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欸?氧化铝纤维作为耐火材料居然这么高端
2021年02月23日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:225
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提到氧化铝的好,完全可以说个三天三夜。它不仅有较高的熔点(2054℃),而且还有出色的机械强度、硬度、高电阻率和导热性能,因此常用于制造耐火材料、结构陶瓷、耐磨材料、抛光材料等。

但为了更广泛地应用氧化铝,科学家一直在不断探索它新的可能性,像“氧化铝纤维”就是一项具有代表性的成果。

氧化铝

氧化铝纤维及其SEM

一、关于氧化铝纤维

氧化铝纤维是一种高性能的无机纤维,虽然名字中没有体现,但其实它的成分并不限于Al2O3,有的还含有SiO2B2O3等金属氧化物成分,是一种相当高端的耐火材料。

作为当今世界最新型的超轻质高温耐火纤维之一,氧化铝纤维不仅可以在更高温度下保持很好的抗拉强度,长期使用温度在1450-1600℃;而且表面活性好,易与树脂、金属、陶瓷基体复合,形成诸多性能优异、应用广泛的复合材料。同时它还具有热导率小、热膨胀系数低等优点,在“防火隔热”这一块也很有一手,目前已被广泛应用于航空航天、核电核能、军工以及汽车工业等领域。因此也难怪业界为什么会把它认为是最具有潜力的高温材料之一了!

氧化铝纤维

想烧起来都不容易

二、氧化铝纤维的生产工艺

氧化铝纤维虽好,但能够产业化生产的公司却寥寥无几,究其原因就是生产难度确实有点高。上海榕融新材料科技有限公司就曾在访谈中提到,其生产工艺需要横跨高分子胶体、矿物质干法纺丝、分子链构、高温烧结晶相化等多学科,而且各生产环节都是非标设备,因此量产工艺设备的研发难度很大。

目前,氧化铝纤维的制备方法主要有溶胶-凝胶法、浸渍法、熔融抽丝法、游浆法等。其原料大多为较易得到的金属氧化物粉末、无机盐、有机聚合物等,可通过直接从水溶液、溶胶或者其他一些溶剂中纺丝制成,也可以以黏胶丝为载体来制备。

1.溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是将原料分散在溶剂中,然后经过水解反应生成活性单体,活性单体进行聚合,开始成为溶胶,进而生成具有一定空间结构的凝胶,经过干燥和热处理制备出纳米粒子和所需要材料。利用溶胶-凝胶法制备氧化铝纤维主要包括三个步骤,即可纺性溶胶的制备、成纤以及热处理。其原理是将可溶性铝、硅制成具有一定粘度的胶体溶液,用常规方法对液体甩丝,再经高温热处理完成晶相转变,制得多晶氧化铝纤维。

这种工艺的优点是制品的均匀度高、纯度高、烧结温度低,制备的氧化铝纤维直径小、拉伸强度有较大提高。缺点是原料多为有机醇盐,价格比较昂贵且对人类身体健康有害,而且整个制备过程所需时间较长。

2.浸渍法

将浸渍法应用于纤维的制造时,可采用无机盐溶液浸渍基体纤维,亲水性能良好的有机粘胶纤维作为浸渍基体纤维,无机铝盐水溶液作为浸渍液。混合后基体大量吸附浸渍液,使无机铝盐以分子状态分散于基体纤维中,随后进行热处理,使有机纤维素全部分解,同时吸附的无机盐完成脱水、热解、裂解并分解成为氧化铝,从而在原有机纤维处形成氧化铝纤维,在更高温度下完成晶型转化和纤维的致密化。

这种工艺的优点是可以先将基体纤维编织再浸渍、烧结,从而得到形状复杂且强度较高的连续氧化铝纤维。缺点是成本较高且纤维质量较差,产率低,不适宜大规模生产。

3.熔融抽丝法

熔融抽丝法是1971年美国TYCO研究所研发出的一种制备氧化铝纤维的新方法。熔融抽丝法即在高温下向氧化铝熔体中插入钼制细管,利用毛细现象,熔融液刚好升到毛细管的顶端,然后由顶端缓慢向上拉伸就得到连续α-Al2O3纤维。   

这种工艺的优点是既可制备连续纤维,也可制备短纤维,纤维直径范围一般在20-150μm之间,长度在3-25mm之间,且设备相对简单、成本低、工艺易控,成纤后不需要进一步的热处理。缺点是由于随着氧化铝含量的逐渐升高,熔体的可纺性逐渐变差并难以控制,目前只能用于低氧化铝含量纤维的制备,品质相对较低;而且成本较高,生产效率较低。

三、氧化铝纤维的应用 

虽然担着“高端耐火材料”的名头,但氧化铝纤维的应用并不仅限于耐火材料领域。目前氧化铝短纤维一般用于高温热材料,长纤维则用于增强复合材料,它们可编织成无纺布、编织带、绳索等各种形状的纤维制品,被广泛应用于治金、机械、电子、陶瓷、化工、航天等高温工业窑炉及其他热工设备的内衬热,帮助节能增产,延长炉体寿命,改善工作环境。

氧化铝纤维

氧化铝纤维制品

1.耐高温热材料 

由于传统的耐火隔热材料渐渐无法满足民用、军用、航空航天等特种装备对耐火隔热材料的要求,因此具有质量轻、耐高温、热膨胀系数小、抗热震性能好、使用寿命长等优点的氧化铝陶瓷纤维开始替代传统的耐火隔热材料发挥作用。

氧化铝陶瓷纤维的导热系数只相当于传统耐火材料的10%,因此可广泛应用于机械、冶金、化工、航空航天等高温工业设备中,比如说美航天飞机已采用硼硅酸铝纤维来制造隔热瓦和柔性隔热材料。美“哥伦比亚”号航天飞机隔热板衬垫用的是safill氧化铝纤维,当航天飞机由太空返回大气层时,由于safill氧化铝纤维能经受1600℃的高温,这种衬垫会防止热通过隔热板之间的间隙进入防热罩内。 

同时氧化铝陶瓷纤维还具有优良的红外加热效果及热辐射能力,可用作陶瓷烧成窑、石化裂解炉、燃烧炉等高温炉的内衬材料,汽车三元催化器内部在工作时具有高温气流、不规则震动、酸性气体和对催化剂载体保护要求高等问题,由氧化铝陶瓷纤维制成的非膨胀性密封衬垫可以很好的解决这一问题。

氧化铝纤维隔热衬护材料

2.增强复合材料 

由于氧化铝纤维与金属基体的浸润性好,界面反应较小,其复合材料的力学性能、耐磨性、硬度均有提高,热膨胀系数降低。目前,氧化铝纤维增强的金属基复合材料已在汽车活塞槽部件中得到应用。另外,氧化铝纤维增强金属基复合材料还可用于高负荷的机械零件和高温高速旋转零件以及由于轻量化而要求的高功能构件,如汽车连杆、传动轴、刹车等零件及直升飞机的传动装置等。

纤维增强发动机活塞及纤维增强气门嘴帽

另外,氧化铝连续纤维可提高陶瓷的韧性和强度,当裂纹接近或达到纤维表面时,纤维基体界面的阻尼作用,可控制裂纹扩展,使裂纹从它原来的方向发生偏转、分枝,从而消耗裂纹前端的能量,达到增韧强化陶瓷材料的目的。

3.耐化学腐蚀材料 

氧化铝纤维由于其良好的耐化学腐蚀性能 可用于环保和再循环技术域,如焚烧电子废料的设备——据调查,在历经多年运转后氧化铝纤维仍显示出其优良的抗炉内各种有害物的腐蚀性能。另外氧化铝纤维还可用于汽车废气设备上作陶瓷整体衬,最大的特点是结构稳定。

资料来源:

[1]邢芳. 微米级氧化铝纤维的制备与表征[D]. 华东师范大学, 2014.

[2]田敏. 氧化铝纤维的胶体法制备与表征[D]. 山东大学, 2012.

[3]王佳, 王守业, 王刚,等. 氧化铝溶胶浸渍法制备氧化铝纤维的工艺研究[J]. 耐火材料, 2017(1):50-52.

粉体圈NANA整理


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