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      蓬勃發展的陶瓷纖維材料

      2019-8-10    來源:    作者:佚名  瀏覽次數:4306

      陶瓷纖維具有重量輕、耐高溫、導熱率低、比熱容小及耐機械振動等優點,廣泛應用于機械、石油化工、電子及輕工業領域。早些年,陶瓷纖維僅指硅酸鋁纖維系列的輕質纖維耐火材料。如今,陶瓷纖維的概念被拓展,一類仍是以傳統隔熱材料為主的硅酸鋁纖維、氧化鋁纖維;而另一類是作為纖維增強相,應用于各類復合材料中,包括氧化鋁纖維、氧化鋯纖維、碳化硅纖維等。本文將介紹兩類陶瓷纖維的代表,并談一談近年來陶瓷纖維出現的新興應用方向,與讀者一同認識蓬勃發展的陶瓷纖維。

      隔熱材料

      隔熱材料又稱熱絕緣材料,一般指當溫度低于623K時,導熱系數不大于0.14W/(m·K)的材料。隔熱材料的使用,有效減少了不必要的熱量損失,從而達到節能的目的,并能提高生產過程的安全性。隔熱材料的應用場景對材料性能的要求主要包括質輕、耐腐蝕、耐高溫、熱導率低幾個方面。

      硅酸鋁纖維是應用最為悠久的陶瓷纖維隔熱材料,其組成為主要為氧化硅和氧化鋁(常用配比為1比1-1.2之間)。其中,氧化鋁含量越高,耐熱性越好,一般能耐1000-1300℃的高溫。同時研究表明,在加入氧化鋯、三氧化二鉻之后,耐高溫能力可以提高到1300℃以上。除了高溫熱穩定性優點以外,硅酸鋁纖維還具有質輕、熱導率低(常溫下0.035W/(m·K))的優點。

      硅酸鋁陶瓷纖維發展成熟,其制品形式已經十分豐富,包括硅酸鋁纖維繩、纖維紙、纖維板、纖維砧等。

      在鋼鐵為代表金屬冶煉領域,陶瓷纖維作為爐襯材料使用,節能幅度達到20%;同時,輕質的陶瓷纖維能有效降低工業路和鋼結構的自重,分別可以降低大約90%和70%。在航空航天領域,由美國金剛砂公司開發的高純硅酸鋁纖維紙,可用于飛行器的熱屏蔽層、端頭帽燒蝕防護層、點火裝置內襯、火箭發動機部件的隔熱層等方面。

      復合材料增強相

      隔熱耐火材料是陶瓷纖維最基礎的應用方向,隨著科技發展,纖維陶瓷的優異性能使其應用領域不斷拓展。其中,陶瓷纖維增強的復合材料已經成為各國高科技競爭的關鍵領域之一。常見的復合材料用陶瓷纖維增強相主要包括氧化鋁纖維、碳化硅纖維、碳化硼纖維。

      在幾種常見的陶瓷纖維增強相中,隨著國產大飛機C191的成功首飛,碳化硅纖維在近些年最為大放異彩。

      C919發動機上采用的是第二代連續碳化硅纖維,其性能優異,符合航空航天用材料“輕質高強”的特點,并具有極高的化學穩定性。在耐高溫性能方面,第二代連續碳化硅纖維可在1200℃以上高溫氧化性氣氛中使用,相比用于發動機材料的高溫合金,其工作溫度提高200℃以上,結構減重30%以上,耐熱性和耐氧化性均優于碳纖維;強度方面,抗拉強度達到1960~4410MPa,在最高使用溫度下強度保持率在80%以上,模量為176.4~294GPa。

      2017年底,寧波眾興新材料有限公司首次實現連續碳化硅陶瓷纖維生產線的量產。

      碳化硅纖維除了其耐高溫、輕質高強特性外,還具有優良的吸波性能,可用作隱身材料。在美國洛克希德公司的隱身戰機F-22的4個直角尾翼、法國“幻影2000”戰斗機的M53發動機、法國Alcore公司的無人駕駛遙控隱身飛機“豺狼”上,碳化硅纖維作為三維異形編織物的形式存在。



      不過,除了以上介紹兩大類用途,陶瓷纖維憑借其獨特的性能,應用場景仍在不斷被挖掘。

      近些年,對于鋰電池陶瓷涂覆隔膜的研究與應用方興未艾。傳統的陶瓷涂覆隔膜多采用顆粒涂覆的方式,但是顆粒狀的陶瓷顆粒容易堵塞隔膜孔隙,這將會導致電池內阻升高,影響循環性能;此外,陶瓷顆粒涂層比表面積大,易吸水,對鋰電池生產工藝環境要求高。

      除了鋰電池隔膜領域,在發動機渦輪葉片精密鑄造中,研究人員發現氧化鋁陶瓷型芯的彎曲強度不足,在高溫熱應力作用下易于發生脆性斷裂。針對這個問題,研究人員嘗試在氧化鋁基體中加入氧化鋁纖維和氧化鋯纖維,試驗表明,加強后的陶瓷型芯脆斷問題被解決,并且在1550℃最終燒結后,型芯的收縮率可以降到1.49%。這說明,氧化鋁纖維和氧化鋯纖維的加入,有效解決了原來陶瓷型芯的強度問題,并減小了型芯的收縮率,對于最終成形渦輪葉片的精度將有很大提升。

      小結

      隨著科技的進步,陶瓷纖維的概念被拓展,各類新型陶瓷纖維不斷涌現,并已經應用于各類基體的復合材料中。過去,新型陶瓷纖維由于制備難度大、成本高昂等原因,僅局限于各國競相研發的航空航天領域。未來,隨著各種新型陶瓷纖維的量產,我們也可以看到更多陶瓷纖維會出現在諸如鋰電池、紡織物、鑄造等領域。

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