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科普 | 陶瓷纖維

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科普 | 陶瓷纖維

發布日期:2020-07-03 作者:中國複合材料學會 點擊:

無機纖維傳統定義是以礦物質為原料製成的化學纖維。新型高性能無機纖維的開發是基於解決陶瓷材料的工程化應用-脆性,即作為陶瓷基體的增強體,從而形成陶瓷基複合材料,因其具有耐高溫、熱穩定性好、抗氧化、耐腐蝕、隔熱性能好等特性,在航空航天、冶金和石油化工、交通運輸等行業得到廣泛的應用。

應用前瞻

新型無機纖維用於陶瓷增強體所製備的陶瓷基複合材料,在航空航天、交通運輸、核聚變領域有廣泛的應用前景。

航空航天:

高推重比的航空發動機熱端部件。

核聚變領域:

核聚變堆候選材料,如包層的第一壁、偏濾器以及流道插件等部件上。

交通運輸:

汽車活塞部件和旋轉氣體壓縮機葉片。

工業高溫爐窯:

工作溫度高於1400℃的鋼鐵工業各種熱處理爐,陶瓷燒成窯,石油化工中的裂解爐、燃燒爐等的隔熱爐襯材料。

氧化鋁纖維

目前,研究和應用最廣泛的氧化物陶瓷纖維是氧化鋁基纖維,以Al2O3為主要成分,並含有少量的SiO2、B2O3、ZrO2、MgO等成分。它們不僅具有較高的強度(3M公司的Nextel-610 Al2O3纖維強度達3.0~3.5GPa),而且還有低熱導率和抗腐蝕等一係列特點。這類纖維具有優良的高溫抗氧化性能,可以應用在1400℃以上的高溫場合。

最新研發進展評述

Al2O3纖維的製備方法主要有熔融法、溶膠凝膠法、浸漬法、靜電紡絲法、淤漿法、卜內門法、住友法等。Al2O3纖維(尤其是Al2O3質量分數在95%以上)由於製備技術難度大且門檻高,具有較強的持久競爭力,各國都在獨立研究開發,並采取了嚴格的技術保密及封鎖措施。目前,國外進行新的溶膠-凝膠原料的開發方麵的研究,主要是朝著有利於環境保護、降低生產成本和提高纖維先驅體的可加工性能方向發展。國內仍然投入生產的Al2O3纖維為短纖維,工業生產以熔融紡絲技術為主,對化學溶膠-凝膠工藝和幹法紡絲技術的研究處於起步探索階段。Al2O3纖維性能主要受以下因素影響,如膠體的組成和性質、成纖的工藝條件以及燒結工藝等。如何通過組成及工藝參數的優化製備高強度、高隔熱性能的纖維,是Al2O3纖維製備過程中麵臨的主要問題。

國內外對比分析

早在20世紀70年代,美國、英國和日本等發達國家投入大量資金研製開發多晶Al2O3纖維。國內於20世紀90年代開始Al2O3纖維的研究和開發,最早中試成功的是浙江歐詩漫晶體纖維有限公司,建成了國內第一套氧化鋁纖維連續生產裝置,掌握了72%,80%,95%等不同質量分數的 Al2O3短纖維工業化生產技術。三門峽市盛源材料工程有限公司擁有質量分數95%多晶Al2O3氧化鋁纖維生產工藝。蘇州德鑫陶瓷新材料有限公司先後從美國B&W公司、FERRO公司、法國穆拉等公司引進陶瓷纖維全套生產線、應用技術和裝備。河南焦作沁陽市景明保溫材料廠、浙江德清藍雅晶體纖維有限公司、浙江晶爐耐火材料有限公司均開發多晶Al2O3纖維。

非氧化物陶瓷纖維

非氧化物陶瓷纖維最具有代表性的是SiC纖維,在SiC纖維的基礎上,又開發了SiCN、SiBCN、SiCZr、SiCAl等高性能陶瓷纖維。它們兼具高性能與結構優勢,高性能體現在耐高溫和抗蠕變兩方麵、結構優勢是指這類纖維可用作金屬基複合材料和陶瓷基複合材料的增強相。本節主要以SiC纖維為代表描述非氧化物陶瓷纖維的研究概況。

最新研發進展評述

自20世紀70年代日本東北大學Yajima提出用聚碳矽烷轉化法製備SiC陶瓷纖維以來,前驅體聚合物轉化法成為製備陶瓷纖維最有效和最有潛力的方法。為了提高SiC纖維的耐熱溫度,日本相繼開發了三代SiC纖維,第三代SiC纖維是對聚碳矽烷改性,添加Al作為燒結助劑,製備Si-C-Al-O陶瓷纖維(簡稱SA纖維),SA纖維的耐溫性高於1800℃,它在氬氣條件下可以在高達2000℃仍具有2.5GPa的強度,2200℃以上測試顯示質量損失僅有1.8%。另外,BN纖維和Si3N4纖維因其具有高強度、低介電常數、低介電損耗等特點,屬於高溫功能性纖維,被認為在透波領域具有重要的應用前景。結合SiC纖維、BN纖維和Si3N4纖維的各自優勢,新一代SiBNC陶瓷纖維兼具有BN纖維和Si3N4纖維的優點,同時具有較高的力學性能和耐高溫性能,而且通過調控C元素含量,還可改善其透波性能,在航空航天等高科技領域有重要的應用前景。因此,國際上掀起高溫SiBNC陶瓷纖維製備技術研究的熱潮,普遍認為此特種高溫纖維是至今為止綜合性能最為優良的陶瓷纖維之一。據報道,SiBCN陶瓷纖維僅有德國Fraunhofer ISC在2006年達到工業級別。

在近二十年,我國蘇州賽力菲陶纖有限公司、國防科技大學、廈門大學、山西煤化所、東華大學等單位也相繼開展了SiC及其係列纖維、BN纖維和Si3N4的研究工作,主要采用前驅體聚合物轉化法製備合適的聚合物,再經過熔融紡絲技術路線,得到不同結構和性能的非氧化物陶瓷纖維。我國廈門大學和國防科技大學在SiC纖維的研究上取得顯著的成果,已獲得商品化的第一代及第二代SiC纖維,第二代SiC纖維產能及質量穩定性方麵還有待改進,其它新型的非氧化物陶瓷纖維均在實驗室基礎研究階段。總之,SiC基陶瓷纖維將向著高性能化(主要指力學性能和耐溫性能)、多功能化、低成本化的方向繼續發展,以滿足應用所需。

國內外對比分析

SiC陶瓷纖維的發展主要集中在日本、美國和德國,日本處於領先地位,日本碳素公司Nicalon TM係列和宇部公司Tyranno TM係列SiC纖維產品都已經實現商品化,為了提高SiC纖維的耐熱溫度,日本開發了第三代SiC纖維(接近化學計量比的SiC纖維):Hi-Nicalon-S和Tyranno-SA。Hi-Nicalon-S燃氣下長時使用溫度為1400℃,Tyranno-SA在惰性氣氛下使用溫度可達1800℃。美國Dow Corning公司研製的Sylramic TM陶瓷纖維(Si-C-B-N-Ti),在燒結中可以原位生成BN界麵層,耐高溫性能優於Nicalon和Tyranno係列纖維。德國Bayer公司研製的Siboramic陶瓷纖維(SiBN3C),最顯著的特點是其具有無定形結構,在1800℃下保持數十小時(例如50h)不結晶;在高溫氧化性氣氛中纖維最外層形成Si-O玻璃,次外層形成Si-B-N玻璃,阻礙氧的進一步擴散,因此Siboramic具有比其他幾種SiC纖維更優異的抗氧化性,最高使用溫度在1600℃以上。

我國從20 世紀80 年代開始SiC纖維的研究。蘇州賽力菲陶纖有限公司是我國首家成功實現連續SiC纖維產業化生產的企業。目前,蘇州賽力菲陶纖有限公司連續SiC纖維的長度為500 m,束絲根數1K,纖維強度達到2.3 GPa,直徑13μm,模量160 GPa以上,各指標離散係數小於10%;公司在近幾年內完成了2代SiC纖維的工程化製備開發,第一代SiC纖維(SLF-I)含氧量在15%~20%之間,第二代SiC纖維(SLF-II)含氧量在7%~12%之間,且目前已達到年產1噸連續SiC纖維的生產規模。國防科技大學在國內率先開展了含鋁SiC纖維製備研究,目前正在向工程化製造技術轉化;廈門大學用兩年時間突破了低氧含量SiC纖維的製備關鍵技術,實驗室製備的定長SiC纖維性能接近日本工業化產品水平。2004年廈門大學開始進行高性能SiC纖維可工程化技術與製造設備的研究,正在建設具有國際先進水平的可工程化的連續纖維製備設備與技術平台。

隨著SiC纖維力學性能和耐溫性能的不斷提高,在尖端領域應用的範圍必將逐步擴大。而國外SiC纖維的應用技術還處於技術封鎖狀態。我國目前已有性能接近國際第一代SiC纖維的產品,連續化和性能穩定性等問題有待進一步解決。


相關標簽:陶瓷纖維氧化鋁纖維工業高溫爐窯

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