ألياف الكوارتز: مقاومة لدرجات الحرارة العالية، ومثبطة للهب، وعازلة للحرارة

1. الملخص

ألياف الكوارتز نوع من الألياف الزجاجية الخاصة عالية الأداء، تتميز بنقائها العالي، ومقاومتها العالية للحرارة، وانخفاض ثابت العزل الكهربائي وفقدها للطاقة. تُستخدم على نطاق واسع في المجالات التقنية المتقدمة، مثل صناعة الطيران والفضاء. يتم إنتاجها بتقنيات ذكية.

2. خصائص أداء ألياف الكوارتز

تتميز ألياف الكوارتز بمحتوى عالٍ من السيليكا، مما يمنحها بعض خصائص وأداء الكوارتز الصلب. فهي تتمتع بمقاومة عالية للحرارة، وعزل كهربائي ممتاز عند درجات الحرارة والترددات العالية، وثبات كيميائي فائق، ويمكن استخدامها لفترات طويلة عند درجات حرارة أقل من 1050 درجة مئوية، كما تتحمل درجات حرارة عالية مفاجئة تصل إلى 1700 درجة مئوية. وتبلغ قوة شدها ثلاثة أضعاف قوة الألياف العادية. بالإضافة إلى ذلك، تتميز بخصائص عازلة فائقة، فهي الألياف المعدنية ذات أقل ثابت عزل كهربائي ومعامل فقد عازل، حيث يبلغ ثابت العزل الكهربائي عند تردد 1 ميجاهرتز 3.70، ومعامل الفقد العازل أقل من 0.001. في نطاقات الترددات العالية ودرجات الحرارة الأقل من 700 درجة مئوية، تحافظ ألياف الكوارتز على أدنى وأكثر ثباتًا في ثابت العزل الكهربائي والفقد، مع احتفاظها بأكثر من 70% من قوتها. وتُستخدم عادةً كمواد تقوية هيكلية، وعزل حراري، ومواد شفافة للأمواج في الأجزاء الحيوية للطائرات والمركبات الفضائية.

3. عملية التحضير

ل تشمل طرق تصنيع ألياف الكوارتز بشكل رئيسي السحب المباشر بالصهر، والسحب بالقضيب، وطرق سول-جل، ومن بينها يعتبر السحب بالقضيب هو طريقة التحضير الصناعية الأساسية.

ل تتضمن عملية سحب القضبان وضع البلورات الخام أو مسحوق السيليكا النقي في فرن مقاومة مضغوط تحت فراغ، ثم صهرها، ثم سحبها إلى قضبان دقيقة (قطرها حوالي 2 مم). أثناء السحب، يُضاف عامل ترطيب أولًا إلى ألياف الكوارتز، ثم تُسحب في بيئة تسخين كهربائي أو لهب أوكسي هيدروجين للحصول على خيوط أحادية بقطر حوالي 8 ميكرومتر. أخيرًا، تُلف خيوط الألياف معًا لتشكيل خيوط أو نسيج من الألياف.

ل يمكن وصف عملية السحب المحددة بإيجاز كما يلي: يتقطر الكوارتز السائل عالي الحرارة من الطرف السفلي لقضيب الكوارتز، وتحافظ آلة السحب على سرعة دوران ثابتة لتمديد الألياف وتصليدها، مما يُشكل أليافًا متصلة. يتشكل خيط دقيق جديد على شكل هلال يُسمى جذر الألياف في أسفل قضيب الكوارتز. تجدر الإشارة إلى أن درجة حرارة الليف الواحد تنخفض بشكل ملحوظ بعد سحبه، مما قد يؤثر على أداء المنتج.

4. منتجات ألياف الكوارتز ومجالات تطبيقها

ل يمكن معالجة ألياف الكوارتز إلى منتجات متنوعة مثل خيوط ألياف الكوارتز والقطن واللباد والقماش والأكمام والألياف القصيرة وما إلى ذلك. تعد خيوط ألياف الكوارتز منتجًا شائعًا يستخدم على نطاق واسع في صناعة هوائيات الرادار للطائرات.

ل تُصنع الألياف القصيرة من ألياف زجاج الكوارتز المقطوعة مسبقًا ذات الطول الثابت.

ل يتم تصنيع خيوط ألياف الكوارتز من السيليكا عالية النقاء وبلورات الكوارتز الطبيعية في ألياف طويلة متصلة تحتوي على نسبة SiO2 تزيد عن 99.95٪، وهي قادرة على الاستخدام طويل الأمد في درجات حرارة عالية تصل إلى 1050 درجة مئوية، وتتميز بثابت عزل كهربائي منخفض للغاية ومستقر وفقدان منخفض، مما يجعلها مادة ألياف غير عضوية مرنة ممتازة ذات مقاومة عالية لدرجات الحرارة.

ل يتم نسج قماش ألياف الكوارتز من خيوط ألياف الكوارتز من خلال طرق نسج مختلفة مثل النسيج العادي، والنسيج المائل الساتان، والنسيج اللينو، إلى قماش بسماكات وأنواع نسج مختلفة، ويتميز بمقاومة عالية لدرجات الحرارة، وقوة عالية، وعزل كهربائي منخفض، وموصلية حرارية منخفضة، ومقاومة للحرق، وما إلى ذلك.

ل يتكون قطن ألياف الكوارتز من ألياف كوارتز نقية بدون مواد رابطة، وهو غير منتظم في الشكل والترتيب مما يمنحه مظهرًا مجعدًا يمنع انضغاط الحشو ويحسن العزل؛ وهو بديل جيد لقطن ألياف السيليكا العالية، وقطن ألياف السيراميك، وقطن ألياف البازلت.

5. العوامل المؤثرة على قوة ألياف الكوارتز

ل بشكل عام، كلما كان قطر ألياف الكوارتز أدق، زادت مقاومتها للشد. ترتبط مقاومة الشد بطول الألياف، حيث تنخفض بشكل ملحوظ مع زيادة الطول. يمكن تفسير تأثير القطر والطول على ألياف الكوارتز بفرضية الشقوق الدقيقة: فمع انخفاض قطر الألياف وطولها، تقل الشقوق الدقيقة داخلها تبعًا لذلك، مما يزيد من مقاومتها.

ل تؤثر جودة الزجاج السائل على قوة ألياف الكوارتز. قد تؤدي الشوائب في تركيب الزجاج أو تقلبات درجة حرارة لوحة التسريب إلى تبلور الألياف. وقد أظهرت التجارب أن الألياف المتبلورة أضعف من الألياف غير المتبلورة. علاوة على ذلك، يمكن أن تؤدي الفقاعات في الزجاج السائل إلى تقليل قوة الألياف.

ل تؤثر المعالجة السطحية على قوة النسيج. أثناء عملية السحب المستمر، يجب تطبيق عامل ترطيب على الألياف الفردية أو الحزم لتشكيل طبقة واقية على سطح الألياف لمنع الاحتكاك المتبادل أثناء معالجة النسيج، والذي قد يُتلف الألياف ويُقلل من قوتها. بعد المعالجة الحرارية لإزالة عامل الترطيب، تنخفض قوة قماش ألياف الكوارتز بشكل ملحوظ، ولكنها عادةً ما تستعيد قوتها بعد المعالجة بمادة رابطة وسيطة، لأن الطبقة الواقية تحمي الألياف وتُعوض عيوب السطح.

ل يؤثر وقت التخزين على قوة الألياف. تنخفض قوة ألياف الكوارتز بعد تخزينها لفترة من الزمن، وهي ظاهرة تُعرف بالتقادم، ويعود ذلك أساسًا إلى تآكلها بفعل الرطوبة في الهواء. لذا، فإن الألياف ذات الثبات الكيميائي العالي تتعرض لانخفاض أقل في قوتها.

ل يؤثر وقت تطبيق الحمل على قوة الألياف. تنخفض قوة ألياف الكوارتز مع استمرار تطبيق الحمل، ويُلاحظ ذلك بشكل خاص عند درجات الحرارة المحيطة المرتفعة، ربما بسبب الماء الممتص في الشقوق الدقيقة الذي يُسرّع من تمدد الشقوق تحت تأثير القوة الخارجية.