高性能無機(jī)纖維

高性能無機(jī)纖維用無機(jī)纖維增強(qiáng)陶瓷、金屬、高聚物制得的復(fù)合材料具有許多優(yōu)異性能，如輕所、高強(qiáng)、高模、耐高溫等，廣泛應(yīng)用于航天航空、軍工、高性能運(yùn)動器材、以及高溫絕熱材料等領(lǐng)域引起了人們的極大關(guān)注。玻璃纖維是人們最早應(yīng)用的無機(jī)纖維，作為工業(yè)用纖維材料已經(jīng)確立了應(yīng)有的地位；后來，硅酸鋁纖維也開始被應(yīng)用于保溫復(fù)合材料；隨著空間技術(shù)的發(fā)展以及新型發(fā)動機(jī)等新產(chǎn)業(yè)的興起，對材料提出了更高的要求，比如在氧化性氣氛的高溫條件下能夠保持其使用強(qiáng)度和模量。隨后研制出了許多更高性能的纖維，如氧化鋁纖維、硼纖維，碳化硅纖維，氮化硅纖維等新品種。例如，20世紀(jì)60年代用化學(xué)氣相沉積法（CVD）制得硼纖維和碳化硅纖維，用于金屬基復(fù)合材料；1972年，ICI公司制得Saff11短纖維，應(yīng)用于增強(qiáng)輕合金；3M公司于70年代制得了Nextel-312連續(xù)纖維；1979年，DuPont公司研制出一種a-氧化鋁纖維FP等。這些高性能無機(jī)纖維用于金屬、陶瓷復(fù)合材料，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模、耐高溫的優(yōu)異性能，這些是目前碳纖維和有機(jī)纖維所無法比擬的。1無機(jī)纖維的種類及其制法、性能及應(yīng)用無機(jī)纖維的材料主要有二氧化硅、氧化鋁、硅酸鋁、二氧化鈦、石墨、硼、碳化硼、碳化硅以及氧化硅等，其制造方法主要有化學(xué)氣相沉淀法、溶膠-凝膠法、化學(xué)反應(yīng)一前驅(qū)體法、晶體生長法、熔融紡絲法等。與有機(jī)纖維相比，無機(jī)纖維除了強(qiáng)度和模量較高外，更重要的是具有超常的耐高溫性，部分無機(jī)纖維的使用溫度見表1。11硅酸鋁纖維硅酸鋁纖維主要由氧化鋁和二氧化硅組成，有時還含有少量氧化鐵、二氧化鈦、氧化鈣等物質(zhì)。氧化鋁含量一般在45%60%之間的硅酸鋁纖維可以通過熔融紡絲法制造；若氧化鋁含量更高，由表上主要無纖維的熔點和使用溫度E纖維種類熔點/最高使用溫度纖維種類熔點/最高使用溫度氧化性氣氛非氧化性氣氛5601200106010661427142713001300142714271300HOCTOC\o"1-5"\h\zB1260SiQ；1660AhaSIQa-斗Q1740AhQ-Sift5601200106010661427142713001300142714271300HOC2040154016Q0zg265015QU50SiC269018001800BN2980700U50C36504002500于氧化鋁的熔點高和熔體粘度低，難以用熔法紡絲。氧化物熔體通過噴吹或離心紡絲成型，得到直徑為1pm10pm,長度為幾個cm的硅酸鋁纖維［1］。硅酸鋁纖維形狀和顏色同棉花相似，密度小，隔熱性能好，可以制成毯、氈、紙、板等形狀，主要用于高溫爐的絕熱材料。12氧化鋁纖維與硅酸鋁纖維相比，氧化鋁纖維中氧化鋁組分的含量更高，因而有更好的耐高溫性和更高的模量，在制造復(fù)合材料方面有很好的前景，部分氧化鋁纖維性能見表2。由于氧化鋁的熔點高，融體粘度低，用傳統(tǒng)的熔法紡絲困難，難以制得氧化鋁長纖維。70年代以來，各國研究者陸續(xù)研究出不同生產(chǎn)路線［26］，主要有：淤漿法，杜邦公司將直徑在05"m以下的a-Al203的粉末用羥基氯化鋁和少量的鋁化鎂作粘結(jié)劑制得一定粘度的漿料，進(jìn)行干法紡絲成纖；經(jīng)干燥、燒結(jié)，得到a-氧化鋁多晶纖維。溶膠一凝膠法，也是制造氧化鋁纖維最常用的一種方法，美國3M公司把含甲酸根離子和乙酸根離子的氧化鋁溶液，與含有硅組分的溶液、硼酸溶液混合，得到溶膠，濃縮成紡絲液進(jìn)行紡絲，然后于900C燒結(jié)成纖維，接著在1000C以上燒結(jié)，即得到Nextel312氧化鋁纖維。基體纖維浸漬溶液法，采用無機(jī)鹽溶液浸漬基體纖維，然后燒結(jié)除去基體纖維而得到陶瓷纖維。采用溶液多為水溶液，基體纖維為親水性的粘膠絲纖維。基中無機(jī)鹽以分子狀態(tài)分散于粘膠纖維中，而不是粘附于纖維表面，這有利于纖維的形成。氧化鋁纖維主要用作增強(qiáng)材料（長纖維）和高溫絕熱材料（短纖維），可以編織成無紡布、編織帶、繩索，廣泛用于增強(qiáng)Al、Ti、SiC和其它氧化物陶瓷基體。另外，多微孔氧化鋁纖維還可以用于催化劑載體材料。S2叫q基陶建纖堆的基本性能I-”牌號生產(chǎn)廠家直柚pm鮑成（皿量舟控師鶴直/Gp應(yīng)雯憚性^田Gp雷度Mg陀正）低時便用遲■致*博庖■匚PRD-I百百DuPontH-25—Ata加癖zroitjw22-40.40JS3-420_1400-ICI3SAVQjSlJ%,%4672800It）軸nuvi3123M11A]7O人62%SiQj24%Bm.■?M2M22700Naxtal4S03M10-J2Alj%蘆0"魅1-9022-03050--Nuttai5503M10-1；AljQ73W.SiQi27%2.23750--MK.HItil0JM10-12幽a舛犧，SiQkl%1.2<0.503730--3M12AljQI5人4.魅2-1M帥-■1.3二氧化硅纖維高純度二氧化硅纖維是另一種重要的用于高溫領(lǐng)域的金屬氧化物纖維。主要制造方法［1］有:①以高純度二氧化硅為原料，通過熔法紡絲得到二氧化硅纖維。②以一種含75%（wt）SiO2,25%（wt）Na2O的玻璃為原料，熔融紡絲，再經(jīng)過酸濾過程得到二氧化硅纖維。③用Na2SiO4的濃縮溶液紡絲，在酸浴中轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗫椎木酆瞎杷?，隨后脫水得到二氧化硅纖維。④以硅醇鹽為原料，通過溶膠一凝膠法也可以制得高純氧化硅纖維。14硼基纖維141硼纖維硼纖維一般是用化學(xué)沉積法將無定形硼沉積在鴇絲或碳纖維上制成，直徑100ym。它具有高強(qiáng)度、高模量和低密度等優(yōu)點，可用于增強(qiáng)復(fù)合材料，尤其是輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，在體育器材和飛行器方面也有重要應(yīng)用［10］。但是，硼纖維在高溫下使用易氧化分解，失去高強(qiáng)度和模量，為此，可在其表面涂覆一層SiC。142碳化硼纖維碳化硼纖維制法與硼纖維類似，以BC12和甲烷混合物為原料，通過化學(xué)沉積法制得。143氮化硼纖維氮化硼纖維具有高強(qiáng)度、高模量的特點，先制得前驅(qū)體氧化硼纖維，然后在800C條件下暴露于NH3氣體中，經(jīng)過滲氮過程，再在2000C條件下拉制成氮化硼纖維［11］。以氮化硼纖維為增強(qiáng)材料的氮化硼基復(fù)合材料可以用于絕緣、導(dǎo)熱的電器、電子元件材料[12]。15硅基纖維151碳化硅纖維S1C纖維是用于高溫領(lǐng)域的最重要的纖維之一，不僅具有高強(qiáng)度、高彈性模量的特點，還具有優(yōu)異耐高溫性能，甚至可以在1800C下使用。主要制造方法有：①在12001400C條件下，通過化學(xué)沉積法將S1C沉積在鴇絲或碳纖維上[13];②先由有機(jī)硅化合物聚碳硅烷紡絲成型得先驅(qū)纖維，再在1000c以上，惰性氣體保護(hù)或真空條件下燒結(jié)得到S1C纖維°Si（纖維還具有良好的耐化學(xué)腐蝕性，與金屬反應(yīng)程度低，且具有半導(dǎo)體性質(zhì)[14]，作為纖維增強(qiáng)材料，可以用于金屬、陶瓷、聚合物的復(fù)合材料。其中，碳化硅增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料可以吸收或透過雷達(dá)波，可作為雷達(dá)天線罩、火箭、導(dǎo)彈、飛機(jī)的隱身結(jié)構(gòu)材料在軍事上有重要應(yīng)用。152氮化硅纖維Si3N4纖維可由S1O與N2在1400C絕緣高溫爐中通過一種還原劑作用反應(yīng)制備。3S1O+3R+2N23RO+Si3N4（R是還原劑）此外，也可將有機(jī)硅化合物聚碳硅烷先驅(qū)纖維先經(jīng)電子束照射交聯(lián)，再在NH3氣體中燒結(jié)，得到S13N4纖維[15]。氮化硅具有類似碳化硅纖維的力學(xué)性能和應(yīng)用領(lǐng)域，耐化學(xué)腐蝕和耐高溫性良好，是未來航天航空、汽車發(fā)動機(jī)耐高溫部件最有希望候選的材料之一。不同種類的無機(jī)纖維性能有所差別，表3列出了幾種無機(jī)纖維與其它纖維的性能比較?？梢钥闯?，無機(jī)纖維的密度較碳纖維和Kevlar纖維高；氧化鋁纖維的拉伸強(qiáng)度較低；FP及SCS-6纖維模量較高，伸長率小。人們可以根據(jù)不同的需要選擇不同類型的纖維。表8幾種奸堆萌性能比軟侗野雉梭忡強(qiáng)摩fkpii置性鞍園HtpHtNT■■111SiSM70%SiC/211M4-7q22齊】NfcaLra趴百a■Cl■?SiC(5CIIAS-?tbitebbGctpbitv.山^罵KJCYlAPAnaid315-ecti注：1）】創(chuàng)=*」皿U應(yīng)點啟攵為脊杪槌珂隹.此扯用于性的比氟16晶須纖維晶須纖維是一種針狀單晶體，斷面呈三角形，具有很高的強(qiáng)度和模量，有金屬晶須和陶瓷晶須兩大類。金屬晶須中，鐵晶須已經(jīng)投產(chǎn)，是由五羰基鐵分解并在磁場中結(jié)晶形成的[14]。鐵晶須可以在磁場中取向，用于制取有定向行為的復(fù)合材料。此外，還有銅晶須、鉻晶須、鎳晶須等。陶瓷晶須除了強(qiáng)度極高，還有低密度、彈性模量高、耐熱性好等特點，是一類很有發(fā)展前景的增強(qiáng)纖維，主要用于宇航工業(yè)。陶瓷晶須一般用氣相結(jié)晶法生產(chǎn)，工藝復(fù)雜，造價較高。，目前工業(yè)生產(chǎn)的陶瓷晶須主要是S1C晶須，其它還有Al203晶須、S3N4晶須和石墨晶須等。幾種晶須材料的性能見表4。2展望許多高性能的無機(jī)纖維，如氧化鋁纖維，硼纖表4幾種晶須材料的物理性能晶須材料密S/（IO3k」mj|熔點/貯拉忡強(qiáng)S/GPa楊氏模量/F.

Alj0A3.92C8214-28550A1N3.3219814-21335BhO254914-217002.524497450石墨2-2535392198GMgO3.627997*-14310a-SiC3.1523167--354855-SiC3J523167--356203-218993-11.380維，碳化硅纖維，氮化硅纖維，因它們的優(yōu)異性能和在高科技領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，已經(jīng)越來越受到人們的重視。其中，碳化硅纖維和氧化鋁纖維與金屬、陶瓷之間具有很好的相容性，因此十分適合于制造增強(qiáng)金屬復(fù)合材料（FRM）和增強(qiáng)陶瓷材料（FRC）。同時，這類纖維與基體界面熱膨脹率和導(dǎo)熱率非常接近，所以在耐熱復(fù)合材料的開發(fā)中發(fā)展很快，纖維的加入可以提高陶瓷基體的韌性、增加抗沖擊強(qiáng)度，在火箭、噴氣飛機(jī)的耐熱部件方面會得到應(yīng)用［17］。但是由于碳化硅