Glasfaser
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Eine Glasfaser ist eine aus Glas bestehende lange dünne Faser. Bei der Herstellung werden aus einer Glasschmelze dünne Fäden gezogen und zu einer Vielzahl von Endprodukten weiterverarbeitet.
Glasfasern werden als Lichtwellenleiter zur Datenübertragung und zum flexiblen Lichttransport von z. B. Laserstrahlung, als Roving oder als textiles Gewebe zur Wärme- und Schalldämmung, sowie für glasfaserverstärkte Kunststoffe eingesetzt. Diese zählen heute zu den wichtigsten Konstruktionswerkstoffen. Sie sind alterungs- und witterungsbeständig, chemisch resistent und unbrennbar. Ihren hohen Elastizitätsmodul nutzt man, um die mechanischen Eigenschaften von Kunststoffen zu verbessern.
Geschichte der Glasfaser
Der Ursprung war die Fähigkeit von Glasbläsern aus dem Thüringer Wald, bereits im 18. Jahrhundert sogenanntes Feen- oder Engelshaar herzustellen. Erst nur als Dekorationsmittel genutzt, wurden die Möglichkeiten der Fasern nach Gründung einer Glasfabrik im thüringischen Haselbach von Hermann Schuller nach und nach entdeckt (1896). Dort wurden erstmals spinnbare Glasfäden mit genau definiertem Durchmesser sozusagen als „Rollenware“ hergestellt. Dieses Verfahren wurde in den 1930er Jahren als Stabtrommelabziehverfahren zum Patent angemeldet.
Nutzung als Lichtleiter
In Faserrichtung kann sich Licht in Glasfasern nahezu ungehindert ausbreiten. Durch einen radial nach außen abnehmenden Brechungsindex, stetig oder stufig, wird das Licht in der Faser geführt. Diese Eigenschaft als Lichtleiter wird in vielen technischen Anwendungen genutzt.
Datenübertragung
Glasfasern werden unter anderem als Lichtwellenleiter in Glasfasernetzen zur optischen Datenübertragung verwendet. Dies hat gegenüber elektrischer Übertragung den Vorteil einer erheblich höheren maximalen Bandbreite. Es können mehr Information pro Zeiteinheit übertragen werden. Außerdem ist das übertragene Signal unempfindlich gegenüber elektrischen und magnetischen Störfeldern und ist abhörsicher.
Beleuchtung, Dekoration, Kunst und Architektur
LED-beleuchtetes Glasfaserbündel als Deko-Objekt.
Indirekte Beleuchtung mittels Glasfasern.
In einer Vielzahl von Lampen und Beleuchtungsinstallationen werden Glasfasern heutzutage verwendet, wobei die Fasern nicht nur zum Lichttransport, sondern selbst auch als abstrahlende Elemente benutzt werden. Eine ungewöhnliche Anwendung ist die Herstellung lichtdurchlässigen Betons: durch das Einarbeiten von drei bis fünf Prozent Glasfaseranteil entstehen transluzente Betonelemente, durch die man Licht, Schattenwürfe und Farben noch bis zu einer Wandstärke von 20 cm sehen kann (siehe auch: Litracon).
Beleuchtung und Abbildung in Medizin und Messtechnik
Glasfasern und Glasfaserbündel werden zu Beleuchtungs- und Abbildungszwecken z. B. an Mikroskopen, Inspektionskameras oder Endoskopen oder auch bei Kaltlichtquellen benutzt (siehe auch: Faseroptik). In den meisten Fällen werden aber zur Beleuchtung polymere optische Fasern eingesetzt, da diese flexibler sind und bei Überdehnung nicht brechen.
Sensoren
Glasfasern finden verstärkt Anwendung in der Messtechnik. So dienen faseroptische Sensoren, bei denen die Messgröße nicht wie typischerweise durch eine elektrische Größe repräsentiert bzw. übertragen wird, sondern durch eine optische, zur Messwerterfassung in schwer zugänglichen Bereichen wie Staudämmen oder unter extremen Bedingungen wie in Stahlwerken oder Magnetresonanztomographen. Man unterscheidet zwei Klassen von faseroptischen Sensoren:
- extrinsisch: Hier dient die Glasfaser nur als Überträger der vom Sensor erfaßten Messgröße, die jener als optisches Signal zur Verfügung stellen muss. Beispiele sind Glasfaser-Pyrometer, faseroptische Temperatursonden oder optische Mikrophone (Glasfaser-Schallwandler).
- intrinsisch: Hier dient die Glasfaser direkt als Messaufnehmer und ist somit zugleich Sensor als auch Leitung. Beispiele sind faseroptische Drucksensoren, die faseroptische Temperaturmessung oder der Faserkreisel zur Messung der Winkelgeschwindigkeit.
Laser
Zum flexiblen Transport von Laserstrahlung werden Glasfasern eingesetzt, um die Strahlung zum einen bei der Materialbearbeitung und in der Medizin zur Bearbeitungsstelle (schneiden, schweißen usw.) und zum anderen in der Messtechnik, Mikroskopie und Spektroskopie zur Probe zu leiten.
In der Lasershowtechnik wird Laserlicht von einer zentralen Quelle über Lichtleitkabel zu verschiedenen im Raum verteilten Projektoren geleitet. Die Leistungen betragen hier einige hundert Milliwatt bis zu zweistelligen Wattbeträgen.
Laserstrahlen können nicht nur in Glasfasern geleitet, sondern auch in ihnen erzeugt und verstärkt werden. So finden z. B. Faserlaser und Erbium-dotierte Faserverstärker Einsatz im Telekommunikationsbereich. Auf Grund der guten Effizienz des Konversionsprozesses und der guten Kühlung durch die große Oberfläche der Faser sowie der sehr hohen Strahlqualität werden Faserlaser mit hoher Leistung in der Materialbearbeitung und Medizin verwendet.
Nutzung der mechanischen Eigenschaften
| Typische Eigenschaften von Glasfasern | |
|---|---|
| Dichte | 2,45…2,58 g/cm³ |
| Filamentdurchmesser | 5…24 µm |
| Zugfestigkeit | 1,8…5 GPa (kN/mm²) |
| Zug-E-Modul | 70…90 GPa |
| Bruchdehnung | < 5 % |
Für mechanische Anwendungen liegen die Glasfasern meistens als Roving, Vliesstoff oder als Gewebe vor. Für Profile verwendet man hingegen unidirektionale (nur in eine Richtung verlaufende) Fasern; so werden zum Beispiel Sportpfeile für das Bogenschießen, Stäbe zur Isolation oder z. B. in manchen Regenschirmen aus glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt.
Da Glasfasern sehr kerbempfindlich sind, werden sie bei der Herstellung bzw. vor dem Verweben mit einer sogenannten Schlichte versehen. Diese Schlichte (z. B. eine Silanschlichte) dient beim Weben als Schmierstoff und wird nach dem Weben chemisch entfernt. Danach wird das sog. Finish auf die Glasfasern aufgetragen, das für die Verwendung in Faserverbundwerkstoffen als Haftvermittler zwischen den Glasfasern und dem Kunstharz wirkt. Finish wird auch als haftmittelhaltige Schlichte bezeichnet. Sie kann bis zu zwei Masseprozent ausmachen, liegt jedoch meist bei 0,3 bis 0,8 Prozent.
Glasfaserverstärkte Kunststoffe zeigen nur eine sehr geringe Kriechneigung und nehmen nur sehr wenig Feuchte auf.
Festigkeit
Als sprödes Material ist Glas empfindlich gegenüber Spannungsspitzen, wie sie an Fehlstellen wie Kerben auftreten (vergl. Wirkungsweise eines Glasschneiders). Risse setzen sich durch den gesamten Körper fort. Durch die Faserform ist die Fehlstellengröße im Gegensatz zum kompakten Werkstoff auf den Faserquerschnitt begrenzt, die molekulare Festigkeit des Glases wird nutzbar. Die Bruchdehnung einer einzelnen Faser kann bis zu 5 Prozent betragen. Sie sind jedoch anfällig gegenüber Knicken und scharfen Kanten.
Die Zug- und Druckfestigkeit der Glasfaser sorgt für eine besondere Aussteifung des Kunststoffes bei gleichzeitiger Erhaltung einer gewissen Flexibilität dank der (verglichen mit Stahl) hohen elastischen Bruchdehnung. Die Eigenschaften von Glasfasern werden beispielsweise bei der Herstellung von hochfesten und leichten Bauteilen wie Sportbooten, GFK-Profilen, GFK-Bewehrungen oder Angelruten genutzt. Auch Tanks und Rohre für hochkorrosive Stoffe bestehen meist aus glasfaserverstärktem Kunststoff.
Typischerweise wird für die Konstruktion die mittlere quasistatische Festigkeit einer unverstärkten E-Faser von RG = 1,8 GPa verwendet.
Steifigkeit
Der Elastizitätsmodul von Glasfasern unterscheidet sich nur wenig von dem eines kompakten Werkstoffvolumens aus Glas. Anders als Aramidfasern oder Kohlenstofffasern hat die Glasfaser eine amorphe Struktur. Wie beim kompakten Fensterglas ist die molekulare Orientierung regellos. Die Glasfaser hat isotrope mechanische Eigenschaften. Glasfasern verhalten sich bis zum Bruch ideal linear elastisch. Ihre Werkstoffdämpfung ist sehr gering.
Die Steifigkeit eines realen Bauteils aus glasfaserverstärktem Kunststoff ergibt sich aus Elastizitätsmodul, Richtung und Volumenanteil (Standard: 60 %) der Glasfasern sowie zu einem geringen Anteil aus den Eigenschaften des Matrixmaterials, da meist ein deutlich weicherer Kunststoff verwendet wird. Der Elastizitätsmodul der reinen Glasfaser liegt mit 70 bis 90 GPa etwa in der Größenordnung von Aluminium.
Arten von Verstärkungsfasern
Das Glas, aus dem die Verstärkungsfasern hergestellt sind, beeinflusst die Eigenschaften des Kompositwerkstoffs. Daher sind unterschiedliche Qualitäten der Verstärkungsfasern im Handel:[1]
- E-Glas (E = {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value)): gilt als Standardfaser, ca. 90 % des Marktes, wird in basischer und saurer Umgebung angegriffen.
- S-Glas, R-Glas (S = {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value), R = {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value)): Faser mit erhöhter Festigkeit
- M-Glas (M = {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value)): Faser mit erhöhter Steifigkeit (E-Modul)
- C-Glas (C = {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value)): Faser mit erhöhter Chemikalienbeständigkeit
- ECR-Glas (englisch E-Glass Corrosion Resistant): Faser mit besonders hoher Korrosionsbeständigkeit
- D-Glas (D = {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value)): Faser mit niedrigem dielektrischen Verlustfaktor, z. B. die Radome einer Radarstation
- AR-Glas (AR = {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value)): Für die Anwendung in Beton entwickelte Faser, die mit Zirconium(IV)-oxid angereichert ist. Sie ist gegenüber einer basischen Umgebung weitgehend resistent.
- Q-Glas (Q = Quarz): Faser aus Quarzglas (SiO2). Eignet sich für die Anwendung bei hohen Temperaturen von bis zu 1450 °C
- Hohlglasfasern: Fasern (meist E-Glas) mit einem Hohlquerschnitt
Bemerkung: R-, S- und M-Glas sind alkalifrei und haben eine gesteigerte Feuchtebeständigkeit.
Anwendung von Verstärkungsfasern
Glasfasern werden Beton beigemischt, bei dem sie als Bewehrung dienen. Glasfaserverstärkter Beton wird bei Wellplatten, Fassadenplatten oder bei verlorenen Schalungen eingesetzt. Ebenso wird Glasfaser im Estrich verwendet. Außerdem wird Feinbeton mit Glasfasertextilien bewehrt, das heißt dann textilbewehrter Beton.
Eine große Bedeutung haben Glasfasern in glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) (Luft- und Raumfahrt, Leiterplatten, Boote, Bobschlitten usw.). In der Luft- und Raumfahrt werden aus Langglasfasern überwiegend tragende Strukturen gebaut (z. B. Segelflugzeug Schleicher ASK 21). In der Automobilindustrie werden zurzeit Langglasfasern noch hauptsächlich zur Versteifung von thermoplastischen Bauteilen (z. B. Verkleidungen) genutzt. Es geht aber hier ein Trend zu tragenden Bauteilen.
In der Verfahrenstechnik werden Glasfasern hauptsächlich in gewickelten Rohren genutzt. Hier zeichnet sich die Glasfaser durch ihre sehr gute Medienbeständigkeit und elektrische Isolierwirkung aus.
In der Elektrotechnik werden Glasfasern als Verstärkungsfasern in Leiterplatten oder in elektromagnetisch transparenten Verkleidungen (Radome) genutzt. Die Hochspannungstechnik nutzt die hohen Festigkeiten und die Isoliereigenschaft der Fasern in Isolatoren.
Beim manuellen Technischen Zeichnen auf Zeichenfolie und zur Reinigung werden Glasfaserradierer verwendet.
Siehe auch
- Glaskorrosion
- Mineralwolle
- Polymere optische Faser
- Schlackenfaser
Weblinks
- Künstliche Mineralfasern (PDF; 595 kB) UmweltWissen – Bayerisches Landesamt für Umwelt
Einzelnachweise
- ↑ Manfred Flemming, Gerhard Ziegmann, Siegfried Roth: Faserverbundbauweisen. Fasern und Matrices. Springer-Verlag, 1995, ISBN 3-540-58645-8 Abschnitt 2.3.3.