Invoering

Kwartsvezels zijn anorganische vezels gemaakt van kwarts met een hoge zuiverheid of natuurlijke kristallen, met diameters die doorgaans variëren van enkele microns tot tientallen microns. Ze behouden enkele kenmerken en eigenschappen van massief kwarts en zijn uitstekende materialen voor hogetemperatuurbestendigheid. Kwartsvezelglas heeft een SiO2-massafractie van meer dan 99,9%. De hogetemperatuurprestaties zijn superieur aan die van vezels met een hoog silicagehalte, met een temperatuur bij langdurig gebruik die kan oplopen tot 1200℃ en een verwekingspunt van wel 1700℃. Bovendien bezit het hoge elektrische isolatie-eigenschappen, brandweerstand, thermische schokbestendigheid, uitstekende diëlektrische eigenschappen en goede chemische stabiliteit. Bijgevolg spelen kwartsvezels een belangrijke rol in de militaire, nationale defensie-, luchtvaart- en ruimtevaartindustrie, en worden ze gebruikt bij de productie van artikelen zoals raketmondstukken en thermische beschermingsapparaten voor de ruimtevaart.

Voorbereiding

De methoden voor het produceren van kwartsvezels omvatten:

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

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

3. Het zacht maken van kwartsdraden of -staven met een constante snelheid door een waterstof-zuurstofvlam of gasvlam, en ze vervolgens snel tot lange vezels trekken.

Gerelateerd onderzoek

Thermisch schademechanisme van kwartsvezels

Kwartsvezels werken vaak in omgevingen met hoge temperaturen. Bij hoge temperaturen ondergaan kwartsvezels vaak thermische degradatie, wat hun prestaties bij hoge temperaturen beïnvloedt. Er is uitgebreid onderzoek gedaan naar de faseveranderingen bij hoge temperaturen van kwartsmaterialen, maar er zijn weinig rapporten over het thermische schademechanisme van kwartsvezels.

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

Uit de resultaten blijkt dat de afname van de sterkte van kwartsvezels in twee fasen kan worden verdeeld:

1. In het bereik onder de 600℃ neemt de diameter geleidelijk af als gevolg van de vervluchtiging van het oppervlaktebehandelingsmiddel van de kwartsvezels, en worden defecten zoals scheuren, strookuitstulpingen en littekens geleidelijk zichtbaar, wat leidt tot een langzame afname van de treksterkte van de kwartsvezels;

2. In het bereik van 600～1000℃, het oppervlaktebehandelingsmiddel is al volledig vervluchtigd. Tijdens het verwarmings- en afkoelingsproces beginnen de stripuitstulpingen en littekens door thermische spanning af te pellen, waardoor nieuwe oppervlaktescheuren en defecten ontstaan. Hoe hoger de temperatuur, hoe uitgesprokener het afpellen van stripuitstulpingen en littekens, wat een belangrijke factor is die de vermindering van de sterkte van kwartsvezels bij dit temperatuurbereik veroorzaakt, wat resulteert in een aanzienlijke afname van de sterkte van kwartsvezels die bij 600 worden behandeld～1000℃.

Oppervlaktebehandeling van kwartsvezels

Kwartsvezels, glasvezels met een hoog SiO2-gehalte, vertonen uitstekende prestaties en worden veel gebruikt in gebieden met speciale materiaalvereisten, zoals biomedische katheters en uitlaatgasbehandeling. De laatste jaren worden ze vanwege hun uitstekende mechanische en diëlektrische eigenschappen steeds vaker gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, met name in antennekapsystemen met hoge temperaturen. Momenteel richt onderzoek naar kwartsvezels zich voornamelijk op hun kristallisatieprestaties en oppervlaktecoatingmodificaties. Keramische matrixcomposietmaterialen voor antennekappen met ultrahoog Mach-getal gebruiken vaak continue kwartsvezelversterking. Om de bundelbaarheid van kwartsvezels voor weven te behouden, moet er tijdens het vezelproductieproces een immersiemiddel worden toegevoegd. Het hoofdbestanddeel van het immersiemiddel is organisch materiaal. Antennekappen met keramische matrix vereisen over het algemeen een vacuüm- of beschermende atmosfeerbehandeling bij hoge temperaturen om het eindproduct te verkrijgen, waardoor het organische materiaal zal carboniseren en de aanwezigheid van vrije koolstof de diëlektrische eigenschappen van de antennekap ernstig kan beïnvloeden. Daarom moet bij het bereiden van met kwartsvezel versterkte keramische matrixantennekapmaterialen het oppervlakte-immersiemiddel van de vezel worden verwijderd, terwijl schade aan de kwartsvezels tot een minimum wordt beperkt. Er zijn echter nog geen rapporten over hoe het immersiemiddel moet worden verwijderd, de veranderingen in de oppervlaktemorfologie en -samenstelling voor en na verwijdering en de veranderingen in de prestaties.

Sommige onderzoekers hebben methoden onderzocht om het oppervlakte-immersiemiddel van kwartsvezels te verwijderen, SEM- en XPS-analyses uitgevoerd op kwartsvezels die op verschillende manieren zijn behandeld en de veranderingen in treksterkte voor en na de behandeling vergeleken. De resultaten geven aan dat warmtebehandeling bij hoge temperaturen het oppervlakte-immersiemiddel vollediger kan verwijderen en dat de sterkte van kwartsvezels gevoelig is voor de warmtebehandelingstemperatuur.