Введение

Кварцевые волокна — это неорганические волокна, изготовленные из высокочистого кварца или природных кристаллов, диаметр которых обычно колеблется от нескольких микрон до десятков микрон. Они сохраняют некоторые характеристики и свойства твердого кварца и являются превосходными материалами для высокотемпературной стойкости. Кварцевое стекловолокно имеет массовую долю SiO2 более 99,9%. Его высокотемпературные характеристики превосходят характеристики волокон с высоким содержанием кремнезема: температура длительного использования достигает 1200℃, а температура размягчения — 1700℃. Кроме того, оно обладает высокими электроизоляционными свойствами, огнестойкостью, термостойкостью, превосходными диэлектрическими свойствами и хорошей химической стабильностью. Следовательно, кварцевые волокна играют важную роль в военной, оборонной, авиационной и аэрокосмической промышленности, используясь при производстве таких изделий, как сопла ракет и устройства тепловой защиты в аэрокосмической отрасли.

Подготовка

К методам производства кварцевых волокон относятся:

1. Плавление кварцевых стержней или трубок водородно-кислородным пламенем с последующим выдуванием из них волокон водородно-кислородным пламенем для получения кварцевой ваты диаметром 0,7 мм.～1 мкм;

2. Формирование коротких волокон и их войлочных листов путем плавления кварца пламенем и использования высокоскоростного потока воздуха;

3. Размягчение кварцевых нитей или стержней с постоянной скоростью в водородно-кислородном или газовом пламени, а затем быстрое вытягивание их в длинные волокна.

Соответствующие исследования

Механизм термического повреждения кварцевых волокон

Кварцевые волокна часто работают в условиях высоких температур. При высоких температурах кварцевые волокна склонны к термической деградации, что влияет на их высокотемпературные характеристики. Существуют обширные исследования фазовых переходов кварцевых материалов при высоких температурах, но мало работ, посвященных механизму термического повреждения кварцевых волокон.

Исследователи изучили фазовые превращения в условиях высоких температур, изменения микроструктуры поверхности и их влияние на механические свойства, что обеспечило теоретическую основу для продления срока службы кварцевых стекловолокон и расширения областей их применения.

Результаты показывают, что снижение прочности кварцевого волокна можно разделить на два этапа:

1. В диапазоне температур ниже 600℃ из-за испарения поверхностного агента кварцевых волокон их диаметр постепенно уменьшается, и постепенно становятся заметны дефекты, такие как трещины, утолщения и рубцы, что приводит к медленному снижению прочности кварцевых волокон на растяжение;

2. В диапазоне 600～При температуре 1000℃ средство для обработки поверхности полностью испаряется. В процессе нагрева и охлаждения, из-за термического напряжения, начинают отслаиваться выпуклости и рубцы полос, образуя новые трещины и дефекты на поверхности. Чем выше температура, тем сильнее отслаивание выпуклостей и рубцов, что является основным фактором снижения прочности кварцевых волокон в этом температурном диапазоне, приводя к значительному уменьшению прочности кварцевых волокон, обработанных при 600℃.～1000℃.

Обработка поверхности кварцевых волокон

Кварцевые волокна, являясь стекловолокнами с высоким содержанием SiO2, демонстрируют превосходные характеристики и широко используются в областях со специальными требованиями к материалам, таких как биомедицинские катетеры и системы очистки выхлопных газов. В последние годы, благодаря своим выдающимся механическим и диэлектрическим свойствам, они все чаще используются в аэрокосмической и авиационной отраслях, особенно в высокотемпературных системах защиты антенн. В настоящее время исследования кварцевых волокон в основном сосредоточены на их кристаллизационных свойствах и модификации поверхностных покрытий. В керамических композитных материалах для защиты антенн от сверхвысоких чисел Маха часто используется сплошное армирование кварцевыми волокнами. Для сохранения способности кварцевых волокон к плетению в процессе производства волокон необходимо добавлять иммерсионный агент. Основным компонентом иммерсионного агента является органическое вещество. Для получения конечного продукта в керамических защитных кожухах антенн обычно требуется вакуумная или высокотемпературная обработка в защитной атмосфере, в результате чего органическое вещество карбонизируется, а наличие свободного углерода может серьезно повлиять на диэлектрические свойства защитного кожуха антенны. Поэтому при изготовлении материалов для антенных колпаков из керамической матрицы, армированной кварцевым волокном, необходимо удалить поверхностное иммерсионное вещество, минимизируя при этом повреждение кварцевых волокон. Однако пока нет данных о том, как удалять иммерсионное вещество, какие изменения происходят в морфологии и составе поверхности до и после удаления, а также как это влияет на характеристики устройства.

Некоторые исследователи изучали методы удаления поверхностного иммерсионного агента с кварцевых волокон, проводя анализы с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) кварцевых волокон, обработанных различными способами, и сравнивая изменения прочности на растяжение до и после обработки. Результаты показывают, что высокотемпературная термообработка позволяет более полно удалить поверхностный иммерсионный агент, а прочность кварцевых волокон чувствительна к температуре термообработки.