Εισαγωγή

Οι ίνες χαλαζία είναι ανόργανες ίνες κατασκευασμένες από χαλαζία υψηλής καθαρότητας ή φυσικούς κρυστάλλους, με διαμέτρους που συνήθως κυμαίνονται από μερικά μικρά έως δεκάδες μικρά. Διατηρούν ορισμένα χαρακτηριστικά και ιδιότητες του στερεού χαλαζία και είναι εξαιρετικά υλικά για αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες. Το υαλοβάμβακας χαλαζία έχει κλάσμα μάζας SiO2 άνω του 99,9%. Η απόδοσή του σε υψηλές θερμοκρασίες είναι ανώτερη από αυτή των ινών υψηλής περιεκτικότητας σε πυρίτιο, με θερμοκρασία μακροχρόνιας χρήσης που φτάνει έως και τους 1200℃ και σημείο μαλάκυνσης έως και τους 1700℃. Επιπλέον, διαθέτει υψηλές ηλεκτρικές μονωτικές ιδιότητες, αντοχή στην καύση, αντοχή σε θερμικά σοκ, εξαιρετικές διηλεκτρικές ιδιότητες και καλή χημική σταθερότητα. Κατά συνέπεια, οι ίνες χαλαζία παίζουν σημαντικό ρόλο στις στρατιωτικές, εθνικές αμυντικές, αεροπορικές και αεροδιαστημικές βιομηχανίες, χρησιμοποιούνται στην κατασκευή ειδών όπως ακροφύσια πυραύλων και συσκευές θερμικής προστασίας αεροδιαστημικής.

Παρασκευή

Οι μέθοδοι για την παραγωγή ινών χαλαζία περιλαμβάνουν:

1. Τήξη ράβδων ή σωλήνων χαλαζία με φλόγα υδρογόνου-οξυγόνου και στη συνέχεια εμφύσησή τους σε ίνες με φλόγα υδρογόνου-οξυγόνου για την παραγωγή μαλλιού χαλαζία με διάμετρο 0,7~1μm;

2. Σχηματισμός κοντών ινών και των φύλλων τους από τσόχα με τήξη χαλαζία με φλόγα και χρήση ροής αέρα υψηλής ταχύτητας.

3. Μαλάκωμα νημάτων ή ράβδων χαλαζία με σταθερή ταχύτητα μέσω φλόγας υδρογόνου-οξυγόνου ή φλόγας αερίου και στη συνέχεια ταχεία έλξη τους σε μακριές ίνες.

Σχετική έρευνα

Μηχανισμός θερμικής βλάβης των ινών χαλαζία

Οι ίνες χαλαζία λειτουργούν συχνά σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας. Σε υψηλές θερμοκρασίες, οι ίνες χαλαζία τείνουν να υφίστανται θερμική υποβάθμιση, επηρεάζοντας την απόδοσή τους σε υψηλές θερμοκρασίες. Υπάρχει εκτεταμένη έρευνα σχετικά με τις αλλαγές φάσης υψηλής θερμοκρασίας των υλικών χαλαζία, αλλά λίγες αναφορές σχετικά με τον μηχανισμό θερμικής βλάβης των ινών χαλαζία.

Οι ερευνητές έχουν μελετήσει τον μετασχηματισμό φάσης υπό συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας, τις αλλαγές στην μικροδομή της επιφάνειας και τις επιπτώσεις τους στις μηχανικές ιδιότητες, παρέχοντας θεωρητική υποστήριξη για την παράταση της διάρκειας ζωής των ινών γυαλιού χαλαζία και τη διεύρυνση των πεδίων εφαρμογής τους.

Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η μείωση της αντοχής των ινών χαλαζία μπορεί να χωριστεί σε δύο στάδια:

1. Στην περιοχή κάτω των 600℃, λόγω της εξάτμισης του παράγοντα επιφανειακής επεξεργασίας των ινών χαλαζία, η διάμετρος μειώνεται σταδιακά και ελαττώματα όπως ρωγμές, εξογκώματα λωρίδων και ουλές γίνονται σταδιακά εμφανή, οδηγώντας σε αργή μείωση της αντοχής σε εφελκυσμό των ινών χαλαζία.

2. Στην περιοχή των 600~Στους 1000℃, το μέσο επιφανειακής επεξεργασίας έχει ήδη εξατμιστεί πλήρως. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας θέρμανσης και ψύξης, λόγω θερμικής καταπόνησης, οι εξογκώσεις και οι ουλές της ταινίας αρχίζουν να ξεφλουδίζουν, δημιουργώντας νέες επιφανειακές ρωγμές και σημεία ελαττωμάτων. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο πιο έντονο είναι το ξεφλούδισμα των εξογκωμάτων και των ουλών της ταινίας, το οποίο είναι ένας σημαντικός παράγοντας που προκαλεί τη μείωση της αντοχής των ινών χαλαζία σε αυτό το εύρος θερμοκρασιών, με αποτέλεσμα τη σημαντική μείωση της αντοχής των ινών χαλαζία που υποβάλλονται σε επεξεργασία στους 600.~1000℃.

Επιφανειακή επεξεργασία ινών χαλαζία

Οι ίνες χαλαζία, ως ίνες γυαλιού με υψηλή περιεκτικότητα σε SiO2, παρουσιάζουν εξαιρετική απόδοση και χρησιμοποιούνται ευρέως σε περιοχές με ειδικές απαιτήσεις υλικών, όπως βιοϊατρικοί καθετήρες και επεξεργασία καυσαερίων. Τα τελευταία χρόνια, λόγω των εξαιρετικών μηχανικών και διηλεκτρικών ιδιοτήτων τους, χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο στους τομείς της αεροδιαστημικής και της αεροπορίας, ειδικά σε συστήματα καλύμματος κεραίας υψηλής θερμοκρασίας. Επί του παρόντος, η έρευνα για τις ίνες χαλαζία επικεντρώνεται κυρίως στην απόδοση κρυστάλλωσής τους και στις τροποποιήσεις επιφανειακής επικάλυψης. Τα σύνθετα υλικά κεραμικής μήτρας για καλύμματα κεραίας εξαιρετικά υψηλού αριθμού Μαχ χρησιμοποιούν συχνά συνεχή ενίσχυση με ίνες χαλαζία. Για να διατηρηθεί η δυνατότητα δέσμευσης των ινών χαλαζία για ύφανση, πρέπει να προστεθεί ένας παράγοντας εμβάπτισης κατά τη διάρκεια της διαδικασίας παραγωγής ινών. Το κύριο συστατικό του παράγοντα εμβάπτισης είναι η οργανική ύλη. Οι καλύμματα κεραίας κεραμικής μήτρας γενικά απαιτούν επεξεργασία κενού ή προστατευτικής ατμόσφαιρας σε υψηλή θερμοκρασία για να ληφθεί το τελικό προϊόν, με αποτέλεσμα η οργανική ύλη να ανθρακώνεται και η παρουσία ελεύθερου άνθρακα μπορεί να επηρεάσει σοβαρά τις διηλεκτρικές ιδιότητες του καλύμματος κεραίας. Επομένως, κατά την προετοιμασία υλικών καλύμματος κεραίας κεραμικής μήτρας ενισχυμένων με ίνες χαλαζία, ο παράγοντας εμβάπτισης επιφάνειας της ίνας πρέπει να αφαιρεθεί, ελαχιστοποιώντας παράλληλα τη ζημιά στις ίνες χαλαζία. Ωστόσο, δεν υπάρχουν ακόμη αναφορές σχετικά με τον τρόπο απομάκρυνσης του παράγοντα εμβάπτισης, τις αλλαγές στη μορφολογία και τη σύνθεση της επιφάνειας πριν και μετά την αφαίρεση, καθώς και τις αλλαγές στην απόδοση.

Μερικοί ερευνητές έχουν διερευνήσει μεθόδους για την απομάκρυνση του επιφανειακού παράγοντα εμβάπτισης από ίνες χαλαζία, διεξάγοντας αναλύσεις Μηχανική Μέτρηση (SEM) και XPS σε ίνες χαλαζία που έχουν υποστεί επεξεργασία με διαφορετικά μέσα και συγκρίνοντας τις αλλαγές στην αντοχή σε εφελκυσμό πριν και μετά την επεξεργασία. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η θερμική επεξεργασία σε υψηλή θερμοκρασία μπορεί να απομακρύνει πληρέστερα τον επιφανειακό παράγοντα εμβάπτισης και η αντοχή των ινών χαλαζία είναι ευαίσθητη στη θερμοκρασία θερμικής επεξεργασίας.