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石英纤维的研究现状

发布日期:2018/7/10 17:43:15 作者: 点击:

  1  石英纤维概述
 
  石英纤维是一种高性能无机纤维,制备原料为高纯度二氧化硅或天然的石英晶体。它保持了固体石英的部分性能和特点,是一种良好的耐高温材料,并可作为先进复合材料的增强体[1]。石英纤维的纯度很高(≥99.9%),这使得其具备一些良好的特性,如抗烧蚀性强、耐温性好、导热率低,且其化学稳定性高,介电性能也较为优良。
 
  石英纤维具备良好的综合性能,能够用于制备多种复合材料。在制备透波材料时,由于石英纤维的介电常数及损耗角正切都比较低,往往被用作复合材料的增强体。此外,随温度的升高,其弹性模量相应增加,因而确保了透波材料在具有较高的透波率的同时,力学性能不致大幅下降。石英纤维的生产最初源于法国,随后,美日英俄等国也形成了规模化的生产。石英纤维品种繁多,如短切纤维、针织物、布、带、无捻粗纱、纱、棉等,可用于航空航天领域[2,3]。国内最早开始生产石英纤维是湖北荆州菲利华石英玻璃有限公司。目前,已有包含神玖复合材料有限公司在内的两家已研发出多种石英纤维产品,包括石英纤维纱、超细石英纤维丝、定长石英纤维丝、石英纤维棉、石英纤维布等。
 
  迄今为止,国内外对于玻璃纤维的研究相当成熟,相比之下,针对石英纤维的研究却比较少。目前,有关石英纤维的研究主要集中在其应用上,对于纤维本身的研究并不是很多。美国麻省理工学院的 Roy Kaplow 等[4]通过石英纤维表面物理吸附或化学吸附气体(如卤素气体)来改变其表面状态,以增加纤维表面吸附水蒸气所需要的活化能或阻碍水分子在其表面的解离,从而提高硅氧键解离的活化能,降低裂纹扩展的可能性。但他们未对普通商用纤维的具体性能进行研究,并且也未能找出导致纤维脆化的原因。北京航空航天大学的邢建申[5]等也系统研究了石英纤维的析晶行为,发现石英纤维的析晶产物为单一α-方石英相,纤维在 950℃左右开始析晶,于 1400℃左右析晶量达到最大值;石英纤维的析晶大致经历了成核和长大两个过程;石英纤维的析晶受多种因素影响,如纤维的结构、界面及外加剂等。Yu  Zheng 等[6]研究了中高温(600~900℃)热处理对石英纤维表面形貌和结构的影响,并建立了热处理后纤维力学性能下降与纤维形貌、结构变化的关系。结果显示,石英纤维表面的缺陷是导致其力学性能下降的主要原因,当热处理温度为 600℃时,纤维力学性能的下降主要源于纤维的内部缺陷,而当温度达到 700~900℃时,纤维表面的结构开始发生变化,特别在 900℃时,纤维表面出现微晶,微晶区域与无定型区域的不匹配导致了纤维力学性能的大幅下降。国防科学技术大学的陈帮等[1]比较了不同表面处理手段对去除石英纤维表面浸润剂的作用。研究表明,高温处理可有效去除纤维表面的浸润剂,而丙酮浸泡的效果并不理想,但过高的处理温度会导致纤维力学性能的降低。
 
  2  石英纤维的制备
 
  如前所述,石英纤维所用的原料是高纯二氧化硅或天然石英晶体,其熔点很高(可达 1700 多℃)。因此,石英纤维制备方法具有特殊性,这里以熔融拉丝法为例,简要介绍其制备工艺流程和实验设备,首先将原料水晶或纯净的二氧化硅粉料放入真空加压电阻炉内加热,由多孔漏板滴出,由此可以获得单丝直径约7.5μm 的原丝,最后,将纤维原丝进行合股加捻,从而获得纤维纱或纤维织物。其中,拉丝的具体过程可简述如下:液态的高温石英由底端滴出,拉丝机则保持恒定的转动速率,从而将纤维牵伸和固化,形成连续纤维。值得指出的是,纤维单丝在被拉出之后的过程中温度会有大幅的下降,该效应对产品性能会产生一些影响[7]。正是因为这个原因,在实际工艺中需要在纤维拉丝过程中给纤维表面涂抹浸润剂,以起到抑制纤维断丝、飞丝的作用,进而有助于确保拉丝作业正常进行。石英纤维的浸润剂一般可分为两大类,即用于制备纺织纱的淀粉型浸润剂和制备增强型制品的增强型浸润剂。
 
  石英纤维作为透波复合材料的增强体,其性能直接影响着复合材料的性能,这就对石英纤维的的质量提出了严格的要求。石英纤维的质量主要受以下几个方面因素的影响:第一,原料直接影响着石英纤维的力学性能和抗烧蚀性能;就国内情况而言,制备原料主要包括水晶料、硅石料等。第二,由于石英纤维往往采用两步电熔法制得,其纯度、几何尺寸、透明度羟基含量等都会对石英纤维的质量产生显著作用。第三,拉丝工艺的质量也直接影响着纤维的性能,例如与熔融的石英晶体和硅微粉的纯度、温度、熔融液面高度、粘度以及漏板的孔径等因素都有密切的关联。第四,浸润剂的种类、质量、涂抹的均匀程度和使用量等均显著影响着制备产物的性能[8]。
 
  总之,石英纤维是一种研究较多并得到广泛应用的无机纤维,尤其在航空航天领域,常被用作透波复合材料的增强体。石英纤维在航空航天领域发挥着举足轻重的作用,石英纤维的质量关系着航空航天领域的发展和进步,因此,未来对石英纤维的研究、生产、应用会更加的精细化、深入化和系统化。
 
  参考文献:
  [1]陈帮, 张长瑞, 王思青, 等. 石英纤维的表面处理[J]. 硅酸盐通报, 2007,25(6): 187-190.
  [2]陈梦怡, 嵇培军, 蔡良元, 等. 石英纤维织物增强复合材料性能研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2004, 112-13.
  [3]温广武, 雷廷权, 周玉. 石英玻璃基复合材料的研究进展[J]. 材料工程,2002, 140-43.
  [4]Kaplow R. Surface Modification in Control SiO2 Fiber Fracture[R]. DTIC Document, 1981.
  [5]邢建申, 王树彬, 张跃. 石英纤维析晶行为[J]. 复合材料学报, 2007, 23(6):75-79.
  [6]Zheng Y, Ning R, Zheng Y. Study of SiO2 nanoparticles on the improved performance of epoxy and fiber composites[J]. Journal of Reinforced Plasticsand Composites, 2005, 24(3): 223-233.
  [7]张耀明, 李巨白, 姜肇中。 玻璃纤维与矿物棉全书[M]。 化学工业出版社,2001。
  [8] 李青。 浸润剂技术与玻璃纤维及玻璃钢制品之间的关系[J]。 玻璃纤维, 2003,(3): 21-24。


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