三門峽西三元材料發(fā)展有限公司
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陶瓷纖維具有重量輕、耐高溫、導(dǎo)熱率低、比熱容小及耐機(jī)械振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于機(jī)械、石油化工、電子及輕工業(yè)領(lǐng)域。早些年,陶瓷纖維僅指硅酸鋁纖維系列的輕質(zhì)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(tǒng)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(qiáng)相,應(yīng)用于各類復(fù)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(xiàn)的新興應(yīng)用方向,與讀者一同認(rèn)識(shí)蓬勃發(fā)展的陶瓷纖維。
隔熱材料又稱熱絕緣材料,一般指當(dāng)溫度低于623K時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)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(dá)到節(jié)能的目的,并能提高生產(chǎn)過程的安全性。隔熱材料的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)材料性能的要求主要包括質(zhì)輕、耐腐蝕、耐高溫、熱導(dǎo)率低幾個(gè)方面。
硅酸鋁纖維是應(yīng)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(shí)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?zé)岱(wěn)定性優(yōu)點(diǎn)以外,硅酸鋁纖維還具有質(zhì)輕、熱導(dǎo)率低(常溫下0.035W/(m·K))的優(yōu)點(diǎn)。
硅酸鋁陶瓷纖維發(fā)展成熟,其制品形式已經(jīng)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(lǐng)域,陶瓷纖維作為爐襯材料使用,節(jié)能幅度達(dá)到20%;同時(shí),輕質(zhì)的陶瓷纖維能有效降低工業(yè)路和鋼結(jié)構(gòu)的自重,分別可以降低大約90%和70%。在航空航天領(lǐng)域,由美國(guó)金剛砂公司開發(fā)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(hù)層、點(diǎn)火裝置內(nèi)襯、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件的隔熱層等方面。
隔熱耐火材料是陶瓷纖維最基礎(chǔ)的應(yīng)用方向,隨著科技發(fā)展,纖維陶瓷的優(yōu)異性能使其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。其中,陶瓷纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料已經(jīng)成為各國(guó)高科技競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵領(lǐng)域之一。常見的復(fù)合材料用陶瓷纖維增強(qiáng)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(qiáng)相中,隨著國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C191的成功首飛,碳化硅纖維在近些年最為大放異彩。
C919發(fā)動(dòng)機(jī)上采用的是第二代連續(xù)碳化硅纖維,其性能優(yōu)異,符合航空航天用材料“輕質(zhì)高強(qiáng)”的特點(diǎn),并具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性。在耐高溫性能方面,第二代連續(xù)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(fā)動(dòng)機(jī)材料的高溫合金,其工作溫度提高200℃以上,結(jié)構(gòu)減重30%以上,耐熱性和耐氧化性均優(yōu)于碳纖維;強(qiáng)度方面,抗拉強(qiáng)度達(dá)到1960~4410MPa,在最高使用溫度下強(qiáng)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(shí)現(xiàn)連續(xù)碳化硅陶瓷纖維生產(chǎn)線的量產(chǎn)。
碳化硅纖維除了其耐高溫、輕質(zhì)高強(qiáng)特性外,還具有優(yōu)良的吸波性能,可用作隱身材料。在美國(guó)洛克希德公司的隱身戰(zhàn)機(jī)F-22的4個(gè)直角尾翼、法國(guó)“幻影2000”戰(zhàn)斗機(jī)的M53發(fā)動(dòng)機(jī)、法國(guó)Alcore公司的無人駕駛遙控隱身飛機(jī)“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(dú)特的性能,應(yīng)用場(chǎng)景仍在不斷被挖掘。
近些年,對(duì)于鋰電池陶瓷涂覆隔膜的研究與應(yīng)用方興未艾。傳統(tǒng)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(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)阻升高,影響循環(huán)性能;此外,陶瓷顆粒涂層比表面積大,易吸水,對(duì)鋰電池生產(chǎn)工藝環(huán)境要求高。
除了鋰電池隔膜領(lǐng)域,在發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片精密鑄造中,研究人員發(fā)現(xiàn)氧化鋁陶瓷型芯的彎曲強(qiáng)度不足,在高溫?zé)釕?yīng)力作用下易于發(fā)生脆性斷裂。針對(duì)這個(gè)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(yàn)表明,加強(qiáng)后的陶瓷型芯脆斷問題被解決,并且在1550℃最終燒結(jié)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(qiáng)度問題,并減小了型芯的收縮率,對(duì)于最終成形渦輪葉片的精度將有很大提升。
隨著科技的進(jìn)步,陶瓷纖維的概念被拓展,各類新型陶瓷纖維不斷涌現(xiàn),并已經(jīng)應(yīng)用于各類基體的復(fù)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(guó)競(jìng)相研發(fā)的航空航天領(lǐng)域。未來,隨著各種新型陶瓷纖維的量產(chǎn),我們也可以看到更多陶瓷纖維會(huì)出現(xiàn)在諸如鋰電池、紡織物、鑄造等領(lǐng)域。