การแนะนำ

เส้นใยควอตซ์เป็นเส้นใยอนินทรีย์ที่ทำจากควอตซ์บริสุทธิ์สูงหรือผลึกธรรมชาติ โดยทั่วไปมีเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่หลายไมครอนไปจนถึงหลายสิบไมครอน เส้นใยควอตซ์ยังคงคุณสมบัติและลักษณะบางอย่างของควอตซ์แข็ง และเป็นวัสดุที่ยอดเยี่ยมสำหรับการทนต่ออุณหภูมิสูง ใยแก้วควอตซ์มีสัดส่วนมวล ซิโอ2 มากกว่า 99.9% ประสิทธิภาพในการทนต่ออุณหภูมิสูงนั้นเหนือกว่าเส้นใยซิลิกาที่มีปริมาณสูง โดยมีอุณหภูมิใช้งานในระยะยาวสูงถึง 1200℃ และจุดอ่อนตัวสูงถึง 1700℃ นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติเป็นฉนวนไฟฟ้าสูง ทนต่อการเผาไหม้ ทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน มีคุณสมบัติทางไดอิเล็กตริกที่ดีเยี่ยม และมีความเสถียรทางเคมีที่ดี ด้วยเหตุนี้ เส้นใยควอตซ์จึงมีบทบาทสำคัญในอุตสาหกรรมการทหาร การป้องกันประเทศ การบิน และอวกาศ โดยใช้ในการผลิตชิ้นส่วนต่างๆ เช่น หัวฉีดจรวดและอุปกรณ์ป้องกันความร้อนสำหรับอวกาศ

การตระเตรียม

วิธีการผลิตเส้นใยควอตซ์ ได้แก่:

1. หลอมแท่งหรือท่อควอตซ์ด้วยเปลวไฟไฮโดรเจน-ออกซิเจน แล้วเป่าให้เป็นเส้นใยด้วยเปลวไฟไฮโดรเจน-ออกซิเจนอีกครั้ง เพื่อผลิตใยควอตซ์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.7 มิลลิเมตร～1 ไมโครเมตร;

2. การขึ้นรูปเส้นใยสั้นและแผ่นสักหลาดโดยการหลอมควอตซ์ด้วยเปลวไฟและใช้กระแสลมความเร็วสูง

3. ทำให้เส้นใยหรือแท่งควอตซ์อ่อนตัวลงด้วยความเร็วคงที่โดยใช้เปลวไฟไฮโดรเจน-ออกซิเจนหรือเปลวไฟแก๊ส จากนั้นจึงดึงให้เป็นเส้นใยยาวอย่างรวดเร็ว

งานวิจัยที่เกี่ยวข้อง

กลไกความเสียหายจากความร้อนของเส้นใยควอตซ์

เส้นใยควอตซ์มักใช้งานในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง ที่อุณหภูมิสูง เส้นใยควอตซ์มีแนวโน้มที่จะเกิดการเสื่อมสภาพจากความร้อน ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิสูง มีการวิจัยมากมายเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงเฟสของวัสดุควอตซ์ที่อุณหภูมิสูง แต่มีรายงานน้อยมากเกี่ยวกับกลไกความเสียหายจากความร้อนของเส้นใยควอตซ์

นักวิจัยได้ศึกษาการเปลี่ยนแปลงเฟสภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูง การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคของพื้นผิว และผลกระทบต่อคุณสมบัติทางกล ซึ่งเป็นพื้นฐานทางทฤษฎีสำหรับการยืดอายุการใช้งานของเส้นใยแก้วควอตซ์และขยายขอบเขตการใช้งานให้กว้างขึ้น

ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่า การลดลงของความแข็งแรงของเส้นใยควอตซ์สามารถแบ่งออกได้เป็นสองขั้นตอน:

1. ในช่วงอุณหภูมิต่ำกว่า 600℃ เนื่องจากการระเหยของสารเคลือบผิวของเส้นใยควอตซ์ ทำให้เส้นผ่านศูนย์กลางค่อยๆ ลดลง และข้อบกพร่องต่างๆ เช่น รอยแตก รอยโป่ง และรอยแผลเป็นค่อยๆ ปรากฏให้เห็น ส่งผลให้ความแข็งแรงดึงของเส้นใยควอตซ์ลดลงอย่างช้าๆ

2. ในช่วง 600～ที่อุณหภูมิ 1000℃ สารเคลือบผิวจะระเหยหมดไปแล้ว ในระหว่างกระบวนการให้ความร้อนและทำให้เย็นลง เนื่องจากความเครียดจากความร้อน รอยนูนและรอยแผลเป็นบนแผ่นโลหะจะเริ่มหลุดลอกออก ทำให้เกิดรอยแตกและจุดบกพร่องใหม่บนพื้นผิว ยิ่งอุณหภูมิสูง การหลุดลอกของรอยนูนและรอยแผลเป็นก็จะยิ่งชัดเจนมากขึ้น ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้ความแข็งแรงของเส้นใยควอตซ์ลดลงในช่วงอุณหภูมินี้ ส่งผลให้ความแข็งแรงของเส้นใยควอตซ์ที่ผ่านการบำบัดที่อุณหภูมิ 600 องศาเซลเซียสลดลงอย่างมาก～1000℃

การปรับสภาพพื้นผิวของเส้นใยควอตซ์

เส้นใยควอตซ์ ซึ่งเป็นเส้นใยแก้วที่มีปริมาณ ซิโอ2 สูง มีประสิทธิภาพยอดเยี่ยมและถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในด้านวัสดุที่ต้องการคุณสมบัติพิเศษ เช่น สายสวนทางการแพทย์และระบบบำบัดไอเสีย ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เนื่องจากคุณสมบัติทางกลและไดอิเล็กตริกที่โดดเด่น จึงมีการนำเส้นใยควอตซ์มาใช้มากขึ้นในด้านอวกาศและการบิน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระบบครอบเสาอากาศที่อุณหภูมิสูง ปัจจุบัน การวิจัยเกี่ยวกับเส้นใยควอตซ์ส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่ประสิทธิภาพการตกผลึกและการปรับปรุงการเคลือบผิว วัสดุคอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิกสำหรับครอบเสาอากาศที่มีเลขมัคสูงมาก มักใช้เส้นใยควอตซ์เสริมแรงอย่างต่อเนื่อง เพื่อรักษาความสามารถในการรวมกลุ่มของเส้นใยควอตซ์สำหรับการทอ ต้องมีการเติมสารช่วยในการแช่ในระหว่างกระบวนการผลิตเส้นใย ส่วนประกอบหลักของสารช่วยในการแช่คือสารอินทรีย์ โดยทั่วไปแล้ว ครอบเสาอากาศเมทริกซ์เซรามิกต้องได้รับการบำบัดด้วยอุณหภูมิสูงในสภาวะสุญญากาศหรือบรรยากาศป้องกันเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย ดังนั้นสารอินทรีย์จะกลายเป็นคาร์บอน และการมีอยู่ของคาร์บอนอิสระสามารถส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อคุณสมบัติทางไดอิเล็กตริกของครอบเสาอากาศได้ ดังนั้น ในการเตรียมวัสดุครอบเสาอากาศเซรามิกเสริมใยควอตซ์ จำเป็นต้องกำจัดสารเคลือบผิวหน้าของใยควอตซ์ออกโดยลดความเสียหายต่อใยควอตซ์ให้น้อยที่สุด อย่างไรก็ตาม ยังไม่มีรายงานเกี่ยวกับการกำจัดสารเคลือบผิวหน้า การเปลี่ยนแปลงของลักษณะพื้นผิวและองค์ประกอบก่อนและหลังการกำจัด และการเปลี่ยนแปลงของประสิทธิภาพการทำงาน

นักวิจัยบางกลุ่มได้ศึกษาถึงวิธีการกำจัดสารเคลือบผิวของเส้นใยควอตซ์ โดยทำการวิเคราะห์ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) และสเปกโทรสโกปีโฟโตอิเล็กตรอนเอ็กซ์เรย์ (เอ็กซ์พีเอส) บนเส้นใยควอตซ์ที่ผ่านการบำบัดด้วยวิธีการต่างๆ และเปรียบเทียบการเปลี่ยนแปลงความแข็งแรงดึงก่อนและหลังการบำบัด ผลลัพธ์บ่งชี้ว่าการบำบัดด้วยความร้อนที่อุณหภูมิสูงสามารถกำจัดสารเคลือบผิวได้อย่างสมบูรณ์ยิ่งขึ้น และความแข็งแรงของเส้นใยควอตซ์มีความไวต่ออุณหภูมิการบำบัดด้วยความร้อน