Introdução

As fibras de quartzo são fibras inorgânicas feitas de quartzo de alta pureza ou cristais naturais, com diâmetros que variam tipicamente de alguns mícrons a dezenas de mícrons. Elas retêm algumas características e propriedades do quartzo sólido e são excelentes materiais para resistência a altas temperaturas. A fibra de vidro de quartzo possui uma fração de massa de SiO₂ superior a 99,9%. Seu desempenho em altas temperaturas é superior ao das fibras com alto teor de sílica, com uma temperatura de uso contínuo que chega a 1200 °C e um ponto de amolecimento de até 1700 °C. Além disso, possui altas propriedades de isolamento elétrico, resistência à combustão, resistência ao choque térmico, excelentes propriedades dielétricas e boa estabilidade química. Consequentemente, as fibras de quartzo desempenham um papel significativo nas indústrias militar, de defesa nacional, de aviação e aeroespacial, sendo utilizadas na fabricação de itens como bocais de foguetes e dispositivos de proteção térmica aeroespacial.

Preparação

Os métodos de produção de fibras de quartzo incluem:

1. Fundir hastes ou tubos de quartzo com uma chama de hidrogênio-oxigênio e, em seguida, insuflá-los em fibras com a mesma chama para produzir lã de quartzo com um diâmetro de 0,7 mm.～1 μm;

2. Formação de fibras curtas e suas folhas de feltro através da fusão de quartzo com chama e utilizando fluxo de ar de alta velocidade;

3. Amolecer filamentos ou hastes de quartzo a uma velocidade constante através de uma chama de hidrogênio-oxigênio ou chama de gás e, em seguida, esticá-los rapidamente em fibras longas.

Pesquisa relacionada

Mecanismo de dano térmico em fibras de quartzo

As fibras de quartzo frequentemente operam em ambientes de alta temperatura. Nessas condições, elas tendem a sofrer degradação térmica, afetando seu desempenho. Embora haja extensa pesquisa sobre as mudanças de fase em altas temperaturas em materiais de quartzo, existem poucos relatos sobre o mecanismo de dano térmico em fibras de quartzo.

Pesquisadores estudaram a transformação de fase em condições de alta temperatura, as mudanças na microestrutura da superfície e seus efeitos nas propriedades mecânicas, fornecendo suporte teórico para prolongar a vida útil das fibras de vidro de quartzo e ampliar seus campos de aplicação.

Os resultados mostram que a diminuição da resistência da fibra de quartzo pode ser dividida em duas etapas:

1. Em temperaturas abaixo de 600°C, devido à volatilização do agente de tratamento superficial das fibras de quartzo, o diâmetro diminui gradualmente e defeitos como rachaduras, protuberâncias e cicatrizes tornam-se gradualmente aparentes, levando a uma diminuição lenta da resistência à tração das fibras de quartzo;

2. Na faixa de 600～A 1000 °C, o agente de tratamento de superfície já volatiliza completamente. Durante o processo de aquecimento e resfriamento, devido ao estresse térmico, as protuberâncias e cicatrizes da fita começam a se desprender, criando novas fissuras superficiais e defeitos. Quanto maior a temperatura, mais pronunciado é o desprendimento das protuberâncias e cicatrizes da fita, o que é um fator importante que causa a redução da resistência das fibras de quartzo nessa faixa de temperatura, resultando em uma diminuição significativa da resistência das fibras de quartzo tratadas a 600 °C.～1000℃.

Tratamento de superfície de fibras de quartzo

As fibras de quartzo, sendo fibras de vidro com alto teor de SiO2, apresentam excelente desempenho e são amplamente utilizadas em áreas com requisitos especiais de materiais, como cateteres biomédicos e tratamento de gases de escape. Nos últimos anos, devido às suas excelentes propriedades mecânicas e dielétricas, seu uso tem aumentado nas áreas aeroespacial e de aviação, especialmente em sistemas de cobertura de antenas para altas temperaturas. Atualmente, a pesquisa sobre fibras de quartzo concentra-se principalmente em seu desempenho de cristalização e modificações de revestimento superficial. Materiais compósitos de matriz cerâmica para coberturas de antenas de ultra-alto número de Mach frequentemente utilizam reforço contínuo de fibra de quartzo. Para manter a capacidade de agrupamento das fibras de quartzo para tecelagem, um agente de imersão deve ser adicionado durante o processo de produção da fibra. O principal componente do agente de imersão é a matéria orgânica. As coberturas de antenas de matriz cerâmica geralmente requerem tratamento a vácuo ou em atmosfera protetora de alta temperatura para obtenção do produto final; consequentemente, a matéria orgânica carboniza, e a presença de carbono livre pode afetar severamente as propriedades dielétricas da cobertura da antena. Portanto, ao preparar materiais para revestimento de antenas com matriz cerâmica reforçada com fibra de quartzo, o agente de imersão da superfície da fibra deve ser removido minimizando os danos às fibras de quartzo. No entanto, ainda não existem relatos sobre como remover o agente de imersão, as alterações na morfologia e composição da superfície antes e depois da remoção, e as alterações no desempenho.

Alguns pesquisadores investigaram métodos para remover o agente de imersão superficial de fibras de quartzo, realizando análises de MEV e XPS em fibras de quartzo tratadas por diferentes meios e comparando as alterações na resistência à tração antes e depois do tratamento. Os resultados indicam que o tratamento térmico em alta temperatura pode remover mais completamente o agente de imersão superficial e que a resistência das fibras de quartzo é sensível à temperatura do tratamento térmico.