Fibre de quartz : résistante aux hautes températures, ignifuge et isolante thermique

1. Résumé

La fibre de quartz est un type de fibre de verre spéciale haute performance, reconnue pour sa grande pureté, sa haute résistance à la chaleur, sa faible constante diélectrique et ses faibles pertes. Elle est couramment utilisée dans des secteurs de pointe tels que l'aérospatiale. Produite par une technologie intelligente.

2. Caractéristiques de performance des fibres de quartz

La fibre de quartz, riche en silice, conserve certaines caractéristiques et performances du quartz massif. Elle présente une résistance thermique élevée, une isolation électrique performante à hautes températures et fréquences, une excellente stabilité chimique, et peut être utilisée durablement à des températures inférieures à 1050 °C. Elle résiste également à des pics de température instantanés jusqu'à 1700 °C. Sa résistance à la traction est trois fois supérieure à celle des fibres ordinaires. De plus, elle possède des propriétés diélectriques exceptionnelles : c'est la fibre minérale présentant la plus faible constante diélectrique et le plus faible coefficient de pertes diélectriques, avec une constante diélectrique de 3,70 à 1 MHz et un coefficient de pertes diélectriques inférieur à 0,001. Aux hautes fréquences et en dessous de 700 °C, la fibre de quartz conserve la constante diélectrique et les pertes les plus faibles et les plus stables, tout en préservant plus de 70 % de sa résistance. Elle est couramment utilisée comme renfort structurel, isolant thermique et matériau transparent aux ondes pour les pièces critiques des aéronefs et des engins spatiaux.

3. Processus de préparation

l Les méthodes de fabrication de la fibre de quartz comprennent principalement l'étirage par fusion directe, l'étirage à la barre et les méthodes sol-gel, parmi lesquelles l'étirage à la barre est la principale méthode de préparation industrielle.

l Le procédé d'étirage consiste à placer des cristaux bruts ou de la poudre de silice pure dans un four à résistance sous vide, à les faire fondre, puis à les étirer en fines barres (environ 2 mm de diamètre). Lors de l'étirage, un agent mouillant est d'abord appliqué sur la fibre de quartz, puis celle-ci est étirée sous chauffage électrique ou à la flamme oxyhydrogène pour obtenir des monofilaments d'environ 8 µm de diamètre. Enfin, les brins de fibres sont torsadés ensemble pour former un fil ou un tissu.

l Le procédé d'étirage peut être brièvement décrit comme suit : du quartz liquide à haute température s'écoule de l'extrémité inférieure de la tige de quartz, tandis que la machine d'étirage maintient une vitesse de rotation constante pour étirer et solidifier la fibre, formant ainsi des fibres continues. Un nouveau filament fin en forme de croissant, appelé racine de fibre, se forme à l'extrémité inférieure de la tige de quartz. Il est important de noter que la température de la fibre chute considérablement après son étirage, ce qui peut affecter les performances du produit.

4. Produits en fibres de quartz et domaines d'application

l La fibre de quartz peut être transformée en divers produits tels que le fil de fibre de quartz, le coton, le feutre, le tissu, les manchons, les fibres courtes, etc. Le fil de fibre de quartz est un produit courant largement utilisé dans la fabrication des antennes de radôme d'aéronefs.

l Les fibres courtes sont fabriquées à partir de fibres de verre de quartz de longueur fixe prédécoupées.

l Le fil de fibre de quartz est fabriqué à partir de silice de haute pureté et de cristaux de quartz naturels transformés en longues fibres continues avec une teneur en SiO2 supérieure à 99,95 %, capables d'une utilisation à long terme à des températures élevées allant jusqu'à 1050℃, et présentant une constante diélectrique et des pertes extrêmement faibles et stables, ce qui en fait un excellent matériau de fibre inorganique flexible avec une résistance élevée à la température.

l Le tissu en fibres de quartz est tissé à partir de fil de fibres de quartz par diverses méthodes de tissage comme la toile, le sergé satin et le leno, pour obtenir un tissu d'épaisseurs et de tissages différents, caractérisé par une résistance élevée à la température, une grande résistance, une faible constante diélectrique, une faible conductivité thermique, une résistance à la combustion, etc.

l Le coton en fibres de quartz est composé de fibres de quartz pures sans liants, de forme et d'agencement irréguliers lui conférant un aspect bouclé qui empêche la compression du rembourrage et améliore l'isolation ; c'est un bon substitut au coton en fibres de silice, au coton en fibres céramiques et au coton en fibres de basalte.

5. Facteurs influençant la résistance des fibres de quartz

l En général, plus le diamètre d'une fibre de quartz est petit, plus sa résistance à la traction est élevée. La résistance à la traction est liée à la longueur de la fibre et diminue significativement lorsque celle-ci augmente. L'influence du diamètre et de la longueur sur la résistance des fibres de quartz peut s'expliquer par l'hypothèse des microfissures : la diminution du diamètre et de la longueur de la fibre entraîne une diminution du nombre de microfissures à l'intérieur de celle-ci, ce qui accroît sa résistance.

l La qualité du verre liquide influe sur la résistance des fibres de quartz. Les impuretés dans sa composition ou les variations de température de la plaque de fusion peuvent entraîner une cristallisation des fibres. L'expérience montre que les fibres cristallisées sont plus fragiles que les fibres amorphes. De plus, la présence de bulles dans le verre liquide peut également réduire la résistance des fibres.

l Le traitement de surface influe sur la résistance. Lors du tréfilage continu, un agent mouillant doit être appliqué sur chaque fibre ou faisceau, formant un film protecteur à leur surface afin d'éviter les frottements mutuels lors de la transformation textile, qui pourraient endommager la fibre et réduire sa résistance. Après un traitement thermique visant à éliminer l'agent mouillant, la résistance du tissu de fibres de quartz diminue considérablement, mais elle se rétablit généralement après un traitement avec un liant intermédiaire, car le revêtement protège la fibre et compense les défauts de surface.

l La durée de stockage influe sur la résistance. La résistance des fibres de quartz diminue après un certain temps de stockage, un phénomène appelé vieillissement, principalement dû à l'érosion par l'humidité ambiante. Ainsi, les fibres à haute stabilité chimique subissent une moindre perte de résistance.

l La durée d'application de la charge influe sur la résistance. La résistance des fibres de quartz diminue avec une application prolongée de la charge, ce qui est particulièrement visible à des températures ambiantes élevées, probablement en raison de l'eau adsorbée dans les microfissures qui accélère la propagation des fissures sous l'effet d'une force extérieure.