氧化铝纤维2

氧化铝纤维

最近在老师的带领下，我们学习了关于复合材料的有关知识，随着对复合材料了解的不断深入，我发现自己对复合材料越来越感兴趣，它不仅在思想概念上给了我以新的启迪即复合组合的理念，而且让我对生活中的具体事物产生了更加浓厚的兴趣，不得不说生活处处皆学问，就算是一块看似简单的塑料也是由复杂的工序复合而成。

下面我将介绍一下自己所感兴趣的一种材料，从初中的常见氧化物到高中的红宝石、刚玉再到如今的氧化铝纤维复合材料，氧化铝似乎与我结下了不解之缘，作为一种性能优良的金属化合物，它在生产生活中发挥着重要的作，而氧化铝纤维则是其中的神来之笔。

氧化铝纤维，英文名alumina fiber，又称多晶氧化铝纤维，属于高性能无机纤维，是一种多晶陶瓷纤维，具有长纤、短纤、晶须等多种形式。氧化铝纤维直径10～20μm，密度2.7～4.2g/cm3，强度1.4～2.45GPa，模量190～385GPa，最高使用温度为1100～1400℃，

以Al

2O

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为主要成分，并含有少量的SiO

2

、B

2

O

3

、Zr

2

O

3

、MgO等。它具有一般陶瓷纤维的高强

度、高模量、热导率小、热膨胀系数低、抗化学侵蚀能力、超常的耐热性和耐高温氧化性等优点外，还具有原料成本较低、生产工艺简单等特点，具有较高的性价比和商业价值，广泛应用于工业、军事、民用复合材料领域。而控制氧化铝纤维生产的不同工艺过程，可得到性质不同适用于不同应用的高性能纤维产品。在使用中通常把氧化铝纤维和普通硅酸铝纤维按不同比例混合，制成板、毡、砖、标异预制件等，成为以适应不同用途和强度需要的氧化铝纤维制品。目前国内外巨大的市场需求，使氧化铝纤维产品面临着不断增长的市场发展机遇。

氧化铝纤维制法不同其Al

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的结晶态和含量各异，制取工艺比较简单，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，且原料易得，这为氧化铝纤维的大量应用提供了充足的条件。由于氧化铝熔点高达2323°C，其熔体粘度低，成纤性差，故无法用熔融法制取氧化铝纤维，目前主要有以下几种制取工艺：

一、淤浆法。以α-Al

2O

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粉、Al(OH)

2

Cl·2H

2

O及少量MgCl

2

·6H

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O为主要原料，加入分散

剂、流变助剂、烧结助剂等辅料，在一定条件下制成淤浆干纺混合物，挤出纺丝成纤、干燥，在1000～1500℃的空气中烧结，再在1500℃气体火焰中处理数秒钟，得到连续的氧化铝纤维。淤浆法生产中的浆料含水分及挥发物较多，在烧结前必须进行干燥处理，并要选择适当的升温速率，以防止气体挥发时体积收缩过快导致纤维破裂。

二、溶胶-凝胶法。以金属铝的无机盐或醇盐为主要原料，加入醋酸、酒石酸等酸催化剂和水等，在一定条件下配成溶液并使其分散均匀，发生水解和聚合反应后得到一定浓度的溶胶，再经过浓缩处理使其粘度达到220～250Pa·s，成为可纺凝胶，经过纺丝、干燥后于1500℃烧结，可得到微晶聚集态氧化铝纤维。该法生产氧化铝纤维工艺简单，易于控制早期结晶以及材料的显微结构，产品纯度高，均匀性好，其均匀程度可以达到分子或原子水平，溶液在生产中容易被除去，烧结温度比传统方法低400～500℃，所得到的氧化铝纤维的拉伸性能好、可设计性强、产品多样，已成为制取氧化铝纤维的主要方法。

三、预聚合法。用烷基铝和其他添加剂在一定条件下聚合，形成一种铝氧烷聚合物，将该聚合物溶解在有机溶剂中，加入硅酸酯或有机硅化合物，再对该混合物进行浓缩处理成可纺粘稠液。经过干法纺丝成先驱纤维，然后分别在600℃和1000℃进行热处理，得到微晶聚集态连续氧化铝纤维。该法易于得到连续的氧化铝长纤维。

四、卜内门法。将有机铝盐和其他添加剂在一定条件下混合使之成为一定粘度的粘稠溶液，然后再与一定量的水溶性有机高分子、含硅氧化聚合物等混合均匀，形成可纺粘液，经过纺丝、干燥、烧结等处理，即得到氧化铝纤维。卜内门法难以得到连续长纤维，其产品多为短纤维形式。

五、浸渍法。采用无机铝盐作为浸渍液，亲水性能良好的粘胶纤维作为浸渍物基体纤维。在一定条件下将其混合均匀，无机铝盐以分子状态分散于基体纤维中，经过浸渍、干燥、烧

结、编织等步骤可以得到形状复杂的氧化铝纤维。浸渍法易于形成含铝纤维，并可以制成形状复杂的纤维产品，但成本较高，工艺较为繁琐，产品性能不易控制，形成的纤维质量较差。

六、熔融抽丝法。美国TYCO研究所于1971年开发了熔融抽丝法来制备单晶α-Al

2O

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纤维，

即在高温下向氧化铝熔体插入钼制细管，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α-Al

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连续纤维。该方法亦有不足之处。

氧化铝纤维的用途十分之广。氧化铝纤维分为短纤维和长纤维。氧化铝短纤维主要用于高温绝热材料，长纤维用作增强复合耐火材料，可以编织成无纺布、编织带、绳索等各种形状的纤维制品。作为一种重要的绝热节能材料，其应用技术在近十几年来得到迅速发展。随着应用技术的提高，氧化铝纤维及其制品不断拓展了新的应用领域，具有良好的发展前景。

氧化铝短纤维具有突出的质量轻、耐高温、热稳定性好、热导率低、热容小及耐机械振动等优点，导热系数和容重分别只有传统耐火材料的1／10和1／15，综合性能好，是理想的节能增效耐火材料，用于工作温度高于1400℃的钢铁工业各种热处理炉、陶瓷烧成窑、石油化工中的裂解炉、燃烧炉等的隔热炉衬材料。不仅可以减轻炉体质量，而且可以提高控温精度，减少炉壁散热，保温性能好，蓄热量少，热惰性小，具有良好的热辐射能力和红外加热效应，比一般的耐火砖或高温涂料节能效果显著。生产实践证明，应用于连续加热工业炉可节能15%以上，用在间歇式工业加热炉可节能30%以上，同时可提高生产率和改善产品质量，实现炉体结构轻型化、大型化。多晶氧化铝纤维在高温工业炉、加热装置及高温管道的应用将替代部分其他耐火绝热材料，具有优异的性价比和实际应用价值。

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, 能经受1600℃的高温,当航天飞机由太空返回大气层时,这种衬垫会防止热通过隔热板之间的间隙进入防热

罩内。Saffil氧化铝纤维还可用于铝合金活塞，优点是当温度上升时膨胀较小，比纯合金减少约25%，使活塞和汽缸之间磨合接触良好，可节省燃料。氧化铝纤维增强复合材料制成的空射导弹用固体发动机壳体，其爆破压强和钢材相同，质量则比铝合金还减轻11%。氧化铝长纤维增强金属基复合材料主要应用于直升飞机的传动装置等承受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航空航天高功能构件。此外，还可应用于固体火箭发动机喷管，使喷管设计大大简化，部件数量减少50%，质量减轻50%。多晶耐火氧化铝纤维也应用于宇航导弹和原子能领域，用作核反应堆及航天飞机的隔热材料、轻合金的增强材料等。

氧化铝纤维增强的金属基复合材料具有高强度和耐磨、耐热冲击能力及低的热膨胀系数等优良性能，已在汽车活塞槽部件和旋转气体压缩机叶片中得到应用，有利于改善汽车发动机性能，提高发动机使用效率和燃烧速率，减少废气排放量。氧化铝纤维材料可用于汽车废气设备上作陶瓷整体衬，其特点是结构稳定。目前，全国汽车保有量超过7000万辆，汽车尾气排放已经成为一些大城市的头号空气污染源，占总污染源的50%以上。近年来，由于环保要求的不断提高，汽车发动机必须达到欧Ⅲ甚至欧Ⅳ的尾气排放标准，因此尾气温度需要提高到1100℃左右，而传统的可膨胀型陶瓷蛭石衬垫最高使用温度约900℃，很难满足低排放要求。采用氧化铝短切纤维来制成的密封衬垫，具有小直径，无渣球，良好的耐热性和高温抗蠕变性能，能达到最高使用温度的要求，符合国内汽车低排放的发展要求。

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、硬度均有所提高，热膨胀系数降低。氧化铝纤维增强铝基复合材料成为装甲车、坦克发动机活塞的理想材料。美国陆军采用氧化铝纤维增强复合材料制造坦克履带板，使重量从铸钢的544kg下降到272～363kg。采用高强度、高弹性的氧化铝纤维与陶瓷基体复合技术，能得到韧性优良的纤维增强陶瓷基复合材料，可明显提高陶瓷产业的技术水平，带动高技术陶瓷产业的迅速发展。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