石英玻璃纤维性能与应用

石英玻璃纤维的性能和用途

高分子091 刘建伟 091106

摘要:介绍了石英玻璃纤维作为一种电绝缘性、耐温性、机械性能极优的高技术产品，在航空、航天、军工、半导体、高温隔热、高温过滤方面的广泛应用。详细说明了石英玻璃纤维的性能和用途，以及国内外的发展情况。现阶段我国应大力开发石英玻璃纤维生产技术和产品种类，推动我国航空、航天、军工、半导体事业的发展。

关键词：石英玻璃纤维；性能；软化温度。

前言：石英玻璃纤维是指二氧化硅含量达99.90%以上,丝径在1-15μm 的特种玻璃纤维, 它具有很高的耐热性，能长期在1050℃以下使用，瞬间耐高温达1700℃，耐温性仅次于碳纤维，同时由于石英玻璃纤维有着卓越的电绝缘性，它的介电常数和介质损耗系数是所有矿物纤维中最好的，所以石英玻璃纤维在航空、航天、军工、半导体、、高温隔热、高温过滤方面有着广泛的应用。

1. 石英玻璃纤维产品的生产工艺

石英玻璃纤维一般是由纯的天然水晶提炼加工成熔融石英玻璃棒拉制而成，>99.99%。在拉制过程中，加热的方式有氢氧火焰法和等离子体丝的纯度为SiO

2

法，根据用途的不同，涂覆相应的浸润剂。石英玻璃纤维的产品有直接无捻粗纱、有捻纱（包括单股和合股纱）、纤维布、纤维套管、短切纤维、纤维棉、纤维毡和纤维砖等[1]。石英玻璃纤维各种产品的生产工艺流程如下:

2. 石英玻璃纤维物化性能介绍

2.1 去除浸润荆的石英玻璃纤维化学成分分析

从表1分析可以看出, 石英玻璃纤维的成分基本上就是高纯石英玻璃的成分,其性能就非常接近石英玻璃的性能, 石英玻璃的物化性能见表2 。

2.2 石英玻璃纤维具有优越的电绝缘性能

石英玻璃纤维有着优越的电绝缘性,它的介电常数和介质损耗系数是所有矿物纤维中最好的[2]。石英玻璃纤维介电常数、介质损耗系数和频率的关系见图2、3。

石英玻璃纤维的介电常数、介质损耗系数和其他纤维的比较见表3。

2.3 石英玻璃纤维具有优良的机械性能

石英玻璃纤维的抗拉强度是普通玻璃纤维的3倍,它和玻璃纤维的抗拉强度、抗拉模量和断裂伸长率比较见表4[3]。

石英玻璃纤维和其他纤维预浸环氧树脂后的抗拉强度、抗拉模量比较见表5

石英玻璃纤维、凯芙拉纤维、玻璃纤维和环氧树脂做成的复合材料的耐压强度、抗剪切强度、抗弯曲强度比较见表6[4]

2.4 石英玻璃纤维具有极其优越的耐温性能

石英玻璃纤维的软化温度为1700℃,一般的石英玻璃纤维能在600~1050℃长期使用,当温度高于1600℃,石英玻璃纤维开始升华,这是一种吸热反应来消耗热能,利用这种性能,石英玻璃纤维可用作宇航飞船和洲际导弹返回大气层的烧蚀材料。另外,在高温下,石英玻璃纤维不会像高硅氧纤维那样会收缩,在1000℃烧烤1000h后,石英玻璃纤维的损失不大于1.5%[5]。

3. 石英玻璃纤维的用途

3.1 石英玻璃纤维电绝缘性的应用

石英玻璃纤维有着卓越的电绝缘性，它的介电常数和介质损耗系数是所有矿物纤维中最好的，不仅如此，在高温和高频率下，它的电绝缘性也表现得非常优秀。再加上低密度（2.g/㎝3）、不吸湿性和优秀的机械性能，使它成为雷达罩、电磁发射窗口和低介电产品使我首选材料。目前该产品在这方面主要应用于以下领域：

(1) 军事飞行器的雷达罩, 包括各种战斗机和先进的导弹。

(2) 民用飞行器的雷达罩。

(3) 干扰电磁发射窗口。

(4) 通信和电视卫星的雷达罩。

(5) 无人驾驶的飞行器和潜水艇等。

(6) 用于超级计算机的高频电路板和低膨胀率的电路板。

3.2 石英玻璃纤维耐温性的应用

固有的耐温性决定的，一般石英玻璃石英玻璃纤维优越的耐温性是因为SiO

2

纤维能长期在1050℃使用，短期可在1200℃作为烧蚀防护材料使用[6]，在高温下，石英玻璃不会收缩。另外高纯石英玻璃纤维有着很低的膨胀系数和优越的抗温度剧变的能力。目前该产品在这方面主要应用于以下领域：

(1) 宇航飞船发动机周围的耐热辅助设施，包括防火电缆、隔热墙防火罩、等。

(2) 宇航飞船发射台的防火保护系统。

(3) 宇航飞船推进器的隔热层。

(4) 宇航飞船进返回大气层的烧蚀材料。

(5) 宇航飞船飞时的隔热烧蚀垫。

(6) 宇航飞船机身的防火层。

(7) 导弹和火箭推进器的隔热烧蚀材料。

(8) 石棉和陶瓷纤维的替代产品。

(9) 半导体行业中的保温材料。

(10) 汽车和重型卡车变速器高温尾气排放管的隔热材料。

(11) 保险丝的保护套。

(12) 拉制光纤时的隔热材料。

(13) 热气体的过滤材料。

(14) 热电偶的保护套。

4. 石英玻璃纤维国内外的发展情况

据查在国外有法国的圣戈班和英国的公司等生产石英玻璃纤维,产品的二氧化硅纯度达到99.99%以上。其中以圣哥班的技术水平最高,产品品种和规格齐全。法国的圣戈班公司是世界500强之一,它的玻璃制品和玻纤制品在全世界都很有名,除此之外,它的石英玻璃纤维产品在全世界处于领先地位,产品商标为Quartzel ,是由圣戈班的一个石英分公司负责生产。该公司于1922年成立, 在1963年拉制出第一根石英玻璃纤维,生产地在法国的Nemous ,在1988年,圣戈班又在美国肯塔基州的Louisville新建了一个石英玻璃纤维工厂, 主要生产高性能的石英玻璃纤维复合材料,产品主要供美国本土使用。圣戈班公司石英玻璃纤

维产品的SiO

2

的含量>99.99%,浸润剂主要有QS13，QS1318，QS16，HT1 4种，其中HT1是一种耐高温浸润剂, 是有机陶瓷基浸润剂，它能增强织物的耐温性，使石英玻璃纤维在1050-1200 ℃保持良好的性能。圣戈班公司石英玻璃纤维产品包括有捻纱、无捻粗纱、短切纤维、纤维棉、纤维毡和纤维砖。其中有捻纱的单丝直径为9-14µm，有27种规格。无捻粗纱的单丝直径9-14µm，有9种规格。短切纤维的单丝直径为9-14µm，有4种规格。纤维棉的单丝直径为2-9µm，有3种规格。纤维毡是在9µm 的石英玻璃纤维棉中浸入有机粘合剂烘干而成, 圣戈班公司有65g/㎝3，80g/㎝3，和100g/㎝33种规格。纤维砖是由连续的石英纤维均匀、无定形地和无机粘结剂经过一定的工艺加工而成具有一定形状的材料，它的二氧化硅含量大于98.5%,含水率小于1%, 密度为130-550kg/m3,渗透性为0.111达西(darc y),能长期在1550℃下使用,且在高温下损耗极少。圣戈班公司可以按客户的要求定做纤维砖。

目前在国内能规模化生产石英玻璃纤维公司只有荆州市菲利华石英玻璃有限公司，该公司始建于1966年,经过40年的发展,现己拥有全国最大产能的石英锭和石英玻璃纤维生产线,为我国的“神舟5号”和“神舟6号”载人宇宙飞船提供过石英玻璃纤维材料,但石英玻璃纤维的品种较优少,在技术上和产品规格种类上和圣戈班公司相比存在较大的差距。荆州菲利华石英玻璃纤维产品的5 1伍含

量有两种，A类SiO

2>99.95%，B类SiO

2

>99.90%。产品包括有捻纱、无捻纱、纤维

布、纤维套管、纤维棉。有捻纱、无捻纱、纤维布、纤维套管的单丝直径都为5-10µm 但品种少。纤维棉的单丝直径为1-8µm，有3种规格。

最近，圣戈班公司新建了一条生产一种耐1300℃的高温的石英纤维针刺毡生产线,这种毡的二氧化硅含量能达到99.99%以上, 有着优越的耐温性和隔热性, 主要用于工业熔炉的保温、宇航飞船发动机的隔热、光学纤维拉丝过程中的隔热以及陶瓷纤维和石棉制品的替代材料。

5. 结论

石英玻璃纤维是一种电绝缘性、耐温性、机械性能极优的高科技产品，在航空、航天、军工、半导体、高温隔热、高温过滤方面有着广泛的应用。现阶段我国的生产技术水平和国外先进水平相比存在着较大的差距，应大力开发石英玻璃纤维生产技术和产品种类，推动我国的航空、航天、半导体事业的发展。