Serat Kuarza: Tahan Suhu Tinggi, Kalis Api dan Penebat Haba

1. Abstrak

Gentian kuarza ialah sejenis gentian kaca khas berprestasi tinggi yang terkenal dengan ketulenannya yang tinggi, rintangan haba yang tinggi, pemalar dielektrik yang rendah dan kehilangan. Ia biasanya digunakan dalam bidang berteknologi tinggi seperti aeroangkasa. Dihasilkan oleh teknologi pintar.

2. Ciri-ciri Prestasi Serat Kuarza

Serat kuarza mempunyai kandungan silika yang tinggi, mengekalkan beberapa ciri dan prestasi kuarza pepejal. Ia mempamerkan rintangan haba yang tinggi, penebat elektrik pada suhu dan frekuensi tinggi, kestabilan kimia yang sangat baik, boleh digunakan dalam jangka masa panjang di bawah 1050℃, dan menahan suhu tinggi serta-merta sehingga 1700℃. Kekuatan tegangannya adalah tiga kali ganda daripada gentian biasa. Selain itu, ia mempunyai sifat dielektrik yang unggul, iaitu gentian mineral dengan pemalar dielektrik dan pekali kehilangan dielektrik terendah, dengan pemalar dielektrik 1MHz sebanyak 3.70 dan pekali kehilangan dielektrik lebih rendah daripada 0.001. Dalam kawasan frekuensi tinggi dan di bawah 700℃, gentian kuarza mengekalkan pemalar dan kehilangan dielektrik terendah dan paling stabil, sambil mengekalkan lebih 70% kekuatannya. Ia biasanya digunakan sebagai tetulang struktur, penebat haba dan bahan lutsinar gelombang untuk bahagian kritikal pesawat dan kapal angkasa.

3. Proses Persediaan

l Kaedah pembuatan gentian kuarza terutamanya termasuk lukisan leburan langsung, lukisan rod, dan kaedah sol-gel, antaranya lukisan rod adalah kaedah penyediaan perindustrian utama.

l Proses penarikan rod melibatkan meletakkan kristal mentah atau serbuk silika tulen ke dalam relau rintangan bertekanan vakum, mencairkannya, kemudian menariknya menjadi rod halus (diameter kira-kira 2mm). Semasa penarikan, agen pembasahan pertama kali disapu pada gentian kuarza, diikuti dengan penarikan dalam persekitaran pemanasan elektrik atau nyalaan oksihidrogen untuk mendapatkan monofilamen berdiameter kira-kira 8μm. Akhir sekali, untaian gentian dipintal bersama untuk membentuk benang gentian atau fabrik.

l Proses lukisan khusus boleh dihuraikan secara ringkas seperti berikut: Kuarza cecair suhu tinggi menitis dari hujung bawah rod kuarza, dan mesin lukisan mengekalkan kelajuan putaran yang malar untuk meregangkan dan memejalkan gentian, membentuk gentian berterusan. Filamen halus berbentuk bulan sabit baharu yang dipanggil "fiber root" terbentuk di bahagian bawah rod kuarza. Perlu diingatkan bahawa suhu gentian tunggal menurun dengan ketara selepas ia ditarik keluar, yang boleh menjejaskan prestasi produk.

4. Produk dan Kawasan Aplikasi Serat Kuarza

l Gentian kuarza boleh diproses menjadi pelbagai produk seperti benang gentian kuarza, kapas, felt, kain, lengan, gentian potongan pintas, dan sebagainya. Benang gentian kuarza merupakan produk biasa yang digunakan secara meluas dalam pembuatan antena radom pesawat.

l Gentian potongan pintas diperbuat daripada gentian kaca kuarza panjang tetap yang telah dipotong.

l Benang gentian kuarza diperbuat daripada silika berketulenan tinggi dan kristal kuarza semula jadi menjadi gentian panjang berterusan dengan kandungan SiO2 lebih 99.95%, mampu digunakan dalam jangka masa panjang pada suhu tinggi sehingga 1050℃, dan mempunyai pemalar dan kehilangan dielektrik yang sangat rendah dan stabil, menjadikannya bahan gentian bukan organik fleksibel yang sangat baik dengan rintangan suhu tinggi.

l Kain gentian kuarza ditenun daripada benang gentian kuarza melalui pelbagai kaedah tenunan seperti polos, satin kepar dan leno menjadi kain dengan ketebalan dan tenunan yang berbeza, yang menampilkan rintangan suhu tinggi, kekuatan tinggi, dielektrik rendah, kekonduksian haba rendah, rintangan terbakar, dan sebagainya.

l Kapas gentian kuarza terdiri daripada gentian kuarza tulen tanpa pengikat, bentuk dan susunannya tidak sekata memberikannya penampilan kerinting yang menghalang mampatan pengisi yang meningkatkan penebat; ia merupakan pengganti yang baik untuk kapas gentian silika tinggi, kapas gentian seramik, kapas gentian basalt.

5. Faktor-faktor yang Mempengaruhi Kekuatan Gentian Kuarza

l Diameter dan panjang gentian secara amnya, semakin halus diameter gentian kuarza, semakin tinggi kekuatan tegangannya. Kekuatan tegangan berkaitan dengan panjang gentian, berkurangan dengan ketara apabila panjang meningkat. Kesan diameter dan panjang pada gentian kuarza boleh dijelaskan oleh hipotesis mikrorekahan: apabila diameter dan panjang gentian berkurangan, mikrorekahan dalam gentian berkurangan dengan sewajarnya, lalu meningkatkan kekuatan gentian.

l Kualiti cecair kaca mempengaruhi kekuatan gentian kuarza. Bendasing dalam komposisi kaca atau turun naik suhu plat bocor boleh menyebabkan penghabluran dalam gentian. Amalan telah menunjukkan bahawa gentian dengan penghabluran adalah lebih lemah daripada gentian amorfus. Selain itu, gelembung dalam cecair kaca juga boleh mengurangkan kekuatan gentian.

l Rawatan permukaan memberi kesan kepada kekuatan. Semasa proses pengelasan berterusan, agen pembasahan mesti disapu pada gentian individu atau berkas yang membentuk filem pelindung pada permukaan gentian untuk mengelakkan geseran bersama semasa pemprosesan tekstil yang boleh merosakkan gentian dan mengurangkan kekuatan. Selepas rawatan haba untuk membuang agen pembasahan, kekuatan kain gentian kuarza berkurangan dengan ketara tetapi secara amnya pulih selepas rawatan dengan pengikat perantaraan kerana salutan melindungi gentian dan mengimbangi kecacatan permukaan.

l Masa penyimpanan mempengaruhi kekuatan. Kekuatan gentian kuarza berkurangan selepas penyimpanan untuk tempoh tertentu, yang dikenali sebagai penuaan terutamanya disebabkan oleh hakisan kelembapan di udara. Oleh itu, gentian dengan kestabilan kimia yang tinggi mengalami pengurangan kekuatan yang kurang.

l Masa aplikasi beban mempengaruhi kekuatan. Kekuatan gentian kuarza berkurangan dengan aplikasi beban yang berpanjangan terutamanya ketara pada suhu ambien yang lebih tinggi mungkin disebabkan oleh air yang terserap dalam mikrorekahan yang mempercepatkan pengembangan retakan di bawah daya luaran.