Introducción

Las fibras de cuarzo son fibras inorgánicas fabricadas con cuarzo de alta pureza o cristales naturales, con diámetros que suelen oscilar entre varias micras y decenas de micras. Conservan algunas características y propiedades del cuarzo sólido y son materiales excelentes para resistir altas temperaturas. La fibra de vidrio de cuarzo tiene una fracción de masa de SiO2 superior al 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 los 1200 °C y un punto de reblandecimiento de hasta 1700 °C. Además, posee altas propiedades de aislamiento eléctrico, resistencia a la combustión, resistencia al choque térmico, excelentes propiedades dieléctricas y buena estabilidad química. Por consiguiente, las fibras de cuarzo desempeñan un papel importante en las industrias militar, de defensa nacional, aeronáutica y aeroespacial, donde se utilizan en la fabricación de componentes 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-oxígeno y luego soplarlos para convertirlos en fibras con una llama de hidrógeno-oxígeno para producir lana de cuarzo con un diámetro de 0,7～1 μm;

2. Formación de fibras cortas y sus láminas de fieltro mediante la fusión de cuarzo con una llama y el uso de un flujo de aire a alta velocidad;

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

Investigación relacionada

Mecanismo de daño térmico de las fibras de cuarzo

Las fibras de cuarzo suelen operar en entornos de alta temperatura. A altas temperaturas, tienden a sufrir degradación térmica, lo que afecta su rendimiento. Si bien existen numerosas investigaciones sobre los cambios de fase de los materiales de cuarzo a altas temperaturas, hay 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 en las propiedades mecánicas, proporcionando así apoyo teórico para prolongar 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 superficial de las fibras de cuarzo, el diámetro disminuye gradualmente y los defectos tales como grietas, protuberancias en forma de tiras y cicatrices se hacen 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 superficial 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 puntos de defecto. Cuanto mayor sea la temperatura, más pronunciado será el desprendimiento de las protuberancias y cicatrices de la tira, lo que constituye 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 rendimiento excelente 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 excepcionales propiedades mecánicas y dieléctricas, se utilizan cada vez más en los campos aeroespacial y aeronáutico, especialmente en sistemas de cubiertas de antenas de alta temperatura. Actualmente, la investigación sobre fibras de cuarzo se centra principalmente en su rendimiento de cristalización y modificaciones del recubrimiento superficial. Los materiales compuestos de matriz cerámica para cubiertas de antenas de número de Mach ultra alto suelen utilizar refuerzo continuo de fibra de cuarzo. Para mantener la capacidad de agrupar las fibras de cuarzo para el tejido, 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 cubiertas de antena de matriz cerámica generalmente requieren un tratamiento a alta temperatura en vacío o 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 cubierta de antena. Por lo tanto, al preparar materiales para cubiertas de antenas de matriz cerámica reforzada con fibra de cuarzo, es necesario eliminar el agente de inmersión superficial de la fibra minimizando el daño a las fibras de cuarzo. Sin embargo, aún no existen informes sobre cómo eliminar dicho agente, los cambios en la morfología y composición superficial antes y después de su eliminación, ni las variaciones 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 tratadas con diferentes métodos 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 elimina 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.