PDF《新型纤维材料——陶瓷纤维》

第20 卷第

1 期2012 年3月纤维素科学与技术Journal of Cellulose Science and Technology Vol.

20 No.

1 Mar.

2012 文章编号:1004-8405(2012)01-0079-07 新型纤维材料――陶瓷纤维 王小雅, 曹云峰* (南京林业大学 江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室,江苏 南京 210037) 摘要:陶瓷纤维以其质轻,耐火,耐腐蚀等性能,目前已经在机械、冶金、石油 和化工等行业得到了广泛的应用,随着各种其他技术的应用,各种陶瓷纤维基复合 材料得到了快速的发展.根据使用功能,陶瓷纤维可以分为高温陶瓷纤维和功能陶 瓷纤维,用作绝热材料,过滤材料,高温超导材料等,此外陶瓷纤维还被用于生产 耐高温陶瓷纤维纸和箱板纸.文章简述了陶瓷纤维的发展,列举了陶瓷纤维的种类、 制备方法、应用及发展趋势. 关键词:陶瓷纤维;

制备;

应用 中图分类号:TQ343.41 文献标识码:A 陶瓷纤维是一种纤维状轻质耐火材料,它的直径一般为 2~5 μm,长度多为 30~250 mm,纤维表面呈光滑圆柱形.由于其重量轻、耐高温、热稳定性好、导热率低、比热小及 耐机械震动等优点,广泛应用于机械、冶金、化工、石油、陶瓷、玻璃、电子等行业[1] .在 全球能源价格上涨的国际背景以及中国国家战略背景下, 陶瓷纤维在中国得到了更多更广的 应用,发展前景十分看好[2] .

1 陶瓷纤维的发展历史 陶瓷纤维最早出现在美国,1941 年美国巴布维尔考克斯公司以天然高岭土为原料使用 电弧熔融喷吹的方法制得陶瓷纤维[3] .20 世纪

40 年代后期,美国两家公司生产的硅酸铝系 列陶瓷纤维首次应用于航天领域.20 世纪

60 年代,美国研制出多种应用工业窑炉壁衬的陶 瓷纤维.目前,国外企业在原有

1000 型、1260 型、1400 型、1600 型[4] 及混配纤维的基础上, 在陶瓷纤维熔体内加入 ZrO

2、Cr2O3,提高了陶瓷纤维的使用温度[5] .另外,还有在熔体中 加入 CaO、MgO 等成分,使纤维具有新的功能. 国内陶瓷纤维从

20 世纪

70 年代开始生产使用, 由于技术简单落后, 产品主要适用的温 度范围都在 1000℃以下.20 世纪

90 年代,产生了含锆纤维和多晶氧化铝纤维,这类陶瓷纤 收稿日期:2011-12-06 基金项目: "江苏省青蓝工程中青年学术带头人培养对象"省教育厅资助课题(164105308) ;

江苏高校优势 学科建设工程资助项目. 作者简介:王小雅(1988~) ,男,硕士研究生;

研究方向:制浆造纸. ? 通讯作者:曹云峰,教授,博士,博士生导师;

研究方向:制浆造纸与清洁生产. DOI:10.16561/j.cnki.xws.2012.01.010

80 纤维素科学与技术第20 卷 维虽然使用温度提高到

1 000~1 400℃,但是使用范围不广,制约了这类陶瓷纤维的发展. 进入

21 世纪,国内陶瓷纤维技术发展迅速.国内压缩了普通硅酸铝纤维产品的生产,扩大 了高纯硅酸铝纤维、含铬纤维、含锆纤维以及多晶氧化铝纤维的生产规模,并开发了特殊功 能的多晶氧化锆纤维、氮化硅纤维、碳化硅纤维和硼化物纤维等新产品.这一阶段陶瓷纤维 多应用于纺织领域和复合材料开发领域[6] .

2 陶瓷纤维的分类 陶瓷纤维分类方法很多, 根据其使用的功能一般可以分为两类: 耐高温陶瓷纤维和功能 陶瓷纤维.陶瓷纤维有普通硅酸铝陶瓷纤维,高硅酸铝陶瓷纤维,含Cr2O

2、ZrO2 或B2O3 的硅酸铝陶瓷纤维, 多晶氧化铝纤维和多晶莫来石纤维等. 近年来国外已经开发成功或正在 开发一些新的陶瓷纤维品种,如镁橄榄石纤维,SiO2-CaO-MgO 系陶瓷纤维,Al2O3-CaO 系 陶瓷纤维和一些特殊的氧化物纤维. 这些陶瓷纤维除了可以用作高绝热材料外, 还可以用作 高过滤材料和高结构材料的增强材料[7] . 2.1 耐高温陶瓷纤维 耐火材料以其容重低,导热系数小,热稳定性好,耐高温等优良特性,成为耐火、保温、 隔热、隔音和防火的优选材料[6] .耐火陶瓷纤维常见的纤维化方法有熔融纤维化法和化学纤 维化法[8] . 2.2 功能陶瓷纤维 功能陶瓷纤维具有有机纤维所不能比拟的抗氧化功能以及独特的电学和光学性能.表1列出了部分功能陶瓷纤维的种类及性能. 表1部分功能陶瓷纤维种类及性能[9] 陶瓷纤维 特性 陶瓷纤维 特性 BaTO3 铁电,压电,电光 PbTO3 非线性光学,铁电 PZT 压电,铁电 LNbO3 压电,非线性光学 YBaCuO 超导 Bi(Pb)SiCaCuO 超导 Zr(Y)O2 耐热,纤维增强 TO2 绝缘 TiN 电导 β-Al2O3 离子电导 功能性陶瓷纤维包括以添加碳化锆陶瓷粉为主蓄热保温纤维[10] ,加入无机抗紫外线陶 瓷纤维粉的防太阳光紫外线热线纤维, 由羟基磷灰石[Ca(PO2)6(OH)2]陶瓷性陶瓷粉制成的可 过滤病毒的非织布, 通过聚合物中添加具有吸附功能的陶瓷粉制成的抗菌防臭纤维, 功能性 含陶瓷导电纤维等.这类导电纤维一般采用复合纺丝法制得,多为皮芯结构.

3 陶瓷纤维的制备 陶瓷纤维的制备方法很多,这些方法有各自的特点,使用于不同陶瓷纤维制品的制备, 第1期王小雅等:新型纤维材料――陶瓷纤维

81 各种方法比较见表 2. 表2陶瓷纤维制备方法比较 方法名称 制备方法 特点 溶剂热合成法[11] 密封压力容器中,以水(或其他流体)作为溶媒,在高温 (>100℃) 、高压(>9.81 MPa)的条件下制备纤维 应用广泛,可制多成分材料, 制品质量高,成本也较低 碳纤维灌浆 置换法[12] 碳纤维束在含有陶瓷组分的浆料或溶液中浸泡, 然后在高 温下氧化除掉有机组分而形成陶瓷纤维 纤维相互粘连严重, 影响复合 材料的均匀性和机械性能 化学气相沉积法 (CVD 法)[13] 以具有良好导热、导电性能的纤维作为芯材,与气化的小 分子化合物在一定的温度下反应, 生成的目标陶瓷材料沉 积到芯材上,从而得到"有芯"的陶瓷纤维 制备出的 BN 纤维, 其强度可 高达 2.1 GPa,模量可达

345 GPa 有机聚合物 前躯体转化法[14] 有机金属聚合物为前驱体, 经高温热分解处理使之从有机 物转变为无机陶瓷材料 高强度,高模量,细小直径的 连续陶瓷纤维成本较高 静电纺丝法[15] 带电荷的高分子溶液在静电场中流动与变形, 然后经溶剂 蒸发或熔体冷却而固化得到纤维状物质 比表面积大,孔隙率高,长径 比大, 纤维精细程度与均一性高 挤压法[16] 利用 SiC 粉在聚合物粘结剂存在下挤出纺丝,形成的细 丝再烧结固化 抗高温蠕变特性, 该方法只能 得到强度较低的 SiC 纤维 超细微粉 烧结法[17] 将α-SiC、β-SiC 的微粉溶解于聚合物的溶液,经混和纺 丝、挤出、溶剂蒸发、煅烧、预烧结等工艺步骤制得 SiC 纤维 富碳,大直径,低强度,耐温 性较好,抗氧化性能差 溶胶D凝胶法[18] 金属醇盐溶解于有机溶剂中,配制成溶胶,再将溶胶纺丝 后进行热处理而得到陶瓷纤维 直径小 (