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    陶瓷纖維的分類(lèi)及用途知識(shí)

    2019-8-28    來(lái)源:    作者:佚名  瀏覽次數(shù):16518

    陶瓷纖維多孔隔熱材料,只需要很少的材料(纖維)就可以形成一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),相比于陶瓷孔隙隔熱材料,陶瓷纖維隔熱材料具有輕質(zhì)、多孔、熱導(dǎo)率低、比熱容大的特性,并且可以承受很強(qiáng)的載荷。這種材料已經(jīng)被應(yīng)用在過(guò)濾分離、隔熱、生物醫(yī)學(xué)、復(fù)合材料等多個(gè)領(lǐng)域。以陶瓷纖維材料制備的隔熱材料為代表的可重復(fù)使用的熱防護(hù)結(jié)構(gòu),廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外各類(lèi)先進(jìn)飛行器的熱防護(hù)系統(tǒng)中,具有重要的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。


        陶瓷纖維可分為二大類(lèi):非氧化物陶瓷纖維(如SiC纖維、C纖維)和氧化物(含復(fù)合氧化物)陶瓷纖維(如硅酸鋁纖維、Al2O3纖維)。

    一、非氧化物陶瓷纖維 

    (1)碳化硅纖維。碳化硅(SiC)俗稱(chēng)金剛砂、碳硅石,是一種以共價(jià)鍵結(jié)合的人工合成化合物?捎没瘜W(xué)氣相沉積法、碳熱還原法、粉末燒結(jié)法以及先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備。純碳化硅是無(wú)色透明,工業(yè)中使用的碳化硅常常因?yàn)楹杏坞x鐵、硅、碳等雜質(zhì)而呈淺綠色或黑色。

       由于碳化硅具有良好的高溫特性,如抗氧化性、高溫強(qiáng)度高及穩(wěn)定性、熱傳導(dǎo)性好、密度小、膨脹系數(shù)低、蠕變性小等特點(diǎn),可將其用作高溫燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室、高溫噴嘴、渦輪的靜葉片等。由于碳化硅的高熱導(dǎo)性、絕緣性能好等特點(diǎn),可將其作為冶金工業(yè)窯爐中的高溫?zé)峤粨Q器,以及大規(guī)模集成電路的基片和封裝材料等。利用其高硬度、耐磨損、耐酸堿腐蝕的性能,可在機(jī)械、化學(xué)等工業(yè)中制備機(jī)械密封材料,如滑動(dòng)軸承、閥片、風(fēng)機(jī)葉片和耐腐蝕的管道等。

       碳化硅除了具有良好的物理性能以外,還具有優(yōu)良的化學(xué)性能。在非氧氣氣氛下,2300℃時(shí)碳化硅表面氣相中僅含硅5%.但當(dāng)碳化硅暴露在氧氣中達(dá)到1000℃時(shí),表面就開(kāi)始氧化,但碳化硅可以生成SiO2保護(hù)膜,阻止氧化反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。

    (2)碳纖維。碳纖維是指纖維狀的碳材料,由有機(jī)纖維在惰性氣體中加熱到1000℃以上,形成的碳含量占90%以上的纖維狀碳材料。碳纖維是一種新型無(wú)機(jī)材料,它的密度為1.5-2g/cm3,是鋼密度的1/4、鋁合金密度的1/2,強(qiáng)度卻比鋼大4、5倍。其熱膨脹系數(shù)小,抗熱震性好,從幾千攝氏度的高溫突然降到常溫也不會(huì)炸裂,同時(shí)具有良好的潤(rùn)滑性及導(dǎo)電性。碳纖維的化學(xué)性質(zhì)與碳相似,對(duì)一般堿性是惰性的,并且在液氮溫度下也不會(huì)脆化。在非氧環(huán)境下,即使3000℃的高溫也不熔化,但在空氣氣氛下,溫度高于400℃時(shí)就會(huì)出現(xiàn)明顯的氧化現(xiàn)象,生成CO與CO2。因此碳纖維可以大幅度減輕構(gòu)件結(jié)構(gòu)重量,提高技術(shù)性能,使得其大范圍的應(yīng)用在航空航天飛行器上。

        依據(jù)所采用的原料不同,可將碳纖維可分為聚丙烯腈基碳纖維,瀝青基碳纖維和纖維素基碳纖維、酚醛基碳纖維四種。應(yīng)用較普遍的碳纖維主要是聚丙烯腈碳纖維和瀝青碳纖維。

    二、氧化物陶瓷纖維 

    (1)硅酸鋁纖維。硅酸鋁纖維形狀和顏色同棉花相似,是一種非晶體陶瓷纖維,主要由氧化鋁和二氧化硅組成,有時(shí)還含有少量的氧化鐵、二氧化鈦、氧化鈣等物質(zhì)。根據(jù)組成物質(zhì)及含量的不同,可分為四類(lèi):標(biāo)準(zhǔn)(普通)硅酸鋁纖維、高純硅酸鋁纖維、高純含鋁硅酸鋁纖維和高純含鋯硅酸鋁纖維,其各組分含量如表1-2所示。

    表1 四類(lèi)硅酸鋁纖維的分類(lèi)及化學(xué)組成


        硅酸鋁纖維直徑1-10μm,長(zhǎng)度為5-25cm,耐溫性、隔熱性、吸音性均較好,并且蓄熱小、導(dǎo)熱系數(shù)低、抗機(jī)械振動(dòng)能力強(qiáng),使用溫度可達(dá)1200℃,密度卻僅為0.096-0.128g/cm3。在其中加入CrO2后,由于CrO2阻止了纖維間接觸部位的晶體析出和長(zhǎng)大,可以提高纖維抗高溫收縮性能,并使使用溫度達(dá)到1400℃。硅酸鋁纖維復(fù)合材料可以制成毯、氈、紙、板等形狀,目前已廣泛應(yīng)用于化工、機(jī)械等熱能設(shè)備的保溫及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件的隔熱層等。

    (2)石英纖維。石英纖維是指雜志含量低于0.1%,纖維直徑在0.7-15μm的高純度特種二氧化硅玻璃纖維。其具有很高的耐熱性,長(zhǎng)期穩(wěn)定的使用溫度為1050℃,瞬間耐溫高達(dá)1700℃。除此之外,石英纖維具有耐腐蝕性,高溫下強(qiáng)度保持率高、尺寸穩(wěn)定、抗熱震性好、化學(xué)穩(wěn)定性高,此外還具有卓越的電絕緣性能,它的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗系數(shù)在所有礦物纖維中是最優(yōu)秀的,而且制作成本比碳化硅纖維低許多。此,石英纖維在國(guó)防軍事和航空航天工業(yè)中具有重要用途,可用于制造航天熱防護(hù)系統(tǒng)。

       石英纖維分為連續(xù)石英玻璃纖維和石英玻璃棉。連續(xù)石英玻璃纖維是指石英玻璃被熔融后,由外力拉引而成的長(zhǎng)纖維。一般其單絲直徑在3-10μm,可以紡織加工成石英玻璃纖維紗、布等。石英玻璃棉是指采用高壓氣流噴吹石英玻璃熔融體而得到的一種長(zhǎng)短不均的石英玻璃纖維,其形態(tài)蓬松,類(lèi)似棉絮。一般纖維直徑小于3μm的稱(chēng)超細(xì)棉,直徑為3-5μm的稱(chēng)細(xì)棉。

    (3) 莫來(lái)石纖維。莫來(lái)石是氧化硅、氧化鋁二元體系中,唯一能夠在常溫常壓下穩(wěn)定存在的二元化合物,化學(xué)式為3Al2O3·2SiO2,其相圖如1所示。


    圖1 莫來(lái)石材料相圖

         莫來(lái)石纖維是一種多晶結(jié)構(gòu)的纖維,主晶相為莫來(lái)石微晶,作為氧化硅和氧化鋁二元體系中唯一的穩(wěn)定相,其活性低,再結(jié)晶能力較差,因此莫來(lái)石纖維具有較好的耐高溫性能,使用溫度可達(dá)到1500℃,但當(dāng)溫度高于1500℃時(shí),其晶粒也會(huì)長(zhǎng)大,使其喪失高溫力學(xué)性能,當(dāng)溫度達(dá)到1830℃左右時(shí),會(huì)迅速分解為氧化鋁和液相。莫來(lái)石纖維受熱時(shí)膨脹均勻,抗熱震穩(wěn)定性能極好,熱導(dǎo)率低,在高溫下不易發(fā)生蠕變,不僅能夠保持良好的彈性,收縮也比較小,且材料本身化學(xué)穩(wěn)定性好,不易受到腐蝕,因此作為新型超輕質(zhì)高溫耐熱纖維材料,被廣泛用于各種高溫產(chǎn)品及熱防護(hù)系統(tǒng)中。但是莫來(lái)石纖維的常溫力學(xué)性能不佳,成為制約該材料實(shí)用化的一大障礙。

    (4)氧化鋁纖維。氧化鋁纖維是一種多晶陶瓷纖維,具有長(zhǎng)纖、短纖、晶須等多種形式。它以Al2O3為主要成分,有時(shí)會(huì)含有一定量的添加劑,如二氧化硅、氮化硼、氧化鋯、氧化鐵、氧化鎂等。氧化鋁纖維直徑10-20μm,密度2.7-4.2g/cm3,具有較高的機(jī)械性能,抗拉強(qiáng)度1.4-2.45GPa,抗拉模量190-385GPa。

        其具有良好的耐化學(xué)腐蝕性、耐氧化、耐高溫性,并有高的化學(xué)穩(wěn)定性和較低的熱膨脹系數(shù),熔點(diǎn)2050℃,可以在1500℃高溫下長(zhǎng)期使用。

        化鋁短纖維主要用于高溫絕熱材料,長(zhǎng)纖維用于增強(qiáng)復(fù)合材料,晶須則具有較高的強(qiáng)度和一些特殊的磁學(xué)、電學(xué)、光學(xué)性能,應(yīng)用于功能材料之中。氧化鋁纖維表面活性好,與金屬、陶瓷等基體材料易于復(fù)合,加之較高的使用溫度,使得其在一般工業(yè)與高科技領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,可用于高溫窯爐、熱工設(shè)備、核反應(yīng)堆及航天飛機(jī)的保溫隔熱材料等。美國(guó)在“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)上將氧化鋁纖維當(dāng)做隔熱板襯墊使用,當(dāng)航天飛機(jī)在大氣層飛行時(shí),隔熱板襯墊可以防止熱量通過(guò)隔熱板之間的縫隙進(jìn)入防熱罩。氧化鋁纖維在軍工、航天航空上具有重要的戰(zhàn)略意義、巨大的商業(yè)價(jià)值,吸引了許多國(guó)家投入大量人力、物力和財(cái)力進(jìn)行研制開(kāi)發(fā)與利用。但氧化鋁纖維密度較大,熱導(dǎo)率較高,限制了它的進(jìn)一步應(yīng)用。 

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