Invoering

Kwartsvezels zijn anorganische vezels gemaakt van zeer zuiver kwarts of natuurlijke kristallen, met diameters die doorgaans variëren van enkele micrometers tot tientallen micrometers. Ze behouden enkele kenmerken en eigenschappen van massief kwarts en zijn uitstekende materialen voor toepassingen bij hoge temperaturen. Kwartsglasvezel heeft een SiO2-massafractie van meer dan 99,9%. De prestaties bij hoge temperaturen zijn superieur aan die van vezels met een hoog silicagehalte, met een gebruikstemperatuur van maximaal 1200 °C en een verwekingspunt van maar liefst 1700 °C. Bovendien beschikt het over hoge elektrische isolatie-eigenschappen, brandwerendheid, thermische schokbestendigheid, uitstekende diëlektrische eigenschappen en een goede chemische stabiliteit. Daardoor spelen kwartsvezels een belangrijke rol in de militaire, defensie-, luchtvaart- en ruimtevaartindustrie, waar ze worden gebruikt bij de productie van onderdelen zoals raketmondstukken en thermische beschermingssystemen voor de ruimtevaart.

Voorbereiding

De methoden voor het produceren van kwartsvezels omvatten:

1. Kwartsstaven of -buizen smelten met een waterstof-zuurstofvlam en deze vervolgens met een waterstof-zuurstofvlam tot vezels blazen om kwartswol met een diameter van 0,7 te produceren.～1 μm;

2. Het vormen van korte vezels en hun viltvellen door kwarts te smelten met een vlam en gebruik te maken van een hogesnelheidsluchtstroom;

3. Kwartsfilamenten of -staven met een constante snelheid verzachten door ze door een waterstof-zuurstofvlam of gasvlam te leiden en ze vervolgens snel tot lange vezels te trekken.

Gerelateerd onderzoek

Mechanisme van thermische schade aan kwartsvezels

Kwartsvezels worden vaak gebruikt in omgevingen met hoge temperaturen. Bij hoge temperaturen ondergaan kwartsvezels thermische degradatie, wat hun prestaties bij hoge temperaturen beïnvloedt. Er is veel onderzoek gedaan naar de faseveranderingen van kwartsmaterialen bij hoge temperaturen, maar er zijn weinig rapporten over het mechanisme van thermische schade aan kwartsvezels.

Onderzoekers hebben de faseovergang onder hoge temperaturen, de veranderingen in de oppervlaktemicrostructuur en de effecten daarvan op de mechanische eigenschappen bestudeerd. Dit levert theoretische ondersteuning voor het verlengen van de levensduur van kwartsglasvezels en het verbreden van hun toepassingsgebieden.

De resultaten tonen aan dat de afname van de sterkte van kwartsvezels in twee fasen kan worden verdeeld:

1. Bij temperaturen onder de 600℃ neemt de diameter van de kwartsvezels geleidelijk af als gevolg van de verdamping van het oppervlaktebehandelingsmiddel, en worden defecten zoals scheuren, streepvormige uitstulpingen en littekens geleidelijk zichtbaar, wat leidt tot een langzame afname van de treksterkte van de kwartsvezels;

2. In het bereik van 600～Bij 1000℃ is het oppervlaktebehandelingsmiddel al volledig verdampt. Tijdens het verhittings- en afkoelingsproces beginnen de vezeluitstulpingen en -littekens door thermische spanning af te bladderen, waardoor nieuwe scheuren en defecten ontstaan. Hoe hoger de temperatuur, hoe sterker het afbladderen van de vezeluitstulpingen en -littekens. Dit is een belangrijke factor die de sterkte van de kwartsvezels in dit temperatuurbereik vermindert, met als gevolg een aanzienlijke afname van de sterkte van de kwartsvezels die bij 600℃ zijn behandeld.～1000℃.

Oppervlaktebehandeling van kwartsvezels

Kwartsvezels, glasvezels met een hoog SiO2-gehalte, vertonen uitstekende prestaties en worden veel gebruikt in toepassingen met speciale materiaaleisen, zoals biomedische katheters en de behandeling van uitlaatgassen. De laatste jaren worden ze, vanwege hun uitstekende mechanische en diëlektrische eigenschappen, steeds vaker toegepast in de lucht- en ruimtevaart, met name in antennekappen voor hoge temperaturen. Onderzoek naar kwartsvezels richt zich momenteel vooral op hun kristallisatiegedrag en oppervlaktebehandeling. Keramische matrixcomposietmaterialen voor antennekappen met ultrahoge Mach-getallen maken vaak gebruik van continue kwartsvezelversterking. Om de bundelbaarheid van de kwartsvezels tijdens het weven te behouden, moet tijdens het vezelproductieproces een impregneermiddel worden toegevoegd. Het belangrijkste bestanddeel van dit impregneermiddel is organisch materiaal. Keramische matrixantennekappen vereisen over het algemeen een vacuümbehandeling of behandeling bij hoge temperaturen in een beschermende atmosfeer om het eindproduct te verkrijgen. Hierdoor zal het organische materiaal carboniseren en kan de aanwezigheid van vrije koolstof de diëlektrische eigenschappen van de antennekap ernstig beïnvloeden. Daarom moet bij de bereiding van met kwartsvezels versterkte keramische matrixantennekappen het impregneermiddel van het vezeloppervlak worden verwijderd, terwijl de kwartsvezels zo min mogelijk worden beschadigd. Er zijn echter nog geen rapporten over hoe het impregneermiddel verwijderd kan worden, de veranderingen in oppervlaktemorfologie en -samenstelling voor en na verwijdering, en de veranderingen in prestaties.

Sommige onderzoekers hebben methoden onderzocht om het oppervlakte-immersiemiddel van kwartsvezels te verwijderen. Ze voerden SEM- en XPS-analyses uit op kwartsvezels die op verschillende manieren waren behandeld en vergeleken de veranderingen in treksterkte vóór en na de behandeling. De resultaten wijzen erop dat een warmtebehandeling bij hoge temperatuur het oppervlakte-immersiemiddel vollediger kan verwijderen en dat de sterkte van de kwartsvezels gevoelig is voor de temperatuur van de warmtebehandeling.