Introduzione

Le fibre di quarzo sono fibre inorganiche realizzate in quarzo ad alta purezza o cristalli naturali, con diametri che in genere vanno da diversi 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 ad alta temperatura sono superiori a quelle delle fibre ad alto contenuto di silice, con una temperatura di utilizzo a lungo termine che raggiunge fino a 1200℃ e un punto di rammollimento fino a 1700℃. Inoltre, possiede elevate proprietà di isolamento elettrico, resistenza alla combustione, 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, dell'aviazione e aerospaziale, utilizzate nella produzione di articoli come ugelli per razzi e dispositivi di protezione termica aerospaziale.

Preparazione

I metodi per produrre fibre di quarzo includono:

1. Fondere barre o tubi di quarzo con una fiamma di idrogeno-ossigeno e poi soffiarli in fibre con una fiamma di idrogeno-ossigeno per produrre lana di quarzo con un diametro di 0,7~1μm?

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

3. Ammorbidimento di filamenti o barre di quarzo a velocità costante attraverso una fiamma di idrogeno-ossigeno o una fiamma a gas, per poi trasformarli rapidamente in lunghe fibre.

Ricerca correlata

Meccanismo di danno termico delle fibre di quarzo

Le fibre di quarzo spesso operano in ambienti ad alta temperatura. Ad alte temperature, le fibre di quarzo tendono a subire degradazione termica, influenzando le loro prestazioni ad alta temperatura. Esistono ampie ricerche sui cambiamenti di fase ad alta temperatura dei materiali al quarzo, ma pochi report sul meccanismo di danno 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 di vita delle fibre di vetro di quarzo e ampliare i loro campi di applicazione.

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

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

2. Nell'intervallo 600~1000℃, l'agente di trattamento della superficie si è già volatilizzato completamente. Durante il processo di riscaldamento e raffreddamento, a causa dello stress termico, i rigonfiamenti e le cicatrici della striscia iniziano a staccarsi, creando nuove crepe superficiali e siti difettosi. Maggiore è la temperatura, più pronunciato è il distacco dei rigonfiamenti e delle cicatrici della striscia, che è un fattore importante che causa la riduzione della resistenza delle fibre di quarzo a questo intervallo di temperatura, con conseguente significativa diminuzione 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 aree con requisiti di materiali speciali, come cateteri biomedici e trattamento dei gas di scarico. Negli ultimi anni, grazie alle loro eccezionali proprietà meccaniche e dielettriche, sono sempre più utilizzate nei settori aerospaziale e aeronautico, in particolare nei sistemi di cappe di antenna 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 cappe di antenna con numero di Mach ultra elevato utilizzano spesso un rinforzo continuo in fibra di quarzo. Per mantenere la fascicolabilità delle fibre di quarzo per 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 cappe di antenna a matrice ceramica generalmente richiedono un trattamento ad alta temperatura sotto vuoto o in atmosfera protettiva per ottenere il prodotto finale, quindi la materia organica si carbonizzerà e la presenza di carbonio libero può influenzare gravemente le proprietà dielettriche della cappa dell'antenna. Pertanto, quando si preparano materiali per cappe di antenna a matrice ceramica rinforzata con fibre di quarzo, l'agente di immersione superficiale della fibra deve essere rimosso riducendo al minimo i danni alle fibre di quarzo. Tuttavia, non ci sono ancora resoconti su come rimuovere l'agente di immersione, sui cambiamenti nella morfologia e composizione superficiale prima e dopo la rimozione e sui cambiamenti nelle prestazioni.

Alcuni ricercatori hanno studiato metodi per rimuovere l'agente di immersione superficiale delle fibre di quarzo, conducendo analisi SEM e XPS su fibre di quarzo trattate con mezzi 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 la resistenza delle fibre di quarzo è sensibile alla temperatura del trattamento termico.