Glasfaser

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Glasfaser

Eine Glasfaser ist eine aus Glas bestehende lange d√ľnne Faser. Bei der Herstellung werden aus einer Glasschmelze d√ľnnen F√§den gezogen und zu einer Vielzahl von Endprodukten weiterverarbeitet.

Glasfasern werden als Glasfaserkabel zur Daten√ľbertragung und zum flexiblen Lichttransport von z. B. Laserstrahlung, als Roving oder als textiles Gewebe zur W√§rme- und Schalld√§mmung, sowie f√ľr glasfaserverst√§rkte Kunststoffe eingesetzt. Diese z√§hlen heute zu den wichtigsten Konstruktionswerkstoffen. Sie sind alterungs- und witterungsbest√§ndig, chemisch resistent und nicht brennbar. Ihr hohes Elastizit√§tsmodul nutzt man, um die mechanischen Eigenschaften von Kunststoffen zu verbessern.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte der Glasfaser

Der Ursprung war die F√§higkeit von Glasbl√§sern aus dem Th√ľringer Wald, bereits im 18. Jahrhundert, sogenanntes Feen- oder Engelshaar herzustellen. Erst nur als Dekorationsmittel genutzt, wurden die M√∂glichkeiten der Fasern nach Gr√ľndung einer Glasfabrik im th√ľringischen Haselbach von Hermann Schuller nach und nach entdeckt (1896). Dort wurden erstmals spinnbare Glasf√§den mit genau definiertem Durchmesser sozusagen als ‚ÄěRollenware‚Äú 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 radial nach au√üen abnehmenden Brechungsindex, stetig oder stufig, wird das Licht in der Faser gef√ľhrt. Diese Eigenschaft als Lichtleiter wird in vielen technischen Anwendungen genutzt.

Daten√ľbertragung

‚Üí Hauptartikel: Lichtwellenleiter

Glasfasern werden unter anderem als Lichtwellenleiter in Glasfasernetzen zur optischen Daten√ľbertragung verwendet. Dies hat gegen√ľber elektrischer √úbertragung den Vorteil einer erheblich h√∂heren maximalen Bandbreite. Es k√∂nnen mehr Information pro Zeiteinheit √ľbertragen werden. Au√üerdem ist das √ľbertragene Signal unempfindlich gegen√ľber elektrischen und magnetischen St√∂rfeldern und bietet eine h√∂here Abh√∂rsicherheit.

Beleuchtung, Dekoration, Kunst und Architektur

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 ungew√∂hnliche Anwendung ist die Herstellung lichtdurchl√§ssigen Betons: durch das Einarbeiten von 3‚Äď5 % Glasfaseranteil entstehen transluzente Betonelemente, durch die man Licht, Schattenw√ľrfe und Farben noch bis zu einer Wandst√§rke von 20 cm sehen kann (siehe auch: Litracon).

Beleuchtung und Abbildung in Medizin und Messtechnik

Glasfasern und Glasfaserb√ľndel werden zu Beleuchtungs- und Abbildungszwecken z. B. an Mikroskopen, Inspektionskameras oder Endoskopen benutzt (siehe auch: Faseroptik). In den meisten F√§llen werden aber zur Beleuchtung polymere optische Fasern eingesetzt, da diese flexibler sind und bei √úberdehnung nicht brechen.

Sensoren

Glasfasern finden verst√§rkt Anwendung in der Messtechnik. So dienen faseroptische Sensoren, bei denen die Messgr√∂√üe nicht wie typischer Weise durch eine elektrische Gr√∂√üe repr√§sentiert bzw. √ľbertragen wird, sonder durch eine optische, zur Messwerterfassung in schwer zug√§nglichen Bereichen wie Staud√§mmen oder unter extremen Bedingungen wie in Stahlwerken oder Magnetresonanzthomographen. Man unterscheidet zwei Klassen von faseroptischen Sensoren:

  • extrinsisch: Hier dient die Glasfaser nur als √úbertr√§ger der vom Sensor erfa√üten Messgr√∂√üe, die jener als optisches Singnal zur Verf√ľgung 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

Faserlaser in Doppelmantelfaser-Aufbau

Zur flexiblen Transport von Laserstrahlung werden Glasfasern eingesetzt um die Strahlung zum einen bei der Materialbearbeitung und in der Medizin zur Bearbeitungsstelle (Schneiden, Schweißen etc.) und zum anderen in der Messtechnik, Mikroskopie und Spektroskopie zur Probe zu leiten.

In der Lasershowtechnik wird Laserlicht von einer zentralen Quelle √ľber Lichtleitkabel zu verschiedenen im Raum verteilte Projektoren geleitet. Die Leistungen betragen hier einige hundert Milliwatt bis zu zweistelligen Wattbetr√§gen.

Laserstrahlen k√∂nnen nicht nur in Glasfasern geleitet, sondern auch in ihnen erzeugt und verst√§rkt werden. So finden z. B. Faserlaser und Erbium-dotierte Faserverst√§rker Einsatz im Telekommunikationsbereich. Auf Grund der guten Effizienz des Konversionsprozesses und der guten K√ľhlung durch die gro√üe Oberfl√§che der Faser, sowie der sehr hohen Strahlqualit√§t werden Faserlaser mit hoher Leistung in der Materialbearbeitung und Medizin verwendet.

Nutzung der mechanischen Eigenschaften

Ein B√ľndel Glasfasern f√ľr die Kunststoffverst√§rkung (Glasfaserroving)

F√ľr mechanische Anwendungen liegen die Glasfasern meistens als Roving, Vliesstoff oder als Gewebe vor. F√ľr Profile verwendet man hingegen unidirektionale (nur in eine Richtung verlaufende) Fasern, so werden zum Beispiel Sportpfeile f√ľr das Bogenschie√üen, St√§be zur Isolation oder z. B. in manchen Regenschirmen aus glasfaserverst√§rktem 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 f√ľr 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 %.

Glasfaserverstärkte Kunststoffe zeigen nur eine sehr geringe Kriechneigung und nehmen nur sehr wenig Feuchte auf.

Festigkeit

Die hohe Festigkeit der Glasfaser beruht auf dem Gr√∂√üeneinfluss. Durch die Faserform ist die Fehlstellengr√∂√üe in der Faser kleiner als im kompakten Werkstoffvolumen. Gleichzeitig steigt die fehlerfreie L√§nge in der Faserform an. Dadurch ist die Festigkeit der Glasfaser gegen√ľber dem kompakten Werkstoff gr√∂√üer. Die Bruchdehnung einer einzelnen Faser kann bis zu 5 % betragen. Sie sind aber sehr anf√§llig gegen√ľber Knicken und scharfen Kanten.

Die Zug- und Druckfestigkeit der Glasfaser sorgt f√ľr eine besondere Aussteifung des Kunststoffes bei gleichzeitiger Erhaltung einer gewissen Flexibilit√§t dank der (verglichen mit Stahl) hohen elastischen Bruchdehnung. Die Eigenschaften von Glasfasern werden beispielsweise bei der Herstellung von hochfesten und leichten Bauteilen wie Sportboote, GFK-Profile, GFK-Bewehrung oder Angelruten genutzt. Auch Tanks und Rohre f√ľr hochkorrosive Stoffe bestehen meist aus Glasfaser verst√§rktem Kunststoff.

Typischerweise wird f√ľr die Konstruktion die mittlere quasistatische Festigkeit einer unverst√§rkten E-Faser von RG = 1800 MPa 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. Sie weisen nur eine sehr geringe Werkstoffdämpfung auf.

Die Steifigkeit eines realen Bauteils aus glasfaserverst√§rktem Kunststoff ergibt sich aus Elastizit√§tsmodul, Richtung und Volumenanteil der Glasfasern sowie zu einem geringen Anteil aus den Eigenschaften des Matrixmaterials, da meist ein deutlich weicherer Kunststoff verwendet wird. Der Elastizit√§tsmodul der reinen Glasfaser liegt mit 70.000 bis 90.000 MPa etwa in der Gr√∂√üenordnung 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=Electric): gilt als Standardfaser, ca. 90 % des Marktes, wird in basischer und saurer Umgebung angegriffen.
  • S-Glas, R-Glas (S=Strength, R=R√©sistance): Faser mit erh√∂hter Festigkeit
  • M-Glas (M=Modulus): Faser mit erh√∂hter Steifigkeit (E-Modul)
  • C-Glas (C=Chemical): Faser mit erh√∂hter Chemikalienbest√§ndigkeit
  • ECR-Glas (E-Glass Corrosion Resistant): Faser mit besonders hoher Korrosionsbest√§ndigkeit
  • D-Glas (D=Dielectric): Faser mit niedrigem dielektrischen Verlustfaktor, z. B. die Radome einer Radarstation
  • AR-Glas (AR=Alkaline Resistant): F√ľr die Anwendung in Beton entwickelte Faser, die mit Zirconium(IV)-oxid angereichert ist. Sie ist gegen√ľber einer basischen Umgebung weitgehend resistent.
  • Q-Glas (Q=Quartz): Faser aus Quarzglas (SiO2). Eignet sich f√ľr die Anwendung bei hohen Temperaturen von bis zu 1450 ¬įC
  • Hohlglasfasern: Fasern (meist E-Glas) mit einem Hohlquerschnitt

Bemerkung: R-, S- und M-Glas ist alkalifrei und hat 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 gro√üe Bedeutung haben Glasfasern in glasfaserverst√§rktem Kunststoff (GFK) (Luft- und Raumfahrt, Leiterplatten, Boote, Bobschlitten usw.). In der Luft- und Raumfahrt werden aus Langglasfasern √ľberwiegend tragende Strukturen gebaut (z. B. Segelflugzeug Schleicher ASK 21). In der Automobilindustrie werden zurzeit Langglasfasern noch haupts√§chlich 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

Weblinks

 Commons: Fibreglass ‚Äď Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. ‚ÜĎ Faserverbundbauweisen. Fasern und Matrices, Manfred Flemming, Gerhard Ziegmann, Siegfried Roth, Springer-Verlag, 1995, ISBN: 9783540586456 Abschnitt 2.3.3

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