【原创】国内石英纤维及其复合材料研究现状


来源:中国粉体网   星耀

[导读]  石英纤维是以高纯石英或天然水晶为原料制得的一种无机纤维,直径只有1~15微米。石英纤维在航空、航天、半导体、高温隔热、高温过滤方面有着广泛的应用。

中国粉体网讯  石英纤维是以高纯石英或天然水晶为原料制得的一种无机纤维,直径只有1~15微米。石英纤维在航空、航天、半导体、高温隔热、高温过滤方面有着广泛的应用。


 

图片来源:河南神玖天航新材料股份有限公司


1石英纤维性能


石英纤维保持了固体石英的部分性能和特点,是一种良好的耐高温材料,并可作为先进复合材料的增强体。石英纤维的纯度很高,这使得其具备一些良好的特性,如抗烧蚀性强、耐温性好、导热率低,且其化学稳定性高,介电性能也较为优良。


典型石英纤维的性能参数

 


2石英纤维的发展现状


石英纤维的生产最初源于法国,随后,美日英俄等国也形成了规模化的生产。石英纤维品种繁多,如短切纤维、针织物、布、带、无捻粗纱、纱、棉等。


国内最早开始生产石英纤维的是湖北菲利华石英玻璃股份有限公司,菲利华是全球少数几家具有石英纤维批量生产能力的制造商,中国航空航天等国防军工领域唯一的石英纤维供应商。目前,该公司已研发出多种石英纤维产品,包括石英纤维纱、超细石英纤维丝、定长石英纤维丝、石英纤维棉、石英纤维布等。


 

图片来源:菲利华官网


我国已经具备高纯石英纤维生产能力,但生产力有限。我国还有其他科研院所进行高纯石英纤维研制工作,但尚无量产能力。


3石英纤维应用


石英纤维的应用包括:高频印刷电路板(便携式电话科技、超级计算机);各种高温环境隔热 :航空航天的热防护;汽车玻璃制造工业;半导体工业的绝热材料;高温气体过滤;高温催化基材;绝热保温材料;取代硅酸盐/石棉纤维。


石英纤维应用领域细分表

 


石英纤维具有固态石英的部分特征和机械特性,常被用做先进复合材料的增强相。石英纤维增强复合材料是1种由石英纤维或其制品增强的复合材料。石英纤维增强复合材料不仅拥有原材料的物理化学特性,还结合了石英纤维带来的优点。


4常见的石英纤维增强复合材料的研究


现阶段常用的石英纤维增强复合材料有:石英纤维增强含硅芳炔树脂复合材料、石英纤维增强二氧化硅复合材料、石英纤维增强聚酰亚胺复合材料。


4.1石英纤维增强含硅芳炔树脂复合材料


含硅芳基乙炔树脂是1种新型的有机-无机杂化材料。


性能:因引入硅元素,使树脂具有优良的耐高温和耐烧蚀性,同时具有优良的介电和化学性能。


应用:可用作高温烧蚀隔热材料,在国内外已实现小规模商用。


研究现状:近年来,国际先进复合材料低成本制造技术领域研发的主流是树脂传递模塑(Resin Transfer Nolding, RTM)制造技术。采用TEOAS表面改性QF的共混PSA复合材料,提升了其储能模量,加强了其弯曲性能和层间剪切强度(InterLaminar Shear Strength, ILSS)。


4.2石英纤维增强二氧化硅复合材料


石英纤维/SiO2复合材料具有良好的隔热性能、力学承载性能和电性能,是透波罩常用材料体系之一。因此,连续石英纤维增强二氧化硅复合材料( SiO2f /SiO2 ) 作为一种新型功能材料,可同时满足透波、防热、承载等三方面的性能要求,


性能:采用连续石英纤维增强二氧化硅,既可保留陶瓷基体的良好特性,同时又起到了增韧效果,从而提高其强度。


应用:连续石英纤维增强二氧化硅复合材料(SiO2f/SiO2)可实现较高频波段传输、隔热和承载等三方面的性能要求,是当前市面上一种热门新型功能材料,在高马赫导弹、飞船、运载火箭及返回式卫星等领域中得到广泛应用。


研究现状:目前,溶胶-凝胶法被广泛应用于制备 SiO2f/SiO2复合材料。该工艺是将硅溶胶真空浸入石英纤维织物中,然后通过干燥、固化、烧结等工艺将二氧化硅基体沉积在织物中。溶胶-凝胶法的优点是硅溶胶粘度低,石英维能很好地渗透,结温低,石英维损伤小。


4.3石英纤维增强聚酰亚胺复合材料


石英纤维增强聚酰亚胺复合材料是1种非均匀的各向异性材料。


特性:机械性能优良、耐高温,理化性能稳定,用途广泛。石英纤维增强PI复合材料不仅能保持其原有的优良性能,而且具有优良的介电性能性能,在较宽的温度和频率范围内保持稳定。


研究现状:目前,市场对石英纤维増强聚亚酸复合材料需求越来越多,该类材料的加工要求也随之提高,但受限于该材料本身的性质,传统机械加工方式存在较大问题。


石英纤维增强聚酰亚胺复合材料的高效、优质、高精度加工成为国内外学者研究的热点和难点之一。目前,在激光加工和电火花加工等特殊加工方法的创新上有较大进展,但由于这些特殊加工方法的某些缺点无法切合于石英纤维增强聚亚复合材料的制备,所以较为传统的机械加工方法仍然处于主要地位。因此,为了实现材料的高精度加工特点,以磨代钻、以磨代铣等通过改变现有的加工方式和刀具模型的方法逐渐发展起来。为了突破切削液不能用于加工的限制,少数学者选择液氮作为冷却材料,研究复合材料的超低温加工。


参考来源:中国粉体网、天地源矿业、硅业分会、神玖石英纤维、菲利华官网等。

【1】王立尧,等. 石英纤维增强复合材料现状及未来发展趋势. Automotive Digest.2021.

【2】潘蕊,等. 石英纤维 /SiO2复合材料透波罩吸水增重对电性能的影响.复合材料科学与工程.2022.

【3】高龙飞,等.连续石英纤维增强二氧化硅复合材料研究概括.玻璃钢/复合材料.2019.

(中国粉体网编辑整理/星耀)

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作者:星耀

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