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, l'elevata resistenza al calore, la bassa costante dielettrica e le basse perdite. È comunemente utilizzata in settori ad alta tecnologia come quello aerospaziale. Generata da tecnologia intelligente.

2. Caratteristiche prestazionali della fibra di quarzo

La fibra di quarzo ha un alto contenuto di silice, conservando 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 °C e resistere a temperature elevate istantanee fino a 1700 °C. La sua resistenza alla trazione è tre volte superiore a 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 a 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 °C, la fibra di quarzo mantiene la costante dielettrica e la perdita più basse e stabili, conservando oltre il 70% della sua resistenza. È comunemente utilizzata come rinforzo strutturale, isolante termico e materiale trasparente alle onde per parti critiche di aeromobili e veicoli spaziali.

3. Processo di preparazione

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

l Il processo di estrusione delle barre prevede l'inserimento di cristallo grezzo o polvere di silice pura in un forno a resistenza sottovuoto pressurizzato, la sua fusione e la successiva estrusione in sottili barre (circa 2 mm di diametro). Durante l'estrusione, viene prima applicato un agente bagnante alla fibra di quarzo, seguito dall'estrusione in un ambiente riscaldato elettricamente o con fiamma ossidrogeno per ottenere monofilamenti di circa 8 μm di diametro. Infine, i filamenti di fibra vengono attorcigliati insieme per formare filato o tessuto.

l Il processo di estrusione 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 estrusione mantiene una velocità di rotazione costante per allungare e solidificare la fibra, formando fibre continue. Un nuovo filamento sottile a forma di mezzaluna, chiamato radice della fibra, si forma all'estremità inferiore della barra di quarzo. Va notato che la temperatura della singola fibra diminuisce significativamente dopo l'estrusione, 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 trasformata in vari prodotti come filato di fibra di quarzo, cotone, feltro, tessuto, manicotti, fibre corte, ecc. Il filato di fibra di quarzo è un prodotto comune ampiamente utilizzato nella produzione di antenne radome per aeromobili.

l Le fibre corte 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 termine ad alte temperature fino a 1050℃, e presenta una costante dielettrica e una perdita estremamente basse e stabili, il che lo rende un eccellente materiale in fibra inorganica flessibile con elevata resistenza alle alte temperature.

l Il tessuto in fibra di quarzo è tessuto a partire da filato di fibra di quarzo attraverso vari metodi di tessitura come tela, saia satinata e lino, ottenendo tessuti di diverso spessore e trama, caratterizzati da elevata resistenza alle alte temperature, elevata resistenza meccanica, bassa costante dielettrica, bassa conduttività termica, resistenza al fuoco, ecc.

l Il cotone in fibra di quarzo è costituito da fibre di quarzo pure, senza leganti, di forma e disposizione irregolari, che gli conferiscono un aspetto riccio, impedendo la compressione del materiale di riempimento e migliorando l'isolamento termico; è un valido 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 Il diametro e la lunghezza delle fibre sono fattori determinanti: in generale, 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 di quest'ultima. L'effetto del diametro e della lunghezza sulla fibra di quarzo può essere spiegato dall'ipotesi delle microfratture: al diminuire del diametro e della lunghezza della fibra, diminuiscono di conseguenza le microfratture al suo interno, aumentando la resistenza della fibra stessa.

l La qualità del vetro liquido influisce sulla resistenza delle fibre di quarzo. Impurità nella composizione del vetro o fluttuazioni nella temperatura della piastra di fusione possono portare alla cristallizzazione delle fibre. L'esperienza ha dimostrato che le fibre cristallizzate sono più deboli delle fibre amorfe. Inoltre, la presenza di bolle nel vetro liquido può ridurre ulteriormente la resistenza delle fibre.

l Il trattamento superficiale influisce sulla resistenza. Durante la stiratura continua, è necessario applicare un agente bagnante alle singole fibre o ai fasci, formando una pellicola protettiva sulla superficie delle fibre per prevenire l'attrito reciproco durante la lavorazione tessile, che potrebbe danneggiare la fibra e ridurne la resistenza. Dopo il trattamento termico per rimuovere l'agente bagnante, la resistenza del tessuto in fibra di quarzo diminuisce significativamente, ma generalmente si ripristina dopo il trattamento con un legante intermedio, poiché il rivestimento protegge la fibra e compensa i difetti superficiali.

l Il tempo di conservazione influisce sulla resistenza. La resistenza delle fibre di quarzo diminuisce dopo un certo periodo di conservazione, fenomeno noto come invecchiamento, dovuto principalmente all'erosione causata dall'umidità presente nell'aria. Pertanto, le fibre con elevata stabilità chimica subiscono una minore riduzione di resistenza.

l Il tempo di applicazione del carico influisce sulla resistenza. La resistenza delle fibre di quarzo diminuisce con l'applicazione prolungata del carico, fenomeno particolarmente evidente a temperature ambiente più elevate, probabilmente a causa dell'acqua adsorbita nelle microfratture che accelera l'espansione delle stesse sotto l'azione di una forza esterna.