Filz auf Viskosebasis im Induktionsheizofen

Die Eignung vonviskosebasierte Carbonfaser für Isolationssystemein Hochtemperatur-Induktionserwärmungsumgebungen ist in erster Linie auf seine Schlüsseleigenschaften zurückzuführen, darunter niedrige Wärmeleitfähigkeit, hohe thermische Stabilität, ausgezeichnete Thermoschockbeständigkeit, hohe Reinheit und geringer Gehalt an Verunreinigungen sowie leichte Verarbeitbarkeit. Diese Eigenschaften machen es zu einem hocheffizienten, sauberen und zuverlässigen Isoliermaterial für Umgebungen mit extrem hohen Temperaturen, das insbesondere in High-End-Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt und der Halbleiterfertigung von unersetzlichem strategischen Wert ist.

I. Geringe Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit von Viskose basiertKohlefaserbei Raumtemperatur beträgt etwa 1,26 W/m·K und ist damit weitaus niedriger als bei metallischen Materialien (z. B. Edelstahl, etwa 15 W/(m·K)) und vielen keramischen Materialien. Diese Eigenschaft ist auf die „ungeordnete Graphitstruktur“ und die „entwickelte poröse Struktur“ zurückzuführen. Bei Hochtemperatur-Induktionsheizsystemen führt die geringe Wärmeleitfähigkeit dazu, dass Wärme weniger leicht vom Heizbereich an die Außenumgebung verloren geht, wodurch eine effiziente Isolierung erreicht wird.

Die Wärmeleitfähigkeit viskosebasierter Carbonfasern bleibt auch bei hohen Temperaturen gering. Seine Mikrostruktur enthält zahlreiche Poren im Nano- und Mikromaßstab, die bei Temperaturen über 2000℃ „Kanäle mit geringer Wärmeübertragung“ bilden und so die Wärmeleitung effektiv behindern. Gleichzeitig übertragen Kohlenstoffmaterialien Wärme über Gitterwellen, während die Gitteranordnung von Kohlenstofffasern auf Viskosebasis ungeordneter ist (nicht graphitierte Struktur), was den Wärmeleitungspfad verlängert und die Wärmeleitfähigkeit weiter verringert. In Hochtemperaturanlagen wie Öfen aus einkristallinem Silizium können Isolierfilze oder Wärmedämmplatten aus viskosebasierten Kohlenstofffasern den Wärmeverlust deutlich reduzieren und die Energieeffizienz verbessern.

II. Hohe Temperaturbeständigkeit und thermische Stabilität

Viskosebasierte Kohlenstofffasern können in Inert- oder Vakuumumgebungen bis zu „über 2800℃“ stabil betrieben werden, was sie zu einem idealen Isolationsmaterial für Hochtemperaturbereiche in Induktionsheizsystemen macht. Bei extremen Temperaturen über 2000℃ unterliegen die meisten Materialien erheblichen physikalisch-chemischen Veränderungen, während Kohlenstofffasern auf Viskosebasis ihre Grundstruktur und Eigenschaften beibehalten.

Die hohe thermische Stabilität von Kohlenstofffasern auf Viskosebasis beruht auf ihren „schwer zu graphitierenden“ Eigenschaften. Im Vergleich zu Kohlenstofffasern auf PAN- oder Pechbasis ist es bei Kohlenstofffasern auf Viskosebasis weniger wahrscheinlich, dass sie bei hohen Temperaturen eine hochgeordnete Graphitstruktur bilden. Dies bedeutet jedoch auch, dass sie bei hohen Temperaturen weniger anfällig für drastische strukturelle Phasenübergänge sind. Experimente zeigen, dass bei 2200℃ behandelte Kohlenstofffasern auf Viskosebasis immer noch eine nicht graphitierte Struktur mit einer Dichte von nur 1,39 g/cm³ und einem Kohlenstoffgehalt von über 98,5 % beibehalten. Diese stabile Kohlenstoffstruktur verhindert, dass sie bei hohen Temperaturen schmelzen oder sich zersetzen, sodass sie ihre Wärmedämmeigenschaften über einen langen Zeitraum beibehalten.

Es ist zu beachten, dass Kohlenstofffasern auf Viskosebasis in oxidierenden Umgebungen zur Oxidation neigen (erheblich beschleunigt über 400℃). In Induktionsheizsystemen kann dieses Oxidationsproblem jedoch durch die Verwendung einer Schutzatmosphäre (z. B. Argon oder Stickstoff) oder einer Vakuumkammer wirksam vermieden werden, wodurch die Hochtemperaturbeständigkeit voll ausgenutzt wird.

III. Ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit

Induktionsheizsysteme erfordern typischerweise häufiges An- und Abschalten, was zu drastischen Temperaturänderungen führt. Die hohe Bruchdehnung (>2 %) und die geringe Dichte (1,39–1,7 g/cm³) von Kohlenstofffasern auf Viskosebasis verleihen ihnen eine hervorragende Temperaturwechselbeständigkeit, sodass sie schnellen Temperaturschwankungen standhalten können, ohne leicht zu reißen.

Unter Thermoschockbeständigkeit versteht man die Fähigkeit eines Materials, einer Rissbildung bei drastischen Temperaturschwankungen zu widerstehen. Der positive lineare Ausdehnungskoeffizient von Kohlenstofffasern auf Viskosebasis (2,184 × 10⁻⁶/K bei 800℃) sorgt für ein hohes Maß an Übereinstimmung zwischen ihrem Ausdehnungsverhalten und dem der Harzmatrix beim Erhitzen, wodurch die thermische Spannungskonzentration deutlich reduziert wird. Darüber hinaus ermöglichen ihre flexible Struktur und ihre hohe Bruchdehnung die Absorption von Thermoschockenergie durch flexible Verformung und verhindern so Risse durch thermische Spannung.

In Studien zu 2D-C/C-Verbundwerkstoffen wurde festgestellt, dass die freie thermische Spannung von Kohlenstofffasern auf Viskosebasis bei 800 °C 1/8 der von PAN-basierten verstärkten Materialien beträgt und die simulierte thermische Spannung während der Karbonisierung 1/60 der von PAN-basierten verstärkten Materialien beträgt. Diese äußerst geringe thermische Belastung verleiht ihm eine hervorragende Stabilität bei häufigen Temperaturwechseln in Induktionsheizsystemen und verlängert so die Lebensdauer des Isolationssystems deutlich.

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