科普 | 被严重低估的战略新兴材料——陶瓷纤维|氧化铝|玻璃|石英|碳化硅|莫来石|陶瓷纤维|高温合金

陶瓷纤维是一种纤维状轻质耐火材料，具有质量轻、耐高温、热稳定性好、导热率低、比热小及耐机械震动等优点。

目前大家比较熟知的陶瓷纤维有硅酸铝纤维、莫来石纤维及氧化铝纤维等传统陶瓷纤维，还有石英纤维、碳化硅纤维、氧化锆纤维、氮化物纤维等先进陶瓷纤维。

陶瓷纤维的生产方法

陶瓷纤维按组成，分为玻璃态(非晶态)纤维和多晶(晶态)纤维两大类。

1）玻璃态纤维生产方法

玻璃态陶瓷纤维的生产方法是将原料在电阻炉内熔融，高温熔体从出料口流出，流到多辊离心机高速旋转的甩丝辊上，甩丝辊的离心力将高温熔体甩成纤维状材料。高温熔体也可以在高速气流喷吹力的作用下骤冷而被吹制成纤维状材料。

2）多晶态纤维生产方法

多晶陶瓷纤维的生产方法有胶体法和先驱体法两种：

胶体法：将可溶性的铝盐、硅盐等制成一定粘度的胶体溶液，经压缩空气喷吹法或离心盘甩丝法成纤，然后进行高温热处理就转变成铝硅氧化物晶体纤维。

先驱体法：将可溶性的铝盐、硅盐制成一定粘度的胶体溶液，用膨化有机纤维均匀吸收该胶体溶液，再进行热处理而转变成铝硅氧化物晶体纤维。

陶瓷纤维9大特性

陶瓷纤维制品是一种优良的耐火材料。具有质量轻、耐高温、热容小、保温绝热性能良好、高温绝热性能良好、无毒性等优点。陶瓷纤维特性：

导热系数低，常温下仅为0.03W/（m·K），在1000℃时为粘土砖的1/5。

制品密度小，一般在64~500kg/m3之间。

热容量低，仅为耐火砖的1/72，轻质砖的1/42。

加工性能好，纤维柔软易切割，连续性强，便于缠绕。

吸音性能良好，可作为高温消音材料。

化学稳定性好，除强碱、氟、磷酸盐外，几乎不受化学药品的侵蚀。

耐热震性能好。

绝缘性能良好，常温下体积电阻率为1×1013Ω·cm，800℃下体积电阻率为6×108Ω·cm。

陶瓷纤维对波长1.8~6.0μm的光波有很高的反射性。

8大典型陶瓷纤维

1）氧化铝纤维Al2O3

氧化铝纤维是一种高性能新型无机纤维。氧化铝纤维主要分为长纤维、短纤维、晶须三类。

长纤维又叫连续纤维，长纤维有很好的抗拉强度，同时还具有耐高温、耐腐蚀、热导率小等优良特性。长纤维的制备过程简单，对生产设备要求低，金属氧化物粉末、无机盐、水、聚合物等均可作为长纤维制备的原材料。

氧化铝短纤维由微晶构成，有晶体材料和纤维材料的所有优点，具有良好的耐急冷急热性能，可用于耐高温隔热材料。

Al2O3纳米纤维制备方法：

熔融法：将无机氧化物电加热熔融形成熔体，然后溶体经不同的成纤方式形成Al2O3纳米纤维。该方法工艺简单、成本低廉、操作简易，同时该方法制备的纤维不需要经过高温煅烧的过程，因此该方法制备的纤维可以很好地避开晶粒长大的问题。但此方法熔体中氧化铝含量增加，会增加熔体的黏度，造成成纤困难,制备的氧化铝纤维氧化铝含量较低。

溶胶凝胶法：原料主要为铝的醇盐或无机盐，选择一种有机酸作为催化剂，将含铝的醇盐或无机盐的溶液制备形成溶胶，溶胶通过不同成纤技术形成所需纤维，最后将凝胶纤维通过热处理的方式形成氧化铝陶瓷纤维。

浸渍法：浸渍法的基体纤维选择亲水性能良好的粘胶纤维，浸渍液选择无机铝盐，将基体纤维在浸渍液中充分浸渍，再将浸渍后的基体纤维经干燥、烧结、编织等工艺得到氧化铝纤维。此工艺可制备出不同形貌的纤维且纤维强度高，但制备成本较高，不能得到广泛应用。

淤浆法：淤浆法又称杜邦法，将氧化铝粉末分散于水中，同时还需要在水中加入分散剂、流变助剂、烧结助剂等制成均匀浆料，浆料再经过挤出成纤、干燥、烧结等工艺得到氧化铝纤维，该工艺制备的纳米纤维直径均一且直径较大。

静电纺丝法：一种经典的制备方法，可利用静电纺丝与高温煅烧的结合成功制备出纤维直径150nm左右高纯α-Al2O3纤维。

2）碳化硅陶瓷纤维SiC

SiC纳米纤维是非氧化物陶瓷纤维，主要由碳和硅组成，碳化硅从形态上分为两类：连续碳化硅纤维和晶须。

碳化硅纤维具有纤维强度高、耐化学腐蚀性、耐高温及高模量等优异性能。纤维补强的陶瓷基复合材料作为重要的新型陶瓷材料在高科技领域，如航空航天、军工武器装备等方面得到广泛关注。

SiC纳米纤维制备方法：

化学气相沉积法：利用化学气相沉积法制备的碳化硅纤维纯度较高，在高温下仍可保持良好稳定性、抗蠕变等，但此方法制备的碳化硅纳米纤维不易制备复合材料。

先驱体转化法：该方法主要由以下四个工序组成：先驱体合成、熔融纺丝、不熔化处理与高温烧结，以此方法成功制备出的碳化硅纤维展现出良好的力学性能。

活性炭纤维转化法：将有机原纤维经过处理得到活性炭纤维，活性炭纤维与气态氧化硅进行化学反应，使活性炭纤维成功转化为碳化硅纤维，对碳化硅纤维进行热处理，得到最终产物碳化硅纳米纤维。此方法制备的碳化硅纤维抗拉强度大，可达1000MPa以上。

静电纺丝法：该方法制备的纤维尺寸均一且纤维形貌好，用聚乙烯吡咯烷酮为助纺剂，可制备出直径200nm的连续碳化硅纤维。

3）二氧化锆纳米纤维ZrO2

ZrO2纳米纤维是一种氧化物陶瓷纤维，熔点高达2700℃，1900℃的高温条件下也不与熔融的铝、铂、铁、镍等金属发生反应，具有极好的化学稳定性。

ZrO2具有高电阻率、高折射率、耐腐蚀和低热膨胀系数的特性，被广泛用作保温隔热材料、陶瓷绝缘材料等。

ZrO2低温时表现为单斜晶型，温度升高到1100℃以上转变为四方晶型，1900℃以上为立方晶型。在不同温度下，纯ZrO2的三种晶型可发生转化。纯ZrO2在降温过程中会发生8%的体积膨胀，为防止纯ZrO2发生晶型转变，通常会在制备过程中加入适量的稳定剂:Y2O3、CaO、MgO等。

静电纺丝法与溶胶-凝胶法结合是一种新型的制备ZrO2纳米纤维的方法，此方法制备的ZrO2纳米纤维直径较细且为连续。

4）氮化硅纤维Si3N4

氮化硅纤维是一种耐高温、高强度陶瓷纤维，其化学式为Si3N4，在氧化性气氛中，其最高使用温度为1300℃；在非氧化性气氛中，其最高使用温度1800℃。拉伸强度和弹性模量分别可达到1000MPa和300GPa，热膨胀系数低，磨损抗力优良，主要用来增强金属和陶瓷。

5）硅碳氮纤维SiCN

硅硼氮碳(Si-B-N-C)陶瓷纤维高耐温、高强度、室温下的强度大于250GPa的弹性模数和0.4～1的蠕变值m（使用标准BSR试验,1小时,1400℃），是一种兼具耐高温性、抗高温氧化性、抗蠕变性、高强度、吸波等优点于一身的新型结构/功能一体化陶瓷纤维。

6）硅酸铝纤维

硅酸铝纤维形状和颜色同棉花相似，是一种非晶体陶瓷纤维，主要由氧化铝和二氧化硅组成，有时还含有少量的氧化铁、二氧化钛、氧化钙等物质。根据组成物质及含量的不同，可分为四类：标准(普通)硅酸铝纤维、高纯硅酸铝纤维（莫来石纤维）、高纯含铝硅酸铝纤维和高纯含锆硅酸铝纤维。具有优良的绝热特性，耐酸、碱腐蚀性好，具有优良化学稳定性。电绝缘体、吸声性好，对500Hz以上中、高度波可吸收80%以上。通常在800℃以上使用。具有优良的绝热特性，耐酸、碱腐蚀性好，电绝缘性、吸音性好，对500Hz以上中、高波可吸收80%以上。

7）莫来石纤维

莫来石纤维是一种多晶结构的纤维（纤维中Al2O3含量在72%-75%之间），主晶相为莫来石微晶，作为氧化硅和氧化铝二元体系中唯一的稳定相，其活性低，再结晶能力较差，因此莫来石纤维具有较好的耐高温性能，使用温度在1500~1700℃，但当温度高于1500℃时，其晶粒也会长大，使其丧失高温力学性能，当温度达到1830℃左右时，会迅速分解为氧化铝和液相。

8）石英纤维

石英纤维是指杂质含量低于0.1%，纤维直径在0.7~15μm的高纯度特种二氧化硅玻璃纤维。其具有很高的耐热性，长期稳定的使用温度为1050℃，瞬间耐温高达1700℃，但是在600℃时强度开始下降。

纤维保持了固体石英的部分性能和特点，是一个良好的耐高温材料，也是作为先进复合材料的增强体。石英纤维的纯度＞99.9%，这使得纤维具有抗烧蚀性强、耐温性好、导热率低，而且化学稳定性高，介电性能也非常优良。

陶瓷纤维的应用

陶瓷纤维原棉通常加工成各种式样的陶瓷纤维制品供各行各业选用。陶瓷纤维制品最重要的用途就是高温环境下的保温隔热，应用范围涵盖冶金、机械、电子、陶瓷、玻璃、化工、汽车、建材、轻工、军工、船舶、航空航天等领域。

1）绝热保温材料

陶瓷纤维耐高温特性良好，其可承受1500℃高温；陶瓷纤维还具有良好的隔热功能，主要是由陶瓷纤维的混合结构(即固态纤维和空气组成)决定。因此陶瓷纤维可以很好地将耐火材料韧性差的问题解决。陶瓷纤维的绝热保温性能使陶瓷纤维制品在工业炉炉壁和建筑材料上得到广泛使用。

陶瓷纤维是优质耐火保温材料，符合下游行业“更节能、更环保、更安全”的需求，目前国内陶瓷纤维制品年产量约70万吨，占耐火材料比例约为2.9%，基数较小，未来每一细分应用领域的拓展都将带来较高增长。陶瓷纤维制品并非完全标准化产品，应用于不同领域需调整配料、工艺与技术支持，因此非标准方面的应用随着整个工业体系发展而得到拓展。

陶瓷纤维属于高效节能绝热保温材料，材料本身具有一般纤维的特点，同时又拥有普通纤维所没有的耐高温、耐腐蚀和抗氧化性能，更重要的一点是避免了一般耐火材料的脆性，从而在一定程度上取代着传统重质耐火砖被用作工业窑炉壁衬材料。陶瓷纤维作为窑炉炉壁砌筑而成的工业窑炉在使用中最大的优点就是节能。如：多晶莫来石纤维制品可长期用于1600℃以下的高温热工设备中作绝热材料，如碳化硅电炉、硅化钼电炉、各种钢铁加热炉、机械锻造炉等等，可显著提高设备热效率，大幅度节约能源，提高生产率，改进产品质量。可应用于各种高温工业窑炉隔热；陶瓷窑炉；机械及冶金加热炉；热处理炉及其它工业窑炉的热面内衬；高温挡火隔焰；窑门、窑车、膨胀缝等隔热材料；玻璃窑隔热。

2）高温过滤材料

陶瓷纤维的比表面积大，由其制备的过滤材料过滤纯度高，陶瓷纤维同时在热稳定性、化学稳定性和抗热震性方面表现出更优异的性能。因此陶瓷纤维在环境领域，如空气净化、污水处理、烟气过滤等方面应用广泛。

陶瓷纤维材料凭借其强度高、抗热冲击性好、耐化学腐蚀等特点，在空气净化、高温烟气过滤、柴油机尾气微滤捕集、化工过滤、金属液过滤等方面得到了广泛的应用。陶瓷纤维过滤器可以分为陶瓷纤维复合膜材料、陶瓷纤维纸、陶瓷纤维网（布）、陶瓷纤维过滤体。

陶瓷纤维原棉：陶瓷纤维棉通过电阻炉将原材料高温熔融，经喷吹或甩丝成纤工艺生产制成，直径一般为2~5μm，长度多为30~250mm。

陶瓷纤维棉的纤维表面呈光滑的圆柱形，横截面通常是圆形。其结构特点是气孔率高(一般大于90%)，而且气孔孔径和比表面积大。由于气孔中的空气具有良好的隔热作用，因而纤维中气孔孔径的大小及气孔的性质(开气孔或闭气孔)对其导热性能具有决定性的影响。实际上，陶瓷纤维的内部组织结构是一种由固态纤维与空气组成的混合结构。在这种结构中，固态物质以纤维状形式存在，并构成连续相骨架，而气相则连续存在于纤维材料的骨架间隙之中。正是由于陶瓷纤维具有这种结构，使其气孔率较高，气孔孔径和比表面积较大，从而使陶瓷纤维具有优良的隔热性能和较小的体积密度。

陶瓷纤维棉属中性偏酸性材料，除与强酸碱反应外，不被其他弱碱、弱酸及水、油、蒸汽侵蚀，与铅、铝、铜不浸润，具有优良的柔韧性和弹性。陶瓷纤维密度较小，比轻质隔热砖炉衬轻75%以上，比轻质浇注料炉衬轻90%~95%，导热系数约为轻质粘土砖的1/8，是轻质耐热衬里(浇注料)的1/10，热容埴仅为轻质隔热衬里和轻质浇注料衬里的1/10左右，大大降低了能源损耗量，节能蓄热效果显著。同时，陶瓷纤维具有施工简便，无需烘炉，缩短施工周期，安装简便等特点。陶瓷纤维棉是其余陶瓷纤维制品的主要原料，也可按分类温度直接用作工业窑炉膨胀缝充填、炉壁隔热、密封材料。

陶瓷纤维包覆系统：陶瓷纤维包覆材料的制作方法是将散装陶瓷纤维自然沉降在集棉机网带上，使其形成均匀的棉坯，经针刺制毯工艺得到无粘结剂的干法针刺毯。该毯柔软富有弹性，抗拉强度高，加工和施工性能优良，是陶瓷纤维制品应用最为广泛的产品之一。根据其工艺的不同，陶瓷纤维包覆系统可分为甩丝和喷吹两大类。

陶瓷纤维包覆系统适用于各种隔热工业窑炉的炉门密封、炉口幕帘、窑顶隔热：高温烟道、风管衬套、膨胀接头：石油化工设备、容器、管道高温隔热、保温;高温环境下的防护衣、手套、头套、头盔，靴等;汽车发动机隔热罩、重油发动机排气管包裹、高速赛车复合制动摩擦衬垫、核电、汽轮机隔热;加热件热处理隔热;输送高温液体、气体的泵、压缩机和阀门用的密封填料、垫片：高温电器绝缘：防火门、防火帘、灭火毯、接火花用垫子和隔热覆盖等防火缝制品;航天、航空工业用的隔热、保温材料、制动摩擦衬垫;深冷设备、容器、管道的隔热、包裹，高档写宇楼中的档案库、金库、保险柜等重要场所的绝热、防火隔层，消防自动防火帘。

陶瓷纤维异型件：陶瓷纤维异型件是采用优质陶瓷纤维棉作原料，用真空成型工艺制成。能制成拥有优越高温性能的刚性并有自支撑强度的异型制品。所有异形制品在其使用温度范围内都有较低的收缩，并保持有高隔热、轻质和抗冲击的特点。未灼烧的材料很容易被切割成机械加工。在使用过程中，产品的抗磨损和剥落性能良好，而且不被大多数熔融金属所润湿。

陶瓷纤维异型件包括管形、锥形、圆顶形和方盒型，大多数异型制品是按照客户的要求进行生产。

3）吸声隔音材料

陶瓷纤维材料具有良好的吸声隔音效果，主要是由于当声波传到材料内部时，声波与纤维孔隙内存在的空气产生粘滞作用，同时声波还将与纤维间产生摩擦阻力，因而损耗的部分声能转化形成热能。另外，纤维孔隙内的空气在被压缩时产生热传导，热传导也会使声能耗损，从而将传入的声波吸收。因此陶瓷纤维材料具有良好的吸声隔音效果，使其在建筑、交通等领域得到广泛应用。

4）催化剂载体材料

陶瓷纤维具有比表面积大，孔隙率高，催化效果佳等优势，当负载催化剂的陶瓷纤维使用在控制扩散反应中时，由于其扩散阻力小因而得到良好的催化效果，因此陶瓷纤维作为催化剂在催化领域存在巨大应用潜力。

5）增强增韧材料

陶瓷材料韧性差的劣势众所周知，因而陶瓷纤维是增韧陶瓷材料最有效的方法。应用较多的陶瓷纤维有：Al2O3长纤维，SiC长纤维等。同时陶瓷纤维在金属材料增韧上也可应用。新型功能性材料：陶瓷纤维由于拥有众多优点，因此在新型高温超导材料，新型功能材料，如远红外纤维，导电纤维等方向得到广泛应用。

6）先进陶瓷纤维材料的应用

先进陶瓷纤维在应用方面不同于传统陶瓷纤维，其重点是根据纤维自身的特点，除了利用其耐高温、隔热及耐火特点以外，还放大发挥其自身的其它功能特点，比如其自身的吸波性、耐腐蚀、耐候性等等。

陶瓷纤维本身即为半导体，是雷达波吸收的重要材料，同时具备轻质、高强、耐高温、抗氧化等理想的结构材料特性。通过制备工艺改变晶体结构，可以调整纤维的电阻率，然后多向多层铺叠从而实现吸波和透波的目的。陶瓷纤维增强复材可以直接制备隐身结构件，相比隐身涂层具有更高的强度和耐高温性能。F-22在尾喷口附近应用了陶瓷基隐身结构材料；法国的APTGD导弹的尾翼由六角形小块陶瓷吸波材料组成，具有较好的吸波效果；美国空军开发出了一种Si3N4宽频透波天线罩。

例如：

氧化铝纤维：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炉内各种有害物的腐蚀性能，可用于汽车废气设备上作陶瓷整体衬，其特点是结构稳定。

氧化锆纤维：作为超高温隔热复合材料、防护材料、烧蚀材料以及卫星电池隔膜材料等，用于航空航天、军工、原子能等领域；作为1600℃~2000℃的超高温工业电炉、超高温燃气炉，超高温实验室电炉和其它超高温加热装置的炉衬材料；与很多金属、合金、玻璃复合做宽温度范围使用的金属基复合材料；可作为超高温过滤材料、高温反应催化剂载体，超高温液体或气体过滤材料。

石英纤维：可以用于高温烧蚀材料的增强材料，高温绝热密封材料、树脂增强材料、耐高温绝缘、捆扎、包裹材料等，工业隔热、电缆绝缘包覆、排气管道隔热包覆、高温炉门幕帘及机械用高温摩擦增强材料、防火外壳及其它绝缘保护层、船舶设备的绝缘、变压器、互感器、电动机及其它电子产品的增强绝缘绑扎材料等。

碳化硅纤维：作为热屏蔽材料、耐高温输送带、过滤高温气体或熔融金属的滤布；可作为纤维增强陶瓷基复合材料（CMC）的高温结构材料，可应用于发动机的热端部件，包括尾喷管部位、燃烧室、加力燃烧室、涡轮外环、导向叶片、转子叶片等航空航天等领域；碳化硅增强钛基复合材料、碳化硅增强镁基复合材料、碳化硅增强铜基复合材料等。经过碳化硅纤维增强的金属基复合材料，在比强度、比刚度、热膨胀系数、导热性能和耐磨性能等方面具有更优异的性能，并且易于生产出合格的金属基复合材料。

小结

本文所介绍的陶瓷纤维是以耐高温、隔热以及耐火特性为主要应用方向。陶瓷纤维在作为耐火材料应用，还有较强的扩展空间，如：作为建筑保温墙板，高温工业炉，高温过滤材料等这些领域随着国家的碳中和目标的提出，其用量将会成指数倍增长。先进陶瓷纤维的应用就更加广泛，先进陶瓷纤维具有质轻、高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、抗冲刷及溅射以及良好的可设计性、可复合性等一系列其他材料所不可替代的优良性能，是火箭、卫星、导弹、战斗机和舰船等尖端武器装备必不可少的战略新兴材料。

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