ألياف الكوارتز: مقاومة للحرارة العالية، ومقاومة للهب، وعازل حراري

1. الملخص

ألياف الكوارتز هي نوع من الألياف الزجاجية الخاصة عالية الأداء والمعروفة بنقائها العالي ومقاومتها العالية للحرارة وثابت العزل الكهربائي المنخفض والخسارة. تُستخدم عادةً في المجالات عالية التقنية مثل الفضاء الجوي. يتم توليدها بواسطة التكنولوجيا الذكية.

2. خصائص أداء ألياف الكوارتز

تتميز ألياف الكوارتز بمحتوى عالٍ من السيليكا، وتحتفظ ببعض خصائص وأداء الكوارتز الصلب. كما تتميز بمقاومة عالية للحرارة، وعزل كهربائي عند درجات حرارة وترددات عالية، واستقرار كيميائي ممتاز، ويمكن استخدامها لفترة طويلة تحت 1050 درجة مئوية، وتتحمل درجات حرارة عالية لحظية تصل إلى 1700 درجة مئوية. كما أن قوتها الشدية تعادل ثلاثة أضعاف قوة الألياف العادية. بالإضافة إلى ذلك، فهي تمتلك خصائص عازلة متفوقة، كونها الألياف المعدنية ذات أدنى ثابت عازل ومعامل خسارة عازلة، بثابت عازل 1 ميجا هرتز يبلغ 3.70 ومعامل خسارة عازلة أقل من 0.001. وفي المناطق ذات التردد العالي وأقل من 700 درجة مئوية، تحافظ ألياف الكوارتز على أدنى ثابت عازل وخسارة مستقرة، مع الاحتفاظ بأكثر من 70٪ من قوتها. تُستخدم عادةً كتعزيزات هيكلية وعزل حراري ومواد شفافة للموجات للأجزاء الحرجة من الطائرات والمركبات الفضائية.

3. عملية التحضير

ل تشتمل طرق تصنيع ألياف الكوارتز بشكل أساسي على السحب المباشر للصهر، وسحب القضبان، وطرق السول جل، حيث يعد سحب القضبان هو طريقة التحضير الصناعي الأساسية.

ل تتضمن عملية سحب القضبان وضع بلورات خام أو مسحوق سيليكا نقي في فرن مقاوم مضغوط مفرغ من الهواء، ثم صهره، ثم سحبه إلى قضبان دقيقة (قطرها حوالي 2 مم). أثناء السحب، يتم أولاً وضع عامل ترطيب على ألياف الكوارتز، ثم السحب في بيئة تسخين كهربائي أو لهب أكسجين هيدروجين للحصول على خيوط أحادية يبلغ قطرها حوالي 8 ميكرومتر. أخيرًا، يتم لف خيوط الألياف معًا لتشكيل خيوط أو قماش من الألياف.

ل يمكن وصف عملية السحب المحددة بإيجاز على النحو التالي: يقطر الكوارتز السائل عالي الحرارة من الطرف السفلي لقضيب الكوارتز، وتحافظ آلة السحب على سرعة دوران ثابتة لتمديد الألياف وتصلبها، وتشكيل ألياف مستمرة. يتشكل خيط رفيع جديد على شكل هلال يسمى دي دي إتش إتش فايبر جذردددددد في الجزء السفلي من قضيب الكوارتز. وتجدر الإشارة إلى أن درجة حرارة الألياف الفردية تنخفض بشكل كبير بعد سحبها، مما قد يؤثر على أداء المنتج.

4. منتجات ألياف الكوارتز ومجالات التطبيق

ل يمكن معالجة ألياف الكوارتز في منتجات مختلفة مثل خيوط ألياف الكوارتز والقطن واللباد والقماش والأكمام والألياف القصيرة وما إلى ذلك. خيوط ألياف الكوارتز هي منتج شائع يستخدم على نطاق واسع في تصنيع هوائيات رادار الطائرات.

ل الألياف القصيرة مصنوعة من ألياف زجاجية كوارتز مقطوعة مسبقًا بطول ثابت.

ل يتم تصنيع خيوط ألياف الكوارتز من السيليكا عالية النقاء وبلورات الكوارتز الطبيعية في ألياف طويلة مستمرة مع محتوى ثاني أكسيد السيليكون يزيد عن 99.95٪، وقادرة على الاستخدام طويل الأمد في درجات حرارة عالية تصل إلى 1050 درجة مئوية، وتتميز بثابت عازل منخفض للغاية ومستقر وخسارة، مما يجعلها مادة ألياف غير عضوية مرنة ممتازة مع مقاومة درجات الحرارة العالية.

ل يتم نسج قماش ألياف الكوارتز من خيوط ألياف الكوارتز من خلال طرق نسج مختلفة مثل النسيج العادي، والساتان المائل واللينو في قماش بسماكات ونسج مختلفة، يتميز بمقاومة درجات الحرارة العالية، والقوة العالية، والعزل الكهربائي المنخفض، والموصلية الحرارية المنخفضة، ومقاومة الحرق، وما إلى ذلك.

ل يتكون قطن ألياف الكوارتز من ألياف كوارتز نقية بدون مواد رابطة، غير منتظمة الشكل والترتيب مما يمنحها مظهرًا مجعدًا يمنع ضغط الحشو مما يحسن العزل؛ وهو بديل جيد لقطن ألياف السيليكا العالية، وقطن ألياف السيراميك، وقطن ألياف البازلت.

5. العوامل المؤثرة على قوة ألياف الكوارتز

ل قطر الألياف وطولها بشكل عام، كلما كان قطر ألياف الكوارتز أدق، زادت قوة الشد الخاصة بها. ترتبط قوة الشد بطول الألياف، حيث تقل بشكل كبير مع زيادة الطول. يمكن تفسير تأثير القطر والطول على ألياف الكوارتز من خلال فرضية الشقوق الدقيقة: مع انخفاض قطر الألياف وطولها، تقل الشقوق الدقيقة داخل الألياف وفقًا لذلك، مما يزيد من قوة الألياف.

ل تؤثر جودة السائل الزجاجي على قوة ألياف الكوارتز. قد تؤدي الشوائب في تركيبة الزجاج أو التقلبات في درجة حرارة لوحة التسرب إلى تبلور الألياف. وقد أظهرت الممارسة أن الألياف المتبلورة أضعف من الألياف غير المتبلورة. علاوة على ذلك، يمكن للفقاعات الموجودة في السائل الزجاجي أيضًا أن تقلل من قوة الألياف.

ل تؤثر معالجة السطح على القوة. أثناء السحب المستمر، يجب تطبيق عامل ترطيب على الألياف الفردية أو الحزم لتكوين طبقة واقية على سطح الألياف لمنع الاحتكاك المتبادل أثناء معالجة النسيج مما قد يؤدي إلى إتلاف الألياف وتقليل القوة. بعد المعالجة الحرارية لإزالة عامل الترطيب، تنخفض قوة قماش ألياف الكوارتز بشكل كبير ولكنها تتعافى عمومًا بعد المعالجة بمادة رابطة وسيطة لأن الطلاء يحمي الألياف ويعوض عن عيوب السطح.

ل يؤثر وقت التخزين على القوة. تقل قوة ألياف الكوارتز بعد تخزينها لفترة تعرف بالشيخوخة بسبب تآكل الرطوبة في الهواء. وبالتالي، فإن الألياف ذات الثبات الكيميائي العالي تتعرض لانخفاض أقل في القوة.

ل يؤثر وقت تطبيق الحمل على القوة. تقل قوة ألياف الكوارتز مع تطبيق الحمل لفترات طويلة، وهو أمر ملحوظ بشكل خاص عند درجات الحرارة المحيطة المرتفعة، ربما بسبب الماء الممتص في الشقوق الدقيقة مما يؤدي إلى تسريع توسع الشقوق تحت تأثير القوة الخارجية.