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陶瓷纖維的分類及用途知識

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分分彩:陶瓷纖維的分類及用途知識

發布日期:2020-01-17 作者: 點擊:

分分彩 www.m-dama.com    陶瓷纖維多孔隔熱材料,只需要很少的材料(纖維)就可以形成一個穩定的結構,相比于陶瓷孔隙隔熱材料,陶瓷纖維隔熱材料具有輕質、多孔、熱導率低、比熱容大的特性,并且可以承受很強的載荷。這種材料已經被應用在過濾分離、隔熱、生物醫學、復合材料等多個領域。以陶瓷纖維材料制備的隔熱材料為代表的可重復使用的熱防護結構,廣泛應用于國內外各類先進飛行器的熱防護系統中,具有重要的應用價值和發展前景。


    陶瓷纖維可分為二大類:非氧化物陶瓷纖維(如SiC纖維、C纖維)和氧化物(含復合氧化物)陶瓷纖維(如硅酸鋁纖維、Al2O3纖維)。


一、非氧化物陶瓷纖維 


(1)碳化硅纖維。碳化硅(SiC)俗稱金剛砂、碳硅石,是一種以共價鍵結合的人工合成化合物??捎沒喑粱?、碳熱還原法、粉末燒結法以及先驅體轉化法制備。純碳化硅是無色透明,工業中使用的碳化硅常常因為含有游離鐵、硅、碳等雜質而呈淺綠色或黑色。


   由于碳化硅具有良好的高溫特性,如抗氧化性、高溫強度高及穩定性、熱傳導性好、密度小、膨脹系數低、蠕變性小等特點,可將其用作高溫燃氣輪機的燃燒室、高溫噴嘴、渦輪的靜葉片等。由于碳化硅的高熱導性、絕緣性能好等特點,可將其作為冶金工業窯爐中的高溫熱交換器,以及大規模集成電路的基片和封裝材料等。利用其高硬度、耐磨損、耐酸堿腐蝕的性能,可在機械、化學等工業中制備機械密封材料,如滑動軸承、閥片、風機葉片和耐腐蝕的管道等。


   碳化硅除了具有良好的物理性能以外,還具有優良的化學性能。在非氧氣氣氛下,2300℃時碳化硅表面氣相中僅含硅5%.但當碳化硅暴露在氧氣中達到1000℃時,表面就開始氧化,但碳化硅可以生成SiO2?;つ?,阻止氧化反應繼續進行。


(2)碳纖維。碳纖維是指纖維狀的碳材料,由有機纖維在惰性氣體中加熱到1000℃以上,形成的碳含量占90%以上的纖維狀碳材料。碳纖維是一種新型無機材料,它的密度為1.5-2g/cm3,是鋼密度的1/4、鋁合金密度的1/2,強度卻比鋼大4、5倍。其熱膨脹系數小,抗熱震性好,從幾千攝氏度的高溫突然降到常溫也不會炸裂,同時具有良好的潤滑性及導電性。碳纖維的化學性質與碳相似,對一般堿性是惰性的,并且在液氮溫度下也不會脆化。在非氧環境下,即使3000℃的高溫也不熔化,但在空氣氣氛下,溫度高于400℃時就會出現明顯的氧化現象,生成CO與CO2。因此碳纖維可以大幅度減輕構件結構重量,提高技術性能,使得其大范圍的應用在航空航天飛行器上。


    依據所采用的原料不同,可將碳纖維可分為聚丙烯腈基碳纖維,瀝青基碳纖維和纖維素基碳纖維、酚醛基碳纖維四種。應用較普遍的碳纖維主要是聚丙烯腈碳纖維和瀝青碳纖維。


二、氧化物陶瓷纖維 


(1)硅酸鋁纖維。硅酸鋁纖維形狀和顏色同棉花相似,是一種非晶體陶瓷纖維,主要由氧化鋁和二氧化硅組成,有時還含有少量的氧化鐵、二氧化鈦、氧化鈣等物質。根據組成物質及含量的不同,可分為四類:標準(普通)硅酸鋁纖維、高純硅酸鋁纖維、高純含鋁硅酸鋁纖維和高純含鋯硅酸鋁纖維,其各組分含量如表1-2所示。


表1 四類硅酸鋁纖維的分類及化學組成

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    硅酸鋁纖維直徑1-10μm,長度為5-25cm,耐溫性、隔熱性、吸音性均較好,并且蓄熱小、導熱系數低、抗機械振動能力強,使用溫度可達1200℃,密度卻僅為0.096-0.128g/cm3。在其中加入CrO2后,由于CrO2阻止了纖維間接觸部位的晶體析出和長大,可以提高纖維抗高溫收縮性能,并使使用溫度達到1400℃。硅酸鋁纖維復合材料可以制成毯、氈、紙、板等形狀,目前已廣泛應用于化工、機械等熱能設備的保溫及火箭發動機部件的隔熱層等。


(2)石英纖維。石英纖維是指雜志含量低于0.1%,纖維直徑在0.7-15μm的高純度特種二氧化硅玻璃纖維。其具有很高的耐熱性,長期穩定的使用溫度為1050℃,瞬間耐溫高達1700℃。除此之外,石英纖維具有耐腐蝕性,高溫下強度保持率高、尺寸穩定、抗熱震性好、化學穩定性高,此外還具有卓越的電絕緣性能,它的介電常數和介質損耗系數在所有礦物纖維中是最優秀的,而且制作成本比碳化硅纖維低許多。此,石英纖維在國防軍事和航空航天工業中具有重要用途,可用于制造航天熱防護系統。


   石英纖維分為連續石英玻璃纖維和石英玻璃棉。連續石英玻璃纖維是指石英玻璃被熔融后,由外力拉引而成的長纖維。一般其單絲直徑在3-10μm,可以紡織加工成石英玻璃纖維紗、布等。石英玻璃棉是指采用高壓氣流噴吹石英玻璃熔融體而得到的一種長短不均的石英玻璃纖維,其形態蓬松,類似棉絮。一般纖維直徑小于3μm的稱超細棉,直徑為3-5μm的稱細棉。


(3) 莫來石纖維。莫來石是氧化硅、氧化鋁二元體系中,唯一能夠在常溫常壓下穩定存在的二元化合物,化學式為3Al2O3·2SiO2,其相圖如1所示。


圖1 莫來石材料相圖

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     莫來石纖維是一種多晶結構的纖維,主晶相為莫來石微晶,作為氧化硅和氧化鋁二元體系中唯一的穩定相,其活性低,再結晶能力較差,因此莫來石纖維具有較好的耐高溫性能,使用溫度可達到1500℃,但當溫度高于1500℃時,其晶粒也會長大,使其喪失高溫力學性能,當溫度達到1830℃左右時,會迅速分解為氧化鋁和液相。莫來石纖維受熱時膨脹均勻,抗熱震穩定性能極好,熱導率低,在高溫下不易發生蠕變,不僅能夠保持良好的彈性,收縮也比較小,且材料本身化學穩定性好,不易受到腐蝕,因此作為新型超輕質高溫耐熱纖維材料,被廣泛用于各種高溫產品及熱防護系統中。但是莫來石纖維的常溫力學性能不佳,成為制約該材料實用化的一大障礙。


(4)氧化鋁纖維。氧化鋁纖維是一種多晶陶瓷纖維,具有長纖、短纖、晶須等多種形式。它以Al2O3為主要成分,有時會含有一定量的添加劑,如二氧化硅、氮化硼、氧化鋯、氧化鐵、氧化鎂等。氧化鋁纖維直徑10-20μm,密度2.7-4.2g/cm3,具有較高的機械性能,抗拉強度1.4-2.45GPa,抗拉模量190-385GPa。


    其具有良好的耐化學腐蝕性、耐氧化、耐高溫性,并有高的化學穩定性和較低的熱膨脹系數,熔點2050℃,可以在1500℃高溫下長期使用。


    化鋁短纖維主要用于高溫絕熱材料,長纖維用于增強復合材料,晶須則具有較高的強度和一些特殊的磁學、電學、光學性能,應用于功能材料之中。氧化鋁纖維表面活性好,與金屬、陶瓷等基體材料易于復合,加之較高的使用溫度,使得其在一般工業與高科技領域得到了越來越廣泛的應用,可用于高溫窯爐、熱工設備、核反應堆及航天飛機的保溫隔熱材料等。美國在“哥倫比亞”號航天飛機上將氧化鋁纖維當做隔熱板襯墊使用,當航天飛機在大氣層飛行時,隔熱板襯墊可以防止熱量通過隔熱板之間的縫隙進入防熱罩。氧化鋁纖維在軍工、航天航空上具有重要的戰略意義、巨大的商業價值,吸引了許多國家投入大量人力、物力和財力進行研制開發與利用。但氧化鋁纖維密度較大,熱導率較高,限制了它的進一步應用。 


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