陶瓷纖維的化學組成與結構性質

1 陶瓷纖維的化學組成

2 陶瓷纖維的結構性質  

陶瓷纖維的直徑一般為2μm~5μm,長度多為30mm~250mm,纖維表面呈光滑的圓柱形,橫截面通常是圓形。其結構特點是氣孔率高(一般大于90%),而且氣孔孔徑和比表面積大。由于氣孔中的空氣具有良好的隔熱作用,因而纖維中氣孔孔徑的大小及氣孔的性質(開氣孔或閉氣孔)對其導熱性能具有決定性的影響。實際上,陶瓷纖維的內部組織結構是一種由固態纖維與空氣組成的混合結構,其顯微結構特點在固相和氣相都是以連續相的形式存在,因此,在這種結構中,固態物質以纖維狀形式存在,并構成連續相骨架,而氣相則連續存在于纖維材料的骨架間隙之中。正是由于陶瓷纖維具有這種結構,使其氣孔率較高、氣孔孔徑和比表面積較大,從而使陶瓷纖維具有優良的隔熱性能和較小的體積密度。

2 陶瓷纖維制造工藝、方法與技術快速發展  

目前,“電阻法噴吹成纖、干法針刺制毯”和“電阻法甩絲成纖、干法針刺制毯”仍為國際上陶瓷纖維生產的兩種典型的工藝技術。由于陶瓷纖維的應用范圍越來越擴大,以及隨著高新技術的發展,要求陶瓷纖維產品向功能性方向發展,以滿足特定領域內所需的專用功能性產品,如使產品具有優良的耐高溫性能、機械力學性能、柔韌性能和可紡性能等。  

在制造方法方面,熔融法與化學法(膠體法)同時并存且同步發展,以適應不同品種用途的需要。熔融法常用于生產非晶質(玻璃態)纖維,其技術含量低,生產成本低,產品的應用量大面廣,主要用于工業窯爐、加熱裝置耐火、隔熱應用領域中的基礎材料?；瘜W法用于生產多晶晶質纖維,該法技術含量高,生產成本也高,附加值高,但產品仍較少,主要用于1300℃以上高溫工業窯爐的耐火隔熱及航天、航空、核能等{jd0}技術領域。      

3 提高陶瓷纖維生產原料的純度,發展生產能力較    

陶瓷纖維的產品質量主要取決于原料的質量,一些工業發達國家的陶瓷纖維生產企業都是以高純度合成粉料為原料,使熔融法生產的非晶質纖維化學組成中的Fe2O3、Na2O、CaO等有害雜質的含量低于1%,從而提高了纖維板的質量和耐熱性能。      

4 大新產品研制開發力度    

一般是對現有的工藝設備和生產工藝進行改造與完善,生產功能性產品,擴大應用領域。新產品的開發主要有:晶質氧化鋁連續長纖維、復合材料生產用的新型纖維增強體和納米結構晶質氧化鋁連續長纖維的開發等

陶瓷纖維的機械物理性能    

   陶瓷纖維品種較多,其化學成分也不相同,因此其機械物理性能也有較大的差異,現選擇具表性的4種主要陶瓷纖維的典型性能列于表2。

表2 4種陶瓷纖維的典型性能      

瓷纖維的制造方法        

1 化學氣相反應法    

化學氣相反應(CVR)法是以B2O3為原料,經熔紡制成B2O3纖維,再置于較低的溫度和氨氣中加熱,使B2O3與氨氣反應生成硼氨中間化合物,再將這種晶型不穩定的纖維在張力下進一步在氨氣或氨與氮的混合氣體中加熱至1800℃,使之轉化成BN纖維,其強度可高達2.1GPa,模量可達345GPa。      

2 化學氣相沉積法  

化學氣相沉積(CVD)法系由鎢芯硼纖維氮化而成。制造時,先將硼纖維加熱至560℃進行氧化,再將氧化纖維置于氨中加熱至1000℃~1400℃,反應約6h后即可制得BN纖維。      

3 聚合物前軀體法    

聚合物前軀體法是由聚硼氮烷熔融紡絲制成纖維后進行交聯,生產不熔化的纖維.再經裂解制成纖維。  

Si3N4纖維有兩種制法:一是以氯硅烷和六二硅氮烷為起始原料,先合成穩定的氫化聚硅氮烷,經熔融紡絲制成纖維,再經不熔化和燒制而得到Si3N4纖維;二是以和二氧化硅烷為原料,在惰性氣體保護下反應生成白色的固體加成物,再于氮氣中進行氨解得到全氫聚硅氮烷,再置于氮氣中進行氨解得到全氫聚硅氮烷.再置于烴類溶劑中深解配置成紡絲溶液,經干法紡絲制成纖維,然后在惰性氣體或氨氣中于1100℃~1200℃溫度下進行熱處理而得氮化硅纖維。  

SiBN3C纖維也是采用聚合物前軀體法生產的,是一種新的陶瓷纖維,起始原料為聚硅氮烷,經熔融紡絲、交聯、不熔化和裂解后制得纖維。  

SiO2纖維是通過與制備高硅氧玻璃纖維相同的工藝制得的,先制成玻璃料塊,再進行二次熔化,采用鉑金坩鍋拉絲爐進行熔融紡絲,溫度約1150℃.得到纖維或進一步加工成織物等成品后用熱鹽酸處理,除掉B2O3HNa2O成分,再進行燒結使纖維中SiO2的質量分數達到95%~{bfb}。另外,還有以SiO2為原料,配制成高粘度的溶膠后進行紡絲,制得前軀體纖維后,再加熱至1000℃,便可制得純度為99.999%的石英纖維。此外,還可用石英棒或管用氫氧焰熔融拉成粗纖維,然后再以恒定速度通過氫氧焰或煤氣火焰高速拉成直徑為4μm~10μm的連續長纖維,SiO2含量為99.9%。