Einführung

Quarzfasern sind anorganische Fasern aus hochreinem Quarz oder natürlichen Kristallen mit Durchmessern von typischerweise einigen Mikrometern bis zu mehreren zehn Mikrometern. Sie weisen einige Eigenschaften von massivem Quarz auf und eignen sich hervorragend für hohe Temperaturen. Quarzglasfaser hat einen SiO₂-Massenanteil von über 99,9 %. Ihre Hochtemperaturleistung ist der von hochsiliziumhaltigen Fasern überlegen: Die Dauereinsatztemperatur erreicht bis zu 1200 °C, der Erweichungspunkt sogar bis zu 1700 °C. Darüber hinaus zeichnet sie sich durch hohe elektrische Isolationseigenschaften, Brennbeständigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit, hervorragende dielektrische Eigenschaften und gute chemische Stabilität aus. Daher spielen Quarzfasern eine wichtige Rolle in der Militär-, Verteidigungs-, Luft- und Raumfahrtindustrie und werden beispielsweise für die Herstellung von Raketendüsen und Hitzeschutzvorrichtungen in der Luft- und Raumfahrt verwendet.

Vorbereitung

Zu den Verfahren zur Herstellung von Quarzfasern gehören:

1. Quarzstäbe oder -rohre mit einer Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme schmelzen und anschließend mit einer Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme zu Fasern verarbeiten, um Quarzwolle mit einem Durchmesser von 0,7 mm herzustellen.～1 μm;

2. Herstellung von Kurzfasern und deren Filzplatten durch Schmelzen von Quarz mit einer Flamme und Verwendung eines Hochgeschwindigkeitsluftstroms;

3. Quarzfäden oder -stäbe werden mit konstanter Geschwindigkeit durch eine Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme oder eine Gasflamme erweicht und anschließend schnell zu langen Fasern gezogen.

Verwandte Forschung

Thermischer Schädigungsmechanismus von Quarzfasern

Quarzfasern werden häufig in Hochtemperaturumgebungen eingesetzt. Bei hohen Temperaturen neigen sie zu thermischer Degradation, was ihre Hochtemperaturleistung beeinträchtigt. Es gibt umfangreiche Forschung zu den Hochtemperatur-Phasenübergängen von Quarzwerkstoffen, jedoch nur wenige Berichte über den Mechanismus der thermischen Schädigung von Quarzfasern.

Forscher haben die Phasenumwandlung unter Hochtemperaturbedingungen, die Veränderungen der Oberflächenmikrostruktur und deren Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften untersucht, um eine theoretische Grundlage für die Verlängerung der Lebensdauer von Quarzglasfasern und die Erweiterung ihrer Anwendungsgebiete zu schaffen.

Die Ergebnisse zeigen, dass der Rückgang der Quarzfaserfestigkeit in zwei Phasen unterteilt werden kann:

1. Im Bereich unterhalb von 600℃ nimmt der Durchmesser der Quarzfasern aufgrund der Verflüchtigung des Oberflächenbehandlungsmittels allmählich ab, und es werden allmählich Defekte wie Risse, streifenförmige Ausbeulungen und Narben sichtbar, was zu einer langsamen Abnahme der Zugfestigkeit der Quarzfasern führt;

2. Im Bereich von 600～Bei 1000 °C ist das Oberflächenbehandlungsmittel vollständig verdampft. Während des Aufheiz- und Abkühlprozesses lösen sich aufgrund der thermischen Spannung die Streifenwülste und -narben ab, wodurch neue Oberflächenrisse und Defektstellen entstehen. Je höher die Temperatur, desto ausgeprägter ist das Ablösen der Streifenwülste und -narben. Dies ist ein Hauptgrund für die Festigkeitsminderung der Quarzfasern in diesem Temperaturbereich und führt zu einer signifikanten Verringerung der Festigkeit von bei 600 °C behandelten Quarzfasern.～1000℃.

Oberflächenbehandlung von Quarzfasern

Quarzfasern, also Glasfasern mit hohem SiO₂-Gehalt, weisen hervorragende Eigenschaften auf und finden breite Anwendung in Bereichen mit besonderen Materialanforderungen, wie beispielsweise bei biomedizinischen Kathetern und der Abgasreinigung. Aufgrund ihrer herausragenden mechanischen und dielektrischen Eigenschaften werden sie in den letzten Jahren zunehmend in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt, insbesondere in Hochtemperatur-Antennenhaubensystemen. Die aktuelle Forschung an Quarzfasern konzentriert sich hauptsächlich auf deren Kristallisationsverhalten und Oberflächenmodifizierung. Keramische Matrix-Verbundwerkstoffe für Antennenhauben bei extrem hohen Mach-Zahlen verwenden häufig eine Verstärkung mit kontinuierlichen Quarzfasern. Um die Bündelbarkeit der Quarzfasern für das Weben zu gewährleisten, muss während des Faserherstellungsprozesses ein Immersionsmittel hinzugefügt werden. Hauptbestandteil dieses Immersionsmittels ist organische Substanz. Keramische Matrix-Antennenhauben erfordern in der Regel eine Hochtemperaturbehandlung unter Vakuum oder Schutzgasatmosphäre, um das Endprodukt zu erhalten. Dabei karbonisiert die organische Substanz, und der vorhandene freie Kohlenstoff kann die dielektrischen Eigenschaften der Antennenhaube stark beeinträchtigen. Daher muss bei der Herstellung von quarzfaserverstärkten keramischen Matrix-Antennenhaubenmaterialien das Oberflächenimmersionsmittel von den Fasern entfernt werden, wobei die Quarzfasern möglichst wenig beschädigt werden müssen. Bislang liegen jedoch keine Berichte darüber vor, wie das Immersionsmittel entfernt werden kann, welche Veränderungen sich vor und nach der Entfernung in der Oberflächenmorphologie und -zusammensetzung ergeben und welche Auswirkungen dies auf die Leistung hat.

Einige Forscher untersuchten Methoden zur Entfernung des Oberflächenimprägniermittels von Quarzfasern. Dazu führten sie SEM- und XPS-Analysen an unterschiedlich behandelten Quarzfasern durch und verglichen die Veränderungen der Zugfestigkeit vor und nach der Behandlung. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Hochtemperatur-Wärmebehandlung das Oberflächenimprägniermittel vollständiger entfernen kann und die Festigkeit der Quarzfasern empfindlich auf die Wärmebehandlungstemperatur reagiert.