Die Geheimnisse der Mikrostruktur von Glasfaser

Wenn wir Produkte sehen, die hergestellt sindFiberglasWir nehmen Glasfasern oft nur als Material wahr und betrachten sie in der Praxis, aber selten die Frage: Wie ist dieses dünne schwarze oder weiße Filament im Inneren aufgebaut? Genau diese unsichtbaren Mikrostrukturen verleihen Glasfasern ihre einzigartigen Eigenschaften wie hohe Festigkeit, Hitzebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Heute tauchen wir in das Innere von Glasfasern ein, um die Geheimnisse ihrer Struktur zu lüften.

Die mikroskopische Stiftung: „Ungeordnete Ordnung“ auf atomarer Ebene

Aus atomarer Sicht besteht der Hauptbestandteil von Glasfaser aus Siliziumdioxid (typischerweise 50–70 Gewichtsprozent). Weitere Elemente wie Calciumoxid, Magnesiumoxid und Aluminiumoxid werden hinzugefügt, um die Eigenschaften anzupassen. Die Anordnung dieser Atome bestimmt die grundlegenden Eigenschaften von Glasfaser.

Im Gegensatz zur „Fernordnung“ der Atome in kristallinen Materialien (wie Metallen oder Quarzkristallen) weist die atomare Anordnung in Glasfasern folgende Merkmale auf:„Kurzfristige Ordnung, langfristige Unordnung.“Vereinfacht gesagt, verbindet sich in einem lokalen Bereich (im Umkreis von wenigen Atomen) jedes Siliziumatom mit vier Sauerstoffatomen und bildet so eine pyramidenartige Struktur.„Siliciumdioxid-Tetraeder“Struktur. Diese lokale Anordnung ist geordnet. Im größeren Maßstab bilden diese Siliciumdioxid-Tetraeder jedoch kein regelmäßiges, sich wiederholendes Gitter wie in einem Kristall. Stattdessen sind sie zufällig miteinander verbunden und ungeordnet gestapelt, ähnlich einem Haufen willkürlich zusammengesetzter Bausteine, wodurch eine amorphe Glasstruktur entsteht.

Diese amorphe Struktur ist einer der Hauptunterschiede zwischenFiberglasund gewöhnlichem Glas. Beim Abkühlen von gewöhnlichem Glas haben die Atome genügend Zeit, kleine, lokal geordnete Kristalle zu bilden, was zu einer höheren Sprödigkeit führt. Glasfaser hingegen wird durch schnelles Strecken und Abkühlen von geschmolzenem Glas hergestellt. Die Atome haben keine Zeit, sich geordnet anzuordnen und werden in diesem ungeordneten, amorphen Zustand „eingefroren“. Dadurch werden Defekte an den Korngrenzen reduziert, sodass die Faser die Eigenschaften von Glas beibehält und gleichzeitig eine höhere Zähigkeit und Zugfestigkeit aufweist.

Monofilamentstruktur: Eine einheitliche Einheit von der „Haut“ bis zum „Kern“

Das Fiberglas, das wir sehen, besteht tatsächlich aus vielen Komponenten.MonofilamenteJedes Monofilament bildet jedoch eine in sich abgeschlossene Struktureinheit. Ein Monofilament hat typischerweise einen Durchmesser von 5–20 Mikrometern (etwa 1/5 bis 1/2 des Durchmessers eines menschlichen Haares). Seine Struktur ist einheitlich.„massive zylindrische Form“ohne erkennbare Schichtung. Aus der Perspektive der mikroskopischen Zusammensetzungsverteilung lassen sich jedoch subtile Unterschiede zwischen „Haut“ und „Kern“ feststellen.

Beim Ziehvorgang, wenn geschmolzenes Glas aus den kleinen Löchern der Spinndüse austritt, kühlt die Oberfläche beim Kontakt mit der Luft rasch ab und bildet eine sehr dünne Schicht."Haut"Schicht (etwa 0,1–0,5 Mikrometer dick). Diese Oberflächenschicht kühlt viel schneller ab als das Innere."Kern."Dadurch ist der Siliziumdioxidgehalt in der Außenschicht etwas höher als im Kern, und die Atomstruktur ist dichter und weist weniger Defekte auf. Dieser subtile Unterschied in Zusammensetzung und Struktur verleiht der Oberfläche des Monofilaments eine höhere Härte und Korrosionsbeständigkeit als dem Kern. Zudem verringert er die Wahrscheinlichkeit von Oberflächenrissen – Materialversagen beginnt oft mit Oberflächenfehlern, und diese dichte Außenschicht wirkt wie eine schützende Hülle für das Monofilament.

Neben dem subtilen Unterschied zwischen Haut und Kern zeichnet sich eine hohe Qualität durchFiberglasDas Monofilament weist zudem eine hohe Kreissymmetrie im Querschnitt auf, wobei der Durchmesser typischerweise auf unter 1 Mikrometer begrenzt wird. Diese gleichmäßige geometrische Struktur gewährleistet, dass sich die Spannung im belasteten Monofilament gleichmäßig über den gesamten Querschnitt verteilt. Dadurch wird eine Spannungskonzentration aufgrund lokaler Dickenunregelmäßigkeiten verhindert und die Zugfestigkeit insgesamt verbessert.

Kollektive Struktur: Die geordnete Kombination von „Garn“ und „Stoff“

Monofilamente sind zwar stark, ihr Durchmesser ist jedoch zu gering, um allein verwendet zu werden. Daher liegt Glasfaser typischerweise in Form von … vor.„Kollektiv“,am häufigsten als„Glasfasergarn“Und„Glasfasergewebe“.Ihre Struktur ist das Ergebnis der geordneten Kombination von Monofilamenten.

Glasfasergarn ist eine Ansammlung von Dutzenden bis Tausenden von Monofilamenten, die entweder durch„Verdrehung“oder sein„entwirrt“.Ungedrehtes Garn besteht aus einer losen Ansammlung paralleler Monofilamente mit einfacher Struktur und wird hauptsächlich zur Herstellung von Glaswolle, Kurzfasern usw. verwendet. Gedrehtes Garn hingegen entsteht durch das Verdrillen der Monofilamente, wodurch eine spiralförmige Struktur ähnlich einem Baumwollfaden entsteht. Diese Struktur erhöht die Bindungskraft zwischen den Monofilamenten und verhindert so, dass sich das Garn unter Belastung aufdröselt. Dadurch eignet es sich zum Weben, Wickeln und für andere Verarbeitungstechniken."zählen"des Garns (ein Index, der die Anzahl der Monofilamente angibt, beispielsweise besteht ein 1200-Tex-Garn aus 1200 Monofilamenten) und die"Twist"Die Anzahl der Drehungen pro Längeneinheit bestimmt direkt die Festigkeit, Flexibilität und die anschließende Verarbeitungsleistung des Garns.

Fiberglasgewebe ist eine flächige Struktur, die aus Fiberglasgarn durch ein Webverfahren hergestellt wird. Die drei Grundwebarten sind Leinwandbindung, Köperbindung und Satinbindung.LeinwandbindungDas Gewebe entsteht durch abwechselndes Verkreuzen von Kett- und Schussfäden, wodurch eine dichte Struktur mit geringer Durchlässigkeit, aber gleichmäßiger Festigkeit entsteht, was es als Basismaterial für Verbundwerkstoffe geeignet macht.KöperbindungBei diesem Gewebe verweben sich Kett- und Schussfäden im Verhältnis 2:1 oder 3:1 und erzeugen so ein diagonales Muster auf der Oberfläche. Es ist flexibler als Leinwandbindung und wird häufig für Produkte verwendet, die gebogen oder geformt werden müssen.SatinbindungDieses Gewebe weist weniger Verkreuzungspunkte auf, wobei die Kett- oder Schussfäden durchgehende, schwebende Linien auf der Oberfläche bilden. Es fühlt sich weich an und hat eine glatte Oberfläche, wodurch es sich für dekorative oder reibungsarme Bauteile eignet.

Ob Garn oder Stoff, der Kern der kollektiven Struktur besteht darin, eine Leistungssteigerung zu erreichen.„1+1>2“durch die geordnete Kombination von Monofilamenten. Die Monofilamente sorgen für die Grundfestigkeit, während die Gesamtstruktur dem Material unterschiedliche Formen, Flexibilität und Verarbeitungsmöglichkeiten verleiht, um vielfältigen Anforderungen gerecht zu werden, von der Wärmedämmung bis zur strukturellen Verstärkung.