氧化铝纤维又称多晶氧化铝纤维，通常以Al₂O₃为主要成分，通常还含有5%左右SiO₂及B₂O₃、ZrO₂、MgO等用以稳定晶相、抑制高温下晶粒长大的少量，其独特之处在于融合了晶体材料和纤维材料特性于一体，与碳纤维和金属纤维相比，可以在较高温度下保持很好的抗拉强度，长期使用温度在1450-1600℃，并具有优异的表面活性，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。此外，它还具有热导率小、热膨胀系数低等特点，在工业、军事、民用复合材料领域得到了广泛的应用。

不过由于制备方式、组分等存在一些差异，氧化铝纤维有着连续纤维、短切纤维等多种形态，不同形态的氧化铝纤维在应用上也有些差别。

3M™ Nextel™ 720 连续陶瓷氧化物纤维的粗纱形式（左）、3M™ Nextel™ 短切纤维 720（右）

氧化铝连续纤维的应用

由于具有脆性的氧化铝陶瓷材料在制为纤维后总体积极小，内部包含的可能导致脆性断裂的缺陷也随着减少，因此具有与金属材料相当的抗拉强度，在增强复合材料等方面展现出独特的应用价值。

氧化铝纤维在基体当中起到增强增韧作用的机制主要有三种：纤维拔出、纤维桥连、纤维断裂，即当陶瓷断裂时，断口处纤维材料的这些现象会消耗断裂过程中产生的力学载荷并使裂纹偏转，从而避免材料因发生脆性断裂而造成灾难性的破坏。连续纤维又叫长纤维，其直径在通常数微米到几十微米之间，具有较大的长径比。相比氧化铝短切纤维，连续纤维能够提供更长的传力路径和实现更好的各向同性，当裂纹达到纤维表面时，能使得载荷能够更有效地传递到复合材料中的其他区域，有效地分散局部应力集中，并防止材料中出现局部弱点，因此更适合充当复合材料的增强体。目前，氧化铝连续纤维在增强金属基体、陶瓷基体上都有成功应用。

连续纤维增强增韧机制

1、在金属基复合材料中的应用

凭借与金属基体较强的浸润性，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，不仅显著提高了金属基材料的力学性能、耐磨性、硬度，且膨胀系数也得到了降低。另外，由于陶瓷纤维增强金属基体复合材料使高性能组件量仅有钢或铸铁重的一半的同时，还具有同等或更好的强度和刚度，因此还可用于高负荷的机械零件和高温高速旋转零件以及对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

2、在陶瓷基复合材料中的应用：

先进陶瓷固有的脆性严重制约了其在高温结构材料领域的应用。将高强度的连续氧化铝纤维引入陶瓷材料中形成连续氧化铝纤维增韧陶瓷复合材料已成为提升陶瓷材料韧性最有效的途径之一。与高温合金相比，氧化铝连续纤维增强陶瓷复合材料密度下降约2/3，长时耐温能力提升100～200℃；与碳纤维、碳化硅纤维等增强的陶瓷复合材料相比，则具备固有的高温抗氧化和耐水汽腐蚀性能，无需环境障涂层即可在高温富氧、富含水汽的中等载荷工况下表现出显著的优势，在航空发动机、地面燃气轮机、民用工业等领域具有广阔的应用前景。

3、在聚合物基体中的应用：

连续氧化铝纤维与树脂基体结合良好，比玻璃纤维的弹性大，比碳纤维的压缩强度高，所以连续氧化铝树脂复合材料正逐步在一些领域得到广泛应用。特别是在文体用品方面，连续氧化铝纤维复合材料可制成色彩鲜艳的高强度钓鱼杆、高尔夫球、滑雪板、网球拍等。值得注意的是，使用氧化铝连续纤维制备的增强聚合物复合材料还具有透波性好、质量轻的特点，有望在电路板、电子器械、雷达罩和电池等工具或器件中得以应用。

氧化铝短切纤维的应用

理论上短纤维增强复合材料性质具有各向同性，但由于制备、成型加工过程当中更易受外力作用会产生择优取向，最终的产物性能具有一定的各向异性，因此在增强复合基体强度方面不如连续纤维，不过由于氧化铝短纤维是由微晶构成，具有突出的耐高温、热稳定性好及耐机械振动等优点，同时导热系数和容重分别只有传统耐火材料的1/10和1/15，用作高温绝热材料表现突出。

1、隔热炉衬材料

作为理想的节能增效耐火材料，氧化铝短纤维可制成板、毡、砖等，其性能不仅超出了常见的高温纺织品，如芳香族聚酰胺纤维、碳纤维、石英和玻璃纤维的限制，同时还具有抗氧化、化学惰性、轻质、柔性、耐火和高温下的电绝缘性能。因此，可用于工作温度高于1400℃的钢铁工业各种热处理炉、陶瓷烧成窑、石油化工中的裂解炉、燃烧炉等的隔热炉衬材料，尤其适用于蓝宝石长晶炉，可以减轻炉体质量的同时，提高控温精度，减少炉壁散热，保温性能好，蓄热量少，热惰性小，具有良好的热辐射能力和红外加热效应，比一般耐火砖或高温涂料节能效果显著。

氧化铝纤维隔热衬护材料

2、汽车三元催化衬垫

三元催化器，是安装在汽车排气系统中最重要的机外净化装置，它可将汽车尾气排出的CO、HC和NOx等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮气。由于汽车三元催化器内部在工作时具有高温气流冲击、不规则震动、酸性气体腐蚀和对催化剂载体保护要求高等问题，需要采用具有优异的高温稳定性、化学稳定性、密封性、机械强度以及隔音、隔热性能的衬垫，而由氧化铝短纤维制成的非膨胀性密封衬垫就是一种理想的衬垫材料。

由氧化铝短纤维制成的汽车三元催化剂衬垫（来源：东珩国纤新材料）

小结

凭借优良的性能，氧化铝纤维已经广泛用于金属、陶瓷增强，在航天航空、军工、高性能运动器材以及高温绝热材料等领域有重要应用。不过由于制备方式、组分等存在的差异，氧化铝连续纤维、短切纤维各有其应用侧重，连续纤维由于优异的抗拉强度和各向同性，主要应用于金属基、陶瓷基、聚合物基复合材料的增强，而短切纤维则更多用于隔热炉衬材料、三元催化剂衬垫材料等高温绝热材料中。

参考文章：

1、李雪松.氧化铝纤维的制备方法及研究进展[J].山东化工.

2、张健. 连续Al2O3纤维表面金属化改性及性能研究[D].河南工业大学.

3、郑周. 氧化铝纤维增强陶瓷基复合材料的制备及力学性能研究[D].国防科技大学.

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