陶瓷纤维的分类及用途知识

陶瓷纤维多孔隔热材料，只需要很少的材料(纤维)就可以形成一个稳定的结构，相比于陶瓷孔隙隔热材料，陶瓷纤维隔热材料具有轻质、多孔、热导率低、比热容大的特性，并且可以承受很强的载荷。这种材料已经被应用在过滤分离、隔热、生物医学、复合材料等多个领域。以陶瓷纤维材料制备的隔热材料为代表的可重复使用的热防护结构，广泛应用于国内外各类先进飞行器的热防护系统中，具有重要的应用价值和发展前景。

陶瓷纤维可分为二大类：非氧化物陶瓷纤维(如SiC纤维、C纤维)和氧化物(含复合氧化物)陶瓷纤维(如硅酸铝纤维、Al2O3纤维)。

一、非氧化物陶瓷纤维

(1)碳化硅纤维。碳化硅(SiC)俗称金刚砂、碳硅石，是一种以共价键结合的人工合成化合物。可用化学气相沉积法、碳热还原法、粉末烧结法以及先驱体转化法制备。纯碳化硅是无色透明，工业中使用的碳化硅常常因为含有游离铁、硅、碳等杂质而呈浅绿色或黑色。

由于碳化硅具有良好的高温特性，如抗氧化性、高温强度高及稳定性、热传导性好、密度小、膨胀系数低、蠕变性小等特点，可将其用作高温燃气轮机的燃烧室、高温喷嘴、涡轮的静叶片等。由于碳化硅的高热导性、绝缘性能好等特点，可将其作为冶金工业窑炉中的高温热交换器，以及大规模集成电路的基片和封装材料等。利用其高硬度、耐磨损、耐酸碱腐蚀的性能，可在机械、化学等工业中制备机械密封材料，如滑动轴承、阀片、风机叶片和耐腐蚀的管道等。

碳化硅除了具有良好的物理性能以外，还具有优良的化学性能。在非氧气气氛下，℃时碳化硅表面气相中仅含硅5%.但当碳化硅暴露在氧气中达到℃时，表面就开始氧化，但碳化硅可以生成SiO2保护膜，阻止氧化反应继续进行。

(2)碳纤维。碳纤维是指纤维状的碳材料，由有机纤维在惰性气体中加热到℃以上，形成的碳含量占90%以上的纤维状碳材料。碳纤维是一种新型无机材料，它的密度为1.5-2g/cm3，是钢密度的1/4、铝合金密度的1/2，强度却比钢大4、5倍。其热膨胀系数小，抗热震性好，从几千摄氏度的高温突然降到常温也不会炸裂，同时具有良好的润滑性及导电性。碳纤维的化学性质与碳相似，对一般碱性是惰性的，并且在液氮温度下也不会脆化。在非氧环境下，即使℃的高温也不熔化，但在空气气氛下，温度高于℃时就会出现明显的氧化现象，生成CO与CO2。因此碳纤维可以大幅度减轻构件结构重量，提高技术性能，使得其大范围的应用在航空航天飞行器上。

依据所采用的原料不同，可将碳纤维可分为聚丙烯腈基碳纤维，沥青基碳纤维和纤维素基碳纤维、酚醛基碳纤维四种。应用较普遍的碳纤维主要是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。

二、氧化物陶瓷纤维

(1)硅酸铝纤维。硅酸铝纤维形状和颜色同棉花相似，是一种非晶体陶瓷纤维，主要由氧化铝和二氧化硅组成，有时还含有少量的氧化铁、二氧化钛、氧化钙等物质。根据组成物质及含量的不同，可分为四类：标准(普通)硅酸铝纤维、高纯硅酸铝纤维、高纯含铝硅酸铝纤维和高纯含锆硅酸铝纤维，其各组分含量如表1-2所示。

表1四类硅酸铝纤维的分类及化学组成

硅酸铝纤维直径1-10μm，长度为5-25cm，耐温性、隔热性、吸音性均较好，并且蓄热小、导热系数低、抗机械振动能力强，使用温度可达℃，密度却仅为0.-0.g/cm3。在其中加入CrO2后，由于CrO2阻止了纤维间接触部位的晶体析出和长大，可以提高纤维抗高温收缩性能，并使使用温度达到1℃。硅酸铝纤维复合材料可以制成毯、毡、纸、板等形状，目前已广泛应用于化工、机械等热能设备的保温及火箭发动机部件的隔热层等。

(2)石英纤维。石英纤维是指杂志含量低于0.1%，纤维直径在0.7-15μm的高纯度特种二氧化硅玻璃纤维。其具有很高的耐热性，长期稳定的使用温度为℃，瞬间耐温高达℃。除此之外，石英纤维具有耐腐蚀性，高温下强度保持率高、尺寸稳定、抗热震性好、化学稳定性高，此外还具有卓越的电绝缘性能，它的介电常数和介质损耗系数在所有矿物纤维中是最优秀的，而且制作成本比碳化硅纤维低许多。此，石英纤维在国防军事和航空航天工业中具有重要用途，可用于制造航天热防护系统。

石英纤维分为连续石英玻璃纤维和石英玻璃棉。连续石英玻璃纤维是指石英玻璃被熔融后，由外力拉引而成的长纤维。一般其单丝直径在3-10μm，可以纺织加工成石英玻璃纤维纱、布等。石英玻璃棉是指采用高压气流喷吹石英玻璃熔融体而得到的一种长短不均的石英玻璃纤维，其形态蓬松，类似棉絮。一般纤维直径小于3μm的称超细棉，直径为3-5μm的称细棉。

(3)莫来石纤维。莫来石是氧化硅、氧化铝二元体系中，唯一能够在常温常压下稳定存在的二元化合物，化学式为3Al2O3·2SiO2，其相图如1所示。

图1莫来石材料相图

莫来石纤维是一种多晶结构的纤维，主晶相为莫来石微晶，作为氧化硅和氧化铝二元体系中唯一的稳定相，其活性低，再结晶能力较差，因此莫来石纤维具有较好的耐高温性能，使用温度可达到℃，但当温度高于℃时，其晶粒也会长大，使其丧失高温力学性能，当温度达到℃左右时，会迅速分解为氧化铝和液相。莫来石纤维受热时膨胀均匀，抗热震稳定性能极好，热导率低，在高温下不易发生蠕变，不仅能够保持良好的弹性，收缩也比较小，且材料本身化学稳定性好，不易受到腐蚀，因此作为新型超轻质高温耐热纤维材料，被广泛用于各种高温产品及热防护系统中。但是莫来石纤维的常温力学性能不佳，成为制约该材料实用化的一大障碍。

(4)氧化铝纤维。氧化铝纤维是一种多晶陶瓷纤维，具有长纤、短纤、晶须等多种形式。它以Al2O3为主要成分，有时会含有一定量的添加剂，如二氧化硅、氮化硼、氧化锆、氧化铁、氧化镁等。氧化铝纤维直径10-20μm，密度2.7-4.2g/cm3，具有较高的机械性能，抗拉强度1.4-2.45GPa，抗拉模量-GPa。

其具有良好的耐化学腐蚀性、耐氧化、耐高温性，并有高的化学稳定性和较低的热膨胀系数，熔点℃，可以在℃高温下长期使用。

化铝短纤维主要用于高温绝热材料，长纤维用于增强复合材料，晶须则具有较高的强度和一些特殊的磁学、电学、光学性能，应用于功能材料之中。氧化铝纤维表面活性好，与金属、陶瓷等基体材料易于复合，加之较高的使用温度，使得其在一般工业与高科技领域得到了越来越广泛的应用，可用于高温窑炉、热工设备、核反应堆及航天飞机的保温隔热材料等。美国在“哥伦比亚”号航天飞机上将氧化铝纤维当做隔热板衬垫使用，当航天飞机在大气层飞行时，隔热板衬垫可以防止热量通过隔热板之间的缝隙进入防热罩。氧化铝纤维在军工、航天航空上具有重要的战略意义、巨大的商业价值，吸引了许多国家投入大量人力、物力和财力进行研制开发与利用。但氧化铝纤维密度较大，热导率较高，限制了它的进一步应用。

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