Въведение

Кварцовите влакна са неорганични влакна, изработени от високочист кварц или естествени кристали, с диаметри, обикновено вариращи от няколко микрона до десетки микрона. Те запазват някои характеристики и свойства на твърдия кварц и са отлични материали за устойчивост на високи температури. Кварцовото фибростъкло има масова фракция на SiO2 над 99,9%. Неговите високотемпературни характеристики са по-добри от тези на високосиликови влакна, като температурата на дългосрочна употреба достига до 1200℃, а точката на омекване достига 1700℃. Освен това, то притежава високи електроизолационни свойства, устойчивост на изгаряне, устойчивост на термичен удар, отлични диелектрични свойства и добра химическа стабилност. Следователно, кварцовите влакна играят важна роля във военната, националната отбранителна, авиационната и аерокосмическата промишленост, използвайки се в производството на изделия като ракетни дюзи и аерокосмически устройства за термична защита.

Подготовка

Методите за производство на кварцови влакна включват:

1. Топене на кварцови пръчки или тръбички с водородно-кислороден пламък и след това раздуването им на влакна с водородно-кислороден пламък за получаване на кварцова вата с диаметър 0,7～1 μm;

2. Формиране на къси влакна и техните филцови листове чрез топене на кварц с пламък и използване на високоскоростен въздушен поток;

3. Омекотяване на кварцови нишки или пръчки с постоянна скорост чрез водородно-кислороден пламък или газов пламък и след това бързото им издърпване на дълги влакна.

Свързани изследвания

Механизъм на термично увреждане на кварцови влакна

Кварцовите влакна често работят във високотемпературна среда. При високи температури кварцовите влакна са склонни към термично разграждане, което влияе върху техните високотемпературни характеристики. Има обширни изследвания върху фазовите промени на кварцовите материали при висока температура, но малко са докладите за механизма на термично увреждане на кварцовите влакна.

Изследователите са изследвали фазовата трансформация при условия на висока температура, промените в микроструктурата на повърхността и тяхното влияние върху механичните свойства, предоставяйки теоретична подкрепа за удължаване на живота на кварцовите стъклени влакна и разширяване на техните области на приложение.

Резултатите показват, че намаляването на якостта на кварцовите влакна може да се раздели на два етапа:

1. В диапазона под 600℃, поради изпаряването на агента за повърхностна обработка на кварцовите влакна, диаметърът им постепенно намалява и дефекти като пукнатини, издутини на ленти и белези постепенно стават очевидни, което води до бавно намаляване на якостта на опън на кварцовите влакна;

2. В диапазона от 600～При 1000℃, агентът за повърхностна обработка вече се е изпарил напълно. По време на процеса на нагряване и охлаждане, поради термично напрежение, издутините и белезите по лентата започват да се отлепват, създавайки нови повърхностни пукнатини и дефекти. Колкото по-висока е температурата, толкова по-изразено е отлепването на издутините и белезите по лентата, което е основен фактор, причиняващ намаляване на якостта на кварцовите влакна при този температурен диапазон, което води до значително намаляване на якостта на кварцовите влакна, обработени при 600～1000℃.

Повърхностна обработка на кварцови влакна

Кварцовите влакна, представляващи стъклени влакна с високо съдържание на SiO2, показват отлични характеристики и се използват широко в области със специални изисквания към материалите, като например биомедицински катетри и обработка на отработени газове. През последните години, поради изключителните си механични и диелектрични свойства, те се използват все по-често в аерокосмическата и авиационната област, особено в системи за антенни капаци с висока температура. В момента изследванията върху кварцовите влакна се фокусират главно върху тяхната кристализационна ефективност и модификации на повърхностното покритие. Керамично-матричните композитни материали за антенни капаци с ултрависоко число на Мах често използват непрекъснато армиране с кварцови влакна. За да се запази възможността за сглобяване на кварцовите влакна за тъкане, по време на производствения процес на влакната трябва да се добави потапящ агент. Основният компонент на потапящия агент е органичната материя. Керамично-матричните антенни капаци обикновено изискват високотемпературна обработка във вакуум или защитна атмосфера, за да се получи крайният продукт, като по този начин органичната материя ще се карбонизира и наличието на свободен въглерод може сериозно да повлияе на диелектричните свойства на антенния капак. Следователно, при приготвянето на материали за керамично-матрични антенни капаци, подсилени с кварцови влакна, повърхностният потапящ агент на влакното трябва да се отстрани, като същевременно се минимизира повредата на кварцовите влакна. Въпреки това, все още няма данни за това как да се премахне иммерсионният агент, промените в морфологията и състава на повърхността преди и след отстраняването, както и промените в производителността.

Някои изследователи са изследвали методи за отстраняване на повърхностния иммерсионен агент от кварцови влакна, като са провеждали СИМ и XPS анализи на кварцови влакна, обработени по различни начини, и са сравнявали промените в якостта на опън преди и след обработката. Резултатите показват, че високотемпературната термична обработка може по-пълно да премахне повърхностния иммерсионен агент, а здравината на кварцовите влакна е чувствителна към температурата на термична обработка.