Fibra di quarzo: resistente alle alte temperature, ignifuga e isolante termico

1. Riassunto

La fibra di quarzo è un tipo di fibra di vetro speciale ad alte prestazioni, nota per la sua elevata purezza, elevata resistenza al calore, bassa costante dielettrica e perdita. È comunemente utilizzata in settori ad alta tecnologia come l'aerospaziale. Generata da tecnologia intelligente.

2. Caratteristiche delle prestazioni della fibra di quarzo

La fibra di quarzo ha un alto contenuto di silice, mantenendo alcune caratteristiche e prestazioni del quarzo solido. Presenta un'elevata resistenza al calore, isolamento elettrico ad alte temperature e frequenze, eccellente stabilità chimica, può essere utilizzata a lungo termine al di sotto di 1050℃ e resiste a temperature elevate istantanee fino a 1700℃. La sua resistenza alla trazione è tre volte quella delle fibre ordinarie. Inoltre, possiede proprietà dielettriche superiori, essendo la fibra minerale con la costante dielettrica e il coefficiente di perdita dielettrica più bassi, con una costante dielettrica di 1 MHz di 3,70 e un coefficiente di perdita dielettrica inferiore a 0,001. Nelle regioni ad alta frequenza e al di sotto di 700℃, la fibra di quarzo mantiene la costante dielettrica e la perdita più basse e stabili, pur mantenendo oltre il 70% della sua resistenza. È comunemente utilizzata come rinforzo strutturale, isolamento termico e materiali trasparenti alle onde per parti critiche di aeromobili e veicoli spaziali.

3. Processo di preparazione

l I metodi di produzione della fibra di quarzo comprendono principalmente la trafilatura a fusione diretta, la trafilatura a barre e i metodi sol-gel, tra cui la trafilatura a barre è il principale metodo di preparazione industriale.

l Il processo di trafilatura delle barre prevede il posizionamento del cristallo grezzo o della polvere di silice pura in un forno a resistenza pressurizzato sotto vuoto, la fusione e la successiva trafilatura in barre sottili (circa 2 mm di diametro). Durante la trafilatura, un agente bagnante viene prima applicato alla fibra di quarzo, seguito dalla trafilatura in un ambiente di riscaldamento elettrico o di fiamma ossidrica per ottenere monofilamenti di circa 8 μm di diametro. Infine, i fili di fibra vengono intrecciati insieme per formare filato o tessuto di fibra.

l Il processo di trafilatura specifico può essere brevemente descritto come segue: il quarzo liquido ad alta temperatura gocciola dall'estremità inferiore della barra di quarzo e la macchina di trafilatura mantiene una velocità di rotazione costante per allungare e solidificare la fibra, formando fibre continue. Un nuovo filamento sottile a forma di mezzaluna chiamato "fiber root" si forma sul fondo della barra di quarzo. Va notato che la temperatura della singola fibra scende significativamente dopo che è stata estratta, il che può influire sulle prestazioni del prodotto.

4. Prodotti in fibra di quarzo e aree di applicazione

l La fibra di quarzo può essere lavorata per ottenere vari prodotti, come filati di fibra di quarzo, cotone, feltro, stoffa, manicotti, fibre corte, ecc. Il filato di fibra di quarzo è un prodotto comune ampiamente utilizzato nella fabbricazione di antenne radome per aeromobili.

l Le fibre a taglio corto sono realizzate con fibre di vetro al quarzo pretagliate a lunghezza fissa.

l Il filato di fibra di quarzo è realizzato con silice ad alta purezza e cristalli di quarzo naturale in fibre lunghe e continue con un contenuto di SiO2 superiore al 99,95%, in grado di resistere a lungo a temperature elevate fino a 1050 ℃ e caratterizzato da una costante dielettrica e una perdita estremamente basse e stabili, il che lo rende un eccellente materiale in fibra inorganica flessibile con resistenza alle alte temperature.

l Il tessuto in fibra di quarzo è tessuto da filati di fibra di quarzo attraverso vari metodi di tessitura, come la tessitura semplice, satinata e giro inglese, in tessuti di diversi spessori e armature, caratterizzati da elevata resistenza alle alte temperature, elevata resistenza, basso dielettrico, bassa conduttività termica, resistenza alla combustione, ecc.

l Il cotone in fibra di quarzo è costituito da fibre di quarzo puro senza leganti, di forma e disposizione irregolari che gli conferiscono un aspetto riccio, impedendo la compressione del riempitivo e migliorando l'isolamento; è un buon sostituto del cotone in fibra ad alto contenuto di silice, del cotone in fibra ceramica e del cotone in fibra di basalto.

5. Fattori che influenzano la resistenza delle fibre di quarzo

l Diametro e lunghezza delle fibre in genere, più fine è il diametro della fibra di quarzo, maggiore è la sua resistenza alla trazione. La resistenza alla trazione è correlata alla lunghezza della fibra, diminuendo significativamente all'aumentare della lunghezza. L'effetto del diametro e della lunghezza sulla fibra di quarzo può essere spiegato dall'ipotesi delle microfessure: man mano che il diametro e la lunghezza della fibra diminuiscono, le microfessure all'interno della fibra diminuiscono di conseguenza, aumentando la resistenza della fibra.

l La qualità del liquido di vetro influisce sulla resistenza della fibra di quarzo. Le impurità nella composizione del vetro o le fluttuazioni nella temperatura della piastra di perdita possono portare alla cristallizzazione delle fibre. La pratica ha dimostrato che le fibre con cristallizzazione sono più deboli delle fibre amorfe. Inoltre, anche le bolle nel liquido di vetro possono ridurre la resistenza delle fibre.

l Il trattamento superficiale influisce sulla resistenza. Durante la stiratura continua, un agente bagnante deve essere applicato alle singole fibre o ai fasci formando una pellicola protettiva sulla superficie della fibra per impedire l'attrito reciproco durante la lavorazione tessile che potrebbe danneggiare la fibra e ridurre la resistenza. Dopo il trattamento termico per rimuovere l'agente bagnante, la resistenza del tessuto in fibra di quarzo diminuisce in modo significativo ma generalmente si riprende dopo il trattamento con un legante intermedio perché il rivestimento protegge la fibra e compensa i difetti superficiali.

l Il tempo di conservazione influisce sulla resistenza. La resistenza della fibra di quarzo diminuisce dopo un periodo di conservazione, noto come invecchiamento, principalmente a causa dell'erosione dell'umidità nell'aria. Pertanto, le fibre con elevata stabilità chimica subiscono una minore riduzione della resistenza.

l Il tempo di applicazione del carico influisce sulla resistenza. La resistenza delle fibre di quarzo diminuisce con l'applicazione prolungata del carico, in particolare a temperature ambiente più elevate, probabilmente a causa dell'acqua assorbita nelle microfratture che accelera l'espansione delle fratture sotto la forza esterna.