JP3158504B2 - 繊維強化ガラスおよびその製造法 - Google Patents
繊維強化ガラスおよびその製造法Info
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Description
繊維により補強された高強度の繊維強化ガラス(FR
G)に関する。本発明の繊維強化ガラスは高強度、高靭
性および高い透明性を有し、光センサーの窓材、防弾窓
材、車両、航空機、深海艇の窓材などに用いることがで
きる。
てプラスチック、ガラス、金属など各種構造材料を補強
する材料の複合化が種々行われている。このような複合
材料用の強化繊維としては、Eガラス繊維、Sガラス繊
維、アラミド繊維、SiC繊維、炭素繊維などがある。
しかしながら、Eガラスは強度、剛性(弾性)、耐薬品性
が低く、Sガラスは剛性が不足する。また、アラミド繊
維を強化繊維とする複合材料は圧縮強度および耐熱性が
低い。
炭素繊維などの使用が試みられており、ガラスの欠点で
ある破壊靭性の向上をはかっている。しかしながら、S
iC繊維は半導体であり電気絶縁性が悪い。一方、炭素
繊維は繊維自身の破壊伸度が小さく得られたFRGの破
壊靭性が不充分であり、また500℃以上の高温で酸化
され性能が低下する。さらにSiC繊維、炭素繊維はい
ずれも黒色不透明であるため、得られた複合材料は黒色
不透明でガラスの基本的な特性である透明性が損なわれ
る。 本発明の目的は、高破壊靭性(耐衝撃性)、高強度
を有し、しかも透明性の高い複合ガラス材料を得ること
にある。
点に鑑み高弾性、高強度を有するオキシナイトライドガ
ラス繊維をガラスマトリックス材の強化繊維として用い
るべく検討を行ったところ所定以上の窒素含有量を有す
るオキシナイトライドガラスを用いることにより優れた
繊維強化ガラスが得られるとの知見を得て本発明を完成
するに至った。すなわち、本発明は、窒素含有量5原子
%以上のガラス繊維を強化繊維として用いた波長500
nm以上における透過率50%以上の繊維強化ガラスお
よびその製造法を提供するものである。本発明のFRG
に強化繊維として用いられるオキシナイトライドガラス
は、酸化物ガラス中の酸素が結合原子価三価の窒素によ
り置換された構造を有する。このため、酸化物ガラスよ
り数多くの化学結合が形成されてガラスのネットワーク
は強固になり、透明性が高く高弾性率および高強度を示
すなど優れた物理的性質を有する。本発明の繊維強化ガ
ラス(FRG)に強化繊維として用いられるオキシナイト
ライドガラスは窒素含有量5原子%以上、好ましくは7
〜30原子%である。ガラス繊維の窒素含有量が5原子
%未満であると充分な弾性、強度を有するガラス繊維が
得られず高靭性を有する繊維強化ガラスは得られない。
る好ましいガラス繊維は、Si−M1−M2−O−N系を
有するオキシナイトライドガラスからなり、SiO2、Si
3N4およびM1Oをモル%にて下式: 65≦(SiO2+3Si3N4+M1O)×100/(100+2Si3N4)<100 ‥‥‥(a) 0.7≦(SiO2+3Si3N4)/M1O≦2.3 ‥‥‥(b) [式中、M1はCaまたはCa+Mgであり、M2は前記以
外の金属を意味する。]を満足する量含有する。なお、
オキシナイトライドガラスはSiO2 0〜40モル%、
CaO 26〜70モル%、MgO 0〜20モル%および
M222原子%以下を含むのが好ましく、5原子%以上
の窒素を含有し、Si−N結合に基づく緊密な架橋構造
を有する。
ナイトライドガラスはSi−Ca−M2−O−NまたはSi
−Ca−Mg−M2−O−Nガラス系を有し、また金属M2
はAl、Sr、La、Ba、Y、Ti、Zr、Ce、N
a、K、Sb、B、Cr、Pb、V、Snなどである。
これらの金属は単独で、また2種以上を組み合わせて使
用してもよい。すなわち、好ましいオキシナイトライド
ガラスは、モル%にて次の式を満たす。 65≦(SiO2+3Si3N4+CaO+MgO)×100/(100+2Si3N4)<100 ・・・・・・ (a)´ 0.7≦(SiO2+3Si3N4)/(CaO+MgO)≦2.3 ・・・・・・ (b)´ このオキシナイトライドガラスは必須成分としてCaO
を含み、式中、CaOは添加したCaO、あるいはCaO
に変換されうる化合物のモル%である。また、CaOと
共にMgOを含んでもよく、前記式中MgOは添加した
MgO、あるいはMgOに変換されうる化合物のモル%で
ある。
知のオキシナイトライドガラスに比べ多量のCaを含有
する。前記式(a)が65モル%より小さいと、オキシ
ナイトライドガラスは結晶化する。また、式(b)が
0.7より小さいかあるいは2.3より大きいと、得られ
たガラスの窒素含有量が少なくなり、高弾性率のガラス
が得られない。
造するには、(i)SiO2、(ii)Si3N4、または他の
金属窒化物、(iii)少なくとも1種のM2O、(iv)C
aOまたはCaO+MgOを混合する。
しては、AlN、BNが挙げられる。前記(iii)の金
属酸化物としてはAl2O3、BaO、Sb2O3、SrO、
Na2O、K2O、La2O3、CeO2、Y2O3、ZrO2、T
iO2、B2O3、Cr2O3、PbO、V2O5、SnO2など、
あるいは熱分解によりこれらの金属酸化物となる炭酸
塩、水酸化物、シュウ酸塩を配合してもよい。また、C
aOおよびMgOの代わりに熱分解によりCaOまたはMg
Oとなる化合物、例えば炭酸塩、水酸化物、シュウ酸塩
などを用いてもよい。
´、(b)´を満たすように混合され、加熱、溶融してオ
キシナイトライドガラスを得る。該混合物の溶融は14
00〜1950℃にて1分〜3時間、加熱速度10〜8
00℃/分にて窒素、アルゴンなどの不活性ガスの雰囲
気下にて行うのが好ましい。
スを急冷、または緩冷する。冷却したオキシナイトライ
ドガラスを1100〜1600℃に加熱した紡糸装置に
移し、不活性雰囲気にて紡糸速度20〜3000m/分
にて紡糸し連続繊維を得る。他の紡糸方法としては、オ
キシナイトライドガラスを紡糸装置の加熱炉にて溶融温
度から1100〜1600℃まで冷却し不活性雰囲気下
に紡糸してもよい。この方法では、オキシナイトライド
ガラスの原料をフィダーにて紡糸装置内の加熱炉に連続
的に供給し直接紡糸を行う。
%、弾性率100〜125GPa、引張強度1.0〜7
GPaを有する。窒素含有量が5原子%より小さいと、
ガラスは高い弾性率を示さない。一方、窒素含有量が3
0原子%を越えるとガラスは結晶化する。窒素含有量の
調整は原料中の窒化物の量により行う。ガラス繊維の径
は3〜50μmであるのが好ましい。径がこの範囲より
も小さいと、紡糸操作が困難となる。一方、径がその範
囲より大きいと、強度が著しく低下する。ガラス繊維は
連続繊維であってもよく、また0.5〜100mmの短
繊維であってもよい。
ス、ロービング、ヤーン、ステープル、チョップドスト
ランド、ウール、ペーパー、マットなどのいずれであっ
てもよい。 なお、ガラス繊維には集束剤としてデンプ
ン、ポリビニルアルコールなどの公知のガラス繊維用の
表面処理剤を用いてもよい。さらに該表面処理剤には柔
軟剤(カチオン界面活性剤)、静電除去剤などが配合され
てもよい。
るマトリックスガラスとしては、従来FRGのマトリッ
クスガラスとして公知のガラスが用いられる。例えば、
鉛ガラス、鉛シリカガラス、フリントガラス、亜鉛バリ
ウムシリカガラスなどが好ましい。
率は80体積%以下である。強化繊維の含有率が80体
積%を越えると繊維中に気泡が残るなど複合材料が緻密
化せず透明性が低下する。
スとなるガラス粉末のスラリーを調製し、これを強化用
ガラス繊維に含浸させその後、加熱溶融する公知の方法
を用いることができる。ここで用いられるスラリーはイ
ソプロピルアルコール、n−ブタノール、sec−ブタノ
ールなどの有機溶融およびポリエチレングリコールなど
の粘度調整剤を加えこれに粒径1〜20μmの前記マト
リックスガラス粉末を加える。スラリーのガラス粉末濃
度は20〜90重量%が好ましい。このスラリーにオキ
シナイトライドガラス繊維を浸漬してスラリーを含浸さ
せる。ついでスラリーを含浸した繊維束を乾燥した後、
高温加圧処理して繊維強化ガラスに成形する。高温加圧
処理による成形温度はマトリックスガラスの軟化点付近
(軟化点±100℃程度)であるのが好ましい。また、
成形圧力は1〜30MPa程度で行うのが好ましい。
に説明する。実施例中、%はモル%を意味する。
置を用い強化用オキシナイトライドガラス繊維の紡糸を
行った。ガラス原料としてSiO2(8.6%)、Si3N4
(19.4%)、CaO(59.8%)、MgO(6.9
%)、Al2O3(5.2%)[a=96.2、b=1.0
0、窒素含有量23.4原子%]の各粉末を用いた。こ
のガラス原料1を混合して紡糸装置のホッパーから加熱
装置内の溶融ルツボ2に供給した。ルツボ2内の混合物
を窒素雰囲気下、1780℃にて12時間溶融した。つ
いでこの溶融混合物を1570℃に降温してブッシング
3より2000m/分にて紡糸しワインダー4に巻き取
り連続繊維を得た。得られたオキシナイトライドガラス
繊維は引張弾性率214GPa、引張強度3.78GP
a、繊維径12〜15μm、密度2.89g/cm3、繊
維束のフィラメント数約100本であった。
料粉末[SiO258%、Na2O(Na2CO3を用い
た)16%、PbO26%]を混合し、1050℃にて
3時間溶融して均一なガラスを得た。これを粉砕機で粉
砕後ふるい分けし、平均粒径1μmの粉末とした。この
粉末85gをイソプロピルアルコール0.13Lおよび
ポリエチレングリコール(分子量1000)24gと混
合してスラリーとした。このスラリーを図1に示す装置
のスラリー浴6に入れ前記のオキシナイトライドガラス
の繊維束5を該スラリー浴6中に導入してオキシナイト
ライドガラス繊維にスラリーを含浸させた。スラリーを
含浸した繊維束5を100℃にて1時間乾燥し50×5
0mmのシートに切り出した。シートの厚みは約50μ
mであった。このシートの繊維方向を揃えて50枚つみ
重ね、400℃にて2時間熱処理した。つぎに、ホット
プレスを用いて570℃、10MPaにて30分間処理
した。得られた複合材料は、繊維含有率が約60%体積
であった。光の透過率を測定した結果、図3に示すよう
に波長500nm以上で高い透明性を示した。また破壊
靭性は15〜20MPam1/2でありマトリックスのみ
(0.7〜1.0MPam1/2)の場合に比べはるかに高
靭化した。
様にして強化用オキシナイトライドガラス繊維の紡糸を
行った。ガラス原料としてSiO2(28.5%)、Si3
N4(5.0%)、CaO(53.5%)、MgO(6.0
%)、Al2O3(7.0%)[a=0.94、b=0.7
3、窒素含有量7.3原子%]の各粉末を用いた。この
ガラス原料を混合して溶融ルツボ中、窒素雰囲気下、1
650℃にて12時間溶融した。ついでこの溶融混合物
を1500℃に降温して紡糸し巻き取って連続繊維を得
た。得られたオキシナイトライドガラス繊維は引張弾性
率105GPa、引張強度3.5GPa、繊維径12〜1
5μm、繊維束のフィラメント数約100本であった。
料粉末としてSiO264.7%、Na2O(Na2CO3
を用いた)17.8%、PbO17.5%を用い、115
0℃にて3時間溶融して均一なマトリックスガラスを得
た以外は、実施例1と同様にして強化繊維の方向を揃え
た熱処理シートを得た。つぎに、このシートをホットプ
レスを用いて590℃、10MPaにて30分間処理し
た。得られた複合材料は、繊維含有率が約60体積%で
あった。光の透過率を測定した結果、実施例1と同様に
波長500nm以上で高い透明性を示した。また破壊靭
性は10〜13MPam1/2でありマトリックスのみ
(0.7〜1.0MPam1/2)の場合に比べはるかに高靭
化した。
様にして強化用オキシナイトライドガラス繊維の紡糸を
行った。ガラス原料としてSiO2(32.0%)、Si3
N4(3.0%)、CaO(52.4%)、MgO(6.0
%)、Al2O3(6.6%)[a=0.94、b=0.7
0、窒素含有量4.5原子%]の各粉末を用いた。この
ガラス原料を混合して溶融ルツボ中、窒素雰囲気下、1
630℃にて12時間溶融した。ついでこの溶融混合物
を1490℃に降温して紡糸し巻き取って連続繊維を得
た。得られたオキシナイトライドガラス繊維は引張弾性
率98GPa、引張強度3.5GPa、繊維径12〜15
μm、繊維束のフィラメント数約100本であった。
料粉末としてSiO264.5%、Na2O(Na2CO3
を用いた)19.0%、PbO16.5%を用い、125
0℃にて3時間溶融して均一なマトリックスガラスを得
た以外は、実施例1と同様にして強化繊維の方向を揃え
た熱処理シートを得た。つぎに、このシートをホットプ
レスを用いて600℃、10MPaにて30分間処理し
た。得られた複合材料は、繊維含有率が約60体積%で
あった。破壊靭性は0.5〜1.7MPam1/2でありマト
リックスのみ(0.7〜1.1MPam1/2)の場合に比べ
大きな破壊靭性の向上はなかった。
マトリックスガラスとの接着性にすぐれ、高強度、高靭
性(耐衝撃性)を示すと共に高い透明度を有する。
体例を示す概略図である。
具体例を示す概略図である。
である。
Claims (3)
- 【請求項1】 窒素含有量5原子%以上のガラス繊維を
強化繊維として用いた波長500nm以上における透過
率50%以上の繊維強化ガラス。 - 【請求項2】 ガラス繊維がSi−M1−M2−O−N系
を有するオキシナイトライドガラスであって、SiO2、
Si3N4およびM1Oをモル%にて下式: 65≦(SiO2+3Si3N4+M1O)×100/(100+2Si3N4)<100 ‥‥‥(a) 0.7≦(SiO2+3Si3N4)/M1O≦2.3 ‥‥‥(b) [式中、M1はCaまたはCa+Mgであり、M2は前記以
外の金属を意味する。]を満足する量含有する前記請求
項1記載の繊維強化ガラス。 - 【請求項3】 マトリックスとなるガラス粉末のスラリ
ーを調製し、該スラリーを窒素含有量5原子%以上のガ
ラス繊維中に含浸させ、ついで加熱加圧することを特徴
とする請求項1の繊維強化ガラスの製造法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP18331891A JP3158504B2 (ja) | 1991-06-27 | 1991-06-27 | 繊維強化ガラスおよびその製造法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP18331891A JP3158504B2 (ja) | 1991-06-27 | 1991-06-27 | 繊維強化ガラスおよびその製造法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH059041A JPH059041A (ja) | 1993-01-19 |
JP3158504B2 true JP3158504B2 (ja) | 2001-04-23 |
Family
ID=16133606
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP18331891A Expired - Lifetime JP3158504B2 (ja) | 1991-06-27 | 1991-06-27 | 繊維強化ガラスおよびその製造法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3158504B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2627488B2 (ja) * | 1994-06-15 | 1997-07-09 | ヒカリ電工株式会社 | 装飾模様を有するガラス製品の製造方法 |
US7238402B2 (en) | 2004-03-10 | 2007-07-03 | Johns Manville | Glass fibers and mats having improved surface structures in gypsum boards |
FR2997392B1 (fr) * | 2012-10-29 | 2015-06-26 | Saint Gobain | Procede de fabrication de verre mince |
-
1991
- 1991-06-27 JP JP18331891A patent/JP3158504B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH059041A (ja) | 1993-01-19 |
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