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石英纖維的應用現狀及展望 |
來源:中國粉體技術網 更新時間:2013-08-23 12:58:56 瀏覽次數: |
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石英纖維是將高純石英高溫熔化后拉制成絲的,是一種SiO2含量高(>99.95%)的無機高性能纖維,具有耐高溫絕緣、耐燒蝕、耐腐蝕、隔熱透波、優良的介電性能,廣泛應用于航空、航天、軍事、醫學等高端領域,例如導彈天線罩、發動機套管、隔熱層、生物導管等。具體應用領域有以下幾方面:
一、在航空航天領域的應用
1、透波材料
航空航天透波材料是保護飛行器在惡劣環境條件下通訊、遙測、制導、引爆等系統正常工作的一種多功能介質材料,在各種飛行器無線電系統中得到了廣泛應用。隨著飛行器飛行馬赫數不斷提高,處于飛行器氣動力和氣動熱最大、最高位置的天線罩需承受的溫度和熱沖擊越來越高。石英纖維因其具有介電常數低和正切損耗小的優點,并且具有彈性模量隨溫度升高而增加的罕見特性,應用于透波材料中,從而保證透波材料具有很高的透波率和一定的機械強度。
哈爾濱工業大學王磊等采用溶膠-凝膠法在石英纖維的表面涂敷Al2O3涂層,并與甲基硅樹脂制成復合材料,結果表明,Al2O3涂層在500℃下可有效隔絕石英纖維與樹脂基體之間的反應,改善復合材料的界面強度,提高復合材料的層間剪切性能。經400、600℃熱處理后的Al2O3涂敷石英纖維增強復合材料的層間剪切強度分別為8.2、5.4MPa,分別是未涂敷復合材料的3.4倍和2.3倍。
北京航空材料研究院陳夢怡等研究了石英纖維增強新型的改性氰酸酯樹脂基復合材料的耐熱性、力學性能和介電性能,結果表明氰酸酯樹脂/石英纖維復合材料具有優良的力學性能和優異的介電性能,可在150℃下使用。尤其是氰酸酯樹脂/石英纖維復合材料的介電性能具有極好的頻率穩定性,適合作為寬頻高透波材料。
2、隔熱材料
無機纖維材料由于其質輕、低熱導率、原料廣泛等顯著特點被廣泛應用于航空航天器的熱防護系統中。與有機纖維相比,無機纖維除了強度和模量較高外,更重要的是具有很好的耐高溫性。石英纖維作為一種優良的耐高溫無機纖維,保持了固體石英的特點和性能,因此被廣泛應用于航空航天熱防護工程中。
北京化工大學張曉潔等研究了有機硅樹脂/石英纖維復合材料的拉伸性能、耐高溫性能和介電性能。研究結果表明,纖維預處理方式對纖維和復合材料力學性能有較大影響。采用甲苯浸泡,繼而350℃高溫加熱400s可在獲得較好纖維強度的前提下除去浸潤劑。復合材料經熱處理后仍能保持很好的力學強度和介電性能,550℃處理后,拉伸強度達到了360MPa以上,介電常數仍在3.30以下,滿足導彈天線罩用復合材要求。
二、在生物醫學領域的應用
石英纖維生物相容性好,機械性能好,抗疲勞,抗腐蝕,美觀,操作簡便等諸多優點已越來越廣泛地被臨床醫師及患者所接受。石英纖維在生物醫學領域主要應用于牙齒修復和人體骨骼修復等方向。
牙冠修復手術中,后牙由于其根管彎曲不平行,在進行金屬樁核修復時,很難取得共同進位道,臨床應用難度較大。而應用石英纖維樁則不存在這樣的問題,另外由于纖維樁其彈性模量與牙本質接近,因而比金屬樁更為有效地傳遞和分散應力,不會在根尖部產生應力集中。上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院吳悅梅等采用環氧樹脂為基體,以石英纖維為增強材料,自行研制出用于根管樁的纖維增強樹脂基復合材料,復合材料的彎曲強度和剪切強度隨著纖維含量的增加而增加, 彎曲強度范圍在741~1165MPa之間, 剪切強度范圍在 36.7~50.4MPa之間, 相應的纖維質量含量范圍在53.3~78.6Wt%之間, 彈性模量范圍在 30.6~51.9GPa之間。電鏡觀察顯示: 纖維在樹脂中分布均勻; 纖維與樹脂結合良好。制備得到的石英纖維/環氧樹脂復合材料具備良好的機械性能, 能夠滿足根管樁材料的要求。
石英纖維樁
四川大學陳抒天等用擠出法制備石英纖維(quartz fibre,QF)/納米羥基磷灰石(nano-hydroxyapatite,n-HA)/聚酰胺66(polyamide 66,PA66)復合材料(QF/n-HA/PA66),表征了其結構、形貌、力學性能和細胞毒性。結果表明:QF均勻地分散在n-HA/PA66中,且與PA66基體存在氫鍵結合;復合材料的力學性能隨著石英纖維含量的增加而增大,當石英纖維含量為38%時復合材料的抗拉強度為81MPa,抗壓強度為190MPa,抗彎強度為l95MPa(比人體皮質骨的高); n-HA/PA66基體所承受的載荷傳遞給QF纖維,纖維軸向傳遞使應力迅速擴散,這種傳遞作用在一定程度上起到了力的分散作用,從而增強了材料承受外力作用的能力,導致材料的彎曲強度、拉伸強度等力學性能的顯著提高。QF/ n-HA/PA66復合材料無細胞毒性,滿足承重骨修復材料的要求。
三、在建筑材料領域的應用
石英纖維可作為墻面裝飾材料(即石英纖維壁布),由于石英纖維壁布具有各種編制花紋,能和各種顏色涂料進行組合和匹配,為墻面的裝飾提供了豐富的裝飾選擇。此外,在防火、耐酸堿、抗沖擊、防開裂、抗靜電、透氣性等性能優越,因此在酒店、辦公樓、劇院、學校、醫家庭等獲得了廣泛應用,是一種新型的綠色墻面裝飾材料。
石英纖維壁布
四、存在的問題和未來展望
石英纖維是一種玻璃態材料,處于熱力學不穩定狀態,在高溫下易析出方石英相。析出的方石英在溫度漲落過程中存在著較大的體積效應,導致纖維脆化、致使復合材料的力學性能大幅下降,嚴重地制約了復合材料在高溫下的使用。
在石英纖維的力學行為中,濕敏性是它最大的一個缺點。作為復合材料的增強相來說,這就意味著在預制件的編織成型和復合材料的制備成型過程中,都要避免石英纖維與水分直接或者間接接觸,否則,石英纖維的力學性能會迅速惡化,進而導致復合材料的相關物理化學性能下降。
所以對石英纖維進行表面處理成為研究重點,通過表面處理一方面增強與基體的相容性,提高復合體系的基本性能,另一方面減小石英纖維自身的損傷。目前,對于石英纖維表面處理的研究報道較少,今后可在該方向上加強研究力度,克服石英纖維存在的一些缺點,不斷擴大石英纖維的應用領域。 |
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