Serat Kuarsa: Tahan Suhu Tinggi, Tahan Api, dan Isolasi Termal

1. Abstrak

Serat kuarsa adalah jenis serat kaca khusus berkinerja tinggi yang dikenal karena kemurniannya yang tinggi, ketahanan panas yang tinggi, konstanta dielektrik dan kerugian yang rendah. Serat ini umumnya digunakan di bidang teknologi tinggi seperti kedirgantaraan. Dihasilkan oleh teknologi cerdas.

2. Karakteristik Kinerja Serat Kuarsa

Serat kuarsa memiliki kandungan silika yang tinggi, mempertahankan beberapa karakteristik dan kinerja kuarsa padat. Serat ini menunjukkan ketahanan panas yang tinggi, isolasi listrik pada suhu dan frekuensi tinggi, stabilitas kimia yang sangat baik, dapat digunakan dalam jangka panjang di bawah 1050℃, dan tahan terhadap suhu tinggi sesaat hingga 1700℃. Kekuatan tariknya tiga kali lipat dari serat biasa. Selain itu, serat ini memiliki sifat dielektrik yang unggul, menjadi serat mineral dengan konstanta dielektrik dan koefisien kehilangan dielektrik terendah, dengan konstanta dielektrik 1MHz sebesar 3,70 dan koefisien kehilangan dielektrik kurang dari 0,001. Pada frekuensi tinggi dan di bawah 700℃, serat kuarsa mempertahankan konstanta dielektrik dan kehilangan dielektrik terendah dan paling stabil, sambil mempertahankan lebih dari 70% kekuatannya. Serat ini umumnya digunakan sebagai penguat struktural, isolasi termal, dan material tembus gelombang untuk bagian-bagian penting pesawat terbang dan pesawat ruang angkasa.

3. Proses Persiapan

l Metode pembuatan serat kuarsa terutama meliputi penarikan lelehan langsung, penarikan batang, dan metode sol-gel, di mana penarikan batang merupakan metode persiapan industri utama.

l Proses penarikan batang melibatkan penempatan kristal mentah atau bubuk silika murni ke dalam tungku resistansi bertekanan vakum, melelehkannya, kemudian menariknya menjadi batang-batang halus (berdiameter sekitar 2 mm). Selama penarikan, zat pembasah pertama-tama diaplikasikan pada serat kuarsa, diikuti dengan penarikan dalam lingkungan pemanasan listrik atau api oksihidrogen untuk mendapatkan monofilamen berdiameter sekitar 8 μm. Terakhir, untaian serat dipilin bersama untuk membentuk benang serat atau kain.

l Proses penarikan serat secara spesifik dapat dijelaskan secara singkat sebagai berikut: Kuarsa cair bersuhu tinggi menetes dari ujung bawah batang kuarsa, dan mesin penarikan mempertahankan kecepatan putaran konstan untuk meregangkan dan memadatkan serat, membentuk serat kontinu. Filamen halus berbentuk bulan sabit baru yang disebut akar serat terbentuk di bagian bawah batang kuarsa. Perlu dicatat bahwa suhu serat tunggal turun secara signifikan setelah ditarik, yang dapat memengaruhi kinerja produk.

4. Produk Serat Kuarsa dan Area Aplikasinya

l Serat kuarsa dapat diolah menjadi berbagai produk seperti benang serat kuarsa, kapas, kain felt, kain, selongsong, serat potong pendek, dan lain-lain. Benang serat kuarsa adalah produk umum yang banyak digunakan dalam pembuatan antena radome pesawat terbang.

l Serat potong pendek terbuat dari serat kaca kuarsa dengan panjang tetap yang telah dipotong sebelumnya.

l Benang serat kuarsa terbuat dari silika kemurnian tinggi dan kristal kuarsa alami menjadi serat panjang kontinu dengan kandungan SiO2 lebih dari 99,95%, mampu digunakan dalam jangka panjang pada suhu tinggi hingga 1050℃, dan memiliki konstanta dielektrik dan kerugian yang sangat rendah dan stabil, menjadikannya bahan serat anorganik fleksibel yang sangat baik dengan ketahanan suhu tinggi.

l Kain serat kuarsa ditenun dari benang serat kuarsa melalui berbagai metode tenun seperti tenun polos, tenun satin kepar, dan tenun leno menjadi kain dengan ketebalan dan anyaman yang berbeda, yang memiliki ketahanan suhu tinggi, kekuatan tinggi, dielektrik rendah, konduktivitas termal rendah, ketahanan terhadap api, dll.

l Kapas serat kuarsa terdiri dari serat kuarsa murni tanpa bahan pengikat, bentuk dan susunannya tidak beraturan sehingga memberikan tampilan keriting yang mencegah kompresi pengisi dan meningkatkan insulasi; ini merupakan pengganti yang baik untuk kapas serat silika tinggi, kapas serat keramik, dan kapas serat basal.

5. Faktor-faktor yang Mempengaruhi Kekuatan Serat Kuarsa

l Diameter dan panjang serat secara umum, semakin halus diameter serat kuarsa, semakin tinggi kekuatan tariknya. Kekuatan tarik berhubungan dengan panjang serat, menurun secara signifikan seiring bertambahnya panjang. Pengaruh diameter dan panjang pada serat kuarsa dapat dijelaskan oleh hipotesis retakan mikro: seiring berkurangnya diameter dan panjang serat, retakan mikro di dalam serat berkurang pula, sehingga meningkatkan kekuatan serat.

l Kualitas cairan kaca memengaruhi kekuatan serat kuarsa. Ketidakmurnian dalam komposisi kaca atau fluktuasi suhu pelat kebocoran dapat menyebabkan kristalisasi pada serat. Praktik menunjukkan bahwa serat dengan kristalisasi lebih lemah daripada serat amorf. Selain itu, gelembung dalam cairan kaca juga dapat mengurangi kekuatan serat.

l Perlakuan permukaan memengaruhi kekuatan. Selama proses penarikan kontinu, zat pembasah harus diaplikasikan pada serat atau bundel serat individual untuk membentuk lapisan pelindung pada permukaan serat guna mencegah gesekan antar serat selama pemrosesan tekstil yang dapat merusak serat dan mengurangi kekuatan. Setelah perlakuan panas untuk menghilangkan zat pembasah, kekuatan kain serat kuarsa menurun secara signifikan tetapi umumnya pulih setelah perlakuan dengan pengikat perantara karena lapisan tersebut melindungi serat dan mengkompensasi cacat permukaan.

l Waktu penyimpanan memengaruhi kekuatan. Kekuatan serat kuarsa menurun setelah disimpan dalam jangka waktu tertentu, yang dikenal sebagai penuaan, terutama karena erosi kelembapan di udara. Dengan demikian, serat dengan stabilitas kimia yang tinggi mengalami penurunan kekuatan yang lebih sedikit.

l Lamanya waktu pemberian beban memengaruhi kekuatan. Kekuatan serat kuarsa menurun dengan pemberian beban yang berkepanjangan, terutama terlihat pada suhu lingkungan yang lebih tinggi, kemungkinan karena air yang terserap dalam retakan mikro mempercepat perluasan retakan di bawah gaya eksternal.