Fibra de quartzo: resistente a altas temperaturas, retardante de chamas e isolante térmico.

1. Resumo

A fibra de quartzo é um tipo de fibra de vidro especial de alto desempenho, conhecida por sua alta pureza, alta resistência ao calor, baixa constante dielétrica e baixa perda. É comumente utilizada em áreas de alta tecnologia, como a aeroespacial. É produzida por tecnologia inteligente.

2. Características de desempenho da fibra de quartzo

A fibra de quartzo possui alto teor de sílica, conservando algumas características e o desempenho do quartzo sólido. Apresenta alta resistência ao calor, isolamento elétrico em altas temperaturas e frequências, excelente estabilidade química, podendo ser utilizada por longos períodos abaixo de 1050 °C e suportando altas temperaturas instantâneas de até 1700 °C. Sua resistência à tração é três vezes maior que a de fibras comuns. Além disso, possui propriedades dielétricas superiores, sendo a fibra mineral com a menor constante dielétrica e o menor coeficiente de perda dielétrica, com uma constante dielétrica de 3,70 a 1 MHz e um coeficiente de perda dielétrica inferior a 0,001. Em altas frequências e abaixo de 700 °C, a fibra de quartzo mantém a menor e mais estável constante dielétrica e perda, conservando mais de 70% de sua resistência. É comumente utilizada como reforço estrutural, isolante térmico e material transparente a ondas para componentes críticos de aeronaves e espaçonaves.

3. Processo de Preparação

l Os métodos de fabricação da fibra de quartzo incluem principalmente a trefilação direta por fusão, a trefilação em barra e os métodos sol-gel, sendo a trefilação em barra o principal método de preparação industrial.

l O processo de trefilação envolve a colocação de cristais brutos ou pó de sílica pura em um forno de resistência a vácuo, onde são fundidos e, em seguida, trefilados em hastes finas (com cerca de 2 mm de diâmetro). Durante a trefilação, um agente umectante é aplicado à fibra de quartzo, seguido pela trefilação em um ambiente de aquecimento elétrico ou chama oxi-hidrogênio para obter monofilamentos com cerca de 8 μm de diâmetro. Finalmente, os filamentos de fibra são torcidos juntos para formar fios ou tecidos.

l O processo específico de trefilação pode ser descrito resumidamente da seguinte forma: quartzo líquido em alta temperatura goteja da extremidade inferior da haste de quartzo, e a máquina de trefilação mantém uma velocidade de rotação constante para esticar e solidificar a fibra, formando fibras contínuas. Um novo filamento fino em forma de crescente, chamado raiz da fibra, se forma na extremidade inferior da haste de quartzo. Deve-se notar que a temperatura da fibra individual cai significativamente após a trefilação, o que pode afetar o desempenho do produto.

4. Produtos de fibra de quartzo e áreas de aplicação

l A fibra de quartzo pode ser processada em diversos produtos, como fios de fibra de quartzo, algodão, feltro, tecido, mangas, fibras curtas, etc. O fio de fibra de quartzo é um produto comum e amplamente utilizado na fabricação de antenas de radome para aeronaves.

l As fibras curtas são feitas de fibras de vidro de quartzo pré-cortadas em comprimento fixo.

l O fio de fibra de quartzo é feito de sílica de alta pureza e cristais de quartzo naturais, transformados em fibras longas e contínuas com um teor de SiO2 superior a 99,95%, capaz de ser usado a longo prazo em altas temperaturas de até 1050°C, e apresenta constante dielétrica e perdas extremamente baixas e estáveis, tornando-o um excelente material de fibra inorgânica flexível com alta resistência à temperatura.

l O tecido de fibra de quartzo é produzido a partir de fios de fibra de quartzo, utilizando diversos métodos de tecelagem, como a trama simples, a sarja acetinada e o tecido Leno, resultando em tecidos de diferentes espessuras e tramas. Suas características incluem alta resistência à temperatura, alta resistência mecânica, baixa constante dielétrica, baixa condutividade térmica e resistência à combustão.

l O algodão de fibra de quartzo consiste em fibras de quartzo puro, sem aglutinantes, de formato e disposição irregulares, o que lhe confere uma aparência encaracolada, evitando a compressão do enchimento e melhorando o isolamento; é um bom substituto para o algodão de fibra de sílica, o algodão de fibra cerâmica e o algodão de fibra de basalto.

5. Fatores que afetam a resistência da fibra de quartzo

l De modo geral, quanto menor o diâmetro da fibra de quartzo, maior sua resistência à tração. A resistência à tração está relacionada ao comprimento da fibra, diminuindo significativamente com o aumento do comprimento. O efeito do diâmetro e do comprimento na fibra de quartzo pode ser explicado pela hipótese das microfissuras: à medida que o diâmetro e o comprimento da fibra diminuem, as microfissuras em seu interior também diminuem, aumentando a resistência da fibra.

l A qualidade do líquido de vidro afeta a resistência da fibra de quartzo. Impurezas na composição do vidro ou flutuações na temperatura da placa de vazamento podem levar à cristalização das fibras. A prática tem demonstrado que fibras com cristalização são mais fracas do que fibras amorfas. Além disso, bolhas no líquido de vidro também podem reduzir a resistência da fibra.

l O tratamento de superfície influencia a resistência. Durante o processo de estiragem contínua, um agente umectante deve ser aplicado às fibras individuais ou feixes, formando uma película protetora na superfície da fibra para evitar o atrito mútuo durante o processamento têxtil, o que poderia danificar a fibra e reduzir sua resistência. Após o tratamento térmico para remoção do agente umectante, a resistência do tecido de fibra de quartzo diminui significativamente, mas geralmente se recupera após o tratamento com um ligante intermediário, pois o revestimento protege a fibra e compensa os defeitos superficiais.

l O tempo de armazenamento afeta a resistência. A resistência da fibra de quartzo diminui após um período de armazenamento, conhecido como envelhecimento, principalmente devido à erosão causada pela umidade do ar. Portanto, fibras com alta estabilidade química sofrem menor redução de resistência.

l O tempo de aplicação da carga afeta a resistência. A resistência da fibra de quartzo diminui com a aplicação prolongada da carga, sendo especialmente perceptível em temperaturas ambientes mais elevadas, possivelmente devido à água adsorvida em microfissuras, que acelera a propagação das fissuras sob a ação da força externa.