Quarzfaser: Hochtemperaturbeständig, flammhemmend und wärmeisolierend

1. Zusammenfassung

Quarzfaser ist eine Hochleistungsglasfaser, die sich durch hohe Reinheit, hohe Hitzebeständigkeit, niedrige Dielektrizitätskonstante und geringe Verluste auszeichnet. Sie findet häufig Anwendung in Hightech-Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt. Hergestellt durch intelligente Technologie.

2. Leistungseigenschaften von Quarzfasern

Quarzfasern weisen einen hohen Siliziumdioxidgehalt auf und behalten einige Eigenschaften und Leistungsmerkmale von massivem Quarz bei. Sie zeichnen sich durch hohe Hitzebeständigkeit, elektrische Isolation bei hohen Temperaturen und Frequenzen, ausgezeichnete chemische Stabilität und Dauereinsatzfähigkeit bei Temperaturen unter 1050 °C aus und widerstehen kurzzeitig hohen Temperaturen bis zu 1700 °C. Ihre Zugfestigkeit ist dreimal so hoch wie die von herkömmlichen Fasern. Darüber hinaus besitzen sie hervorragende dielektrische Eigenschaften und sind die Mineralfasern mit der niedrigsten Dielektrizitätskonstante und dem niedrigsten dielektrischen Verlustfaktor. Ihre Dielektrizitätskonstante bei 1 MHz beträgt 3,70, der dielektrische Verlustfaktor liegt unter 0,001. Im Hochfrequenzbereich und unter 700 °C weisen Quarzfasern die niedrigste und stabilste Dielektrizitätskonstante und den niedrigsten dielektrischen Verlustfaktor auf und behalten dabei über 70 % ihrer Festigkeit. Sie werden häufig zur Strukturverstärkung, Wärmedämmung und als wellendurchlässige Materialien für kritische Bauteile in Flugzeugen und Raumfahrzeugen eingesetzt.

3. Vorbereitungsprozess

l Zu den Herstellungsverfahren für Quarzfasern zählen hauptsächlich das direkte Schmelzziehen, das Stabziehen und das Sol-Gel-Verfahren, wobei das Stabziehen das primäre industrielle Herstellungsverfahren darstellt.

l Beim Stabziehverfahren wird rohes Quarz- oder reines Siliciumdioxidpulver in einen Vakuum-Druckwiderstandsofen gegeben, geschmolzen und anschließend zu feinen Stäben (ca. 2 mm Durchmesser) gezogen. Während des Ziehvorgangs wird die Quarzfaser zunächst mit einem Benetzungsmittel benetzt und anschließend in einer elektrischen Heiz- oder Knallgasflammenumgebung zu Monofilamenten mit einem Durchmesser von ca. 8 μm gezogen. Abschließend werden die Faserstränge miteinander verdrillt, um ein Fasergarn oder -gewebe zu bilden.

l Der Ziehvorgang lässt sich kurz wie folgt beschreiben: Hochtemperiertes flüssiges Quarz tropft vom unteren Ende des Quarzstabs. Die Ziehmaschine hält die Drehzahl konstant, um die Faser zu strecken und zu verfestigen, wodurch Endlosfasern entstehen. Am unteren Ende des Quarzstabs bildet sich ein neues, sichelförmiges Feinfilament, die sogenannte Faserwurzel. Es ist zu beachten, dass die Temperatur der einzelnen Faser nach dem Ziehen deutlich abfällt, was die Produkteigenschaften beeinträchtigen kann.

4. Quarzfaserprodukte und Anwendungsgebiete

l Quarzfasern können zu verschiedenen Produkten verarbeitet werden, wie z. B. Quarzfasergarn, Baumwolle, Filz, Stoff, Schläuche, Kurzfasern usw. Quarzfasergarn ist ein gängiges Produkt, das häufig bei der Herstellung von Flugzeugradomantennen verwendet wird.

l Kurzfasern werden aus vorgeschnittenen Quarzglasfasern mit fester Länge hergestellt.

l Quarzfasergarn wird aus hochreinem Siliciumdioxid und natürlichen Quarzkristallen zu kontinuierlichen langen Fasern mit einem SiO2-Gehalt von über 99,95 % hergestellt. Es ist für den Langzeiteinsatz bei hohen Temperaturen bis zu 1050 °C geeignet und zeichnet sich durch eine extrem niedrige und stabile Dielektrizitätskonstante und einen geringen Verlust aus, was es zu einem ausgezeichneten flexiblen anorganischen Fasermaterial mit hoher Temperaturbeständigkeit macht.

l Quarzfasergewebe wird aus Quarzfasergarn mittels verschiedener Webverfahren wie Leinwandbindung, Köperbindung und Leinenbindung zu Geweben unterschiedlicher Dicke und Webart gewebt, die sich durch hohe Temperaturbeständigkeit, hohe Festigkeit, niedrige Dielektrizitätskonstante, niedrige Wärmeleitfähigkeit, Brennbeständigkeit usw. auszeichnen.

l Quarzfaser-Baumwolle besteht aus reinen Quarzfasern ohne Bindemittel, die in Form und Anordnung unregelmäßig sind, was ihnen ein gekräuseltes Aussehen verleiht und die Kompression der Füllstoffe verhindert, wodurch die Isolierung verbessert wird; sie ist ein guter Ersatz für Baumwolle aus hochsiliziumhaltigen Fasern, Keramikfaser-Baumwolle und Basaltfaser-Baumwolle.

5. Faktoren, die die Festigkeit von Quarzfasern beeinflussen

l Generell gilt: Je feiner der Durchmesser einer Quarzfaser, desto höher ihre Zugfestigkeit. Die Zugfestigkeit hängt von der Faserlänge ab und nimmt mit zunehmender Länge deutlich ab. Dieser Einfluss von Durchmesser und Länge lässt sich durch die Mikroriss-Hypothese erklären: Mit abnehmendem Faserdurchmesser und abnehmender Faserlänge verringern sich auch die Mikrorisse innerhalb der Faser, was die Faserfestigkeit erhöht.

l Die Qualität der Glasschmelze beeinflusst die Festigkeit von Quarzfasern. Verunreinigungen in der Glaszusammensetzung oder Temperaturschwankungen der Leckplatte können zur Kristallisation der Fasern führen. Erfahrungsgemäß sind Fasern mit Kristallisation schwächer als amorphe Fasern. Auch Blasen in der Glasschmelze können die Faserfestigkeit verringern.

l Die Oberflächenbehandlung beeinflusst die Festigkeit. Beim kontinuierlichen Verstrecken muss ein Netzmittel auf einzelne Fasern oder Faserbündel aufgetragen werden, das einen Schutzfilm auf der Faseroberfläche bildet. Dieser verhindert die gegenseitige Reibung während der Textilverarbeitung, welche die Fasern beschädigen und die Festigkeit mindern könnte. Nach der Wärmebehandlung zur Entfernung des Netzmittels nimmt die Festigkeit von Quarzfasergewebe deutlich ab, erholt sich jedoch in der Regel nach der Behandlung mit einem Zwischenbindemittel, da die Beschichtung die Fasern schützt und Oberflächenfehler ausgleicht.

l Die Lagerdauer beeinflusst die Festigkeit. Quarzfasern verlieren nach einer gewissen Lagerzeit an Festigkeit – ein Prozess, der als Alterung bekannt ist – hauptsächlich aufgrund von Feuchtigkeitserosion in der Luft. Fasern mit hoher chemischer Stabilität weisen daher einen geringeren Festigkeitsverlust auf.

l Die Dauer der Belastung beeinflusst die Festigkeit. Die Festigkeit von Quarzfasern nimmt mit zunehmender Belastungsdauer ab, was insbesondere bei höheren Umgebungstemperaturen deutlich wird. Dies ist möglicherweise auf die Adsorption von Wasser in Mikrorissen zurückzuführen, wodurch die Rissausbreitung unter äußerer Krafteinwirkung beschleunigt wird.