石英纖維的研究現(xiàn)狀

　　1  石英纖維概述
 

　　石英纖維是一種高性能無機纖維，制備原料為高純度二氧化硅或天然的石英晶體。它保持了固體石英的部分性能和特點，是一種良好的耐高溫材料，并可作為先進復(fù)合材料的增強體[1]。石英纖維的純度很高(≥99.9%)，這使得其具備一些良好的特性，如抗燒蝕性強、耐溫性好、導(dǎo)熱率低，且其化學穩(wěn)定性高，介電性能也較為優(yōu)良。

　　石英纖維具備良好的綜合性能，能夠用于制備多種復(fù)合材料。在制備透波材料時，由于石英纖維的介電常數(shù)及損耗角正切都比較低，往往被用作復(fù)合材料的增強體。此外，隨溫度的升高，其彈性模量相應(yīng)增加，因而確保了透波材料在具有較高的透波率的同時，力學性能不致大幅下降。石英纖維的生產(chǎn)*初源于法國，隨后，美日英俄等國也形成了規(guī)模化的生產(chǎn)。石英纖維品種繁多，如短切纖維、針織物、布、帶、無捻粗紗、紗、棉等，可用于航空航天領(lǐng)域[2,3]。目前，已有包含神玖復(fù)合材料有限公司在內(nèi)的兩家已研發(fā)出多種石英纖維產(chǎn)品，包括石英纖維紗、超細石英纖維紗、石英纖維短切絲、石英纖維棉、石英纖維布等。
 

　　迄今為止，國內(nèi)外對于玻璃纖維的研究相當成熟，相比之下，針對石英纖維的研究卻比較少。目前，有關(guān)石英纖維的研究主要集中在其應(yīng)用上，對于纖維本身的研究并不是很多。美國麻省理工學院的 Roy Kaplow 等[4]通過石英纖維表面物理吸附或化學吸附氣體(如鹵素氣體)來改變其表面狀態(tài)，以增加纖維表面吸附水蒸氣所需要的活化能或阻礙水分子在其表面的解離，從而提高硅氧鍵解離的活化能，降低裂紋擴展的可能性。但他們未對普通商用纖維的具體性能進行研究，并且也未能找出導(dǎo)致纖維脆化的原因。北京航空航天大學的邢建申[5]等也系統(tǒng)研究了石英纖維的析晶行為，發(fā)現(xiàn)石英纖維的析晶產(chǎn)物為單一α-方石英相，纖維在 950℃左右開始析晶，于 1400℃左右析晶量達到*大值；石英纖維的析晶大致經(jīng)歷了成核和長大兩個過程；石英纖維的析晶受多種因素影響，如纖維的結(jié)構(gòu)、界面及外加劑等。Yu  Zheng 等[6]研究了中高溫(600～900℃)熱處理對石英纖維表面形貌和結(jié)構(gòu)的影響，并建立了熱處理后纖維力學性能下降與纖維形貌、結(jié)構(gòu)變化的關(guān)系。結(jié)果顯示，石英纖維表面的缺陷是導(dǎo)致其力學性能下降的主要原因，當熱處理溫度為 600℃時，纖維力學性能的下降主要源于纖維的內(nèi)部缺陷，而當溫度達到 700～900℃時，纖維表面的結(jié)構(gòu)開始發(fā)生變化，特別在 900℃時，纖維表面出現(xiàn)微晶，微晶區(qū)域與無定型區(qū)域的不匹配導(dǎo)致了纖維力學性能的大幅下降。國防科學技術(shù)大學的陳幫等[1]比較了不同表面處理手段對去除石英纖維表面浸潤劑的作用。研究表明，高溫處理可有效去除纖維表面的浸潤劑，而丙酮浸泡的效果并不理想，但過高的處理溫度會導(dǎo)致纖維力學性能的降低。
 

　　2  石英纖維的制備
 

　　如前所述，石英纖維所用的原料是高純二氧化硅或天然石英晶體，其熔點很高（可達 1700 多℃）。因此，石英纖維制備方法具有特殊性，這里以熔融拉絲法為例，簡要介紹其制備工藝流程和實驗設(shè)備，首先將原料水晶或純凈的二氧化硅粉料放入真空加壓電阻爐內(nèi)加熱，由多孔漏板滴出，由此可以獲得單絲直徑約7.5μm 的原絲，*后，將纖維原絲進行合股加捻，從而獲得纖維紗或纖維織物。其中，拉絲的具體過程可簡述如下：液態(tài)的高溫石英由底端滴出，拉絲機則保持恒定的轉(zhuǎn)動速率，從而將纖維牽伸和固化，形成連續(xù)纖維。值得指出的是，纖維單絲在被拉出之后的過程中溫度會有大幅的下降，該效應(yīng)對產(chǎn)品性能會產(chǎn)生一些影響[7]。正是因為這個原因，在實際工藝中需要在纖維拉絲過程中給纖維表面涂抹浸潤劑，以起到抑制纖維斷絲、飛絲的作用，進而有助于確保拉絲作業(yè)正常進行。石英纖維的浸潤劑一般可分為兩大類，即用于制備紡織紗的淀粉型浸潤劑和制備增強型制品的增強型浸潤劑。
 

　　石英纖維作為透波復(fù)合材料的增強體，其性能直接影響著復(fù)合材料的性能，這就對石英纖維的的質(zhì)量提出了嚴格的要求。石英纖維的質(zhì)量主要受以下幾個方面因素的影響：**，原料直接影響著石英纖維的力學性能和抗燒蝕性能；就國內(nèi)情況而言，制備原料主要包括水晶料、硅石料等。第二，由于石英纖維往往采用兩步電熔法制得，其純度、幾何尺寸、透明度羥基含量等都會對石英纖維的質(zhì)量產(chǎn)生顯著作用。第三，拉絲工藝的質(zhì)量也直接影響著纖維的性能，例如與熔融的石英晶體和硅微粉的純度、溫度、熔融液面高度、粘度以及漏板的孔徑等因素都有密切的關(guān)聯(lián)。第四，浸潤劑的種類、質(zhì)量、涂抹的均勻程度和使用量等均顯著影響著制備產(chǎn)物的性能[8]。
 

　　總之，石英纖維是一種研究較多并得到廣泛應(yīng)用的無機纖維，尤其在航空航天領(lǐng)域，常被用作透波復(fù)合材料的增強體。石英纖維在航空航天領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用，石英纖維的質(zhì)量關(guān)系著航空航天領(lǐng)域的發(fā)展和進步，因此，未來對石英纖維的研究、生產(chǎn)、應(yīng)用會更加的精細化、深入化和系統(tǒng)化。
 

　　參考文獻：

　　[1]陳幫, 張長瑞, 王思青, 等. 石英纖維的表面處理[J]. 硅酸鹽通報, 2007,25(6): 187-190.

　　[2]陳夢怡, 嵇培軍, 蔡良元, 等. 石英纖維織物增強復(fù)合材料性能研究[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料, 2004, 112-13.

　　[3]溫廣武, 雷廷權(quán), 周玉. 石英玻璃基復(fù)合材料的研究進展[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, 王樹彬, 張躍. 石英纖維析晶行為[J]. 復(fù)合材料學報, 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]張耀明, 李巨白, 姜肇中. 玻璃纖維與礦物棉全書[M]. 化學工業(yè)出版社,2001.

　　[8] 李青. 浸潤劑技術(shù)與玻璃纖維及玻璃鋼制品之間的關(guān)系[J]. 玻璃纖維, 2003,(3): 21-24.