Introduction

Les fibres de quartz sont des fibres inorganiques fabriquées à partir de quartz de haute pureté ou de cristaux naturels, avec des diamètres généralement compris entre quelques microns et quelques dizaines de microns. Elles conservent certaines caractéristiques et propriétés du quartz massif et constituent d'excellents matériaux pour la résistance aux hautes températures. La fibre de verre de quartz présente une fraction massique de SiO₂ supérieure à 99,9 %. Ses performances à haute température sont supérieures à celles des fibres à haute teneur en silice, avec une température d'utilisation à long terme pouvant atteindre 1 200 °C et un point de ramollissement de 1 700 °C. De plus, elle possède d'excellentes propriétés d'isolation électrique, une résistance à la combustion et aux chocs thermiques, ainsi que d'excellentes propriétés diélectriques et une bonne stabilité chimique. Par conséquent, les fibres de quartz jouent un rôle important dans les secteurs militaire, de la défense nationale, de l'aéronautique et de l'aérospatiale, où elles sont utilisées pour la fabrication d'éléments tels que les tuyères de fusée et les dispositifs de protection thermique aérospatiale.

Préparation

Les méthodes de production des fibres de quartz comprennent :

1. Faire fondre des barres ou des tubes de quartz à la flamme hydrogène-oxygène, puis les transformer en fibres à l'aide d'une flamme hydrogène-oxygène pour produire de la laine de quartz d'un diamètre de 0,7～1 μm ;

2. Formation de fibres courtes et de leurs feuilles de feutre par fusion du quartz à la flamme et utilisation d'un flux d'air à grande vitesse ;

3. Ramollir des filaments ou des tiges de quartz à vitesse constante à travers une flamme hydrogène-oxygène ou une flamme de gaz, puis les étirer rapidement en longues fibres.

Recherche connexe

Mécanisme de dégradation thermique des fibres de quartz

Les fibres de quartz sont souvent utilisées dans des environnements à haute température. À ces températures, elles ont tendance à se dégrader thermiquement, ce qui affecte leurs performances. De nombreuses recherches portent sur les changements de phase à haute température des matériaux en quartz, mais peu d'études se sont penchées sur le mécanisme de dégradation thermique des fibres de quartz.

Des chercheurs ont étudié la transformation de phase dans des conditions de haute température, les changements de microstructure de surface et leurs effets sur les propriétés mécaniques, fournissant ainsi un soutien théorique pour prolonger la durée de vie des fibres de verre de quartz et élargir leurs domaines d'application.

Les résultats montrent que la diminution de la résistance des fibres de quartz peut être divisée en deux étapes :

1. Dans la plage inférieure à 600℃, en raison de la volatilisation de l'agent de traitement de surface des fibres de quartz, le diamètre diminue progressivement et des défauts tels que des fissures, des renflements de bande et des cicatrices deviennent progressivement apparents, conduisant à une lente diminution de la résistance à la traction des fibres de quartz ;

2. Dans la plage de 600～À 1000 °C, l'agent de traitement de surface s'est complètement volatilisé. Lors des cycles de chauffage et de refroidissement, sous l'effet des contraintes thermiques, les irrégularités et les marques présentes sur la bande commencent à se détacher, créant ainsi de nouvelles fissures et des défauts de surface. Plus la température est élevée, plus le détachement de ces irrégularités est prononcé, ce qui constitue un facteur majeur de la réduction de la résistance des fibres de quartz dans cette plage de températures. Il en résulte une diminution significative de la résistance des fibres de quartz traitées à 600 °C.～1000℃.

Traitement de surface des fibres de quartz

Les fibres de quartz, fibres de verre à haute teneur en SiO2, présentent d'excellentes performances et sont largement utilisées dans des domaines exigeant des matériaux spécifiques, tels que les cathéters biomédicaux et le traitement des gaz d'échappement. Ces dernières années, grâce à leurs propriétés mécaniques et diélectriques exceptionnelles, elles sont de plus en plus utilisées dans les secteurs aérospatial et aéronautique, notamment pour les systèmes de capots d'antennes haute température. Actuellement, la recherche sur les fibres de quartz porte principalement sur leur cristallisation et les modifications de leur revêtement de surface. Les matériaux composites à matrice céramique pour les capots d'antennes à très haut nombre de Mach utilisent souvent un renforcement par fibres de quartz continues. Afin de préserver la capacité de ces fibres à être tissées, un agent d'immersion doit être ajouté lors de leur production. Ce composant principal est une matière organique. Les capots d'antennes à matrice céramique nécessitent généralement un traitement thermique sous vide ou sous atmosphère protectrice à haute température pour obtenir le produit final. Or, la matière organique se carbonise et la présence de carbone libre peut fortement altérer les propriétés diélectriques du capot. Par conséquent, lors de la préparation de matériaux pour capots d'antennes en matrice céramique renforcée de fibres de quartz, il est impératif d'éliminer l'agent d'immersion de surface des fibres tout en minimisant les dommages causés à ces dernières. Cependant, aucune étude n'a encore été publiée sur les méthodes d'élimination de cet agent, les modifications de la morphologie et de la composition de surface avant et après son élimination, ni sur les variations de performance qui en découlent.

Des chercheurs ont étudié des méthodes d'élimination de l'agent d'immersion superficiel des fibres de quartz, en réalisant des analyses MEB et XPS sur des fibres de quartz traitées de différentes manières et en comparant les variations de résistance à la traction avant et après traitement. Les résultats indiquent qu'un traitement thermique à haute température permet une élimination plus complète de l'agent d'immersion superficiel et que la résistance des fibres de quartz est sensible à la température de traitement thermique.