Кварцевое волокно: высокотемпературное, огнестойкое и теплоизоляционное.

1. Аннотация

Кварцевое волокно — это высокоэффективный специальный вид стекловолокна, известный своей высокой чистотой, высокой термостойкостью, низкой диэлектрической постоянной и низкими потерями. Оно широко используется в высокотехнологичных областях, таких как аэрокосмическая промышленность. Создано с помощью интеллектуальных технологий.

2. Характеристики кварцевого волокна

Кварцевое волокно обладает высоким содержанием кремнезема, сохраняя при этом некоторые характеристики и свойства твердого кварца. Оно демонстрирует высокую термостойкость, электроизоляцию при высоких температурах и частотах, превосходную химическую стабильность, может использоваться длительное время при температурах ниже 1050℃ и выдерживает мгновенные высокие температуры до 1700℃. Его прочность на разрыв в три раза выше, чем у обычных волокон. Кроме того, оно обладает превосходными диэлектрическими свойствами, являясь минеральным волокном с самой низкой диэлектрической постоянной и коэффициентом диэлектрических потерь, с диэлектрической постоянной на частоте 1 МГц, равной 3,70, и коэффициентом диэлектрических потерь ниже 0,001. В высокочастотном диапазоне и при температурах ниже 700℃ кварцевое волокно сохраняет самую низкую и стабильную диэлектрическую постоянную и потери, при этом сохраняя более 70% своей прочности. Оно широко используется в качестве конструкционного армирования, теплоизоляции и волнопрозрачных материалов для ответственных частей летательных аппаратов и космических аппаратов.

3. Процесс подготовки

л К основным методам производства кварцевого волокна относятся прямая вытяжка из расплава, вытяжка стержня и золь-гель методы, при этом вытяжка стержня является основным промышленным методом получения.

л Процесс вытягивания стержней включает в себя помещение сырого кристаллического или чистого порошка диоксида кремния в вакуумную печь сопротивления под давлением, его расплавление, а затем вытягивание в тонкие стержни (диаметром около 2 мм). В процессе вытягивания сначала на кварцевое волокно наносится смачивающее вещество, после чего вытягивание происходит в среде электрического нагрева или кислородно-водородного пламени для получения моноволокон диаметром около 8 мкм. Наконец, волокна скручиваются вместе, образуя волокнистую пряжу или ткань.

л Процесс вытягивания можно кратко описать следующим образом: высокотемпературный жидкий кварц капает с нижнего конца кварцевого стержня, а вытягивающая машина поддерживает постоянную скорость вращения, растягивая и затвердевая волокно, образуя непрерывные волокна. В нижней части кварцевого стержня образуется новая серповидная тонкая нить, называемая корнем волокна. Следует отметить, что температура отдельного волокна значительно снижается после его вытягивания, что может повлиять на эксплуатационные характеристики изделия.

4. Изделия из кварцевого волокна и области их применения

л Кварцевое волокно может быть переработано в различные изделия, такие как кварцевая волокнистая пряжа, хлопок, войлок, ткань, рукава, короткие волокна и т. д. Кварцевая волокнистая пряжа является распространенным продуктом, широко используемым в производстве антенн для обтекателей самолетов.

л Коротко нарезанные волокна изготавливаются из предварительно нарезанных кварцевых стекловолокон фиксированной длины.

л Кварцевая волокнистая пряжа изготавливается из высокочистого диоксида кремния и природных кристаллов кварца в виде непрерывных длинных волокон с содержанием SiO2 более 99,95%, способных к длительному использованию при высоких температурах до 1050℃, и обладает чрезвычайно низкой и стабильной диэлектрической постоянной и потерями, что делает ее превосходным гибким неорганическим волокнистым материалом с высокой термостойкостью.

л Ткань из кварцевого волокна изготавливается из пряжи из кварцевого волокна различными методами ткачества, такими как полотняное, саржевое и лено, и имеет различную толщину и тип переплетения, отличаясь высокой термостойкостью, прочностью, низким диэлектрическим потенциалом, низкой теплопроводностью, огнестойкостью и т.д.

л Хлопок из кварцевого волокна состоит из чистых кварцевых волокон без связующих веществ, имеет неправильную форму и расположение, что придает ему волнистый вид, предотвращает сжатие наполнителя и улучшает теплоизоляцию; он является хорошей заменой хлопку из высококремнеземного волокна, керамическому волокну и базальтовому волокну.

5. Факторы, влияющие на прочность кварцевого волокна.

л Диаметр и длина волокна, как правило, больше, чем тоньше кварцевое волокно, тем выше его прочность на разрыв. Прочность на разрыв связана с длиной волокна, значительно уменьшаясь с увеличением длины. Влияние диаметра и длины на кварцевое волокно можно объяснить гипотезой микротрещин: по мере уменьшения диаметра и длины волокна количество микротрещин внутри волокна соответственно уменьшается, что увеличивает прочность волокна.

л Качество жидкого стекла влияет на прочность кварцевого волокна. Примеси в составе стекла или колебания температуры пластины утечки могут привести к кристаллизации волокон. Практика показала, что кристаллизованные волокна слабее аморфных. Кроме того, пузырьки в жидком стекле также могут снижать прочность волокна.

л Обработка поверхности влияет на прочность. В процессе непрерывного вытягивания на отдельные волокна или пучки необходимо наносить смачивающий агент, образующий защитную пленку на поверхности волокна, чтобы предотвратить взаимное трение во время обработки текстиля, которое может повредить волокно и снизить прочность. После термической обработки для удаления смачивающего агента прочность кварцевой волоконной ткани значительно снижается, но, как правило, восстанавливается после обработки промежуточным связующим, поскольку покрытие защищает волокно и компенсирует дефекты поверхности.

л Время хранения влияет на прочность. Прочность кварцевого волокна снижается после определенного периода хранения, известного как старение, главным образом из-за эрозии, вызванной влагой из воздуха. Таким образом, волокна с высокой химической стабильностью испытывают меньшее снижение прочности.

л Время приложения нагрузки влияет на прочность. Прочность кварцевого волокна снижается при длительном приложении нагрузки, что особенно заметно при более высоких температурах окружающей среды, возможно, из-за воды, адсорбированной в микротрещинах, которая ускоряет расширение трещин под действием внешней силы.