Quarzfaser: Hochtemperaturbeständig, flammhemmend und wärmeisolierend

1. Zusammenfassung

Quarzfaser ist eine Art Hochleistungs-Spezialglasfaser, die für ihre hohe Reinheit, hohe Hitzebeständigkeit, niedrige Dielektrizitätskonstante und Verluste bekannt ist. Sie wird häufig in Hightech-Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt eingesetzt. Erzeugt durch intelligente Technologie.

2. Leistungsmerkmale von Quarzfasern

Quarzfaser hat einen hohen Siliziumgehalt und behält einige Eigenschaften und Leistungsmerkmale von festem Quarz. Sie weist eine hohe Hitzebeständigkeit, elektrische Isolierung bei hohen Temperaturen und Frequenzen sowie ausgezeichnete chemische Stabilität auf, kann langfristig unter 1050 °C verwendet werden und hält kurzzeitig hohen Temperaturen bis zu 1700 °C stand. Ihre Zugfestigkeit ist dreimal so hoch wie die von gewöhnlichen Fasern. Darüber hinaus besitzt sie hervorragende dielektrische Eigenschaften und ist die Mineralfaser mit der niedrigsten Dielektrizitätskonstante und dem niedrigsten dielektrischen Verlustkoeffizienten, mit einer Dielektrizitätskonstante bei 1 MHz von 3,70 und einem dielektrischen Verlustkoeffizienten von weniger als 0,001. Im Hochfrequenzbereich und unter 700 °C behält Quarzfaser die niedrigste und stabilste Dielektrizitätskonstante und den niedrigsten Verlust bei und behält dabei über 70 % ihrer Festigkeit. Sie wird häufig als Strukturverstärkung, Wärmedämmung und wellendurchlässiges Material für kritische Teile von Flugzeugen und Raumfahrzeugen verwendet.

3. Vorbereitungsprozess

m Zu den Herstellungsverfahren für Quarzfasern gehören hauptsächlich das direkte Schmelzziehen, das Stabziehen und Sol-Gel-Verfahren, wobei das Stabziehen das wichtigste industrielle Herstellungsverfahren ist.

m Beim Stangenziehen wird Rohkristall oder reines Silikapulver in einen Vakuum-Widerstandsofen gegeben, geschmolzen und dann in feine Stangen (ca. 2 mm Durchmesser) gezogen. Während des Ziehens wird zuerst ein Benetzungsmittel auf die Quarzfaser aufgetragen, anschließend wird in einer Umgebung mit elektrischer Heizung oder Knallgasflamme gezogen, um Monofilamente mit einem Durchmesser von ca. 8 μm zu erhalten. Schließlich werden die Faserstränge miteinander verdrillt, um Fasergarn oder -gewebe zu bilden.

m Der spezifische Ziehprozess kann kurz wie folgt beschrieben werden: Hochtemperatur-Flüssigquarz tropft vom unteren Ende des Quarzstabs, und die Ziehmaschine behält eine konstante Rotationsgeschwindigkeit bei, um die Faser zu strecken und zu verfestigen, wodurch kontinuierliche Fasern entstehen. Am unteren Ende des Quarzstabs bildet sich ein neues, halbmondförmiges, feines Filament namens "faserwurzel". Es ist zu beachten, dass die Temperatur der einzelnen Faser nach dem Ziehen erheblich abfällt, was die Produktleistung beeinträchtigen kann.

4. Quarzfaserprodukte und Anwendungsbereiche

m Aus Quarzfasern lassen sich verschiedene Produkte herstellen, beispielsweise Quarzfasergarn, Baumwolle, Filz, Stoff, Schläuche, Kurzschnittfasern usw. Quarzfasergarn ist ein gängiges Produkt, das häufig bei der Herstellung von Radarkuppelantennen für Flugzeuge verwendet wird.

m Kurzschnittfasern werden aus vorgeschnittenen Quarzglasfasern mit fester Länge hergestellt.

m Quarzfasergarn wird aus hochreiner Kieselsäure und natürlichen Quarzkristallen zu endlos langen Fasern mit einem SiO2-Gehalt von über 99,95 % hergestellt, ist für den Dauereinsatz bei hohen Temperaturen bis zu 1050 °C geeignet und weist eine extrem niedrige und stabile Dielektrizitätskonstante und Verluste auf, was es zu einem hervorragenden flexiblen anorganischen Fasermaterial mit hoher Temperaturbeständigkeit macht.

m Quarzfasergewebe wird aus Quarzfasergarn durch verschiedene Webverfahren wie Leinwand-, Satin-Twill- und Dreherweben zu Geweben unterschiedlicher Dicke und Webart gewebt und zeichnet sich durch hohe Temperaturbeständigkeit, hohe Festigkeit, niedrige Dielektrizitätskonstante, niedrige Wärmeleitfähigkeit, Brennfestigkeit usw. aus.

m Quarzfaserbaumwolle besteht aus reinen Quarzfasern ohne Bindemittel. Sie ist in Form und Anordnung unregelmäßig, was ihr ein gekräuseltes Aussehen verleiht, die Komprimierung des Füllmaterials verhindert und die Isolierung verbessert. Sie ist ein guter Ersatz für Baumwolle mit hohem Kieselsäureanteil, Keramikfaserbaumwolle und Basaltfaserbaumwolle.

5. Faktoren, die die Festigkeit von Quarzfasern beeinflussen

m Faserdurchmesser und -länge: Generell gilt: Je feiner der Durchmesser einer Quarzfaser, desto höher ist ihre Zugfestigkeit. Die Zugfestigkeit hängt von der Faserlänge ab und nimmt mit zunehmender Länge deutlich ab. Die Auswirkung von Durchmesser und Länge auf Quarzfasern kann mit der Mikrorisshypothese erklärt werden: Wenn Faserdurchmesser und -länge abnehmen, werden Mikrorisse in der Faser entsprechend kleiner, wodurch die Faserfestigkeit zunimmt.

m Die Qualität der Glasflüssigkeit beeinflusst die Festigkeit von Quarzfasern. Verunreinigungen in der Glaszusammensetzung oder Schwankungen der Leckplattentemperatur können zu Kristallisation in den Fasern führen. Die Praxis hat gezeigt, dass Fasern mit Kristallisation schwächer sind als amorphe Fasern. Darüber hinaus können Blasen in der Glasflüssigkeit auch die Festigkeit der Fasern verringern.

m Die Oberflächenbehandlung beeinflusst die Festigkeit. Beim kontinuierlichen Ziehen muss ein Netzmittel auf einzelne Fasern oder Bündel aufgetragen werden, das einen Schutzfilm auf der Faseroberfläche bildet, um gegenseitige Reibung während der Textilverarbeitung zu verhindern, die die Faser beschädigen und die Festigkeit verringern könnte. Nach der Wärmebehandlung zum Entfernen des Netzmittels nimmt die Festigkeit des Quarzfasergewebes erheblich ab, erholt sich jedoch im Allgemeinen nach der Behandlung mit einem Zwischenbindemittel, da die Beschichtung die Faser schützt und Oberflächenfehler ausgleicht.

m Die Lagerzeit beeinflusst die Festigkeit. Die Festigkeit von Quarzfasern nimmt nach einer gewissen Lagerungszeit ab, was als Alterung bezeichnet wird und hauptsächlich auf Feuchtigkeitserosion in der Luft zurückzuführen ist. Fasern mit hoher chemischer Stabilität weisen daher weniger Festigkeitsverlust auf.

m Die Dauer der Belastung beeinflusst die Festigkeit. Die Festigkeit von Quarzfasern nimmt bei längerer Belastung ab, was besonders bei höheren Umgebungstemperaturen zu beobachten ist. Dies ist möglicherweise auf in Mikrorissen adsorbiertes Wasser zurückzuführen, das die Rissausdehnung unter äußerer Krafteinwirkung beschleunigt.