Введение

Кварцевые волокна — это неорганические волокна, изготовленные из кварца высокой чистоты или природных кристаллов, с диаметром, как правило, от нескольких микрон до десятков микрон. Они сохраняют некоторые характеристики и свойства твердого кварца и являются отличными материалами для высокотемпературной стойкости. Кварцевое стекловолокно имеет массовую долю SiO2 более 99,9%. Его высокотемпературные характеристики превосходят характеристики высококремнеземных волокон, при этом температура длительного использования достигает 1200 ℃, а температура размягчения достигает 1700 ℃. Кроме того, оно обладает высокими электроизоляционными свойствами, устойчивостью к горению, стойкостью к тепловому удару, отличными диэлектрическими свойствами и хорошей химической стабильностью. Следовательно, кварцевые волокна играют важную роль в военной, национальной оборонной, авиационной и аэрокосмической промышленности, где они используются в производстве таких изделий, как сопла ракет и аэрокосмические теплозащитные устройства.

Подготовка

Методы производства кварцевых волокон включают:

1. Плавление кварцевых стержней или трубок в водородно-кислородном пламени с последующим раздуванием их в волокна водородно-кислородным пламенем для получения кварцевой ваты диаметром 0,7～1 мкм?

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

3. Размягчение кварцевых нитей или стержней с постоянной скоростью через водородно-кислородное или газовое пламя, а затем быстрое вытягивание их в длинные волокна.

Сопутствующие исследования

Механизм термического повреждения кварцевых волокон

Кварцевые волокна часто работают в условиях высоких температур. При высоких температурах кварцевые волокна склонны подвергаться термической деградации, что влияет на их высокотемпературные характеристики. Существуют обширные исследования высокотемпературных фазовых изменений кварцевых материалов, но мало сообщений о механизме термического повреждения кварцевых волокон.

Исследователи изучили фазовые превращения в условиях высоких температур, изменения микроструктуры поверхности и их влияние на механические свойства, предоставив теоретическую поддержку продлению срока службы кварцевых стекловолокон и расширению областей их применения.

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

1. В диапазоне ниже 600 ℃ из-за улетучивания поверхностного обрабатывающего агента кварцевых волокон диаметр постепенно уменьшается, и дефекты, такие как трещины, вздутия полос и рубцы, постепенно становятся очевидными, что приводит к медленному снижению прочности на разрыв кварцевых волокон;

2. В диапазоне 600～1000℃, средство для обработки поверхности уже полностью испарилось. В процессе нагрева и охлаждения, из-за термического напряжения, вздутия и рубцы полосы начинают отслаиваться, создавая новые поверхностные трещины и дефектные участки. Чем выше температура, тем сильнее выражено отслаивание вздутий и рубцов полосы, что является основным фактором, вызывающим снижение прочности кварцевых волокон в этом температурном диапазоне, что приводит к значительному снижению прочности кварцевых волокон, обработанных при 600～1000℃.

Обработка поверхности кварцевых волокон

Кварцевые волокна, являясь стеклянными волокнами с высоким содержанием SiO2, демонстрируют превосходные характеристики и широко используются в областях с особыми требованиями к материалам, таких как биомедицинские катетеры и очистка выхлопных газов. В последние годы, благодаря своим выдающимся механическим и диэлектрическим свойствам, они все чаще используются в аэрокосмической и авиационной областях, особенно в системах высокотемпературных антенных колпаков. В настоящее время исследования кварцевых волокон в основном сосредоточены на их характеристиках кристаллизации и модификациях поверхностного покрытия. Керамические матричные композитные материалы для антенных колпаков со сверхвысоким числом Маха часто используют армирование непрерывным кварцевым волокном. Чтобы сохранить связность кварцевых волокон для плетения, в процессе производства волокна необходимо добавлять иммерсионный агент. Основным компонентом иммерсионного агента является органическое вещество. Керамические матричные антенные колпаки обычно требуют вакуумной или защитной атмосферной высокотемпературной обработки для получения конечного продукта, поэтому органическое вещество будет обугливаться, а наличие свободного углерода может серьезно повлиять на диэлектрические свойства антенного колпака. Поэтому при подготовке материалов для колпаков антенны с керамической матрицей, армированной кварцевым волокном, необходимо удалить поверхностный иммерсионный агент волокна, минимизируя повреждение кварцевых волокон. Однако пока нет отчетов о том, как удалить иммерсионный агент, об изменениях в морфологии и составе поверхности до и после удаления, а также об изменениях в производительности.

Некоторые исследователи исследовали методы удаления поверхностного иммерсионного агента кварцевых волокон, проводя анализы СЭМ и ЭПС на кварцевых волокнах, обработанных различными способами, и сравнивая изменения прочности на разрыв до и после обработки. Результаты показывают, что высокотемпературная термообработка может более полно удалить поверхностный иммерсионный агент, а прочность кварцевых волокон чувствительна к температуре термообработки.