石英繊維：耐高温性、難燃性、断熱性に優れています。

1. 概要

石英繊維は、高純度、高耐熱性、低誘電率、低損失といった特性を持つ高性能特殊ガラス繊維の一種です。航空宇宙などのハイテク分野で広く用いられており、高度な技術によって生成されています。

2. 石英繊維の性能特性

石英繊維はシリカ含有量が高く、固体石英の特性と性能の一部を保持しています。高い耐熱性、高温・高周波での電気絶縁性、優れた化学的安定性を示し、1050℃以下で長期使用が可能で、瞬間的に1700℃までの高温にも耐えることができます。引張強度は一般的な繊維の3倍です。さらに、優れた誘電特性を持ち、鉱物繊維の中で最も低い誘電率と誘電損失係数を有し、1MHzにおける誘電率は3.70、誘電損失係数は0.001未満です。高周波かつ700℃以下の領域では、石英繊維は最も低く安定した誘電率と誘電損失を維持しながら、強度の70%以上を保持します。航空機や宇宙船の重要部品の構造補強材、断熱材、および電波透過材として広く使用されています。

3. 準備プロセス

l 石英繊維の製造方法は、主に直接溶融延伸法、棒状延伸法、ゾルゲル法などがあり、その中でも棒状延伸法が主要な工業的製造方法である。

l ロッド引き抜き工程では、原料となる結晶または純粋なシリカ粉末を真空加圧抵抗炉に入れ、溶融させた後、直径約2mmの細いロッド状に引き伸ばします。引き抜き工程では、まず石英繊維に湿潤剤を塗布し、その後、電気加熱または水素酸素炎雰囲気下で引き伸ばし、直径約8μmのモノフィラメントを得ます。最後に、これらの繊維束を撚り合わせて、繊維糸または繊維織物を形成します。

l 具体的な延伸工程は、以下のように簡単に説明できます。高温の溶融石英が石英棒の先端から滴下され、延伸機が一定の回転速度を維持して繊維を引き伸ばし固化させ、連続繊維を形成します。石英棒の底部には、"繊維根と呼ばれる新しい三日月形の細いフィラメントが形成されます。なお、延伸後、個々の繊維の温度は大幅に低下するため、製品性能に影響を与える可能性があることに注意が必要です。

4．石英繊維製品および応用分野

l 石英繊維は、石英繊維糸、綿、フェルト、布、スリーブ、短繊維など、さまざまな製品に加工できます。石英繊維糸は、航空機のレドームアンテナの製造に広く使用されている一般的な製品です。

l ショートカットファイバーは、あらかじめ一定の長さに切断された石英ガラスファイバーから作られています。

l 石英繊維糸は、高純度シリカと天然石英結晶から作られた連続長繊維で、SiO2含有量は99.95%以上です。1050℃までの高温で長期間使用可能で、誘電率と誘電損失が極めて低く安定しているため、耐熱性に優れた柔軟な無機繊維材料として優れています。

l 石英繊維布は、石英繊維糸を平織り、朱子綾織り、レノ織りなどの様々な織り方で織り上げたもので、厚さや織り目の異なる布地であり、耐熱性、高強度、低誘電率、低熱伝導率、耐燃性などの特性を備えています。

l 石英繊維綿は、結合剤を含まない純粋な石英繊維で構成されており、形状と配列が不規則なため、カールした外観を呈し、充填材の圧縮を防ぎ、断熱性を向上させます。高シリカ繊維綿、セラミック繊維綿、玄武岩繊維綿の優れた代替品です。

5. 石英繊維の強度に影響を与える要因

l 一般的に、石英繊維の直径と長さは、直径が細いほど引張強度が高くなります。引張強度は繊維の長さに関係しており、長さが増加するにつれて著しく低下します。直径と長さが石英繊維に及ぼす影響は、マイクロクラック仮説によって説明できます。すなわち、繊維の直径と長さが減少するにつれて、繊維内部のマイクロクラックも減少し、繊維強度が増加するというものです。

l ガラス液の品質は石英繊維の強度に影響を与える。ガラス組成中の不純物やリークプレートの温度変動は、繊維の結晶化を引き起こす可能性がある。経験上、結晶化した繊維は非晶質繊維よりも強度が低いことが分かっている。さらに、ガラス液中の気泡も繊維強度を低下させる可能性がある。

l 表面処理は強度に影響を与える。連続延伸工程では、繊維加工中の摩擦による繊維の損傷や強度低下を防ぐため、個々の繊維または繊維束に湿潤剤を塗布し、繊維表面に保護膜を形成する必要がある。湿潤剤を除去するための熱処理後、石英繊維布の強度は著しく低下するが、中間バインダーによる処理後には、コーティングが繊維を保護し表面の欠陥を補償するため、一般的に強度は回復する。

l 保管期間は強度に影響を与える。石英繊維は、保管期間が経過すると強度が低下する。これは経年劣化と呼ばれ、主に空気中の水分による侵食が原因である。したがって、化学的安定性の高い繊維ほど強度低下が少ない。

l 荷重負荷時間は強度に影響を与える。石英繊維の強度は、荷重負荷時間が長くなるにつれて低下する。特に周囲温度が高い場合は顕著であり、これはおそらく微細な亀裂に吸着した水分が外部からの力によって亀裂の拡大を加速させるためと考えられる。