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行業(yè)動(dòng)態(tài)

蓬勃發(fā)展的陶瓷纖維材料

2019-8-10    來源：    作者：佚名  瀏覽次數(shù)：5587

陶瓷纖維具有重量輕、耐高溫、導(dǎo)熱率低、比熱容小及耐機(jī)械振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、石油化工、電子及輕工業(yè)領(lǐng)域。早些年，陶瓷纖維僅指硅酸鋁纖維系列的輕質(zhì)纖維耐火材料。如今，陶瓷纖維的概念被拓展，一類仍是以傳統(tǒng)隔熱材料為主的硅酸鋁纖維、氧化鋁纖維；而另一類是作為纖維增強(qiáng)相，應(yīng)用于各類復(fù)合材料中，包括氧化鋁纖維、氧化鋯纖維、碳化硅纖維等。本文將介紹兩類陶瓷纖維的代表，并談一談近年來陶瓷纖維出現(xiàn)的新興應(yīng)用方向，與讀者一同認(rèn)識(shí)蓬勃發(fā)展的陶瓷纖維。

隔熱材料

隔熱材料又稱熱絕緣材料，一般指當(dāng)溫度低于623K時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.14W/（m·K）的材料。隔熱材料的使用，有效減少了不必要的熱量損失，從而達(dá)到節(jié)能的目的，并能提高生產(chǎn)過程的安全性。隔熱材料的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)材料性能的要求主要包括質(zhì)輕、耐腐蝕、耐高溫、熱導(dǎo)率低幾個(gè)方面。

硅酸鋁纖維是應(yīng)用最為悠久的陶瓷纖維隔熱材料，其組成為主要為氧化硅和氧化鋁（常用配比為1比1-1.2之間）。其中，氧化鋁含量越高，耐熱性越好，一般能耐1000-1300℃的高溫。同時(shí)研究表明，在加入氧化鋯、三氧化二鉻之后，耐高溫能力可以提高到1300℃以上。除了高溫?zé)岱�(wěn)定性優(yōu)點(diǎn)以外，硅酸鋁纖維還具有質(zhì)輕、熱導(dǎo)率低（常溫下0.035W/（m·K））的優(yōu)點(diǎn)。

硅酸鋁陶瓷纖維發(fā)展成熟，其制品形式已經(jīng)十分豐富，包括硅酸鋁纖維繩、纖維紙、纖維板、纖維砧等。

在鋼鐵為代表金屬冶煉領(lǐng)域，陶瓷纖維作為爐襯材料使用，節(jié)能幅度達(dá)到20％；同時(shí)，輕質(zhì)的陶瓷纖維能有效降低工業(yè)路和鋼結(jié)構(gòu)的自重，分別可以降低大約90％和70％。在航空航天領(lǐng)域，由美國金剛砂公司開發(fā)的高純硅酸鋁纖維紙，可用于飛行器的熱屏蔽層、端頭帽燒蝕防護(hù)層、點(diǎn)火裝置內(nèi)襯、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件的隔熱層等方面。

復(fù)合材料增強(qiáng)相

隔熱耐火材料是陶瓷纖維最基礎(chǔ)的應(yīng)用方向，隨著科技發(fā)展，纖維陶瓷的優(yōu)異性能使其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。其中，陶瓷纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料已經(jīng)成為各國高科技競(jìng)爭的關(guān)鍵領(lǐng)域之一。常見的復(fù)合材料用陶瓷纖維增強(qiáng)相主要包括氧化鋁纖維、碳化硅纖維、碳化硼纖維。

在幾種常見的陶瓷纖維增強(qiáng)相中，隨著國產(chǎn)大飛機(jī)C191的成功首飛，碳化硅纖維在近些年最為大放異彩。

C919發(fā)動(dòng)機(jī)上采用的是第二代連續(xù)碳化硅纖維，其性能優(yōu)異，符合航空航天用材料“輕質(zhì)高強(qiáng)”的特點(diǎn)，并具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性。在耐高溫性能方面，第二代連續(xù)碳化硅纖維可在1200℃以上高溫氧化性氣氛中使用，相比用于發(fā)動(dòng)機(jī)材料的高溫合金，其工作溫度提高200℃以上，結(jié)構(gòu)減重30%以上，耐熱性和耐氧化性均優(yōu)于碳纖維；強(qiáng)度方面，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1960～4410MPa，在最高使用溫度下強(qiáng)度保持率在80%以上，模量為176.4～294GPa。

2017年底，寧波眾興新材料有限公司首次實(shí)現(xiàn)連續(xù)碳化硅陶瓷纖維生產(chǎn)線的量產(chǎn)。

碳化硅纖維除了其耐高溫、輕質(zhì)高強(qiáng)特性外，還具有優(yōu)良的吸波性能，可用作隱身材料。在美國洛克希德公司的隱身戰(zhàn)機(jī)F-22的4個(gè)直角尾翼、法國“幻影2000”戰(zhàn)斗機(jī)的M53發(fā)動(dòng)機(jī)、法國Alcore公司的無人駕駛遙控隱身飛機(jī)“豺狼”上，碳化硅纖維作為三維異形編織物的形式存在。



不過，除了以上介紹兩大類用途，陶瓷纖維憑借其獨(dú)特的性能，應(yīng)用場(chǎng)景仍在不斷被挖掘。

近些年，對(duì)于鋰電池陶瓷涂覆隔膜的研究與應(yīng)用方興未艾。傳統(tǒng)的陶瓷涂覆隔膜多采用顆粒涂覆的方式，但是顆粒狀的陶瓷顆粒容易堵塞隔膜孔隙，這將會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)阻升高，影響循環(huán)性能；此外，陶瓷顆粒涂層比表面積大，易吸水，對(duì)鋰電池生產(chǎn)工藝環(huán)境要求高。

除了鋰電池隔膜領(lǐng)域，在發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片精密鑄造中，研究人員發(fā)現(xiàn)氧化鋁陶瓷型芯的彎曲強(qiáng)度不足，在高溫?zé)釕?yīng)力作用下易于發(fā)生脆性斷裂。針對(duì)這個(gè)問題，研究人員嘗試在氧化鋁基體中加入氧化鋁纖維和氧化鋯纖維，試驗(yàn)表明，加強(qiáng)后的陶瓷型芯脆斷問題被解決，并且在1550℃最終燒結(jié)后，型芯的收縮率可以降到1.49％。這說明，氧化鋁纖維和氧化鋯纖維的加入，有效解決了原來陶瓷型芯的強(qiáng)度問題，并減小了型芯的收縮率，對(duì)于最終成形渦輪葉片的精度將有很大提升。

小結(jié)

隨著科技的進(jìn)步，陶瓷纖維的概念被拓展，各類新型陶瓷纖維不斷涌現(xiàn)，并已經(jīng)應(yīng)用于各類基體的復(fù)合材料中。過去，新型陶瓷纖維由于制備難度大、成本高昂等原因，僅局限于各國競(jìng)相研發(fā)的航空航天領(lǐng)域。未來，隨著各種新型陶瓷纖維的量產(chǎn)，我們也可以看到更多陶瓷纖維會(huì)出現(xiàn)在諸如鋰電池、紡織物、鑄造等領(lǐng)域。