氧化铝纤维的研究现状与发展趋势

氧化铝纤维的研究现状与发展趋势

景茂祥1,沈湘黔2

(1.长沙矿冶研究院研发中心,湖南长沙410012;2.江苏大学材料科学与工程学院,江苏镇江212013)

摘　要:介绍了氧化铝纤维的主要应用领域、国内外研究发展现状以及市场前景,并提出了一种制备氧化铝纤维的新方法。

关键词:氧化铝纤维;发展现状;制备方法

中图分类号:TF123文献标识码:A文章编号:0253-6099(2004)02-0069-03

Research Work on Alumina Fibre———Present State and Development Trend

JING Mao-xiang1,SHE N Xiang-qian2

(1.The R&D Ce nte r,Changsha Research Institute of Mining&M etalluary,Changsha410012,China;2.School of Mate ri-al Science and Enginee ring,Jiangshu Unive rsity,Zhe njiang212013,Jiangshu,China)

A bstract:A description is made of main application fields,present domestic and foreign development state and mar keting pr ospects of alumina fibre,and a ne w method is given for preparing alumina fibre.

Key words:alumina fibre;present development;state;preparing method

氧化铝纤维[1～2]是多晶耐火纤维的一个重要品种,与碳纤维、碳化硅纤维等非氧化物纤维相比,氧化铝纤维不仅具有高强度、高模量、耐高温等优良性能,而且还有很好的高温抗氧化性、耐腐蚀性和电绝缘性。氧化铝纤维可与树脂、金属或陶瓷进行复合制备高性能复合材料,在航空、航天、军工及高科技领域应用广泛。

1　主要应用领域

1.1　工业高温炉领域

氧化铝短纤维具有突出的耐高温性能,主要用作绝热耐火材料,在冶金炉、陶瓷烧结炉或其它高温炉中作护身衬里的隔热材料。由于其密度小、绝热性好、热容量小,不仅可以减轻炉体质量,而且可以提高控温精度,节能效果显著。氧化铝纤维在高温炉中使用节能效果比一般的耐火砖或高温涂料好,节能量远大于散热损失量,其原因不仅是因为减少了散热损失,更主要的是强化了炉气对炉壁的对流传热,使炉壁能得到更多的热量,再通过辐射传给物料,从而提高了物料的加热速度和生产能力。

1.2　航天领域

莫来石纤维[3～4]是氧化铝基纤维的主要品种,在结构上主要是以莫来石微晶相的形式存在。与一般氧化铝基纤维相比,莫来石纤维具有更好的耐高温性,使用温度在1500～1600℃,特别是高温抗蠕变性和抗热震性均有很大提高,是当今国内外最新型的超轻质高温耐热纤维。莫来石短纤维作为耐热材料,在航天工业上已得到重要应用。美国航天飞机已采用棚硅酸铝纤维来制造隔热瓦和柔性隔热材料。美国哥伦比亚号航天飞机隔热板衬垫用的是Saffil氧化铝纤维,当航天飞机由太空返回大气层时,由于Saffil氧化铝纤维能经受1600℃的高温,这种衬垫会防止热通过隔热板之间的间隙进入防热罩内。

莫来石纤维与陶瓷基体界面热膨胀率和导热率非常接近,莫来石纤维的加入可以提高陶瓷基体的韧性、增加冲击强度,在耐热复合材料的开发中发展很快。采用连续莫来石纤维增强的金属基与陶瓷基复合材料,可用于超音速飞机,也可制造液体火箭发动机的喷管和垫圈,能在2200℃以上使用。

1.3　环保和再循环领域

氧化铝纤维由于其良好的耐化学腐蚀性能,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腐蚀性能;也可用于汽车废气设备上作陶瓷整体衬,其特点是结构稳定。Saffil氧化铝纤维可用于铝合金活塞,它的优点是当温度上升时膨胀较小,比纯合金减少约25%,使活塞和汽缸之间吻合好,可节省燃料。

1.4　增强复合材料[5～9]

由于氧化铝纤维与金属基体的浸润性良好,界面反应较小,其复合材料的力学性能、耐磨性、硬度均有提高,热膨胀系数降低。氧化铝纤维增强的金属基复合材料已在汽车活塞槽部件和旋转气体压缩机叶片中

第24卷第2期2004年04月

矿　冶　工　程

MI NING AND METALL URG ICAL ENGI NE ERING

Vol.24№2

April2004

①收稿日期:2003-11-02

作者简介:景茂祥(1977-),男,山东莱芜市,硕士,研究方向为氧化铝陶瓷。

得到应用。又由于氧化铝纤维与树脂基体结合良好,比玻璃纤维的弹性大,比碳纤维的压缩强度高,所以氧化铝树脂复合材料正逐步在一些领域取代玻璃纤维和碳纤维。特别是在文体用品方面,可制成各种颜色的高强度钓鱼杆、高尔夫球、滑雪板、网球拍等。

氧化铝长纤维增强金属基复合材料主要应用于高负荷的机械零件和高温高速旋转零件以及有轻量化要求的高功能构件,例如汽车连杆、传动杆、刹车片等零件及直升飞机的传动装置等。最近,也有研究人员开始将其用于热核反应堆冷却换热装置的衬里。

2　发展现状及市场前景

氧化铝纤维的生产工艺比较简单,对生产设备和生产条件要求不高。与碳纤维相比,氧化铝纤维的成本要低很多,这使氧化铝纤维的大量应用成为可能。目前国外已有很多公司生产各种型号的高性能氧化铝纤维[10～14]。

英国ICI公司采用卜内门法生产商品名为Saffil 的氧化铝短纤维,使用温度可达1200～1600℃,已开始应用在工业烧结炉的衬里上。美国3M公司通过溶胶-凝胶法生产Nextel系列氧化铝纤维,其中较具代表性的品种是Nextel312。日本住友化学公司采用预聚合法生产Altex氧化铝纤维,其组分为Al2O3、SiO2和B2O3。美国杜邦公司采用淤浆法生产FP氧化铝纤维,氧化铝含量为99.9%。日本Mitsui Mining公司也通过淤浆法制得氧化铝含量在95%以上的连续氧化铝纤维。

以上几种氧化铝纤维制备方法中,溶胶-凝胶法工艺简单,烧结温度较低且制得的纤维均匀性好,纯度高,可设计性强,产品多样,已成为生产氧化铝纤维的主要方法。控制氧化铝纤维的不同生产工艺,可得到性质不同,适用于不同领域的纤维产品,特别在耐火材料领域,已经获得了较大发展。

国外多晶氧化铝耐火纤维的研究开发起步较早,目前的生产技术已趋成熟,工艺稳定,纤维制品综合性能优越,已在许多领域获得应用。

作为多晶氧化铝耐火纤维的主要品种,多晶氧化铝纤维具有优异的性价比和巨大的商业价值。自20世纪70年代以来,许多发达国家投入大量精力研制开发多晶氧化铝纤维。以美国的I CI公司为例,该公司已有20多年生产多晶氧化铝纤维的历史,生产的多晶纤维使用温度可达1600℃以上。国外多晶耐火纤维不仅用作高温绝热材料,而且还用作高级陶瓷、金属和塑料的增强材料。

多晶氧化铝纤维(Al2O372%～97%,最高使用温度为1700℃)的世界总产量还比较低,远远小于普通硅酸铝纤维,其中西欧国家的产量约占总产量的50%,日本占39%左右。有40%的多晶耐火纤维用于各种工业窑炉及热加工过程,25%左右用于冶金行业。

相比之下,国内氧化铝纤维的研究起步较晚,生产多晶耐火纤维在技术水平和产品质量上都还存在一定差距,生产工艺单一,装备也相对落后。目前国内进行氧化铝纤维研究的主要有中科院山西煤炭研究所[15～16]、厦门大学[17]和洛阳耐火材料研究院[18]等几家单位。其中,中科院山西煤炭研究所主要从事对氧化铝长、短纤维制备及性能的研究。采用胶体工艺法,将铝盐制成溶液,加热收缩,制成纺丝胶体,然后在特定条件下成纤和热处理,获得多晶氧化铝纤维,目前已拥有两种系列的纤维,分别用作催化剂担体、金属和陶瓷等基体的增强纤维。厦门大学科研处采用铝金属盐为原料,首先合成具有纺丝性能的氧化铝溶胶,并由此干纺得到氧化铝凝胶纤维,热处理和高温烧结后获得氧化铝纤维。该方法的优点是原料价格合理,来源广泛;纤维成型可以在离心喷吹机上进行,适用于规模生产;作为氧化铝纤维催化剂担体具有比表面高,金属分散度高,耐高温性能好(1100℃);用作金属基复合材料增强剂可使铝基复合材料减重10%～30%,耐磨性提高5～10倍,高温强度提高100%;用作陶瓷基复合材料增强剂可使复合材料减重10%～30%,韧性提高2～3倍。

在耐火材料领域,国内多晶氧化铝耐火纤维主要以多晶莫来石纤维和多晶氧化铝纤维为主,仅用于使用温度为1350～1400℃的陶瓷贴面。近年来,洛阳耐火材料研究院在开发耐火材料纤维领域取得较大进展,以氯化铝水溶液和金属铝粉为原料,采用胶体法研制生产的多晶氧化铝纤维(Al2O380%～95%)可以用于1500～1650℃的高温窑,年产量为80t。

目前使用氧化铝纤维为主要原料的成型产品除了耐火隔热纤维砌块外,还有:氧化铝纤维增强铝基复合材料活塞、纤维氧化铝催化剂有机废气处理器、纤维氧化铝燃烧辐射器等。

在市场方面,氧化铝纤维及其制品具有很好的发展前景。控制氧化铝纤维的不同生产工艺,可得到不同性质,不同应用领域的纤维产品。当前氧化铝纤维在耐火材料领域的应用已趋于成熟,市场竞争也日渐激烈。而在其他领域,如增强基复合材料、环保、催化等领域应用较少,发展空间很大。利用氧化铝纤维增强的铝基复合材料活塞具有高强度和耐磨、耐热冲击能力及低的热膨胀系数等优良性能,有利于改善汽车发动机性能,提高发动机使用效率,减少废气排发量。纤维氧化铝燃气催化燃烧辐射器应用于烧烤烘干行业,能显示提高燃烧效率,改善产品烘干效果,节约能源。其作为隔热材料,具有优异的保温性能,能显著减少热损失。据统计,国际市场对氧化铝纤维的需求量平均每年按10%～15%的速度递增。其经济效益从

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