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石英纤维的应用现状及展望

来源：中国粉体技术网更新时间：2013-08-23 12:58:56 浏览次数：

石英纤维是将高纯石英高温熔化后拉制成丝的，是一种SiO₂含量高（>99.95%）的无机高性能纤维，具有耐高温绝缘、耐烧蚀、耐腐蚀、隔热透波、优良的介电性能，广泛应用于航空、航天、军事、医学等高端领域，例如导弹天线罩、发动机套管、隔热层、生物导管等。具体应用领域有以下几方面：
         一、在航空航天领域的应用
         1、透波材料
         航空航天透波材料是保护飞行器在恶劣环境条件下通讯、遥测、制导、引爆等系统正常工作的一种多功能介质材料，在各种飞行器无线电系统中得到了广泛应用。随着飞行器飞行马赫数不断提高，处于飞行器气动力和气动热最大、最高位置的天线罩需承受的温度和热冲击越来越高。石英纤维因其具有介电常数低和正切损耗小的优点,并且具有弹性模量随温度升高而增加的罕见特性,应用于透波材料中，从而保证透波材料具有很高的透波率和一定的机械强度。
         哈尔滨工业大学王磊等采用溶胶-凝胶法在石英纤维的表面涂敷Al₂O₃涂层,并与甲基硅树脂制成复合材料，结果表明,Al₂O₃涂层在500℃下可有效隔绝石英纤维与树脂基体之间的反应,改善复合材料的界面强度,提高复合材料的层间剪切性能。经400、600℃热处理后的Al₂O₃涂敷石英纤维增强复合材料的层间剪切强度分别为8.2、5.4MPa,分别是未涂敷复合材料的3.4倍和2.3倍。
        北京航空材料研究院陈梦怡等研究了石英纤维增强新型的改性氰酸酯树脂基复合材料的耐热性、力学性能和介电性能，结果表明氰酸酯树脂/石英纤维复合材料具有优良的力学性能和优异的介电性能，可在150℃下使用。尤其是氰酸酯树脂/石英纤维复合材料的介电性能具有极好的频率稳定性，适合作为宽频高透波材料。
        2、隔热材料
        无机纤维材料由于其质轻、低热导率、原料广泛等显著特点被广泛应用于航空航天器的热防护系统中。与有机纤维相比，无机纤维除了强度和模量较高外，更重要的是具有很好的耐高温性。石英纤维作为一种优良的耐高温无机纤维，保持了固体石英的特点和性能，因此被广泛应用于航空航天热防护工程中。
        北京化工大学张晓洁等研究了有机硅树脂/石英纤维复合材料的拉伸性能、耐高温性能和介电性能。研究结果表明,纤维预处理方式对纤维和复合材料力学性能有较大影响。采用甲苯浸泡,继而350℃高温加热400s可在获得较好纤维强度的前提下除去浸润剂。复合材料经热处理后仍能保持很好的力学强度和介电性能,550℃处理后,拉伸强度达到了360MPa以上,介电常数仍在3.30以下,满足导弹天线罩用复合材要求。
        二、在生物医学领域的应用
        石英纤维生物相容性好，机械性能好，抗疲劳，抗腐蚀，美观，操作简便等诸多优点已越来越广泛地被临床医师及患者所接受。石英纤维在生物医学领域主要应用于牙齿修复和人体骨骼修复等方向。
        牙冠修复手术中，后牙由于其根管弯曲不平行,在进行金属桩核修复时,很难取得共同进位道,临床应用难度较大。而应用石英纤维桩则不存在这样的问题,另外由于纤维桩其弹性模量与牙本质接近,因而比金属桩更为有效地传递和分散应力,不会在根尖部产生应力集中。上海交通大学医学院附属第九人民医院吴悦梅等采用环氧树脂为基体，以石英纤维为增强材料，自行研制出用于根管桩的纤维增强树脂基复合材料，复合材料的弯曲强度和剪切强度随着纤维含量的增加而增加, 弯曲强度范围在741～1165MPa之间, 剪切强度范围在 36.7～50.4MPa之间, 相应的纤维质量含量范围在53.3～78.6Wt%之间, 弹性模量范围在 30.6～51.9GPa之间。电镜观察显示: 纤维在树脂中分布均匀; 纤维与树脂结合良好。制备得到的石英纤维/环氧树脂复合材料具备良好的机械性能, 能够满足根管桩材料的要求。

石英纤维桩

        四川大学陈抒天等用挤出法制备石英纤维(quartz fibre,QF)/纳米羟基磷灰石(nano-hydroxyapatite,n-HA)/聚酰胺66(polyamide 66,PA66)复合材料(QF/n-HA/PA66),表征了其结构、形貌、力学性能和细胞毒性。结果表明：QF均匀地分散在n-HA/PA66中,且与PA66基体存在氢键结合;复合材料的力学性能随着石英纤维含量的增加而增大,当石英纤维含量为38%时复合材料的抗拉强度为81MPa,抗压强度为190MPa,抗弯强度为l95MPa(比人体皮质骨的高); n-HA/PA66基体所承受的载荷传递给QF纤维,纤维轴向传递使应力迅速扩散,这种传递作用在一定程度上起到了力的分散作用,从而增强了材料承受外力作用的能力,导致材料的弯曲强度、拉伸强度等力学性能的显著提高。QF/ n-HA/PA66复合材料无细胞毒性,满足承重骨修复材料的要求。
        三、在建筑材料领域的应用
        石英纤维可作为墙面装饰材料（即石英纤维壁布），由于石英纤维壁布具有各种编制花纹，能和各种颜色涂料进行组合和匹配，为墙面的装饰提供了丰富的装饰选择。此外，在防火、耐酸碱、抗冲击、防开裂、抗静电、透气性等性能优越，因此在酒店、办公楼、剧院、学校、医家庭等获得了广泛应用，是一种新型的绿色墙面装饰材料。

石英纤维壁布

         四、存在的问题和未来展望
        石英纤维是一种玻璃态材料,处于热力学不稳定状态,在高温下易析出方石英相。析出的方石英在温度涨落过程中存在着较大的体积效应,导致纤维脆化、致使复合材料的力学性能大幅下降,严重地制约了复合材料在高温下的使用。
在石英纤维的力学行为中,湿敏性是它最大的一个缺点。作为复合材料的增强相来说,这就意味着在预制件的编织成型和复合材料的制备成型过程中,都要避免石英纤维与水分直接或者间接接触,否则,石英纤维的力学性能会迅速恶化,进而导致复合材料的相关物理化学性能下降。
        所以对石英纤维进行表面处理成为研究重点，通过表面处理一方面增强与基体的相容性，提高复合体系的基本性能，另一方面减小石英纤维自身的损伤。目前，对于石英纤维表面处理的研究报道较少，今后可在该方向上加强研究力度，克服石英纤维存在的一些缺点，不断扩大石英纤维的应用领域。