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氧化铝纤维的制备及应用简介
2017年04月13日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:8963
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上世纪五六十年代,传统的无机纤维材料开始应用于各个领域,其主要代表纤维为天然石棉,但在实用中发现,这种天然纤维会致癌的,所以不再受人们的重视,研发生态环境友好型高性能纤维成为人们的首要选择。高性能无机纤维近几十年来开始发展较为迅速,主要是指碳纤维、硼纤维、碳化纤维和氧化铝纤维,主要用于树脂、金属和陶瓷基体的增强,由于它们高的比强度和比弹性模量,使得复合材料具有比纯金属更优异的物理性能,其复合材料在军事、空间技术等方面发挥着不可替代的作用。

 

1. 氧化铝纤维的简介

氧化铝纤维主要成分为Al2O3,有的还含有SiO2B2O3等金属氧化物成分,是一种高性能的无机纤维。与碳纤维、碳化硅纤维等非氧化物纤维相比,氧化铝纤维具有高强度、超常的耐热性和耐高温氧化性的优点,可以在更高温度下保持很好的抗拉强度,长期使用温度在1450-1600℃;而且表面活性好,易与树脂、金属、陶瓷基体复合,形成诸多性能优异、应用广泛的复合材料;同时还具有热导率小、热膨胀系数低等优点。氧化铝纤维一直被认为是最具有潜力的高温材料。

 

1 多晶氧化铝纤维和氧化铝短纤维

 

由于具有优异的性价比和巨大的商业价值,氧化铝纤维正吸引着世界上许多发达国家投入大量的时间和精力去研制、开发与利用。与国际先进水平相比,我国研究开发氧化铝纤维起步较晚,基础理论研究和实验技术水平与国外还存在大差距。制备可纺性好、连续性强、缺陷少的氧化铝长纤维成为当今我国氧化铝纤维制备方面急需解决的问题。

 

2. 氧化铝纤维的制备

制备氧化铝纤维的原料大多为较易得到的金属氧化物粉末、无机盐、有机聚合物等,它可以通过直接从水溶液、溶胶或者其他一些溶剂中纺丝制成,也可以以黏胶丝为载体来制备。目前,氧化铝纤维的制备方法主要有溶胶-凝胶法、浸渍法、熔融抽丝法、游浆法等。

 

(一)溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是在液相条件下将醇盐或无机盐等原料混合均匀,加入有机酸类或高分子类助剂,经过水解和缩聚等反应得到澄清透明的稳定溶胶,溶胶中的胶粒聚合成为凝胶,凝胶经过干燥、煅烧等步骤得到所需要的微米级或纳米级材料。

 

利用溶胶-凝胶法制备氧化铝纤维主要包括三个步骤,即可纺性溶胶的制备、成纤以及热处理。

 

可纺性溶胶的制备分为分散法和水解法,其中水解法最为常用。水解法是以无机盐和醇盐为原料,在催化剂存在的条件下发生水解缩合反应其中无机盐先发生溶剂化反应,形成线性聚合物,这是使溶胶具有成纤性的关键因素。通过调节原料种类、组分比例、溶剂种类、催化剂、pH值和水解聚合温度来控制水解聚合,进而控制生成溶胶的可纺性。可纺性胶体形成后,运用不同的成纤方法制备凝胶纤维,这些方法主要有离心成纤、平吹成纤和干法纺丝等。而对凝胶纤维的热处理过程包含化学变化和矿物相变化,即将吸附水、结构水、有机物及某些负离子排除,使纤维结构转化为较稳定的氧化物物相,同时在该过程中控制纤维的致密性和力学等性质。因而热处理时升温速率要缓慢,必须先完全形成低温晶相,再转化为高温晶相。

 

2 无机铝盐应用溶胶-凝胶法制备氧化铝纤维基本工艺步骤[1]

 

优点:制品的均匀度高,尤其是多组分制品,其均匀程度可达分子或原子水平;制品纯度高,因为所用原料的纯度高,且溶剂在处理过程中容易被除去;烧结温度比传统方法约低400-500℃,制备的氧化铝纤维直径小,因而拉伸强度有较大提高。

 

缺点:原料多为有机醇盐,价格比较昂贵且对人类身体健康有害,不利于大规模工业生产;整个制备过程所需时间较长,使得工业生产周期过长,产品价格明显提高。

3 溶胶-凝胶法制备的氧化铝纤维扫描图[2]

 

(二)浸渍法

浸渍法是一种传统的催化剂制造方法,通常是将载体放进含有活性物质的水溶液中浸泡,当浸渍平衡后,将剩余的液体除去,再进行干燥、锻烧、活化等过程。

 

将浸渍法应用于纤维的制造,则是采用无机盐溶液浸渍基体纤维,其中亲水性能良好的有机粘胶纤维作为浸渍基体纤维,无机铝盐水溶液一般作为浸渍液。在一定条件下将它们混合,基体最大量的吸附浸渍液,其中无机铝盐以分子状态分散于基体纤维中,并非粘附于纤维表面,然后进行热处理,使有机纤维素全部分解,同时吸附的无机盐完成脱水、热解、裂解并分解成为氧化铝,从而在原有机纤维处形成氧化铝纤维,在更高温度下完成晶型转化和纤维的致密化。

 

4 溶胶浸渍法制备的氧化铝纤维[3]

 

优点:可以先将基体纤维编织再浸渍、烧结,因而可得到形状复杂且强度较高的连续氧化铝纤维。

缺点:成本较高且纤维质量较差,产率低,不适宜大规模生产。

 

(三)熔融抽丝法

熔融抽丝法是1971年美国TYCO研究所研发出的一种制备氧化铝纤维的新方法。熔融抽丝法即在高温下向氧化铝熔体中插入钼制细管,利用毛细现象,熔融液刚好升到毛细管的顶端,然后由顶端缓慢向上拉伸就得到连续α-Al2O3纤维。

 

此方法制备的纤维直径范围一般在20-150μm之间,长度在3-25mm之间,纤维的横截面一般为扇形、半圆形或圆形,纤维的表面较为光滑,纤维拉伸强度可达到2.35GPa,弹性模量可达451GPa。

 

优点:既可制备连续纤维,也可制备短纤维,且设备相对简单、成本低、工艺易控,成纤后不需要进一步的热处理。

缺点:由于随着氧化铝含量的逐渐升高,熔体的可纺性逐渐变差并难以控制,目前熔融抽丝法只能用于低氧化铝含量纤维的制备,这些纤维一般只能在低于1200℃的条件下应用,纤维品质相对较低;且这种制备方法成本较高,生产效率较低,不适宜大规模的工业生产。

 

3. 氧化铝纤维的应用

由于氧化铝纤维突出的化学稳定性、结构稳定性和环境友好性等特点,因此它已经被普遍地应用于航空航天领域、汽车运输领域、高温炉领域以及催化领域等。

 

1)航空航天领域

氧化铝短纤维具有超高温绝热的特点,因此在高温绝热领域受到人们的普遍欢迎。莫来石短纤维作为氧化铝纤维的一种,作为金属基陶瓷基复合材料的增强体具有热膨胀率低、韧性强、强度高的显著优势,在航天、航空工业上作为绝热材料得到了广泛应用。上世纪80年代,美国发射的“挑战者”及航天飞机防热材料中均使用了nextel-312纤维。

 

5 美国挑战者号及nextel-312氧化铝连续纤维

 

2)汽车运输领域

氧化铝纤维与金属基体的界面反应较小,浸润性良好,因此氧化铝纤维可以作为金属基质铝、镁、铁、镍、铜、钛以及其他各种金属的增强体,制备各种合金。例如,在较为苛刻的环境下工作的柴油发动机活塞就是应用的纤维增强复合材料。

 

6 纤维增强发动机活塞及纤维增强气门嘴帽

 

3)高温炉窑领域

氧化铝纤维还是一种优质的耐火材料,它具有质量轻、热稳定性好、热导率低以及耐火度较高等优异特点,其各项性能都优于传统耐火材料,其成品形式有散装纤维、真空成型制品等,具有非常有效的节能效果,普遍受到大众的欢迎。用氧化铝纤维制备的隔热衬护材料可以应用于1400以上的工作温度,在钢铁工业、石油化工业、陶瓷制备业中的各种炉窑都是应用的此种材料。

 

7 氧化铝纤维隔热衬护材料

 

4)催化领域

氧化铝介孔纤维材料由于具有介电常数高、热稳定性和化学稳定性好、机械模量高等优点而受到人们的普遍重视。无机介孔材料具有较大的比表面积和规则的孔道结构因而化学活性较高、吸附容量极大,所以在催化剂、催化剂载体和吸收剂领域有着广泛的应用。

 

参考文献

[1]邢芳. 微米级氧化铝纤维的制备与表征[D]. 华东师范大学, 2014.

[2]田敏. 氧化铝纤维的胶体法制备与表征[D]. 山东大学, 2012.

[3]王佳, 王守业, 王刚,等. 氧化铝溶胶浸渍法制备氧化铝纤维的工艺研究[J]. 耐火材料, 2017(1):50-52.

 

作者:L-things


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