陶瓷纤维具有耐高温、热稳定性好、热导率低、热容小和耐机械震动等优点，将陶瓷纤维应用于连续加热的高温炉，可实现炉体结构轻型化、大型化，有效节约能源，是理想的节能增效材料。此外陶瓷纤维还具有绝缘、消音、抗氧化、耐油和耐水性能，施工方便，因此在冶金、建材、石油、化工、船舶、电力、航天等领域应用广泛。

图1 氧化锆纤维和氧化锆纤维扫描图[3]

根据纤维的微观结构形态，陶瓷纤维可以分为非晶质纤维和晶质纤维。非晶质类陶瓷纤维主要是由玻璃态物质构成，而晶质陶瓷纤维一般为多晶态微观结构。人们最早开始关注的是氧化铝纤维和莫来石纤维，后来发现氧化锆纤维具有比硅铝质陶瓷纤维更为优越的性能熔点高（2600℃）、抗氧化、耐腐蚀、热传导率低，在大气中，2500℃时仍保持完整的纤维形态，因此，氧化锆纤维及制品也被认为是极好的陶瓷纤维材料，用途广泛。

1. 氧化锆的基本性质及晶型转变

氧化锆（ZrO₂）是高熔点的金属氧化物，相对分子量为123.22，具有很高的熔点（2650℃）和化学惰性，氧化锆不溶于水、硫酸、盐酸和硝酸，加热时微溶于氢氟酸和浓硫酸。因此可以用作为耐火材料。

纯氧化锆有三种同质异形体：单斜相氧化锆（m-ZrO₂）、四方相氧化锆（t-ZrO₂）、立方相氧化锆（c-ZrO₂）。三种晶型的氧化锆密度分别为5.65g/cm³，6.10g/cm³和6.27g/cm³。这三种晶型在一定条件下，可以发生相互转变。四方相ZrO₂与单斜相ZrO₂之间的相变称为马氏体相变，相变过程中发生的体积变化使得氧化锆具有增韧效果。氧化锆的三种晶型及转变如下所示：

图2 氧化锆的三种晶型及转变[3]

2. 氧化锆纤维的制备

氧化锆纤维具有非常优良的耐高温性能，世界各国都对氧化锆纤维的研究与开发给予了极大的热情，并研究出各种制备方法。但是由于氧化锆的高熔点和熔体的低粘度特性，不能采用像硅酸铝及高铝陶瓷纤维那样的熔融制丝法，而只能采用前驱体法来制造，主要有载体法、无机盐法和溶胶凝胶法。

（一）载体法

载体法是将含锆的无机盐（如硝酸锆、氧氯化锆）水溶液通过浸渍进入人造丝等有机纤维或炭纤维等无机纤维之后，将这种“荷重前驱体纤维”置于特定的气氛中进行热解，待至碳化氢、碳部分分解后再进行热处理（烧成），使载体纤维充分氧化，锆盐转化成氧化锆，最终获得保持原纤维微观结构的氧化锆纤维。

图3 载体法制备氧化锆纤维工艺流程图[1]

（二）无机盐法

无机盐法是以水溶性锆盐为原料，加入一定量的水溶性高分子有机物制成混合液，过滤后加入稳定剂，加热浓缩到适当的粘度（100-350Pa），在特定的湿度和温度条件下纤维化，纤维化可采用喷丝、拉丝和旋转甩丝等方法，原纤维在一定温度下干燥烧成后得到氧化锆纤维。

图4 无机盐法制备氧化锆纤维工艺流程图[1]

（三）溶胶凝胶法

该法是以醋酸锆（Zr(CH₃COO)₂）或锆的醇盐（如Zr(OCH₅)₄等）为原料，通过加水分解、蒸发、缩聚等制成一定粘度的氧化锆溶胶纺丝液，采用与无机盐法相同的纤维化方法制成凝胶纤维，干燥、热处理制成氧化锆纤维。

这种方法使一种比较可行的制备连续氧化锆纤维的方法，但是设备要求高，拉丝过程控制比较困难，生产成本高。

3. 氧化锆纤维的性能

（一）氧化锆纤维的物理性能

表1 氧化锆纤维的物理性能[1]

（二）氧化锆纤维的高温性能

氧化锆纤维具有很好的高温性能，在温度高达2480℃时仍可保持其纤维形态，1400℃左右仍具有可绕性。氧化锆纤维使用温度可达氧化铝的熔点以上，最高可达2200℃，氧化锆纤维材料不仅适用于氧化气氛，而且可在还原气氛和真空下使用。氧化锆纤维与其它陶瓷纤维（隔热用）的高温性能比较见表2。

表2氧化锆纤维与其它陶瓷纤维的高温性能比较[1]

（三）氧化锆纤维的隔热性能

氧化锆是公认具有最低导热系数的陶瓷材料之一，氧化锆纤维的导热性如同大多数陶瓷纤维一样，主要取决其松散性，氧化锆纤维的低密度提供了最有效的隔热性能。几种不同陶瓷纤维的导热系数见表3。

表3 几种不同陶瓷纤维的导热系数[1]

4. 氧化锆纤维的制品

（一）氧化锆纤维毡

氧化锆纤维毡是用有机短纤维经针刺制成有机纤维毡为前驱体，浸渍锆盐溶液，经热处理而得到的具有原有机纤维毡形貌的氧化锆纤维毡。氧化锆纤维毡主要用于晶体生长炉的隔热，在晶体生长炉中的使用温度高达1920℃，仍保持纤维毡形态，起到了极好的隔热作用。

图5 氧化锆纤维毡

（二）刚性氧化锆纤维制品

刚性氧化锆纤维制品是用氧化锆纤维为原料，经短切并加入低温、高温结合剂制成水性悬浮液，最后经成型烧成而成。制品有氧化锆纤维板、筒、罩、异型制品等，可机械加工。其制备工艺流程如下：

刚性氧化锆纤维制品可用作航天器的前锥体、喷气飞机、导弹等的绝热材料和烧蚀材料，还可用于原子能、磁流体、热离子、感应炉、微波烧结等。

图6 氧化锆纤维板

（三）氧化锆纤维纸

氧化锆纤维纸是用氧化锆纤维经分散，加入粘接剂，必要时可加入其他纤维或晶须，经抄纸工艺而制成。氧化锆纤维纸主要用于碱性电池的隔膜，这是因为氧化锆纤维具有优异的耐腐蚀性能和耐高温性能。使用氧化锆纤维纸作碱性电池隔膜比常用的石棉纸、玻纤纸及尼龙隔膜性能优越，寿命长。

图7 氧化锆纤维纸

（四）氧化锆纤维布

氧化锆纤维布是用特种有机纤维，经设计编织成具有特殊结构的有机纤维布做前驱体，浸渍稳定化的错盐溶液，经过与制备氧化锆纤维相同的工艺，最后在特定气氛及热处理工艺条件下锻烧而成。它具有普通布的外观特点，平整、柔软，具有一定的强度。

图8 氧化锆纤维布

参考文献

[1] 胡利明. 氧化锆纤维布的研究[D]. 武汉理工大学, 2002.

[2] 何顺爱. 氧化锆纤维和制品的制备及烧结研究[D]. 中国建筑材料科学研究总院, 2008.

[3] 刘贵双. 氧化锆纤维及纤维板的制备与性能研究[D]. 南京理工大学, 2012.

作者：L-things