无机非金属材料:陶瓷纤维

2024-04-18 18:33

陶瓷纤维原棉通常加工成各种式样的陶瓷纤维制品供各行各业选用。陶瓷纤维制品最重要的用途就是高温环境下的保温隔热,应用范围涵盖冶金、机械、电子、陶瓷、玻璃、化工、汽车、建材、轻工、军工、船舶、航空

航天等领域。

  01 绝热保温材料

陶瓷纤维耐高温特性良好,其可承受1500℃高温;陶瓷纤维还具有良好的隔热功能,主要是由陶瓷纤维的混合结构(即固态纤维和空气组成)决定的。因此陶瓷纤维可以很好地将耐火材料韧性差的问题解决。陶瓷纤维的绝热保温性能使陶瓷纤维制品在工业炉炉壁和建筑材料上得到广泛使用。

陶瓷纤维是优质耐火保温材料,符合下游行业“更节能、更环保、更安全”的需求,目前国内陶瓷纤维制品年产量约 70 万吨,占耐火材料比例约为2.9%,基数较小,未来每一细分应用领域的拓展都将带来较高增长。陶瓷纤维制品并非完全标准化产品,应用于不同领域需调整配料、工艺与技术支持,因此非标准方面的应用随着整个工业体系发展而得到拓展。
陶瓷纤维属于高效节能绝热保温材料,材料本身具有一般纤维的特点,同时又拥有普通纤维所没有的耐高温、耐腐蚀和抗氧化性能,更重要的一点是避免了一般耐火材料的脆性,从而在一定程度上取代着传统重质耐火砖被用作工业窑炉壁衬材料。陶瓷纤维作为窑炉炉壁砌筑而成的工业窑炉在使用中最大的优点就是节能。如:多晶莫来石纤维制品可长期用于1600℃以下的高温热工设备中作绝热材料,如碳化硅电炉、硅化钼电炉、各种钢铁加热炉、机械锻造炉等等,可显著提高设备热效率,大幅度节约能源,提高生产率,改进产品质量。可应用于各种高温工业窑炉隔热;陶瓷窑炉;机械及冶金加热炉;热处理炉及其它工业窑炉的热面内衬;高温挡火隔焰;窑门、窑车、膨胀缝等隔热材料;玻璃窑隔热。



     02 高温过滤材料

陶瓷纤维的比表面积大,由其制备的过滤材料过滤纯度高,陶瓷纤维同时在热稳定性、化学稳定性和抗热震性方面表现出更优异的性能。因此陶瓷纤维在环境领域,如空气净化、污水处理、烟气过滤等方面应用广泛。

陶瓷纤维材料凭借其强度高、抗热冲击性好、耐化学腐蚀等特点,在空气净化、高温烟气过滤、柴油机尾气微滤捕集、化工过滤、金属液过滤等方面得到了广泛的应用。陶瓷纤维过滤器可以分为陶瓷纤维复合膜材料、陶瓷纤维纸、陶瓷辖内网(布)、陶瓷纤维过滤体。
1、陶瓷纤维原棉
陶瓷纤维棉通过电阻炉将原材料高温熔融,经喷吹或甩丝成纤工艺生产制成,直径一般为2〜5μm,长度多为30〜250 mm。
陶瓷纤维棉的纤维表面呈光滑的圆柱形,横截面通常是圆形。其结构特点是气孔率高(一般大于90%),而且气孔孔径和比表面积大。由于气孔中的空气具有良好的隔热作用,因而纤维中气孔孔径的大小及气孔的性质(开气孔或闭气孔)对其导热性能具有决定性的影响实际上,陶瓷纤维的内部组织结构是一种由固态纤维与空气组成的混合结构,其显微结构特点是同相和气相都是以连续相的形式存在。因此,在这种结构中,固态物质以纤维状形式存在,并构成连续相骨架,而气相则连续存在于纤维材料的骨架间隙之中。正是由于陶瓷纤维具有这种结构,使其气孔率较高,气孔孔径和比表面积较大,从而使陶瓷纤维具有优良的隔热性能和较小的体积密度。
陶瓷纤维棉属中性偏酸性材料,除与强酸碱反应外,不被其他弱碱、弱酸及水、油、蒸汽侵蚀,与铅、铝、铜不浸润,具有优良的柔韧性和弹性。陶瓷纤维密度较小,比轻质隔热砖炉衬轻75%以上,比轻质浇注料炉衬轻90%〜95%,导热系数约为轻质粘土砖的1/8,是轻质耐热衬里(浇注料)的1/10, 热容埴仅为轻质隔热衬里和轻质浇注料衬里的1/10 左右,大大降低了能源损耗量,节能蓄热效果显著。同时,陶瓷纤维具有施工简便,无需烘炉,缩短施工周期,安装简便等特点。陶瓷纤维棉是其佘陶瓷纤维制品的主要原料,也可按分类温度直接用作工业窑炉膨胀缝充填、炉壁隔热、密封材料。

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2、陶瓷纤维包覆系统

陶瓷纤维包覆材料的制作方法是将散装陶瓷纤维自然沉降在集棉机网带上,使其形成均匀的棉坯,经针刺制毯工艺得到无粘结剂的干法针刺毯。该毯柔软富有弹性,抗拉强度高,加工和施工性能优良,是陶瓷纤维制品应用最为广泛的产品之一。根据其工艺的不同,陶瓷纤维包覆系统可分为甩丝和喷吹两大类。

陶瓷纤维包覆系统适用于各种隔热工业窑炉的炉门密封、炉口幕帘、窑顶隔热:高温烟道、风管衬套、膨胀接头:石油化工设备、容器、管道高温隔热、保温;高温环境下的防护衣、手套、头套、头盔,靴等;汽车发动机隔热罩、重油发动机排气管包裹、 高速赛车复合制动摩擦衬垫、核电、汽轮机隔热;加热件热处理隔热;输送高温液体、气体的泵、压缩机和阀门用的密封填料、垫片:高温电器绝缘:防火门、防火帘、灭火毯、接火花用垫子和隔热覆盖等防火缝制品;航天、航空工业用的隔热、保温材料、制动摩擦衬垫;深冷设备、容器、管道的隔热、包裹,高档写宇楼中的档案库、金库、保险柜等重要场所的绝热、防火隔层,消防自动防火帘。

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3、陶瓷纤维异型件

陶瓷纤维异型件是采用优质陶瓷纤维棉作原料,用真空成型工艺制成。能制成拥有优越高温性能的刚性并有自支撑强度的异型制品。所有异形制品在其使用温度范围内都有较低的收缩,并保持有高隔热、轻质和抗冲击的特点。未灼烧的材料很容易被切割成机械加工。在使用过程中,产品的抗磨损和剥落性能良好,而且不被大多数熔融金属所润湿。

陶瓷纤维异型件包括管形、锥形、圆顶形和方盒型,大多数异型制品是按照客户的要求进行生产, 如有色金属行业用浇铸帽和套管、石化行业用的真空成型看火孔等。

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  03 吸声隔音材料

陶瓷纤维材料具有良好的吸声隔音效果,主要是由于当声波传到材料内部时,声波与纤维孔隙内存在的空气产生粘滞作用,同时声波还将与纤维间产生摩擦阻力,因而损耗的部分声能转化形成热能。另外,纤维孔隙内的空气在被压缩时产生热传导,热传导也会使声能耗损,从而将传入的声波吸收。因此陶瓷纤维材料具有良好的吸声隔音效果,使其在建筑、交通等领域得到广泛应用。

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04 催化剂载体材料


陶瓷纤维具有比表面积大,孔隙率高,催化效果佳等优势,当负载催化剂的陶瓷纤维使用在控制扩散反应中时,由于其扩散阻力小因而得到良好的催化效果,因此陶瓷纤维作为催化剂在催化领域存在巨大应用潜力。

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05 增强增韧材料


陶瓷材料韧性差的劣势众所周知,因而陶瓷纤维是增韧陶瓷材料最有效的方法。应用较多的陶瓷纤维有:Al2O3长纤维,SiC长纤维等。同时陶瓷纤维在金属材料增韧上也可应用。新型功能性材料:陶瓷纤维由于拥有众多优点,因此在新型高温超导材料,新型功能材料,如远红外纤维,导电纤维等方向得到广泛应用。



  06 先进陶瓷纤维材料的应用


先进陶瓷纤维在应用方面不同于传统陶瓷纤维,其重点是根据纤维自身的特点,除了利用其耐高温、隔热及耐火特点以外,还放大发挥其自身的其它功能特点,比如其自身的吸波性、耐腐蚀、耐候性等等。

陶瓷纤维本身即为半导体,是雷达波吸收的重要材料,同时具备轻质、高强、耐高温、抗氧化等理想的结构材料特性。通过制备工艺改变晶体结构,可以调整纤维的电阻率,然后多向多层铺叠从而实现吸波和透波的目的。陶瓷纤维增强复材可以直接制备隐身结构件,相比隐身涂层具有更高的强度和耐高温性能。F-22 在尾喷口附近应用了陶瓷基隐身结构材料;法国的 APTGD 导弹的尾翼由六角形小块陶瓷吸波材料组成,具有较好的吸波效果;美国空军开发出了一种Si3N4宽频透波天线罩。

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例如:

(1)氧化铝纤维:可用于环保和再循环技术领域。如焚烧电子废料的设备,历经多年运转,氧化铝纤维仍显示出其优良的抗炉内各种有害物的腐蚀性能,可用于汽车废气设备上作陶瓷整体衬,其特点是结构稳定。

(2)氧化锆纤维:作为超高温隔热复合材料、防护材料、烧蚀材料以及卫星电池隔膜材料等,用于航空航天、军工、原子能等领域;作为1600℃~2000℃的超高温工业电炉、超高温燃气炉,超高温实验室电炉和其它超高温加热装置的炉衬材料;与很多金属、合金、玻璃复合做宽温度范围使用的金属基复合材料;可作为超高温过滤材料、高温反应催化剂载体,超高温液体或气体过滤材料。

(3)石英纤维:可以用于高温烧蚀材料的增强材料,高温绝热密封材料、树脂增强材料、耐高温绝缘、捆扎、包裹材料等,工业隔热、电缆绝缘包覆、排气管道隔热包覆、高温炉门幕帘及机械用高温摩擦增强材料、防火外壳及其它绝缘保护层、船舶设备的绝缘、变压器、互感器、电动机及其它电子产品的增强绝缘绑扎材料等。

(4)碳化硅纤维:作为热屏蔽材料、耐高温输送带、过滤高温气体或熔融金属的滤布;可作为纤维增强陶瓷基复合材料(CMC)的高温结构材料,可应用于发动机的热端部件,包括尾喷管部位、燃烧室、加力燃烧室、涡轮外环、导向叶片、转子叶片等航空航天等领域;碳化硅增强钛基复合材料、碳化硅增强镁基复合材料、碳化硅增强铜基复合材料等。经过碳化硅纤维增强的金属基复合材料,在比强度、比刚度、热膨胀系数、导热性能和耐磨性能等方面具有更优异的性能,并且易于生产出合格的金属基复合材料。

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本文来源:无机非金属材料科学

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