陶瓷纤维工作环境及损坏机理

陶瓷纤维衰变及损坏机理

摘要介绍了陶瓷纤维在使用时,加热过程和炉内存在不同气氛中微观组织变化及宏观组织呈现的形态，分析出了陶瓷纤维老化、断径，粉化和损坏机理．从而对于陶瓷纤维的应用环境和使用温度有了理论的指导，也对陶瓷纤维在使用过程中出现的问题，在分析中有了理论的依据．

关键词:陶瓷纤维析晶晶粒长大收缩损坏

0.前言

陶瓷纤维炉衬的粉化脱落，同重质不定形耐火材料炉衬的松动剥落，有一定的相似之处。耐火材料使用过程中，随着时间的推移和温度的变化，其材料内部显微组织结构也处在不断地变化之中，微观组织的变化，必然伴有宏观应力的产生。材料体积变化和应力的出现，必然对其母体有一定的破坏性。

设计者在设计高温炉衬同时，首先考虑到的是,所选用耐火材料的安全使用温度。在选定这种材料前，设计者又会留有一定的安全系数，用来应付炉窑出现的瞬间高温等非正常工作情况。

Al203-Si02系陶瓷纤维在生产应用中的损坏，基于一个原因造成的两个方面的破坏。一个原因:长时间在高温下加热,纤维发生析晶,晶相转变和晶粒长大。两个方面：一是造成纤维杆自身断裂粉化；二是产生收缩形成制品间隙扩大，火焰窜入后烧损炉壁、锚固件而使结构破坏，玻璃态纤维主要是析晶,晶体态纤维主要是晶粒长大和晶相转变。

1.玻璃态纤维在温度条件下损坏机理

2.1析晶现象

玻璃态纤维（我们目前使用的：普铝纤维，高铝纤维和含锆纤维）是一种非晶体物质，玻璃是过冷的熔融体。高温液体几秒内骤冷，使原子不能按其规则排列而偏离平衡状态，它具有比晶体纤维较高的内能。在热力学上，玻璃是不稳定的，原子能自动重新排列，即结晶,向晶体态转化。玻璃态物质在常温下粘度大，内部原子的扩散和重新排列速度小，扩散的行程短，使玻璃态在常温下有很大的相对稳定性；在动力学上，玻璃态纤维又是稳定的。随着温度的升高，纤维的粘度降低，原子扩散和规则化排列速度增大。玻璃态物质存在着原子（质点）“近程有序（原子团）"和“远程有序"排列，近程有序中的原子布置接近于晶格排列形状，远程有序不接近晶格的排列形状。所以在一定温度条件下，玻璃态纤维析晶首先从近程有序的原子团中的晶核开始，如下图图

无序排列向有序排列的过渡，是一个能量释放过程，这一点从差热分析测定结果可以看出。几种玻璃态纤维,在被加热到980℃左右，都有较强的放热峰现象，这种放热现象是原子由无序排列转变到有序排列伴随能量释放的结果。温度继续升高，再无其他放热峰现象，因此该放热峰出现的温度应是莫来石析晶温度。纤维的收缩是一个持续的过程，大部分的收缩量产生于承受高温的最初24小时以内。陶瓷纤维一直处于高温下时，收缩便一直发生，纤维的这种收缩是由于单根纤维体的变化而造成的，单根纤维体的变化是由于玻璃态向晶体态转变，转变过程是原子或质点有规则排列，有规则排列造成空间缩小，纤维杆体积收缩。

硅酸铝陶瓷纤维中，莫来石首先析出，在950℃开始出现。莫来石的形成与时间没有很大的关系，但初始晶粒与时间和温度均有关系，晶粒的尺寸随时间和温度的增长而长大。在1300℃时，单颗莫来石晶粒的尺寸比其在1100℃时的尺寸大4倍。方石英在1100℃以上时开始析出，开始的时间与温度有关，温度越高，方石英初始析晶时间越早，单颗石英的晶粒也越大。随着晶粒的的长大，当其尺寸接近单根纤维的直径时，陶瓷纤维杆表面出现凸凹不平即缩径，单根纤维的强度将会变弱。这种时间－温度的关系将会导致：长时间使用后纤维产品的强度变弱或变脆。随时间而持续不断的收缩，将会降低纤维的有效长度，长期使用后将产生整体收缩。由于不均匀一致或不相似的晶粒生长，晶粒生长过程也是使得纤维卷曲进而收缩的主要原因，（如下图）。

1.2收缩与损坏

纤维的收缩与损坏，是原因和结果的关系，而纤维的析晶与收缩也是原因和结果的关系。析晶和晶粒长大,是纤维在一定条件下微观组织发生的变化过程,变化所导致的结果是纤维发生收缩，收缩是一项明显的定量指标。

析晶过程是原子杂乱排列向规则排列的过渡过程，是一种松散型向致密型形成的过程。晶体的形成要增加表面能（因表面张力造成的能量）也属于自由能的一部分。只要有条件,晶体总是要缩小自己的表面积，这也是晶粒长大的动力条件。对于固态物体来说,晶格化过程中，是多个晶格同时形成过程.质点向晶格内充填后，其原有位置无法由其他质点充填，在纤维的外观表面形成凸凹不平，质点的重新布置，使纤维原整体性受到破坏，丧失原有的弹性结构，造成应力从缩径处，晶界空位处释放,纤维发生断裂粉化。

微观的收缩，在外观上的累积更加明显，使纤维制品单元接触问缝隙增大，虽然在安装时留有预压缩量，但由于纤维失去弹性，补充受到限制。火焰将从单元接缝处窜入，造成锚固件及内层纤维受损而脱落。因此说，纤维收缩率是衡量纤维使用温度和时间的一个重要条件，加热时收缩率小于 2.4%的温度，应是玻璃态纤维的安全使用温度。所以在应用技术中，在选定了纤维使用温度同时也要兼顾加热时间，两者的最佳值应是设计的安全可靠参数。

2．晶体态纤维的损坏机理

晶体纤维的制品,在制取工艺过程中就进行了预结晶，基本上消除了玻璃态结构，因此在使用过程中有很少的析晶现象，仅有晶粒长大和晶相转变过程，所以其使用温度可比玻璃态纤维高300℃以上。晶体纤维损坏原因是由于晶粒长大,晶相转变，造成纤维的体积变化，因此说体积收缩仍是晶体纤维损坏的一个主要原因和条件。

2.1.晶体态纤维的分类及收缩

A12O3-SiO2系晶体纤维,按化学成分可分为三种类型，即A72（Al2O3；72%多晶莫来石纤维），A80（Al3O3：80%，多晶氧化铝纤维）和A95（A12O3：95%多晶氧化铝纤维）。A72在整个固相温度区间始终保持单一的莫来石晶相，不存在莫来石的同素异构相变过程。固态晶体结构物质在其温度变化区间发生相变和同素异构转变，必然伴有晶格的重新排列，晶格的重新排列也必然带来结构的变化，随着结构的变化,纤维宏观上出现体积收缩和应力的产生。A72只有单一的莫来石晶相组成，随着温度的升高，晶粒有长大的现象，无相变和晶变过程，所以结构和组成都比较稳定．A80和A95都是由a-A1203和莫来石两相组成a-A12O3相在加热过程的变化及所出现的稳定性，A95与A72收缩特性有明显的差异，产生的差异关键在微观组织中组成相不同，A80和A95加热前的晶相主要是莫来石和θ-A1203，随着温度的升高和时间的推移,θ-Al2O3转化成α-Al2O3（不可逆的同素异构转变），这从电子像上可以观察到，A72的晶粒较小，而A80和A95在加热后能观察到粗大的Al2O2结晶晶粒。

2.2 纤维的自身断裂粉化