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蓬勃发展的陶瓷纤维材料

日期:2019年5月31日 14:22

陶瓷纤维具有重量轻、耐高温、导热率低、比热容小及耐机械振动等优点,广泛应用于机械、石油化工、电子及轻工业领域。早些年,陶瓷纤维仅指硅酸铝纤维系列的轻质纤维耐火材料。如今,陶瓷纤维的概念被拓展,一类仍是以传统隔热材料为主的硅酸铝纤维、氧化铝纤维;而另一类是作为纤维增强相,应用于各类复合材料中,包括氧化铝纤维、氧化锆纤维、碳化硅纤维等。本文将介绍两类陶瓷纤维的代表,并谈一谈近年来陶瓷纤维出现的新兴应用方向,与读者一同认识蓬勃发展的陶瓷纤维。

 

隔热材料

隔热材料又称热绝缘材料,一般指当温度低于623K时,导热系数不大于0.14W/(m·K)的材料。隔热材料的使用,有效减少了不必要的热量损失,从而达到节能的目的,并能提高生产过程的安全性。隔热材料的应用场景对材料性能的要求主要包括质轻、耐腐蚀、耐高温、热导率低几个方面。

硅酸铝纤维是应用最为悠久的陶瓷纤维隔热材料,其组成为主要为氧化硅和氧化铝(常用配比为1比1-1.2之间)。其中,氧化铝含量越高,耐热性越好,一般能耐1000-1300℃的高温。同时研究表明,在加入氧化锆、三氧化二铬之后,耐高温能力可以提高到1300℃以上。除了高温热稳定性优点以外,硅酸铝纤维还具有质轻、热导率低(常温下0.035W/(m·K))的优点。

硅酸铝陶瓷纤维发展成熟,其制品形式已经十分丰富,包括硅酸铝纤维绳、纤维纸、纤维板、纤维砧等。

图1 硅酸铝陶瓷纤维制品样式丰富

在钢铁为代表金属冶炼领域,陶瓷纤维作为炉衬材料使用,节能幅度达到20%;同时,轻质的陶瓷纤维能有效降低工业路和钢结构的自重,分别可以降低大约90%和70%。在航空航天领域,由美国金刚砂公司开发的高纯硅酸铝纤维纸,可用于飞行器的热屏蔽层、端头帽烧蚀防护层、点火装置内衬、火箭发动机部件的隔热层等方面。

图2 美国金刚砂公司生产的高纯硅酸铝纤维纸,可以看出氧化铝和氧化硅比例近似1:1之间,此外含有氧化钠、氧化钛等其它成分,880型纤维纸氧化铝含量最高,熔点及其使用温度也会提高

(图片来源:硅酸铝纤维及其成纸结构和性能的研究)

复合材料增强相

隔热耐火材料是陶瓷纤维最基础的应用方向,随着科技发展,纤维陶瓷的优异性能使其应用领域不断拓展。其中,陶瓷纤维增强的复合材料已经成为各国高科技竞争的关键领域之一。常见的复合材料用陶瓷纤维增强相主要包括氧化铝纤维、碳化硅纤维、碳化硼纤维。

在几种常见的陶瓷纤维增强相中,随着国产大飞机C191的成功首飞,碳化硅纤维在近些年最为大放异彩。

C919发动机上采用的是第二代连续碳化硅纤维,其性能优异,符合航空航天用材料“轻质高强”的特点,并具有极高的化学稳定性。在耐高温性能方面,第二代连续碳化硅纤维可在1200℃以上高温氧化性气氛中使用,相比用于发动机材料的高温合金,其工作温度提高200℃以上,结构减重30%以上,耐热性和耐氧化性均优于碳纤维;强度方面,抗拉强度达到1960~4410MPa,在最高使用温度下强度保持率在80%以上,模量为176.4~294GPa。

2017年底,宁波众兴新材料有限公司首次实现连续碳化硅陶瓷纤维生产线的量产。

图3 宁波众兴新材料生产的碳化硅纤维及其应用实例

(图片来源:宁波众兴新材料)

碳化硅纤维除了其耐高温、轻质高强特性外,还具有优良的吸波性能,可用作隐身材料。在美国洛克希德公司的隐身战机F-22的4个直角尾翼、法国“幻影2000”战斗机的M53发动机、法国Alcore公司的无人驾驶遥控隐身飞机“豺狼”上,碳化硅纤维作为三维异形编织物的形式存在。

图4 异形碳化硅纤维具有独特的电磁性能,可用作吸波材料。图中为两种异形碳化硅纤维,a.条形,b.三叶形

(图片来源:异形截面碳化硅纤维制备及其吸波性能)

新应用

不过,除了以上介绍两大类用途,陶瓷纤维凭借其独特的性能,应用场景仍在不断被挖掘。

近些年,对于锂电池陶瓷涂覆隔膜的研究与应用方兴未艾。传统的陶瓷涂覆隔膜多采用颗粒涂覆的方式,但是颗粒状的陶瓷颗粒容易堵塞隔膜孔隙,这将会导致电池内阻升高,影响循环性能;此外,陶瓷颗粒涂层比表面积大,易吸水,对锂电池生产工艺环境要求高。

针对这两个缺陷,江苏清陶能源科技有限公司提出了他们的解决方法。清陶能源开发了一款纳米陶瓷纤维的隔膜产品,纤维结构在微观观察下,形状类似一根根彼此搭建的框架结构,可以形成一个支撑网络,为电池提供强有力的支撑力。这款纳米陶瓷纤维隔膜除了拥有陶瓷隔膜本身具有的吸液率高、热收缩率低优势外,特制的纤维结构不会堵塞锂电池传输通道,电池内阻平均降低近百分之十,高温循环性能出色。清陶能源对新款隔膜产品在三元锂电池室温下进行循环实验,可达8000次以上。目前,该款新产品产能达到100万平米/月。

图5 清陶能源生产的陶瓷纤维隔膜(图片来源:清陶能源)

除了锂电池隔膜领域,在发动机涡轮叶片精密铸造中,研究人员发现氧化铝陶瓷型芯的弯曲强度不足,在高温热应力作用下易于发生脆性断裂。针对这个问题,研究人员尝试在氧化铝基体中加入氧化铝纤维和氧化锆纤维,试验表明,加强后的陶瓷型芯脆断问题被解决,并且在1550℃最终烧结后,型芯的收缩率可以降到1.49%。这说明,氧化铝纤维和氧化锆纤维的加入,有效解决了原来陶瓷型芯的强度问题,并减小了型芯的收缩率,对于最终成形涡轮叶片的精度将有很大提升。

小结

随着科技的进步,陶瓷纤维的概念被拓展,各类新型陶瓷纤维不断涌现,并已经应用于各类基体的复合材料中。过去,新型陶瓷纤维由于制备难度大、成本高昂等原因,仅局限于各国竞相研发的航空航天领域。未来,随着各种新型陶瓷纤维的量产,我们也可以看到更多陶瓷纤维会出现在诸如锂电池、纺织物、铸造等领域。

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