聚酯树脂，乙烯基酯树脂，热固性聚氨酯树脂，氰酸酯树脂或者双马来酰亚胺树脂。
在本发明中有用的玻璃纤维可以通过本领域技术人员已知的任何合适的方法来制造，例如但不限于此上所述的方法。在本发明中有用的玻璃纤维织物通常可以通过本领域技术人员已知的任何合适的方法来制造，例如但不限于将纬线纱线(也称作“纬纱”)交织到多个经纱中。这样的交织可以如下来完成：将经纱以大体平行的、平面阵列来布置到织布机上，和其后以预定的重复图案将纬线纱线送过经纱之上和之下，来将该纬线纱线机织到经纱中。所用的图案将取决于期望的织物式样。
经纱通常可以使用本领域技术人员已知的技术来制备。经纱可以通过从轴衬或者喷纺机来衰减多个熔融玻璃流而形成。其后，将施胶组合物施用到单个玻璃纤维上，并且将纤维聚集在一起来形成原丝。该单端原丝随后可以通过将几个端聚集在一起，并且提供低度加捻来加工成合股的粗纱，有时候，用水或者蒸汽处理来提高捆的整体性。该聚集的多端原丝然后可以卷绕到3”纸板线轴上。在这一点，线轴可以通过将原丝端系到传统的刺射(rapier)织布机中，用于将织物机织成预定的式样，而用于经线或者纬线供料。
本发明的复合材料可以通过本领域技术人员已知的任何合适的方法来制备，例如但不限于真空辅助树脂灌注模制，挤出混合，压缩模制，树脂转移模制，反应注塑模制和拉剂成型。本发明的复合材料可以使用本领域技术人员已知的这样的模制技术来制备。
本发明的一些复合材料可以使用真空辅助树脂灌注技术来制造，如此处进一步描述的。本发明的堆叠的玻璃纤维织物可以切割成期望的尺寸，并且置于有机硅释放处理的玻璃桌上。该堆叠体然后可以用剥离片层覆盖，安装流动增强介质，和使用尼龙装袋膜来真空装袋。接着，所谓的“存储物(lay up)”可以受到大约27英寸Hg的真空压力。另外地，该聚合物树脂(其打算用纤维玻璃织物增强)可以使用本领域技术人员已知的用于具体树脂的技术来制备。例如对于一些聚合物树脂来说，适当的树脂(例如胺可固化的环氧树脂)可以与适当的固化剂(例如用于胺可固化环氧树脂的胺)以树脂制造商推荐的比例或者本领域技术人员已知的比例来混合。该合并的树脂然后可以在真空室脱气30分钟，并且灌注穿过织物预成品，直到实现织物堆叠体的基本上完全的浸湿。在这时，所述的工具设定为大约45-50℃的温度24小时。所形成的刚性复合材料可以然后脱模，并且在可编程的对流炉中，在大约250℉后固化4小时。但是，作为本领域技术人员已知的，不同的参数例如脱气时间、加热时间和后固化条件可以基于所用的具体的树脂系统而变化，并且本领域技术人员理解如何基于具体的树脂系统来选择这样的参数。
在本发明的一些实施方案中(这里聚合物树脂包括聚二环戊二烯)，这样的复合材料也可以使用下面所述的真空辅助树脂灌注技术来制造。本发明的堆叠的玻璃纤维织物可以切割成期望的尺寸，并且置于有机硅释放处理的玻璃桌上。该堆叠体然后可以用剥离片层覆盖，安装流动增强介质，和使用尼龙装袋膜来真空装袋。接着，所谓的“存储物(lay up)”可以受到大约27英寸Hg的真空压力。另外地，该聚二环戊二烯树脂(其打算用纤维玻璃织物增强)可以使用本领域技术人员已知的技术来制备。例如对于聚二环戊二烯树脂来说，以pDCPD供应商推荐的比例或者本领域技术人员已知的比例，将该树脂与适量的催化剂和在一些情况中阻聚剂混合。该DCPD树脂然后可以在真空室脱气30分钟，并且灌注穿过织物预成品，直到实现织物堆叠体的基本上完全的浸湿。在这时，所述的工具设定为大约120℃的温度高达4小时。所形成的刚性复合材料可以然后脱模，但是，作为本领域技术人员已知的，不同的参数例如脱气时间、加热时间和后固化条件可以基于所用的具体的树脂系统而变化，并且本领域技术人员理解如何基于具体的树脂系统来选择这样的参数。
如上所述，本发明的复合材料可以包含多个玻璃纤维。适用于本发明的玻璃纤维可以具有本领域技术人员已知的任何适当的直径，这取决于期望的应用。适用于本发明的一些实施方案的玻璃纤维的直径是大约5-大约12μm。适用于本发明的其他实施方案的玻璃纤维的直径是大约6μm。例如在一些实施方案中(这里玻璃纤维打算用于高能冲击应用例如防弹或者防爆应用所用的复合材料中)，该玻璃纤维的直径可以是大约6μm，虽然也可以使用其他玻璃纤维直径。
另外，适用于本发明的玻璃纤维和玻璃纤维原丝可以包含多种玻璃组合物。一些实施方案的这样的玻璃纤维和纤维玻璃原丝是如上所述的，并且其他在下面描述。如上所述，适用于本发明的一些实施方案的玻璃纤维或者纤维玻璃原丝的一个例子包含玻璃组合物，其包含：
SiO2     60-68重量%；
B2O3     7-12重量%；
Al2O3    9-15重量%；
MgO      8-15重量%；
CaO      0-4重量%；
Li2O     0-2重量%；
Na2O     0-1重量%；
K2O      0-1重量%；
Fe2O3    0-1重量%；
F2       0-1重量%；
TiO2     0-2重量%；和
其他组分总共0-5重量%。
适用于本发明的一些实施方案的玻璃纤维或者纤维玻璃原丝的另一例子包含玻璃组合物，其包含：
SiO2     60-68重量%；
B2O3     7-12重量%；
Al2O3    9-15重量%；
MgO      8-15重量%；
CaO      0-4重量%；
Li2O     >0-2重量%；
Na2O     0-1重量%；
K2O      0-1重量%；
Fe2O3    0-1重量%；
F2       0-1重量%；
TiO2     0-2重量%；和
其他组分总共0-5重量%；
其中Li2O含量大于Na2O含量或者大于K2O含量。在其他实施方案中，CaO含量是0-3重量%。在仍然的其他实施方案，CaO含量是0-2重量%。在一些实施方案中，CaO含量是0-1重量%。在本发明的一些实施方案中，MgO含量是8-13重量%。在其他实施方案中，MgO含量是9-12重量%。在一些实施方案中，TiO2含量是0-1重量%。在一些实施方案中，B2O3含量不大于10重量%。在本发明的一些实施方案中，Al2O3含量是9-14重量%。在其他实施方案中，Al2O3含量是10-13重量%。在一些实施方案中，(Li2O+Na2O+K2O)含量小于2重量%。在一些实施方案中，该组合物包含0-1重量%的BaO和0-2重量%的ZnO。在其他实施方案中，该组合物基本上不含BaO和基本上不含ZnO。在一些实施方案中，其他组分(如果有的话)的存在总量是0-2重量%。在其他实施方案中，其他组分(如果有的话)的存在总量是0-1重量%。在一些实施方案中，Li2O含量是0.4-2.0重量%。在包含Li2O含量为0.4-2.0重量%的其他实施方案中，Li2O含量大于(Na2O+K2O)含量。
适用于本发明的一些实施方案的玻璃纤维或者纤维玻璃原丝的另一例子包含玻璃组合物，其包含
SiO2      60-68重量%；
B2O3      7-13重量%；
Al2O3     9-15重量%；
MgO       8-15重量%；
CaO       0-4重量%；
Li2O      0-2重量%；
Na2O      0-1重量%；
K2O       0-1重量%；
Fe2O3     0-1重量%；
F2        0-1重量%；和
TiO2      0-2重量%。
在一些实施方案中，该玻璃组合物的特征在于相对低含量的CaO，例如处于大约0-4重量%。在仍然的其他实施方案中，CaO含量可以处于大约0-3重量%。在一些实施方案中，MgO含量是CaO含量的双倍(基于重量%)。本发明的一些实施方案的MgO含量可以大于大约6.0重量%，和在其他实施方案中，MgO含量可以大于大约7.0重量%。适用于本发明的一些实施方案的一些玻璃组合物的特征在于存在小于1.0重量%的BaO。在其中仅仅存在痕量的杂质量的BaO的那些实施方案中，BaO含量的特征可以是不大于0.05重量%。
适用于本发明的一些实施方案的玻璃纤维或者纤维玻璃原丝的另一例子包含玻璃组合物，其包含
SiO2     60-68重量%；
B2O3     7-12重量%；
Al2O3    9-15重量%；
MgO      8-15重量%；
CaO      0-4重量%；
Li2O     >0-2重量%；
Na2O     0-1重量%；
K2O      0-1重量%；
Fe2O3    0-1重量%；
F2       0-1重量%；
TiO2     0-2重量%；和
其他组分总共0-5重量%；
其中Li2O含量大于Na2O含量或者大于K2O含量，和其中选择所述成分来提供介电常数(Dk)在1MHz频率小于6.7的玻璃。在其他实施方案中，选择所述成分来提供介电常数(Dk)在1MHz频率小于6的玻璃。在仍然的其他实施方案中，选择所述成分来提供介电常数(Dk)在1MHz频率小于5.8的玻璃。在一些实施方案中，选择所述成分来提供介电常数(Dk)在1MHz频率小于5.6的玻璃。
适用于本发明的一些实施方案的玻璃组合物的成分可以基于期望的成型温度(定义为粘度是1000泊时的温度)和/或期望的液相线温度来选择。在一些实施方案中，适用于本发明的玻璃纤维或者纤维玻璃原丝包含玻璃组合物，其包含
SiO2     60-68重量%；
B2O3     7-12重量%；
Al2O3    9-15重量%；
MgO      8-15重量%；
CaO      0-4重量%；
Li2O     >0-2重量%；
Na2O     0-1重量%；
K2O      0-1重量%；
Fe2O3    0-1重量%；
F2       0-1重量%；
TiO2     0-2重量%；和
其他组分总共 0-5重量%；
其中Li2O含量大于Na2O含量或者大于K2O含量，和其中选择所述成分来提供在1000泊粘度时的成型温度TF不大于1370℃。在其他实施方案中，选择所述成分来提供在1000泊粘度时的成型温度TF不大于1320℃。在仍然的其他实施方案中，选择所述成分来提供在1000泊粘度时的成型温度TF不大于1300℃。在一些实施方案中，选择所述成分来提供在1000泊粘度时的成型温度TF不大于1290℃。在一些实施方案中，选择所述成分来提供在1000泊粘度时的成型温度TF不大于1370℃和液相线温度TL至少低于该成型温度55℃。在其他实施方案中，选择所述成分来提供在1000泊粘度时的成型温度TF不大于1320℃和液相线温度TL至少低于该成型温度55℃。在仍然的其他实施方案中，选择所述成分来提供在1000泊粘度时的成型温度TF不大于1300℃和液相线温度TL至少低于该成型温度55℃。在一些实施方案中，选择所述成分来提供在1000泊粘度时的成型温度TF不大于1290℃和液相线温度TL至少低于成型温度55℃。
适用于本发明的一些实施方案的玻璃纤维或者纤维玻璃原丝的另外的例子包含玻璃组合物，其包含
B2O3     小于12重量%；
Al2O3    9-15重量%；
MgO      8-15重量%；
CaO      0-4重量%；
SiO2     60-68重量%；
Li2O     >0-2重量%；
Na2O     0-1重量%；
K2O      0-1重量%；
Fe2O3    0-1重量%；
F2       0-1重量%；和
TiO2     0-2重量%；
其中该玻璃表现出介电常数(Dk)小于6.7和在1000泊粘度不大于1370℃的成型温度(TF)，和其中Li2O含量大于Na2O含量或者大于K2O含量。在一些实施方案中，CaO含量是0-1重量%。
适用于本发明的一些实施方案的玻璃纤维或者纤维玻璃原丝的另一例子包含玻璃组合物，其包含
SiO2     60-68重量%；
B2O3     7-12重量%；
Al2O3    9-15重量%；
MgO      8-15重量%；
CaO      0-3重量%；
Li2O     0.4-2重量%；
Na2O     0-1重量%；
K2O      0-1重量%；
Fe2O3    0-1重量%；
F2       0-1重量%；和
TiO2     0-2重量%；
其中该玻璃表现出介电常数(Dk)小于5.9和成型温度(TF)在1000泊粘度不大于1300℃，和其中Li2O含量大于Na2O含量或者大于K2O含量。
适用于本发明的一些实施方案的玻璃纤维或者纤维玻璃原丝的另一例子包含玻璃组合物，其基本组成为
SiO2     60-68重量%；
B2O3     7-11重量%；
Al2O3    9-13重量%；
MgO      8-13重量%；
CaO      0-3重量%；
Li2O     0.4-2重量%；
Na2O     0-1重量%；
K2O      0-1重量%；
(Na2O+K2O+Li2O) 0-2重量%；
Fe2O3    0-1重量%；
F2       0-1重量%；和
TiO2     0-2重量%；
其中Li2O含量大于Na2O含量或者大于K2O含量。在一些实施方案中，CaO含量是0-1重量%。在包含CaO含量为0-1重量%的一些实施方案中，B2O3含量不大于10重量%。
适用于本发明的一些实施方案的玻璃纤维或者纤维玻璃原丝的另一例子包含玻璃组合物，其包含
SiO2     60-68重量%；
B2O3     7-10重量%；
Al2O3    9-15重量%；
MgO      8-15重量%；
CaO      0-4重量%；
Li2O     >0-2重量%；
Na2O     0-1重量%；
K2O      0-1重量%；
Fe2O3    0-1重量%；
F2       0-1重量%；
TiO2     0-2重量%；和
其他组分 0-5重量%；
其中Li2O含量大于Na2O含量或者大于K2O含量。在一些实施方案中，选择所述成分来提供介电常数(Dk)在1MHz频率小于6.7的玻璃。在其他实施方案中，选择所述成分来提供介电常数(Dk)在1MHz频率小于6的玻璃。在仍然的其他实施方案中，选择所述成分来提供介电常数(Dk)在1MHz频率小于5.8的玻璃。在一些实施方案中，选择所述成分来提供介电常数(Dk)在1MHz频率小于5.6的玻璃。
适用于本发明的一些实施方案的玻璃纤维或者纤维玻璃原丝的另一例子包含玻璃组合物，其包含：
SiO2      53.5-77重量%；
B2O3      4.5-14.5重量%；
Al2O3     4.5-18.5重量%；
MgO       4-12.5重量%；
CaO       0-10.5重量%；
Li2O      0-4重量%；
Na2O      0-2重量%；
K2O       0-1重量%；
Fe2O3     0-1重量%；
F2        0-2重量%；
TiO2      0-2重量%；和
其他组分总共 0-5重量%。
适用于本发明的一些实施方案的玻璃纤维或者纤维玻璃原丝的另一例子包含玻璃组合物，其包含：
SiO2      60-77重量%；
B2O3      4.5-14.5重量%；
Al2O3     4.5-18.5重量%；
MgO       8-12.5重量%；
CaO       0-4重量%；
Li2O      0-3重量%；
Na2O      0-2重量%；
K2O       0-1重量%；
Fe2O3     0-1重量%；
F2        0-2重量%；
TiO2      0-2重量%；和
其他组分总共 0-5重量%。
适用于本发明的一些实施方案的玻璃纤维或者纤维玻璃原丝的另一例子包含玻璃组合物，其包含：
SiO2      至少60重量%；
B2O3      5-11重量%；
Al2O3     5-18重量%；
MgO       5-12重量%；
CaO       0-10重量%；
Li2O      0-3重量%；
Na2O      0-2重量%；
K2O       0-1重量%；
Fe2O3     0-1重量%；
F2        0-2重量%；
TiO2      0-2重量%；和
其他组分总共 0-5重量%。
适用于本发明的一些实施方案的玻璃纤维或者纤维玻璃原丝的另一例子包含玻璃组合物，其包含：
SiO2      60-68重量%；
B2O3      5-10重量%；
Al2O3     10-18重量%；
MgO       8-12重量%；
CaO       0-4重量%；
Li2O      0-3重量%；
Na2O      0-2重量%；
K2O       0-1重量%；
Fe2O3     0-1重量%；
F2        0-2重量%；
TiO2      0-2重量%；和
其他组分总共 0-5重量%。
适用于本发明的一些实施方案的玻璃纤维或者纤维玻璃原丝的另一例子包含玻璃组合物，其包含：
SiO2      62-68重量%；
B2O3      7-9重量%；
Al2O3     11-18重量%；
MgO       8-11重量%；
CaO       1-2重量%；
Li2O      1-2重量%；
Na2O      0-0.5重量%；
K2O       0-0.5重量%；
Fe2O3     0-0.5重量%；
F2        0.5-1重量%；
TiO2      0-1重量%；和
其他组分总共 0-5重量%。
适用于本发明的一些实施方案的玻璃纤维或者纤维玻璃原丝的另一例子包含玻璃组合物，其包含：
SiO2   62-68重量%；
B2O3   小于大约9重量%；
Al2O3     10-18重量%；
MgO       8-12重量%；和
CaO       0-4重量%；
其中该玻璃表现出介电常数(Dk)小于6.7和在1000泊粘度不大于1370℃的成型温度(TF)。
适用于本发明的一些实施方案的玻璃纤维或者纤维玻璃原丝的另一例子包含玻璃组合物，其包含：
B2O3      小于14重量%；
Al2O3     9-15重量%；
MgO       8-15重量%；
CaO       0-4重量%；和
SiO2      60-68重量%；
其中该玻璃表现出介电常数(Dk)小于6.7和在1000泊粘度时不大于1370℃的成型温度(TF)。
适用于本发明的一些实施方案的玻璃纤维或者纤维玻璃原丝的另一例子包含玻璃组合物，其包含：
B2O3      小于9重量%；
Al2O3     11-18重量%；
MgO       8-11重量%；
CaO       1-2重量%；和
SiO2      62-68重量%；
其中该玻璃表现出介电常数(Dk)小于6.7和在1000泊粘度时不大于1370℃的成型温度(TF)。
适用于本发明的一些实施方案的玻璃纤维或者纤维玻璃原丝的另一例子包含玻璃组合物，其包含：
SiO2      60-68重量%；
B2O3      7-13重量%；
Al2O3     9-15重量%；
MgO       8-15重量%；
CaO       0-3重量%；
Li2O      0.4-2重量%；
Na2O      0-1重量%；
K2O       0-1重量%；
Fe2O3     0-1重量%；
F2        0-1重量%；和
TiO2      0-2重量%；
其中该玻璃表现出介电常数(Dk)小于5.9和在1000泊粘度时不大于1300℃的成型温度(TF)。
适用于本发明的一些实施方案的玻璃纤维或者纤维玻璃原丝的另一例子包含玻璃组合物，其包含：
SiO2      60-68重量%；
B2O3      7-11重量%；
Al2O3     9-13重量%；
MgO       8-13重量%；
CaO       0-3重量%；
Li2O      0.4-2重量%；
Na2O      0-1重量%；
K2O       0-1重量%；
(Na2O+K2O+Li2O)0-2重量%；
Fe2O3     0-1重量%；
F2        0-1重量%；和
TiO2      0-2重量%。
除了或者代替上述的本发明的特征，一些实施方案的此处所述的玻璃组合物可以用于提供耗散系数(Df)低于标准的电子E-玻璃的玻璃。在一些实施方案中，DF在1GHz时可以不大于0.0150，和在其他实施方案中在1GHz时不大于0.0100。
在一些实施方案的玻璃组合物中，DF在1GHz时不大于0.007，和在其他实施方案中在1GHz时不大于0.003，和在仍然的其他实施方案中在1GHz时不大于0.002。
在一些实施方案中，能够用于玻璃纤维或者纤维玻璃原丝中的玻璃组合物的特征在于相对低含量的CaO，例如处于大约0-4重量%。在仍然的其他实施方案中，CaO含量可以处于大约0-3重量%。在仍然的其他实施方案中，CaO含量可以处于大约0-2重量%。通常，使得CaO含量最小化产生了电性能的改进，并且CaO含量在一些实施方案中已经降低到这样低的水平，以至于它可以被认为是任选的成分。在一些其他实施方案中，CaO含量可以处于大约1-2重量%。
另一方面，这种类型的玻璃的MgO含量是相对高的，其中在一些实施方案中，MgO含量是CaO含量的双倍(基于重量%)。一些实施方案的MgO含量可以大于大约5.0重量%，和在其他实施方案中MgO含量可以大于8.0重量%。在一些实施方案中，组合物特征在于MgO含量例如处于大约8-13重量%。在仍然的其他实施方案中，MgO含量可以处于大约9-12重量%。在一些其他实施方案中，MgO含量可以处于大约8-12重量%。在仍然的一些其他实施方案中，MgO含量可以处于大约8-10重量%。
在一些实施方案中，能够用于玻璃纤维或者纤维玻璃原丝中的组合物的特征在于(MgO+CaO)含量，其例如小于16重量%。在仍然的其他实施方案中，(MgO+CaO)含量小于13重量%。在一些其他实施方案中，(MgO+CaO)含量是7-16重量%。在仍然的一些其他实施方案中，(MgO+CaO)含量可以处于大约10-13重量%。
在仍然的一些其他实施方案，该组合物的特征可以在于(MgO+CaO)/(Li2O+Na2O+K2O)含量比处于大约9.0。在某些实施方案中，Li2O/(MgO+CaO)含量比可以处于大约0-2.0。在仍然的一些其他实施方案中，Li2O/(MgO+CaO)含量比可以处于大约1-2.0。在某些实施方案中，Li2O/(MgO+CaO)含量比可以处于大约1.0。
在一些其他实施方案中，(SiO2+B2O3)含量可以处于70-76重量%。在仍然的其他实施方案中，(SiO2+B2O3)含量可以处于70重量%。在其他实施方案中，(SiO2+B2O3)含量可以处于73重量%。在仍然的其他实施方案中，Al2O3的重量%与B2O3的重量%之比处于1-3。在一些其他实施方案中，Al2O3的重量%与B2O3的重量%之比处于1.5-2.5。在某些实施方案中，SiO2含量处于65-68重量%。
如上所述，现有技术的一些低Dk组合物具有需要包括大量的BaO的缺点，并且要注意的是，在本发明所用的一些实施方案的玻璃组合物中不需要BaO。虽然本发明有利的电和制造性能不排除BaO的存在，但是缺少有意包括的BaO可以被认为是本发明的一些实施方案的另一优点。因此，本发明的实施方案的特征可以在于存在小于1.0重量%的BaO。在其中仅仅存在痕量的杂质量的那些实施方案中，BaO含量可以表征为不大于0.05重量%。
能够用于本发明一些实施方案中的组合物包括这样的B2O3，其量小于现有技术的方案(其依赖高B2O3来实现低Dk)。这导致了明显的成本节约。在一些实施方案中，B2O3含量需要不大于13重量%或者不大于12重量%。本发明的一些实施方案还落入电子E-玻璃的ASTM定义中，即，不大于10重量%的B2O3。
在一些实施方案中，所述组合物的特征在于B2O3含量例如处于大约5-11重量%。在一些实施方案中，B2O3含量可以是6-11重量%。B2O3含量在一些实施方案中可以是6-9重量%。在一些实施方案中，B2O3含量可以是5-10重量%。在一些其他实施方案中，B2O3含量不大于9重量%。在仍然的一些其他实施方案中，B2O3含量不大于8重量%。
在一些实施方案中，能够用于本发明的一些实施方案中的组合物的特征在于Al2O3含量例如处于大约5-18重量%。Al2O3含量在一些实施方案中可以是9-18重量%。在仍然的其他实施方案中，Al2O3含量是大约10-18重量%。在一些其他实施方案中，Al2O3含量是大约10-16重量%。在仍然的一些其他实施方案中，Al2O3含量是大约10-14重量%。在某些实施方案中，Al2O3含量是大约11-14重量%。
在一些实施方案中，Li2O是任选的成分。在一些实施方案中，所述组合物的特征在于Li2O含量例如处于大约0.4-2.0重量%。在一些实施方案中，Li2O含量大于(Na2O+K2O)含量。在一些实施方案中，(Li2O+Na2O+K2O)含量不大于2重量%。在一些实施方案中，(Li2O+Na2O+K2O)含量处于大约1-2重量%。
在某些实施方案中，本发明的组合物特征在于TiO2含量例如是大约0-1重量%。
在上述组合物的一些实施方案中，所述成分是成比例的，来产生介电常数低于标准E-玻璃的玻璃。相对于用于相当的标准电子E-玻璃，这在1MHz频率可以小于大约6.7。在其他实施方案中，介电常数(Dk)在1MHz频率可以小于6。在其他实施方案中，介电常数(Dk)在1MHz频率可以小于5.8。另外的实施方案表现出介电常数(Dk)在1MHz频率小于5.6或者甚至更低。在其他实施方案中，介电常数(Dk)在1MHz频率可以小于5.4。在仍然的其他实施方案中，介电常数(Dk)在1MHz频率可以小于5.2。在仍然的其他实施方案中，介电常数(Dk)在1MHz频率可以小于5.0。
上述组合物还可以具有有益于玻璃纤维的实际的商业制造的令人期望的温度-粘度关系。与现有技术的D-玻璃类型的组合物相比，通常需要较低的温度来制造纤维。该令人期望的特性可以通过多种方式来表达，并且它们可以通过此处所述的一些实施方案的组合物单个的或者组合的来获得。例如，可以制造处于上述范围内的某些玻璃组合物，其表现出在1000泊粘度不大于1370℃的成型温度(TF)。一些实施方案的TF不大于1320℃或者不大于1300℃或者不大于1290℃或者不大于1260℃或者不大于1250℃。这些组合物还可以包括玻璃，在其中成型温度和液相线温度(TL)之间的差为正的，和在一些实施方案中，成型温度至少比液相线温度高55℃，这有利于由这些玻璃组合物来商业制造纤维。
通常，将用于形成玻璃纤维或者纤维玻璃原丝的玻璃组合物的碱性氧化物的含量最小化能够帮助降低Dk。在其中期望对Dk降低进行优化的那些实施方案中，总碱性氧化物的含量可以不大于玻璃组合物的2重量%。在一些实施方案中，已经发现在这一点上，将Na2O和K2O最小化比Li2O更有效。碱性氧化物的存在通常导致降低了成型温度。所以，在本发明的其中优先提供相对低的成型温度的那些实施方案中，所包括的Li2O是明显量的，例如至少0.4重量%。为此目的，在一些实施方案中，Li2O含量大于Na2O或者大于K2O含量，和在其他实施方案中，Li2O含量大于Na2O和K2O含量之和，在一些实施方案中，是它们的两倍或者更多倍。
在一些实施方案中，一个有利的方面是依靠纤维玻璃工业中标准的成分，并且避免大量的它的原材料源很昂贵的成分。对于这个方面，可以包括除了玻璃的成分定义中明确给出的那些之外的成分(即使它们不是必需的)，但是总量要不大于5重量%。这些任选的成分包括熔融助剂、澄清剂、着色剂、痕量杂质和玻璃制造领域技术人员已知的其他添加剂。相对于一些现有技术的低Dk玻璃，在本发明的组合物中BaO不是必需的，但是不排除可以包括少量的BaO(例如高到大约1重量%)。同样，在本发明中大量的ZnO不是必需的，但是在一些实施方案中也可以包括少量(例如高到大约2.0重量%)。在其中任选的成分最少的本发明的那些实施方案中，任选的成分总量不大于2重量%或者不大于1重量%。可选择的，本发明的一些实施方案可以据称基本上由所述的成分组成。
批次成分和它们的成本的选择主要取决于它们的纯度要求。典型的市售成分(例如用于制造E-玻璃的成分)包含处于不同化学形式的Na2O、K2O、Fe2O3或者FeO、SrO、F2、TiO2、SO3等杂质。来自这些杂质的大部分阳离子将通过与玻璃中的SiO2和/或B2O3形成非桥连性氧，而提高玻璃的Dk。
硫酸盐(以SO3表示)也可以作为精炼剂而存在。少量的杂质也可以来自原材料或者来自于熔融加工过程中的污染物，例如SrO、BaO、Cl2、P2O5、Cr2O3或者NiO(不限于这些具体的化学品形式)而存在。其他精炼剂和/或加工助剂也可以存在例如As2O3、MnO、MnO2、Sb2O3或者SnO2(不限于这些具体的化学品形式)。这些杂质和精炼剂在存在时每个典型的存在量小于总玻璃组合物的0.5重量%。任选的，元素周期表的稀土元素族的元素可以加入到本发明的组合物，包括原子数21(Sc)、39(Y)和57(La)-71(Lu)。它们可以充当加工助剂或者用于改进玻璃的电、物理(热学和光学)、机械和化学性能。该稀土添加剂可以以初始的化学形式和氧化态来包括。加入稀土元素被认为是任选的，特别是在本发明的具有使得原材料的成本最小化目标的那些实施方案中更是如此，这是因为它们将提高批次成本，甚至在低浓度时也是如此。在任何情况中，它们的成本典型的将规定稀土组分(作为氧化物来度量)在包括时，其存在量不大于总玻璃组合物的大约0.1-1.0重量%
玻璃纤维、纤维玻璃原丝和混入了这样的纤维或者原丝的其他产品在一些实施方案中会表现出令人期望的机械性能，特别是与E-玻璃纤维、由E-玻璃形成的纤维玻璃原丝、和相关产品相比时更是如此。在本发明的一些实施方案的复合材料(或者混入了复合材料的板)中，这样的机械性能是有益的。例如特别是当与E-玻璃纤维相比，一些实施方案的玻璃纤维会具有相对高的比强度或者相对高的比模量。比强度指的是拉伸强度(N/m2)除以比重量(N/m3)。比模量指的是杨氏模量(N/m2)除以比重量(N/m3)。具有相对高的比强度和/或相对高的比模量的玻璃纤维在防弹或者防冲击应用中会是令人期望的，这里期望的是提高机械性能或者产品性能，同时降低复合材料的整体重量。
作为本领域中已知的，在形成后，玻璃纤维典型的至少部分地涂覆有施胶组合物。通常，用于形成本发明的复合材料的玻璃纤维将至少部分地涂覆有施胶组合物。本领域技术人员能够基于许多因素来选择许多市售的施胶组合物中的一种用于玻璃纤维，所述的因素包括例如施胶组合物的使用性能、所形成的织物期望的挠性、成本和其他因素。能够用于本发明的一些实施方案中的市售的施胶组合物非限定性的例子包括经常用于单端粗纱的施胶组合物，例如Hybon2026、Hybon2002、Hybon1383、Hybon2006、Hybon2022、Hybon2032和Hybon2016、TufRov4588，以及经常用于纱线上的施胶组合物，例如1383、611、900、610和690，其每个指的是用于市售自PPG Industries，Inc.的产品的施胶组合物。对于用于增强聚二环戊二烯树脂中的玻璃纤维来说，合适的施胶组合物可以包括Hybon2026或者美国专利No.6890050中所述的那些施胶组合物，其在此引入作为参考。
如上所述，在一些实施方案中，本发明的复合材料可以包含多个玻璃纤维排布形成织物。可以使用本领域技术人员已知的用于防弹应用的任何合适的织物设计。合适的织物可以包括使用标准纺织设备(例如刺射(rapier)、发射或者空气喷射织布机)所生产的织物。这样的织物非限定性的例子包括平织、斜纹、网纹和缎织。缝编或者非压接织物也可以用于本发明的一些实施方案中。这样的织物可以包括例如单向的、双向的和三向的非压接织物。另外，3D机织织物也可以用于本发明的一些实施方案中。这样的织物可以使用多层经线端来生产，具有梭道，使用多臂机或者提花机头。
如上所述，本发明的复合材料可以包含经线和纬线纱线。可以使用本领域技术人员已知的用于防弹应用的任何合适的经线和纬线纱线。在一些实施方案中，例如经纱可以包含通过将来自G75纱线、DE75纱线和/或DE150纱线的几个端聚集在一起来生产的250产量合股的粗纱。
如上所述，在一些实施方案中，本发明的复合材料可以包含聚合物树脂。可以使用多种聚合物树脂。已知的能够用于高能冲击应用例如防弹或者防爆应用的聚合物树脂在一些实施方案中会是特别有用的。在一些实施方案中，该聚合物树脂可以包含热固性树脂。在本发明的一些实施方案中有用的热固性树脂体系可以包括但不限于环氧树脂体系，酚基树脂，聚酯，乙烯基酯，热固性聚氨酯，聚二环戊二烯(pDCPD)树脂，氰酸酯和双马来酰亚胺。在一些实施方案中，该聚合物树脂可以包含环氧树脂。在一些实施方案中，该聚合物树脂可以包含聚二环戊二烯树脂。在其他实施方案中，该聚合物树脂可以包含热塑性树脂。在本发明的一些实施方案中有用的热塑性聚合物包括但不限于聚乙烯，聚丙烯，聚酰胺(包括尼龙)，聚对苯二甲酸丁二醇酯，聚碳酸酯和热塑性聚氨酯(TPU)。在本发明的一些实施方案中有用的市售聚合物树脂非限定性的例子包括带有1366固化剂的Hexion RIMR135环氧树脂(获自俄亥俄州哥伦布的Hexion Specialty Chemicals)和Applied Poleramic MMFCS2EPOXY树脂(获自加利福尼亚Benicia的Applied Poleramic，Inc.)。在本发明的一些实施方案中有用的二环戊二烯树脂以及催化剂和/或用于固化所述树脂的其他材料是市售自Pasadena，CA的Materia，Inc.。
实施例
现在将在下面的具体的、非限定性实施例中说明本发明的一些示例性实施方案。
实施例1
在本发明的一些实施方案中有用的玻璃纤维的物理性能是在受控的加工条件下测量的，并且列于表1中。包括了标准的E-玻璃纤维的物理性能作为参考。表1中的“比模量”是杨氏模量(N/m2)除以比重量(N/m3)，其是在296±2K(23±2°C)的温度和50±5%的相对湿度测量的。表1中的“比拉伸强度”是最终的拉伸强度(N/m2)除以比重量(N/m3)，其是在296±2K(23±2°C)的温度测量的。单个纤维拉伸强度是使用基于ASTM D3379-75(1989)e1“Standard Test Method for TensileStrength and Young’s Modulus for High-Modulus Single-FilamentMaterials”的程序来测量的，其是本领域技术人员所理解的。该测试包括测量/断裂在同一天的4小时内制造的65-72个单纤维。如x射线荧光光谱所测量的，表1的样品1的玻璃纤维包含含有下面的组分的玻璃组合物：
SiO2     65.80重量%；
B2O3     8.90重量%；
Al2O3    12.35重量%；
MgO      10.27重量%；
CaO      1.52重量%；
Na2O     0.27重量%；
K2O      0.13重量%；
Fe2O3    0.17重量%；
F2       0.35重量%；
TiO2     0.14重量%；
SrO      0.02重量%；
SO3      0.00重量%
ZrO      0.06重量%；和
Cr2O3    0.01重量%。
表1.E-玻璃和在本发明的一些实施方案中有用的玻璃组合物的性能比较。
E-玻璃 样品1
成型温度，TF(°C) 1157 1290
液相线温度，TL(°C) 1056 1220
TF-TL(°C) 101 70
折射率 1.563 1.510
纤维密度(g/cm3) 2.59 2.41
纤维拉伸强度(MPa) 3221 3533
纤维模量(GPa) 73 71.6
失效应变(%) 4.12 5.16
比拉伸强度(10-3m) 118.51 156.13
比模量(10-6m) 2.87 3.03
实施例2
为了评估本发明的一些复合材料的强度，在刺射织布机上生产在本发明的一些实施方案中有用的8oz/yd2单向织物，并且用高模量环氧树脂(Hexion RIMR135)灌注，用于机械性能表征。该织物包含用淀粉-油施胶组合物胶结的E-225纱线，并且该纱线包含玻璃纤维，其包含表1的样品的玻璃组合物。还用E-玻璃输入生产了等价的单向织物和复合材料作为对照物。使用真空辅助的树脂灌注技术来制造该包含单向织物的复合材料。为了制造复合材料，将细丝卷绕的单向纤维预成型品切割成期望的尺寸，并且置于有机硅释放处理的玻璃桌上。该堆叠体然后可以用剥离片层覆盖，安装流动增强介质，和使用尼龙装袋膜来真空装袋。接着，所谓的“预成型品”受到大约27英寸Hg的真空压力。另外地，将胺可固化环氧树脂与胺固化剂以树脂制造商推荐的比例混合。该合并的树脂然后可以在真空室脱气30分钟，并且灌注穿过织物预成品，直到实现织物堆叠体的基本上完全的浸湿。在这时，所述的桌子覆盖有加热气氛(设定为大约45-50℃的温度)12小时。然后所得刚性复合材料可以脱模，并且在可编程的对流炉中，在大约176℉后固化5小时。
本发明的复合材料和E-玻璃复合材料对照物的一些测量的机械性能表示在下表2中。在适当之处，还列出了用于每个机械性能的相关标准ISO方法。每个这些标准方法的整体在此引入作为参考。表2表示了在等价的纤维重量分数时，与市售的E-玻璃纤维复合材料相比，本发明的复合材料拉伸性能的提高。
表2.E-玻璃复合材料和本发明的复合材料的性能比较。
ISO方法 E-玻璃 样品2
拉伸强度
平均(MPa) ISO527 350.4 390
COV(%) -- 4.34 3.08
比重 -- 1.78 1.73
平均玻璃含量(%) ISO1172 63.65 62.89
平均树脂含量(%) ISO1172 36.35 37.11
平均空隙含量(%) -- 0 1.71
平均板厚度(mm) -- 0.796 0.816
实施例3
不同的复合材料的防弹性能是通过生产和测试处于在不同的面密度的板来评估的。作为参照，参照板是用来自AGY(Aiken，SouthCarolina)的标准S-2
Figure BDA00003039539000321
(24oz/yd2)机织粗纱和用来自PPGIndustries，Inc的Hybon2006(25oz/yd2)E-玻璃机织粗纱来制造的。用于该参照板的对照聚合物树脂基质材料是来自AppliedPoleramic(Benicia，加利福尼亚)的MMFCS2EPOXY树脂。该参照板是通过在不同的面密度下对0.30口径FSP来筛选的。6点射击极限(V50)是根据MIL-STD-662F来计算的。另外，在两个代表性的参照板上进行损坏分析，来确定射击事件造成的损坏的程度。对于这个分析来说，使用图像分析软件测量了在高亮度光下所观察的板中的6个最大的损坏图案，并且计算了平均损坏区。
为了与包含S-2
Figure BDA00003039539000322
和E-玻璃的参照板进行比较，如下来制备本发明的示例性复合材料。在本发明中有用的玻璃纤维的粗纱是使用大理石熔融纤维生产技术来形成的。生产了固定数目的小G150形成饼，随后加捻和合股、成250产量纤维玻璃粗纱。该粗纱包含用1383施胶组合物处理过的，名义直径为大约9μm的玻璃纤维。该粗纱然后在刺射织布机上机织成25oz/yd2平织织物(5.0ppi x5.3ppi，其中ppi=每英寸的纬纱)。包含本发明的复合材料的板是经由树脂灌注，使用来自Applied Poleramic(Benicia，加利福尼亚)的基准环氧树脂MMFCS2EPOXY在2lb/ft2和5lb/ft2来生产的，用于分别对0.30口径FSP和0.50口径FSP来防弹筛选。所述板的物理特性和防弹性能提供在下表3中。表4提供了包含本发明的复合材料的板与包含含有E-玻璃和S-2
Figure BDA00003039539000331
的复合材料的板的防弹性能比较。表3和4表明与处于相当的面密度的包含E-玻璃的板相比，包含本发明的复合材料的板出人意料的显示出防弹性能相当大的提高，并且也没有被包含昂贵的S-2
Figure BDA00003039539000332
的板的表现超过。另外，所观察的包含本发明的复合材料的板上的损坏与包含S-2
Figure BDA00003039539000334
的板所计算的损坏程度相当，而包含E-玻璃的板表现出较少的损坏。
表3.包含本发明的复合材料的板的物理特性和防弹性能。
Figure BDA00003039539000333
Figure BDA00003039539000341
表4.包含本发明的复合材料的板(1-8)与包含S-2和E-玻璃的板(9-19)的防弹性能比较。
Figure BDA00003039539000343
实施例4
评价了其他复合材料对National Institute of Justice(NIJ)标准0108.01的防弹性能。作为参照，参照板是用来自PPGIndustries，Inc的Hybon2006(24oz/yd2)E-玻璃机织粗纱来制造的。用于该参照板的对照聚合物树脂基质材料是来自AppliedPoleramic(Benicia，加利福尼亚)的MMFCS2EPOXY。
为了与包含E-玻璃的参照板进行比较，如下来制备了本发明的示例性复合材料。在本发明中有用的玻璃纤维的粗纱是使用直接熔融纤维生产炉来形成的。生产了固定数目的小DE150形成饼，随后加捻和合股成250产量纤维玻璃粗纱。该粗纱包含用1383施胶组合物处理过的，名义直径为大约6.5μm的玻璃纤维。该粗纱然后在刺射织布机上机织成24oz/yd2平织织物(5.0ppi x5.3ppi，其中ppi=每英寸的纬纱)。包含本发明的复合材料的板是经由树脂灌注，使用来自AppliedPoleramic(Benicia，加利福尼亚)的基准环氧树脂MMFCS2EPOXY来生产的。
用.44mag240SWCGC射弹对该复合材料进行测试。NIJ标准0108.01测试结果汇总在下表5中。
表5.包含本发明的复合材料的板的物理特性和防弹性能。
板 胶结 层数 树脂 面密度(lb/ft2) V50
本发明 1383 22 MMFCS2 5.29 1857
本发明 1383 20 MMFCS2 4.39 1580
E-玻璃 2006 22 MMFCS2 5.46 1648
E-玻璃 2006 20 MMFCS2 5.01 1529
表5表明与由E-玻璃形成的板相比，包含本发明的复合材料的板在相等的面密度时产生了更高的V50或者在较低的面密度时产生了相等的V50。
实施例5
这个实施例的玻璃是通过将粉末形式的反应试剂等级的化学品的混合物在1500°C-1550°C(2732°F-2822°F)温度的10%Rh/Pt坩埚中熔融4小时来制造的。每个批次是大约1200g。在4小时的熔融期之后，将该熔融的玻璃倾倒到用于淬火的钢板上。为了补偿B2O3的挥发损失(在实验室批次熔融条件中，对于1200g的批次规模来说，典型的损失了总目标B2O3浓度的大约5%)，将批次计算中的硼保留因子设定在95%。没有调整批次料中的其他挥发性物质例如氟化物和碱性氧化物它们的排放损失，这是因为它们在玻璃中是低浓度的。实施例中的组合物代表了类批次组合物。因为试剂化学品被用于制备具有充分调整的B2O3的玻璃，因此所示的类批次组合物被认为是接近于所测量的组合物。
作为温度和液相线温度的函数的熔体粘度是分别使用ASTM测试方法C965“Standard Practice for Measuring Viscosity of GlassAbove the Softening Point”和C829“Standard Practices forMeasurement of Liquidus Temperature of Glass by the GradientFurnace Method”来测量的。
将每个40mm直径和1-1.5mm厚度的玻璃样品的抛光盘用于电性能和机械性能测量，其是由退火玻璃制成的。每个玻璃的介电常数(Dk)和耗散系数(Df)是从1MHz到1GHz，通过ASTM测试方法D150“StandardTest Methods for A-C Loss Characteristics andPermittivity(Dielectric Constant)of Solid ElectricalInsulating Materials”来测量的。根据该程序，将全部的样品在25℃，在50%的湿度下预调节40小时。使用ASTM测试方法C729“StandardTest Method for Density of Glass by the Sink-Float Comparator”，对玻璃密度进行了选择性测试，对于其来说，全部的样品是退火的。
对于选择的组合物来说，使用微压痕方法来测量了杨氏模量(在压痕机的未负荷循环中，来自压痕负荷-压痕深度的曲线初始斜率)，和微硬度(来自最大压痕负荷和最大压痕深度)。对于该测试来说，使用了相同的圆盘样品，其已经测试了Dk和Df。进行了5个压痕测量来获得平均杨氏模量和微硬度数据。该微压痕设备是使用产品名称为BK7的商业标准参照玻璃块来校正的。该参照玻璃的杨氏模量是90.1Gpa(一标准偏差为0.26Gpa)和微硬度是4.1Gpa(一标准偏差为0.02Gpa)，其全部基于5次测量。
实施例中全部的组分值为以重量%来表示的。在下表中，“E”指的是杨氏模量；“H”指的是微硬度；σf指的是细丝强度；和“Std”指的是标准偏差。
表6组合物
样品1-8提供了玻璃组合物(表6)，单位为重量%：SiO262.5-67.5%，B2O38.4-9.4%，Al2O310.3-16.0%，MgO6.5-11.1%，CaO1.5-5.2%，Li2O1.0%，Na2O0.0%，K2O0.8%，Fe2O30.2-0.8%，F20.0%，TiO20.0%和硫酸盐(以SO3表示)0.0%。
已经发现所述玻璃在1MHz频率时Dk是5.44-5.67和Df是0.0006-0.0031，和在1GHz频率时Dk是5.47-6.67和Df是0.0048-0.0077。在III系列中所述组合物的电性能表现为明显低于标准的E-玻璃(即，改进的)Dk和Df，该标准E-玻璃在1MHz时的Dk是7.29和Df是0.003，和在1GHz时Dk是7.14和Df是0.0168。
在纤维成型性能方面，表6的组合物的成型温度(TF)是1300-1372℃和成型窗口(TF-TL)是89-222℃。这可以与标准的E-玻璃(其TF典型的是1170-1215℃)相当。为了防止在纤维成型中玻璃失透，大于55℃的成型窗口(TF-TL)是令人期望的。表6中全部的组合物表现出令人满意的成型窗口。虽然表6的组合物具有比E-玻璃更高的成型温度，但是它们具有明显低于D-玻璃(典型的大约1410℃)的成型温度。
表6.在本发明的一些实施方案中有用的一些玻璃组合物。
Figure BDA00003039539000371
Figure BDA00003039539000381
表7组合物
样品9-15提供了玻璃组合物：SiO260.8-68.0%，B2O38.6和11.0%，Al2O38.7-12.2%，MgO9.5-12.5%，CaO1.0-3.0%，Li2O0.5-1.5%，Na2O0.5%，K2O0.8%，Fe2O30.4%，F20.3%，TiO20.2%和硫酸盐(以SO3表示)0.0%。
已经发现所述玻璃在1MHz频率时Dk是5.55-5.95和Df是0.0002-0.0013，和在1GHz频率时Dk是5.54-5.94和Df是0.0040-0.0058。表7中组合物的电性能表现为明显低于标准的E-玻璃(即，改进的)Dk和Df，该标准E-玻璃在1MHz时的Dk是7.29和Df是0.003，和在1GHz时Dk是7.14和Df是0.0168。
在机械性能方面，表7的组合物的杨氏模量是86.5-91.5GPa和微硬度是4.0-4.2GPa，二者都等于或者高于标准E玻璃(其杨氏模量是85.9GPa和微硬度是3.8Gpa)。表7的组合物的杨氏模量也明显高于D-玻璃(其基于文献数据是大约55Gpa)。
在纤维成型性能方面，表7的组合物的成型温度(TF)是1224-1365℃和成型窗口(TF-TL)是6-105℃，这可以与标准的E-玻璃(其TF典型的是1170-1215℃)相当。一些但非全部的表7的组合物的形成窗(TF-TL)大于55°C，其被认为在商业纤维成型操作中，为了避免玻璃失透的一些情形中是优选的。表7组合物的成型温度低于D-玻璃的那些(1410°C)，但高于E-玻璃。
表7.在本发明的一些实施方案中有用的一些玻璃组合物。
Figure BDA00003039539000391
表8.在本发明的一些实施方案中有用的一些玻璃组合物。
样品： 16 17 18 19 20
Al2O3 10.37 11.58 8.41 11.58 12.05
B2O3 8.71 10.93 10.66 8.98 8.69
CaO 2.01 2.63 3.02 1.78 2.12
F2 0.32 0.30 0.30 0.30 0.30
Fe2O3 0.40 0.27 0.27 0.27 0.27
K2O 0.79 0.25 0.25 0.16 0.10
Li2O 0.50 1.21 1.53 0.59 1.40
MgO 11.06 10.04 9.65 11.65 10.57
Na2O 0.52 0.25 0.57 0.35 0.15
SiO2 65.13 62.55 65.35 64.35 64.35
TiO2 0.20 0.00 0.00 0.00 0.00
总计 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00
Dk，1MHz 5.43 5.57 5.30 5.42
Dk，1GHz 5.33 5.48 5.22 5.33
Df，1MHz 0.0057 0.0033 0.0031 0.0051
Df，1GHz 0.0003 0.0001 0.0008 0.0014
TL(°C) 1231 1161 1196 1254 1193
TF(°C) 1327 1262 1254 1312 1299
TF-TL(°C) 96 101 58 58 106
TM(°C) 1703 1592 1641 1634 1633
E(GPa) 85.3 86.1 85.7 91.8 89.5
Std E(GPa) 0.4 0.6 2.5 1.7 1.5
H(GPa) 3.99 4.00 4.03 4.22 4.13
Std H(GPa) 0.01 0.02 0.09 0.08 0.05
表8(续).
Figure BDA00003039539000411
表9.在本发明的一些实施方案中有用的一些玻璃组合物。
样品： 27 28 E-玻璃
Al2O3 12.42 12.57 13.98
B2O3 9.59 8.59 5.91
CaO 0.11 0.10 22.95
F2 0.35 0.26 0.71
Fe2O3 0.21 0.21 0.36
K2O 0.18 0.18 0.11
Li2O 0.80 1.01 0
MgO 10.25 10.41 0.74
Na2O 0.15 0.18 0.89
SiO2 65.47 65.96 54.15
TiO2 0.17 0.17 0.07
Dk，1MHz 5.3 5.4 7.3
Dk，1GHz 5.3 5.4 7.1
Df，1MHz 0.003 0.008
Df，1GHz 0.011 0.012 0.0168
TL(°C) 1184 1201 1079
TF(°C) 1269 1282 1173
TF-TL(°C) 85 81 94
E(GPa)
H(GPa) 3.195 3.694
样品29-62提供了玻璃组合物(表10)，重量%：SiO253.74-76.97%，B2O34.47-14.28%，Al2O34.63-15.44%，MgO4.20-12.16%，CaO1.04-10.15%，Li2O0.0-3.2%，Na2O0.0-1.61%，K2O0.01-0.05%，Fe2O30.06-0.35%，F20.49-1.48%，TiO20.05-0.65%和硫酸盐(以SO3表示)0.0-0.16%。
样品29-62提供了玻璃组合物(表10)，重量%，其中(MgO+CaO)含量是7.81-16.00%，CaO/MgO比率是0.09-1.74%，(SiO2+B2O3)含量是67.68-81.44%，Al2O3/B2O3比率是0.90-1.71%，(Li2O+Na2O+K2O)含量是0.03-3.38%，和Li2O/(Li2O+Na2O+K2O)比率是0.00-0.95%。
在机械性能方面，表10的组合物的纤维密度是2.331-2.416g/cm3和平均纤维拉伸强度(或者纤维强度)是3050-3578MPa。
为了测量纤维拉伸强度，来自玻璃组合物的纤维样品是从10Rh/90Pt单尖纤维拉伸装置中生产的。将大约85g的给定组合物的碎玻璃供给到轴衬熔融装置中，并且在接近或者等于100泊熔体粘度的温度调节2小时。该熔体随后降低到接近或者等于1000泊熔体粘度的温度，并且在纤维拉伸之前稳定1小时。通过控制纤维拉伸络丝机的速度来控制纤维直径来生产大约10μm的直径纤维。全部纤维样品被俘获在空气中，而没有与外部物体的任何接触。纤维拉伸是湿度控制在40-45%的RH的房间内完成的。
纤维拉伸强度是使用装备有Kawabata型C负荷元件的KawabataKES-G1(Kato Tech Co.Ltd.，日本)拉伸强度分析仪来测量的。使用树脂粘接剂将纤维样品安装到纸成帧条上。将拉伸力施加到纤维上直到失效，由此基于纤维直径和断裂应力来测量纤维强度。该测试是在室温和40-45%的RH的受控湿度下进行的。对于每个组合物来说，基于65-72个纤维的样品尺寸来计算平均值和标准偏差。
已经发现在1GHz所述玻璃的Dk是4.83-5.67和Df是0.003-0.007。表10中组合物的电性能表现为明显低于标准的E-玻璃(即，改进的)Dk和Df，该标准E-玻璃在1GHz时Dk是7.14和Df是0.0168。
在纤维成型性能方面，表10的组合物的成型温度(TF)是1247-1439℃和成型窗口(TF-TL)是53-243℃。表10的组合物的液相线温度(TL)是1058-1279°C。这可以与标准的E-玻璃(其TF典型的是1170-1215℃)相当。为了防止在纤维成型中玻璃失透，有时候期望的是大于55℃的成型窗口(TF-TL)。表10中全部的组合物表现出令人满意的成型窗口。
表10.在本发明的一些实施方案中有用的一些玻璃组合物。
wt% 29 30 31 32 33
SiO2 64.24 58.62 57.83 61.00 61.56
Al2O3 11.54 12.90 12.86 12.87 12.82
Fe2O3 0.28 0.33 0.33 0.33 0.32
CaO 1.70 1.04 2.48 2.48 1.08
MgO 11.69 11.63 12.16 9.31 10.69
Na2O 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00
K2O 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03
B2O3 8.96 14.28 13.15 12.81 12.30
F2 0.53 0.62 0.61 0.61 0.65
TiO2 0.40 0.54 0.54 0.54 0.54
Li2O 0.60 0.00 0.00 0.00 0.00
SO3 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01
总计 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00
(MgO+CaO) 13.39 12.67 14.64 11.79 11.77
CaO/Mg 0.15 0.09 0.20 0.27 0.10
MgO/(MgO+CaO) 0.87 0.92 0.83 0.79 0.91
SiO2+B2O3 73.20 72.90 70.98 73.81 73.86
Al2O3/B2O3 1.29 0.90 0.98 1.00 1.04
(Li2O+Na2O+K2O) 0.64 0.03 0.03 0.03 0.03
Li2O/(Li2O+Na2O+K2O) 0.94 0.00 0.00 0.00 0.00
TL(°C) 1196 1228 1205 1180 1249
TF(°C) 1331 1300 1258 1334 1332
TF-TL(°C) 135 72 53 154 83
Dk1GHz 5.26 *** *** 5.30 ***
Df1GHz 0.0017 *** *** 0.001 ***
纤维密度(g/cm3) *** *** *** *** ***
纤维强度(MPa) *** *** *** *** ***
表10(续)
wt% 34 35 36 37 38
SiO2 63.83 65.21 66.70 60.02 53.74
Al2O3 10.97 10.56 10.11 12.32 15.44
Fe2O3 0.26 0.25 0.24 0.29 0.24
CaO 2.38 2.29 2.19 4.01 3.83
MgO 10.64 10.23 9.79 9.95 10.53
Na2O 0.29 0.28 0.27 0.33 0.09
K2O 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03
B2O3 9.32 8.96 8.57 10.48 13.94
F2 1.20 1.16 1.11 1.35 1.48
TiO2 0.36 0.35 0.33 0.41 0.65
Li2O 0.70 0.67 0.64 0.79 0.02
SO3 0.14 0.14 0.13 0.16 0.14
总计 100.13 100.13 100.12 100.15 100.13
(MgO+CaO) 13.02 12.52 11.98 13.96 14.36
CaO/MgO 0.22 0.22 0.22 0.40 0.36
MgO/(MgO+CaO) 0.82 0.82 0.82 0.71 0.73
SiO2+B2O3 73.15 74.17 75.27 70.50 67.68
Al2O3/B2O3 1.18 1.18 1.18 1.18 1.11
(Li2O+Na2O+K2O) 1.02 0.98 0.94 1.15 0.14
Li2O/(Li2O+Na2O+K2O) 0.69 0.68 0.68 0.69 0.16
TL(°C) 1255 1267 1279 1058 1175
TF(°C) 1313 1320 1333 1266 1247
TF-TL(°C) 58 53 54 208 72
Dk1GHz *** 5.46 5.43 5.56 5.57
Df1GHz *** 0.0036 0.0020 0.0025 0.00437
纤维密度(g/cm3) 2.402 2.408 2.352 2.416 ***
纤维强度(MPa) 3310 3354 3369 3413 ***
表10(续)
wt% 39 40 41 42 43
SiO2 62.54 63.83 65.21 66.70 59.60
Al2O3 11.36 10.97 10.56 10.11 13.52
Fe2O3 0.27 0.26 0.25 0.24 0.33
CaO 2.47 2.38 2.29 2.19 1.80
MgO 11.02 10.64 10.23 9.79 9.77
Na2O 0.31 0.29 0.28 0.27 0.10
K2O 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03
B2O3 9.65 9.32 8.96 8.57 12.70
F2 1.25 1.20 1.16 1.11 1.21
TiO2 0.37 0.36 0.35 0.33 0.51
Li2O 0.73 0.70 0.67 0.64 0.41
SO3 0.15 0.14 0.14 0.13 0.15
总计 100.14 100.13 100.13 100.12 100.14
(MgO+CaO) 13.49 13.02 12.52 11.98 11.57
CaO/MgO 0.22 0.22 0.22 0.22 0.18
MgO/(MgO+CaO) 0.82 0.82 0.82 0.82 0.84
SiO2+B2O3 72.19 73.15 74.17 75.27 72.30
Al2O3/B2O3 1.18 1.18 1.18 1.18 1.06
(Li2O+Na2O+K2O) 1.07 1.02 0.98 0.94 0.54
Li2O/(Li2O+Na2O+K2O) 0.68 0.69 0.68 0.68 0.76
TL(°C) 1238 1249 1266 1276 1083
TF(°C) 1293 1313 1342 1368 1310
TF-TL(°C) 55 64 76 92 227
Dk1GHz 5.45 5.31 5.39 5.25 5.20
Df1GHz 0.00531 0.00579 0.00525 0.00491 0.00302
纤维密度(g/cm3) 2.403 *** *** *** ***
纤维强度(MPa) 3467 *** *** *** ***
表10(续)
wt% 44 45 46 47 48
SiO2 59.90 60.45 62.68 65.30 65.06
Al2O3 13.23 13.06 12.28 11.51 12.58
Fe2O3 0.34 0.35 0.20 0.19 0.25
CaO 1.86 1.58 1.65 1.39 1.25
MgO 10.14 10.50 8.74 8.18 6.56
Na2O 0.10 0.10 0.10 0.09 0.13
K2O 0.03 0.03 0.02 0.02 0.05
B2O3 12.40 12.29 12.69 11.89 10.03
F2 1.26 1.07 1.11 0.94 0.82
TiO2 0.53 0.55 0.51 0.48 0.07
Li2O 0.20 0.00 0.00 0.00 3.20
SO3 0.15 0.16 0.15 0.14 0.11
总计 100.14 100.15 100.14 100.13 100.10
RO(MgO+CaO) 12.00 12.08 10.39 9.57 7.81
CaO/Mg 0.18 0.15 0.19 0.17 0.19
MgO/(MgO+CaO) 0.85 0.87 0.84 0.85 0.84
SiO2+B2O3 72.30 72.74 75.37 77.19 75.09
Al2O3/B2O3 1.07 1.06 0.97 0.97 1.25
(Li2O+Na2O+K2O) 0.33 0.13 0.12 0.11 3.38
Li2O/(Li2O+Na2O+K2O) 0.61 0.00 0.00 0.00 0.95
TL(°C) 1129 1211 1201 1196 ***
TF(°C) 1303 1378 1378 1439 ***
TF-TL(°C) 174 167 177 243 ***
Dk1GHz 5.24 5.05 4.94 4.83 5.67
Df1GHz 0.00473 0.00449 0.00508 0.00254 0.007
纤维密度(g/cm3) 2.387 2.385 2.354 2.34 2.345
纤维强度(MPa) 3483 3362 3166 3050 3578
表10(续)
wt% 49 50 51 52 53
SiO2 61.14 60.83 62.45 61.88 66.25
Al2O3 12.90 13.02 12.52 12.72 10.60
Fe2O3 0.27 0.28 0.26 0.28 0.18
CaO 1.72 1.74 1.59 1.63 3.33
MgO 9.25 9.36 8.98 9.13 5.98
Na2O 0.10 0.10 0.10 0.10 0.86
K2O 0.03 0.03 0.03 0.03 0.02
B2O3 12.70 12.70 12.29 12.38 11.44
F2 1.16 1.17 1.08 1.10 0.90
TiO2 0.51 0.51 0.50 0.50 0.44
Li2O 0.21 0.25 0.21 0.25 0.00
SO3 0.15 0.15 0.14 0.14 0.00
总计 100.14 100.14 100.13 100.13 100.00
(MgO+CaO) 10.97 11.10 10.57 10.76 9.31
CaO/Mg 0.19 0.19 0.18 0.18 0.56
MgO/(MgO+CaO) 0.84 0.84 0.85 0.85 0.64
SiO2+B2O3 73.84 73.53 74.74 74.26 77.69
Al2O3/B2O3 1.02 1.03 1.02 1.03 0.93
(Li2O+Na2O+K2O) 0.34 0.38 0.34 0.38 0.88
Li2O/(Li2O+Na2O+K2O) 0.62 0.66 0.62 0.66 0.00
TL(°C) 1179 1179 1186 1191 ***
TF(°C) 1342 1340 1374 1366 ***
TF-TL(°C) 163 161 188 175 ***
Dk1GHz *** 5.24 4.96 5.06 5.03
Df1GHz *** 0.0018 0.0015 0.0014 0.0027
纤维密度(g/cm3) 2.358 2.362 2.338 *** 2.331
纤维强度(MPa) 3545 3530 3234 *** 3161
表10(续)
wt% 54 55 56 57 58
SiO2 66.11 69.19 70.68 69.44 69.40
Al2O3 10.58 10.37 8.87 7.20 7.21
Fe2O3 0.18 0.18 0.16 0.13 0.14
CaO 5.31 5.20 5.50 5.57 10.15
MgO 4.20 7.13 7.54 10.39 5.85
Na2OK2OB2O3F2TiO2 0.860.0211.410.900.44 0.550.026.390.530.43 0.590.025.720.550.37 0.590.025.800.550.30 0.590.025.790.550.30
Li2O 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
SO3 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
总计 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00
(MgO+CaO) 9.51 12.33 13.04 15.96 16.00
CaO/Mg 1.26 0.73 0.73 0.54 1.74
MgO/(MgO+CaO) 0.44 0.58 0.58 0.65 0.37
SiO2+B2O3 77.52 75.58 76.40 75.24 75.19
Al2O3/B2O3 0.93 1.62 1.55 1.24 1.25
(Li2O+Na2O+K2O) 0.88 0.57 0.61 0.61 0.61
Li2O/(Li2O+Na2O+K2O) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
TL(°C) *** *** *** *** ***
TF(°C) *** *** *** *** ***
TF-TL(°C) *** *** *** *** ***
Dk1GHz *** *** *** *** ***
Df1GHz *** *** *** *** ***
纤维密度(g/cm3) 2.341 *** *** *** ***
纤维强度(MPa) 3372 *** *** *** ***
表10(续)
wt% 59 60 61 62
SiO2 69.26 71.45 74.07 76.97
Al2O3 8.72 5.30 7.27 4.63
Fe2O3 0.13 0.06 0.09 0.10
CaO 4.89 5.24 4.88 5.69
MgO 9.92 10.63 4.77 5.56
Na2O 0.53 0.58 0.73 1.61
K2O 0.03 0.02 0.03 0.01
B2O3 5.09 4.96 6.39 4.47
F2 0.49 0.50 0.66 0.77
TiO2 0.27 0.05 0.17 0.19
Li2O 0.69 1.20 0.95 0.00
SO3 0.00 0.00 0.00 0.00
总计 100.00 100.00 100.00 100.00
(MgO+CaO) 14.81 15.87 9.65 11.25
CaO/Mg 0.49 0.49 1.02 1.02
MgO/(MgO+CaO) 0.67 0.67 0.49 0.49
SiO2+B2O3 74.35 76.41 80.46 81.44
Al2O3/B2O3 1.71 1.07 1.14 1.04
(Li2O+Na2O+K2O) 1.25 1.80 1.71 1.62
Li2O/(Li2O+Na2O+K2O) 0.55 0.67 0.56 0.00
TL(°C) *** *** *** ***
TF(°C) 1358/1355 1331/1333 1493/1484 ***
TF-TL(°C) *** *** *** ***
Dk1GHz *** *** *** ***
Df1GHz *** *** *** ***
纤维密度(g/cm3) *** *** *** ***
纤维强度(MPa) *** *** *** ***
样品63-73提供了玻璃组合物(表11)，重量%：SiO262.35-68.35%，B2O36.72-8.67%，Al2O310.53-18.04%，MgO8.14-11.44%，CaO1.67-2.12%，Li2O1.07-1.38%，Na2O0.02%，K2O0.03-0.04%，Fe2O30.23-0.33%，F20.49-0.60%，TiO20.26-0.61%和硫酸盐(以SO3表示)0.0%。
样品63-73提供了玻璃组合物(表11)，重量%，其中(MgO+CaO)含量是9.81-13.34%，CaO/MgO比率是0.16-0.20，(SiO2+B2O3)含量是69.59-76.02%，Al2O3/B2O3比率是1.37-2.69，(Li2O+Na2O+K2O)含量是1.09-1.40%，和Li2O/(Li2O+Na2O+K2O)比率是0.98。
在机械性能方面，表11的组合物的纤维密度是2.371-2.407g/cm3和平均纤维拉伸强度(或者纤维强度)是3730-4076MPa。由表11的组合物所制成的纤维的纤维拉伸强度是以与表10的组合物有关的测量纤维拉伸强度的相同方式来测量的。
已经发现由该组合物形成的纤维的杨氏模量(E)值为73.84-81.80GPa。该纤维的杨氏模量(E)值为使用声音模量方法在纤维上测量的。从具有所述组成的玻璃熔体拉伸的纤维的弹性模量值为使用超声波声音脉冲技术在来自Panametrics，Inc.of Waltham，马萨诸塞州的Panatherm5010仪器上来测量的。扩展波反射时间是使用20微秒持续期，200kHz脉冲来获得的。测量了样品长度，并且计算了各自的扩展波速度(VE)。纤维密度(ρ)是使用MicromeriticsAccuPyc1330比重瓶来测量的。通常，对每个组合物进行了20次测量，并且根据式E=VE 2*ρ计算了平均杨氏模量(E)。纤维失效应变是使用虎克法则，基于已知的纤维强度和杨氏模量值来计算的。
已经发现在1GHz所述玻璃的Dk是5.20-5.54和Df是0.0010-0.0020。表11的组合物的电性能表现为明显低于(即，改进的)标准的E-玻璃Dk和Df，该标准E-玻璃在1GHz时Dk是7.14和Df是0.0168。
在纤维成型性能方面，表11的组合物的成型温度(TF)是1303-1388℃和成型窗口(TF-TL)是51-144℃。
表11.在本发明的一些实施方案中有用的一些玻璃组合物。
wt% 63 64 65 66 67
SiO2 64.25 65.35 66.38 67.35 68.35
Al2O3 11.88 11.52 11.18 10.86 10.53
Fe2O3 0.26 0.25 0.24 0.24 0.23
CaO 2.12 2.05 1.99 1.93 1.87
MgO 10.50 10.17 9.87 9.58 9.29
Na2O 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02
K2O 0.04 0.03 0.03 0.03 0.03
B2O3 8.67 8.40 8.15 7.91 7.67
F2 0.60 0.58 0.56 0.54 0.53
TiO2 0.30 0.29 0.28 0.27 0.26
Li2O 1.38 1.33 1.29 1.26 1.22
SO3 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
总计 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00
(MgO+CaO) 12.61 12.22 11.86 11.51 11.16
CaO/MgO 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20
MgO/(MgO+CaO) 0.83 0.83 0.83 0.83 0.83
SiO2+B2O3 72.92 73.75 74.53 75.26 76.02
Al2O3/B2O3 1.37 1.37 1.37 1.37 1.37
(Li2O+Na2O+K2O) 1.40 1.36 1.32 1.28 1.24
Li2O/(Li2O+Na2O+K2O) 0.98 0.98 0.98 0.98 0.98
TL(°C) 1241 1259 1266 1268 1287
TF(°C) 1306 1329 1349 1374 1388
TF-TL(°C) 65 70 83 106 101
Dk1GHz 5.44 5.35 5.29 5.31 5.2
Df1GHz 0.0013 0.0016 0.001 0.002 0.0013
纤维密度(g/cm3) 2.395 2.385 2.384 2.375 2.371
纤维强度(MPa) 3730 3759 3813 3743 3738
杨氏模量(GPa) *** *** *** 74.25 ***
纤维失效应变(%) *** *** *** 5.04 ***
表11(续)
wt% 68 69 70 71 72 73
SiO2 64.39 63.63 62.87 65.45 65.61 62.35
Al2O3 14.05 16.04 18.04 11.05 14.29 14.74
Fe2O3 0.28 0.30 0.33 0.24 0.28 0.29
CaO 1.90 1.79 1.67 1.91 1.77 1.79
MgO 9.39 8.77 8.14 11.44 8.72 11.37
Na2O 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02
K2O 0.04 0.04 0.04 0.03 0.04 0.04
B2O3 7.75 7.23 6.72 7.80 7.19 7.28
F2 0.54 0.51 0.49 0.54 0.51 0.51
TiO2 0.41 0.51 0.61 0.28 0.43 0.45
Li2O 1.23 1.15 1.07 1.24 1.14 1.16
SO3 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
总计 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00
(MgO+CaO) 11.29 10.55 9.81 13.34 10.49 13.16
CaO/MgO 0.20 0.20 0.20 0.17 0.20 0.16
MgO/(MgO+CaO) 0.83 0.83 0.83 0.86 0.83 0.86
SiO2+B2O3 72.14 70.87 69.59 73.25 72.80 69.63
Al2O3/B2O3 1.81 2.22 2.69 1.42 1.99 2.02
(Li2O+Na2O+K2O) 1.25 1.17 1.09 1.26 1.16 1.18
Li2O/(Li2O+Na2O+K2O) 0.98 0.98 0.98 0.98 0.98 0.98
TL(°C) 1231 1219 1236 1266 1235 1220
TF(°C) 1349 1362 1368 1317 1379 1303
TF-TL(°C) 118 143 132 51 144 83
Dk1GHz 5.4 5.38 5.39 5.54 5.52 5.58
Df1GHz 0.0016 0.0013 0.002 0.0015 0.0016 0.0015
纤维密度(g/cm3) 2.393 2.398 2.407 *** *** ***
纤维强度(MPa) 3954 3977 4076 *** *** ***
杨氏模量(GPa) 73.84 80.34 81.57 80.69 81.80 ***
纤维失效应变(%) 5.36 4.95 5.00 4.68 4.72 ***
令人期望的特性(其可以通过不同的但非必需的本发明的全部实施方案来表现)可以包括但不限于下面的：提供具有相对低的密度的玻璃纤维；提供具有相对高的强度的玻璃纤维；提供具有相对高的应变失效的玻璃纤维；提供具有相对低的面密度的玻璃纤维用于给定的纤维体积分数或者给定的复合材料性能；和提供对于防弹应用有用的玻璃纤维和复合材料；和提供具有比类似防弹性能的玻璃纤维和复合材料相对更低的成本的玻璃纤维和复合材料。
在实现本发明不同的目标中已经描述了本发明不同的实施方案。应当公认的是这些实施方案仅仅是本发明原理的示意。其众多改进和改变对本领域技术人员来说将是容易显而易见的，而不脱离本发明的主旨和范围。

Claims (20)

1.一种复合材料，其包含：
聚合物树脂；和
布置在该聚合物树脂中的多个玻璃纤维，其中该多个玻璃纤维中至少之一包含含有下面组分的玻璃组合物：
SiO2        60-68重量%；
B2O3        7-12重量%；
Al2O3       9-15重量%；
MgO         8-15重量%；
CaO         0-4重量%；
Li2O        0-2重量%；
Na2O        0-1重量%；
K2O         0-1重量%；
Fe2O3       0-1重量%；
F2          0-1重量%；
TiO2        0-2重量%；和
其他组分总共0-5重量%；
其中(Li2O+Na2O+K2O)含量小于2重量%，其中MgO含量基于重量%是CaO含量的至少两倍，和其中该复合材料适用于防弹或者防爆应用。
2.权利要求1的复合材料，其中当通过美国国防部1997年12月的用于V50装甲防弹测试的测试方法标准MIL-STD-662F来测量时，该复合材料在大约2lb/ft2的面密度和大约5-6mm的厚度时表现出0.30口径FSP V50值为至少大约900fps。
3.权利要求1的复合材料，其中当通过美国国防部1997年12月的用于V50装甲防弹测试的测试方法标准MIL-STD-662F来测量时，该复合材料在大约4.8-4.9lb/ft2的面密度和大约13-13.5mm的厚度时表现出0.50口径FSP V50值为至少大约1200fps。
4.权利要求1的复合材料，其中该聚合物树脂包括环氧树脂。
5.权利要求1的复合材料，其中该聚合物树脂包括下面的至少一种：聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚酰胺树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂、聚碳酸酯树脂、热塑性聚氨酯树脂、酚类树脂、聚酯树脂、乙烯基酯树脂和热固性聚氨酯树脂。
6.权利要求1的复合材料，其中该多个玻璃纤维中的至少之一至少部分地涂覆有施胶组合物。
7.权利要求1的复合材料，其中该多个玻璃纤维排布形成织物。
8.权利要求7的复合材料，其中该多个玻璃纤维机织形成织物。
9.权利要求7的复合材料，其中该织物包括平织织物、斜纹织物、网纹织物、缎织织物、缝编织物或者3D机织织物。
10.一种装甲板，其包含权利要求7的复合材料。
11.一种复合材料，其包含：
聚合物树脂；和
布置在该聚合物树脂中的多个玻璃纤维，其中该多个玻璃纤维中至少之一包含含有下面组分的玻璃组合物：
SiO2     53.5-77重量%；
B2O3     4.5-14.5重量%；
Al2O3    94.5-18.5重量%；
MgO      4-12.5重量%；
CaO      0-10.5重量%；
Li2O     0-4重量%；
Na2O     0-2重量%；
K2O      0-1重量%；
Fe2O3    0-1重量%；
F2       0-2重量%；
TiO2     0-2重量%；和
其他组分总共0-5重量%；
其中该复合材料适用于防弹或者防爆应用。
12.权利要求11的复合材料，其中当通过美国国防部1997年12月的用于V50装甲防弹测试的测试方法标准MIL-STD-662F来测量时，该复合材料在大约2lb/ft2的面密度和大约5-6mm的厚度时表现出0.30口径FSP V50值为至少大约900fps。
13.权利要求11的复合材料，其中当通过美国国防部1997年12月的用于V50装甲防弹测试的测试方法标准MIL-STD-662F来测量时，该复合材料在大约4.8-4.9lb/ft2的面密度和大约13-13.5mm的厚度时表现出0.50口径FSP V50值为至少大约1200fps。
14.权利要求11的复合材料，其中该聚合物树脂包括环氧树脂。
15.权利要求11的复合材料，其中该聚合物树脂包括下面的至少一种：聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚酰胺树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂、聚碳酸酯树脂、热塑性聚氨酯树脂、酚类树脂、聚酯树脂、乙烯基酯树脂和热固性聚氨酯树脂。
16.权利要求11的复合材料，其中该多个玻璃纤维中的至少之一至少部分地涂覆有施胶组合物。
17.权利要求11的复合材料，其中该多个玻璃纤维排布形成织物。
18.权利要求17的复合材料，其中该多个玻璃纤维机织形成织物。
19.权利要求17的复合材料，其中该织物包括平织织物、斜纹织物、网纹织物、缎织织物、缝编织物或者3D机织织物。
20.一种装甲板，其包含权利要求17的复合材料。
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