陶瓷纖維基復(fù)合材料的研究進(jìn)展

陶瓷纖維基復(fù)合材料的研究進(jìn)展

陶瓷纖維是一種輕纖維建筑材料。它的直徑通常為2.5m，長度通常為30.250mm。纖維表面呈光滑的圓圈。由于其重量輕、耐高溫、熱穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱率低、比熱小及耐機(jī)械震動(dòng)等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、化工、石油、陶瓷、玻璃、電子等行業(yè)。在全球能源價(jià)格上漲的國際背景以及中國國家戰(zhàn)略背景下,陶瓷纖維在中國得到了更多更廣的應(yīng)用,發(fā)展前景十分看好。1陶瓷纖維的生產(chǎn)陶瓷纖維最早出現(xiàn)在美國,1941年美國巴布維爾考克斯公司以天然高嶺土為原料使用電弧熔融噴吹的方法制得陶瓷纖維。20世紀(jì)40年代后期,美國兩家公司生產(chǎn)的硅酸鋁系列陶瓷纖維首次應(yīng)用于航天領(lǐng)域。20世紀(jì)60年代,美國研制出多種應(yīng)用工業(yè)窯爐壁襯的陶瓷纖維。目前,國外企業(yè)在原有1000型、1260型、1400型、1600型及混配纖維的基礎(chǔ)上,在陶瓷纖維熔體內(nèi)加入ZrO2、Cr2O3,提高了陶瓷纖維的使用溫度。另外,還有在熔體中加入CaO、MgO等成分,使纖維具有新的功能。國內(nèi)陶瓷纖維從20世紀(jì)70年代開始生產(chǎn)使用,由于技術(shù)簡單落后,產(chǎn)品主要適用的溫度范圍都在1000℃以下。20世紀(jì)90年代,產(chǎn)生了含鋯纖維和多晶氧化鋁纖維,這類陶瓷纖維雖然使用溫度提高到1000~1400℃,但是使用范圍不廣,制約了這類陶瓷纖維的發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì),國內(nèi)陶瓷纖維技術(shù)發(fā)展迅速。國內(nèi)壓縮了普通硅酸鋁纖維產(chǎn)品的生產(chǎn),擴(kuò)大了高純硅酸鋁纖維、含鉻纖維、含鋯纖維以及多晶氧化鋁纖維的生產(chǎn)規(guī)模,并開發(fā)了特殊功能的多晶氧化鋯纖維、氮化硅纖維、碳化硅纖維和硼化物纖維等新產(chǎn)品。這一階段陶瓷纖維多應(yīng)用于紡織領(lǐng)域和復(fù)合材料開發(fā)領(lǐng)域。2硅酸鋁陶瓷纖維陶瓷纖維分類方法很多,根據(jù)其使用的功能一般可以分為兩類:耐高溫陶瓷纖維和功能陶瓷纖維。陶瓷纖維有普通硅酸鋁陶瓷纖維,高硅酸鋁陶瓷纖維,含Cr2O2、ZrO2或B2O3的硅酸鋁陶瓷纖維,多晶氧化鋁纖維和多晶莫來石纖維等。近年來國外已經(jīng)開發(fā)成功或正在開發(fā)一些新的陶瓷纖維品種,如鎂橄欖石纖維,SiO2-CaO-MgO系陶瓷纖維,Al2O3-CaO系陶瓷纖維和一些特殊的氧化物纖維。這些陶瓷纖維除了可以用作高絕熱材料外,還可以用作高過濾材料和高結(jié)構(gòu)材料的增強(qiáng)材料。2.1復(fù)合材料優(yōu)選材料耐火材料以其容重低,導(dǎo)熱系數(shù)小,熱穩(wěn)定性好,耐高溫等優(yōu)良特性,成為耐火、保溫、隔熱、隔音和防火的優(yōu)選材料。耐火陶瓷纖維常見的纖維化方法有熔融纖維化法和化學(xué)纖維化法。2.2功能性陶瓷纖維功能陶瓷纖維具有有機(jī)纖維所不能比擬的抗氧化功能以及獨(dú)特的電學(xué)和光學(xué)性能。表1列出了部分功能陶瓷纖維的種類及性能。功能性陶瓷纖維包括以添加碳化鋯陶瓷粉為主蓄熱保溫纖維,加入無機(jī)抗紫外線陶瓷纖維粉的防太陽光紫外線熱線纖維,由羥基磷灰石[Ca(PO2)6(OH)2]陶瓷性陶瓷粉制成的可過濾病毒的非織布,通過聚合物中添加具有吸附功能的陶瓷粉制成的抗菌防臭纖維,功能性含陶瓷導(dǎo)電纖維等。這類導(dǎo)電纖維一般采用復(fù)合紡絲法制得,多為皮芯結(jié)構(gòu)。3有機(jī)聚合物纖維制備陶瓷纖維的制備方法很多,這些方法有各自的特點(diǎn),使用于不同陶瓷纖維制品的制備,各種方法比較見表2。聚合物前軀體法是由聚硼氮烷熔融紡絲制成纖維后進(jìn)行交聯(lián)生產(chǎn)不熔化的纖維,再經(jīng)裂解制成纖維。溶膠凝膠法的特點(diǎn)是將化學(xué)試劑溶于溶劑,或直接以溶膠為原料,而不是用傳統(tǒng)的粉狀物體。它可在較低溫度下得到功能陶瓷纖維,可以制得均勻性好和純度高的纖維,可以獲得熔融法難以制得的一些纖維。氧化鋯系陶瓷纖維制備纖維方法主要有三種:(1)將有機(jī)聚合物纖維置于鋯鹽溶液中浸漬,然后燒結(jié)除去有機(jī)成分;(2)通過溶膠―凝膠法合成含有ZrO長鏈的溶膠,干法紡絲;(3)將有機(jī)聚合物與鋯鹽或ZrO2微粉混合均勻,擠出成型。鈣鎂硅系陶瓷纖維主要采用熔融―噴吹法制備。鈣鎂硅系陶瓷纖維以天然礦物硅灰石、滑石和石英砂作為主要原料。將石英砂和白云石等原料按一定配比混合后在電阻爐中進(jìn)行高溫熔制,熔化溫度為1600~1800℃,高溫熔體經(jīng)0.3~0.7MPa壓縮空氣噴吹成纖。4陶瓷纖維的應(yīng)用4.1反應(yīng)堆內(nèi)材料的結(jié)構(gòu)組成陶瓷纖維的用途很多,可用作工業(yè)窯爐的絕熱和耐火材料、高溫高壓蒸汽管道的絕熱材料、高溫密封絕熱材料、高溫吸聲材料、耐火建筑用材和防火材料、原子反應(yīng)堆內(nèi)襯材料等。根據(jù)其化學(xué)組分和結(jié)構(gòu)形態(tài)的不同,其安全使用溫度從600℃至1300℃。陶瓷纖維之所以具有良好的隔熱作用是由它的結(jié)構(gòu)決定的。陶瓷纖維的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)是固態(tài)纖維與空氣組成的混合結(jié)構(gòu),其顯微結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是固相和氣相都是以連續(xù)相的形式存在。在這種結(jié)構(gòu)中,固態(tài)物質(zhì)以纖維狀形式存在,并構(gòu)成連續(xù)相骨架,氣相則連續(xù)存在于纖維材料的骨架間隙之中,氣孔中的空氣具有良好的隔熱作用。4.2高溫過濾材料陶瓷纖維具有強(qiáng)度高、抗熱沖擊性好、耐化學(xué)腐蝕等特點(diǎn),是一種理想的高溫過濾材料。近年來已經(jīng)使用陶瓷纖維成功開發(fā)出各種過濾器,廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電廠、金屬冶煉廠和化工廠的消煙除塵中,還可用于消除柴油發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的有害物質(zhì)。4.3高溫填密材料用硅酸鋁纖維、丁腈橡膠、無機(jī)粘結(jié)劑、云母和非膨脹蛭石可以制得一種無石棉的高溫填密材料;用陶瓷纖維、高鋁水泥、合成橡膠和吸水聚合物還可以制得一種在水中具有良好粘接性能的耐水密封材料。陶瓷纖維同玻璃纖維、巖棉一樣,可以用來制造無石棉摩擦材料。這類摩擦材料具有摩擦系數(shù)穩(wěn)定、耐磨性良好和噪音低等特點(diǎn)。4.4陶瓷纖維增強(qiáng)材料陶瓷纖維用作高溫絕熱涂料的網(wǎng)架材料可以改善涂料的強(qiáng)度、減少收縮率、降低容重和增加絕熱效果。陶瓷纖維與耐熱結(jié)合劑等組成的噴涂涂料可用專門的噴射設(shè)備進(jìn)行噴涂施工。涂料可以直接噴涂在工業(yè)爐爐壁上形成爐襯,也可以噴涂在建筑鋼材上形成耐火涂層。4.5非晶pbtio3纖維LiNbO3是一種重要的鐵電壓電材料,可用于SAW器件和電光器件中,LiNbO3單晶纖維可用作電光調(diào)制器、諧波發(fā)生器和參量振蕩器。非晶PbTiO3纖維可用于非線性光學(xué)領(lǐng)域,而結(jié)晶的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)PbTiO3纖維可用于熱釋電傳感器件。PZT是最重要的鐵電壓電材料,是目前應(yīng)用最廣泛的壓電鐵電陶瓷纖維,它在超聲材料、智能材料等方面有著很大的應(yīng)用潛力。4.6性能好，應(yīng)用廣泛納米磁性涂層陶瓷纖維表面的磁性涂層具有納米結(jié)構(gòu),具有優(yōu)良的電、磁性能。該纖維還具有柔軟性能好以及可進(jìn)行二維、三維編織等特點(diǎn),是優(yōu)良的功能和結(jié)構(gòu)纖維,在制備耐高溫、異型微傳感器、磁電測量器件、磁光器件、智能高性能混凝土、防電磁干擾高性能混凝土和智能、防電磁干擾復(fù)合材料以及結(jié)構(gòu)吸波材料等方面具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。4.7與其他纖維材料做frp的增強(qiáng)材料由于陶瓷纖維具有高強(qiáng)度,高耐熱性,它還與樹脂具有較好的潤濕性,因此它可以用作陶瓷纖維增強(qiáng)塑料。它還能與碳纖維,芳綸纖維,玻璃纖維等混雜使用做FRP的增強(qiáng)材料。用陶瓷纖維制造的增強(qiáng)塑料制品從宇航到體育運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。5陶瓷纖維應(yīng)用廣泛世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來了能源問題,伴隨著能源價(jià)格不斷上漲,燃料成本將會(huì)成為扼制陶瓷業(yè)發(fā)展的瓶頸,節(jié)能愈加重要。窯爐熱損耗成為了工廠關(guān)心的問題,為了提高熱效率,有的直接在原有耐火內(nèi)襯表面加貼一層耐火陶瓷纖維。據(jù)報(bào)道,在快速推板窯和隧道窯中采用耐火陶瓷纖維,節(jié)能效果都很顯著,尤其是超高溫加熱,如燒成溫度在1538~1649℃的窯爐中,采用耐火纖維的節(jié)能效果最佳。目前,歐美及日本的陶瓷窯爐設(shè)備全部采用陶瓷纖維內(nèi)襯。同時(shí)由于陶瓷纖維的一些弊端,國外一些企業(yè)加強(qiáng)了對(duì)非晶質(zhì)陶瓷纖維的限制使用。一種生物溶解性非晶質(zhì)陶瓷纖維在絕熱耐火材料市場出現(xiàn),這種超級(jí)纖維屬無污染的環(huán)境友好型材料,由于其纖細(xì)的形狀逐漸作為過濾材料而得到新的應(yīng)用。催化性陶瓷纖維的抗熱沖擊性能和機(jī)械柔韌性優(yōu)于陶瓷蜂窩載體材料,并可根據(jù)反應(yīng)器的形狀成型以滿足不同需要。陶瓷纖維催化劑的擴(kuò)散阻力很小,因此對(duì)于擴(kuò)散控制的反應(yīng),纖維催化劑比粒狀催化劑有高的效能。陶瓷纖維由于其耐熱,多孔,耐化學(xué)腐蝕,質(zhì)輕等優(yōu)點(diǎn),加入紙漿纖維中,使用造紙抄造工藝,控制一定配比制成蜂窩狀吸附材料,在石油煉制,氣體分離,廢水廢氣中有機(jī)物的脫除等方面應(yīng)用廣泛。同時(shí)陶瓷纖維紙由于其特殊的性能,也應(yīng)用于燃料電池等。日本某紙業(yè)公司以質(zhì)量比1∶1的礬土/硅石為原料,制成陶瓷纖維紙。這種纖維紙?jiān)?000℃高溫下也不會(huì)燃燒。生產(chǎn)這種陶瓷纖維紙,除使用一種特殊粘合劑外,還去除了礬土、硅石纖維中的球狀非纖維物,所以厚度只有0.15~0.30μm,且非常柔軟,耐熱性、抗拉性、耐水性及電絕緣性均佳。這種紙可用作合金的防噴濺材料、耐熱板材的表面材料以及防火材料等。經(jīng)含浸涂覆面處理,消除氣泡,還可以用作電絕緣材料。陶瓷纖維與植物纖維混合配抄生產(chǎn)箱板紙?jiān)缫淹度牍I(yè)生產(chǎn),大大節(jié)約了植物纖維漿,減少了木材的砍伐,保護(hù)了環(huán)境。此外,陶瓷纖維還可以與玻璃纖維配抄生產(chǎn)空氣濾紙。這種高效陶瓷纖維空氣濾紙具有空氣流阻力低、過濾效率高、耐高溫、抗腐蝕、化學(xué)性能穩(wěn)定、環(huán)保無毒等特點(diǎn),主要應(yīng)用于大規(guī)模集成電路和電