Introducción

Las fibras de cuarzo son fibras inorgánicas hechas de cuarzo de alta pureza o cristales naturales, con diámetros que varían típicamente de varios micrones a decenas de micrones. Conservan algunas características y propiedades del cuarzo sólido y son materiales excelentes para la resistencia a altas temperaturas. La fibra de vidrio de cuarzo tiene una fracción de masa de SiO2 de más del 99,9%. Su rendimiento a altas temperaturas es superior al de las fibras con alto contenido de sílice, con una temperatura de uso a largo plazo que alcanza hasta 1200 ℃ y un punto de ablandamiento de hasta 1700 ℃. Además, posee altas propiedades de aislamiento eléctrico, resistencia a las quemaduras, resistencia al choque térmico, excelentes propiedades dieléctricas y buena estabilidad química. En consecuencia, las fibras de cuarzo desempeñan un papel importante en las industrias militar, de defensa nacional, de aviación y aeroespacial, y se utilizan en la fabricación de artículos como toberas de cohetes y dispositivos de protección térmica aeroespacial.

Preparación

Los métodos para producir fibras de cuarzo incluyen:

1. Fundir varillas o tubos de cuarzo con una llama de hidrógeno y oxígeno y luego soplarlos en fibras con una llama de hidrógeno y oxígeno para producir lana de cuarzo con un diámetro de 0,7～1μm?

2. Formar fibras cortas y sus láminas de fieltro fundiendo cuarzo con una llama y utilizando un flujo de aire a alta velocidad;

3. Ablandar filamentos o varillas de cuarzo a una velocidad constante mediante una llama de hidrógeno-oxígeno o de gas, y luego estirarlos rápidamente hasta formar fibras largas.

Investigación relacionada

Mecanismo de daño térmico de las fibras de cuarzo

Las fibras de cuarzo suelen funcionar en entornos de alta temperatura. A altas temperaturas, las fibras de cuarzo tienden a sufrir degradación térmica, lo que afecta su rendimiento a alta temperatura. Hay una amplia investigación sobre los cambios de fase a alta temperatura de los materiales de cuarzo, pero pocos informes sobre el mecanismo de daño térmico de las fibras de cuarzo.

Los investigadores han estudiado la transformación de fase en condiciones de alta temperatura, los cambios en la microestructura de la superficie y sus efectos sobre las propiedades mecánicas para proporcionar apoyo teórico para extender la vida útil de las fibras de vidrio de cuarzo y ampliar sus campos de aplicación.

Los resultados muestran que la disminución de la resistencia de la fibra de cuarzo se puede dividir en dos etapas:

1. En el rango por debajo de 600 ℃, debido a la volatilización del agente de tratamiento de superficie de las fibras de cuarzo, el diámetro disminuye gradualmente y los defectos como grietas, protuberancias en las tiras y cicatrices se vuelven gradualmente evidentes, lo que lleva a una disminución lenta de la resistencia a la tracción de las fibras de cuarzo;

2. En el rango de 600～A 1000 ℃, el agente de tratamiento de la superficie ya se ha volatilizado por completo. Durante el proceso de calentamiento y enfriamiento, debido al estrés térmico, las protuberancias y cicatrices de la tira comienzan a desprenderse, creando nuevas grietas superficiales y sitios defectuosos. Cuanto más alta es la temperatura, más pronunciado es el desprendimiento de las protuberancias y cicatrices de la tira, lo que es un factor importante que causa la reducción de la resistencia de las fibras de cuarzo en este rango de temperatura, lo que resulta en una disminución significativa de la resistencia de las fibras de cuarzo tratadas a 600 ℃.～1000℃.

Tratamiento superficial de fibras de cuarzo

Las fibras de cuarzo, al ser fibras de vidrio con un alto contenido de SiO2, exhiben un excelente rendimiento y se utilizan ampliamente en áreas con requisitos especiales de materiales, como catéteres biomédicos y tratamiento de gases de escape. En los últimos años, debido a sus excelentes propiedades mecánicas y dieléctricas, se utilizan cada vez más en los campos aeroespacial y de la aviación, especialmente en sistemas de campanas de antena de alta temperatura. Actualmente, la investigación sobre fibras de cuarzo se centra principalmente en su rendimiento de cristalización y modificaciones del revestimiento de la superficie. Los materiales compuestos de matriz cerámica para campanas de antena de número de Mach ultra alto a menudo utilizan un refuerzo de fibra de cuarzo continuo. Para mantener la capacidad de empaquetamiento de las fibras de cuarzo para tejer, se debe agregar un agente de inmersión durante el proceso de producción de la fibra. El componente principal del agente de inmersión es materia orgánica. Las campanas de antena de matriz cerámica generalmente requieren un tratamiento de alta temperatura al vacío o en atmósfera protectora para obtener el producto final, por lo que la materia orgánica se carbonizará y la presencia de carbono libre puede afectar gravemente las propiedades dieléctricas de la campana de antena. Por lo tanto, al preparar materiales para cubiertas de antenas de matriz cerámica reforzada con fibra de cuarzo, se debe eliminar el agente de inmersión de la superficie de la fibra, minimizando al mismo tiempo los daños a las fibras de cuarzo. Sin embargo, todavía no existen informes sobre cómo eliminar el agente de inmersión, los cambios en la morfología y la composición de la superficie antes y después de la eliminación, y los cambios en el rendimiento.

Algunos investigadores han estudiado métodos para eliminar el agente de inmersión superficial de las fibras de cuarzo, realizando análisis SEM y XPS en fibras de cuarzo tratadas por diferentes medios y comparando los cambios en la resistencia a la tracción antes y después del tratamiento. Los resultados indican que el tratamiento térmico a alta temperatura puede eliminar de forma más completa el agente de inmersión superficial y que la resistencia de las fibras de cuarzo es sensible a la temperatura del tratamiento térmico.