Introduzione

Le fibre di quarzo sono fibre inorganiche composte da quarzo ad elevata purezza o da cristalli naturali, con diametri che in genere variano da pochi micron a decine di micron. Mantengono alcune caratteristiche e proprietà del quarzo solido e sono materiali eccellenti per la resistenza alle alte temperature. La fibra di vetro al quarzo ha una frazione di massa di SiO2 superiore al 99,9%. Le sue prestazioni alle alte temperature sono superiori a quelle delle fibre ad alto contenuto di silice, con una temperatura di utilizzo a lungo termine che raggiunge i 1200 °C e un punto di rammollimento fino a 1700 °C. Inoltre, possiede elevate proprietà di isolamento elettrico, resistenza al fuoco, resistenza agli shock termici, eccellenti proprietà dielettriche e buona stabilità chimica. Di conseguenza, le fibre di quarzo svolgono un ruolo significativo nei settori militare, della difesa nazionale, aeronautico e aerospaziale, essendo utilizzate nella produzione di articoli come ugelli per razzi e dispositivi di protezione termica aerospaziale.

Preparazione

I metodi per la produzione di fibre di quarzo includono:

1. Fusione di barre o tubi di quarzo con una fiamma idrogeno-ossigeno e successiva soffiatura in fibre con una fiamma idrogeno-ossigeno per produrre lana di quarzo con un diametro di 0,7～1 μm;

2. Formazione di fibre corte e dei relativi fogli di feltro mediante fusione del quarzo con una fiamma e utilizzo di un flusso d'aria ad alta velocità;

3. Ammorbidimento di filamenti o barre di quarzo a velocità costante mediante una fiamma idrogeno-ossigeno o una fiamma a gas, e successiva rapida estrusione in lunghe fibre.

Ricerche correlate

Meccanismo di danneggiamento termico delle fibre di quarzo

Le fibre di quarzo vengono spesso utilizzate in ambienti ad alta temperatura. Ad alte temperature, le fibre di quarzo tendono a subire una degradazione termica, che ne compromette le prestazioni. Esistono numerose ricerche sulle trasformazioni di fase ad alta temperatura dei materiali in quarzo, ma pochi studi si sono concentrati sul meccanismo di danneggiamento termico delle fibre di quarzo.

I ricercatori hanno studiato la trasformazione di fase in condizioni di alta temperatura, i cambiamenti nella microstruttura superficiale e i loro effetti sulle proprietà meccaniche, fornendo un supporto teorico per estendere la durata delle fibre di vetro al quarzo e ampliarne i campi di applicazione.

I risultati mostrano che il declino della resistenza delle fibre di quarzo può essere suddiviso in due fasi:

1. Nell'intervallo di temperatura inferiore a 600℃, a causa della volatilizzazione dell'agente di trattamento superficiale delle fibre di quarzo, il diametro diminuisce gradualmente e difetti quali crepe, rigonfiamenti e cicatrici diventano progressivamente evidenti, portando a una lenta diminuzione della resistenza alla trazione delle fibre di quarzo;

2. Nell'intervallo di 600～A 1000℃, l'agente di trattamento superficiale si è già completamente volatilizzato. Durante il processo di riscaldamento e raffreddamento, a causa dello stress termico, le sporgenze e le cicatrici della striscia iniziano a staccarsi, creando nuove crepe superficiali e siti di difetto. Più alta è la temperatura, più pronunciato è il distacco delle sporgenze e delle cicatrici della striscia, che è un fattore importante che causa la riduzione della resistenza delle fibre di quarzo in questo intervallo di temperatura, con conseguente diminuzione significativa della resistenza delle fibre di quarzo trattate a 600～1000℃.

Trattamento superficiale delle fibre di quarzo

Le fibre di quarzo, essendo fibre di vetro con un elevato contenuto di SiO2, presentano prestazioni eccellenti e sono ampiamente utilizzate in settori con requisiti specifici per i materiali, come i cateteri biomedici e il trattamento dei gas di scarico. Negli ultimi anni, grazie alle loro eccezionali proprietà meccaniche e dielettriche, il loro impiego è in costante aumento nei settori aerospaziale e aeronautico, soprattutto nei sistemi di copertura per antenne ad alta temperatura. Attualmente, la ricerca sulle fibre di quarzo si concentra principalmente sulle loro prestazioni di cristallizzazione e sulle modifiche del rivestimento superficiale. I materiali compositi a matrice ceramica per coperture di antenne ad altissimo numero di Mach spesso utilizzano un rinforzo continuo in fibra di quarzo. Per mantenere la capacità di avvolgimento delle fibre di quarzo durante la tessitura, è necessario aggiungere un agente di immersione durante il processo di produzione delle fibre. Il componente principale dell'agente di immersione è la materia organica. Le coperture per antenne a matrice ceramica richiedono generalmente un trattamento ad alta temperatura sottovuoto o in atmosfera protettiva per ottenere il prodotto finale; di conseguenza, la materia organica si carbonizza e la presenza di carbonio libero può compromettere seriamente le proprietà dielettriche della copertura per antenne. Pertanto, nella preparazione di materiali per antenne a matrice ceramica rinforzata con fibre di quarzo, è necessario rimuovere l'agente di immersione superficiale delle fibre riducendo al minimo i danni alle fibre di quarzo stesse. Tuttavia, non esistono ancora studi su come rimuovere l'agente di immersione, sulle modifiche alla morfologia e alla composizione superficiale prima e dopo la rimozione e sulle variazioni delle prestazioni.

Alcuni ricercatori hanno studiato metodi per rimuovere l'agente di immersione superficiale dalle fibre di quarzo, conducendo analisi SEM e XPS su fibre di quarzo trattate con metodi diversi e confrontando le variazioni della resistenza alla trazione prima e dopo il trattamento. I risultati indicano che il trattamento termico ad alta temperatura può rimuovere più completamente l'agente di immersione superficiale e che la resistenza delle fibre di quarzo è sensibile alla temperatura del trattamento termico.