金屬纖維材料的性能與應(yīng)用

金屬纖維材料的性能與應(yīng)用

1金屬纖維的應(yīng)用金屬纖維的生產(chǎn)始于美國(guó)，最初通過收集和拉伸法進(jìn)行生產(chǎn)。20世紀(jì)70年代后期,由于有機(jī)和無機(jī)纖維性能無法滿足工業(yè)和科技迅速發(fā)展的需要,發(fā)達(dá)國(guó)家開始高投入對(duì)金屬纖維制造法及其應(yīng)用進(jìn)行研究。由于技術(shù)難度大、工藝復(fù)雜,目前只有美國(guó)、比利時(shí)、日本、俄羅斯和中國(guó)掌握了金屬纖維的生產(chǎn)技術(shù)。隨后的幾年里,這幾個(gè)國(guó)家便利用金屬纖維制成金屬纖維多孔材料,金屬纖維的應(yīng)用領(lǐng)域又展開了嶄新的一頁。纖維化過程使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、磁性、電阻率及表面性能都發(fā)生了顯著變化,從而使其身價(jià)倍增。在材料朝著復(fù)合化、微細(xì)化方向發(fā)展的背景下,金屬纖維以其具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐蝕性以及強(qiáng)度高、彈性模量高等優(yōu)點(diǎn),在過濾、吸聲、表面燃燒、電極、織物、電磁屏蔽、增強(qiáng)復(fù)合等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。2應(yīng)用2.1金屬纖維氈材料隨著全球工業(yè)化的迅速發(fā)展,環(huán)境污染日趨勢(shì)嚴(yán)重,一般的過濾材料已經(jīng)不能滿足更高的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn),污染控制亟待開發(fā)新的過濾材料,金屬纖維氈過濾材料應(yīng)運(yùn)而生。金屬纖維氈作為過濾材料具有通常過濾材料所沒有的優(yōu)良性能,如孔隙度高、孔隙均勻、容塵量高。金屬纖維氈的制備過程是把許多金屬絲合成束后,同時(shí)拉伸至微米級(jí),然后采用同重量和標(biāo)準(zhǔn)直徑的成束纖維,切斷,用合適的方法(目前多采用氣流法)制成無紡制品———纖維氈,然后把幾種不同絲徑的蓬松氈依次排列組合在一起,形成一定厚度的纖維堆積,纖維之間互相交叉形成孔隙,然后再經(jīng)過壓實(shí)燒結(jié),碾壓成形,從而制得金屬燒結(jié)氈。由于金屬纖維氈是由纖維絲以三維迷宮方式鋪在一起壓實(shí)燒結(jié)制成,具有許多交接點(diǎn),從而對(duì)微細(xì)物具有很高的阻擋能力。用至少兩層不同直徑纖維絲制成的纖維氈作為過濾材料,可以獲得兩級(jí)以上的過濾精度,并且過濾效率比多孔粉末過濾材料高2~5倍。金屬纖維氈具有非常高的孔隙率(最高可達(dá)90%)和非常好的透氣性。用該材料制成的過濾器流量阻力很小,且由于其獨(dú)特的立體深度過濾結(jié)構(gòu),對(duì)污染物的納污量比粉末燒結(jié)濾材高1.5~5倍,可以延長(zhǎng)過濾器的使用壽命。用做過濾器的金屬纖維氈多為不銹鋼纖維氈,在高溫下具有較高的強(qiáng)度和韌性,在酸堿等腐蝕環(huán)境中連續(xù)工作,可以經(jīng)受400~900℃的強(qiáng)熱震。如果選FeCrAl纖維氈作為過濾器材料,還可使工作溫度提高到600℃?；诮饘倮w維氈優(yōu)異的過濾性能,在汽車尾氣凈化、高溫除塵、空氣過濾、液體過濾、催化劑回收等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。張健等對(duì)金屬纖維多孔材料在機(jī)動(dòng)車尾氣凈化中應(yīng)用進(jìn)行了分析,認(rèn)為汽車尾氣凈化器采用金屬纖維氈作為過濾材料,可以有效解決陶瓷顆粒載體熱容量大、加熱升溫慢、熱導(dǎo)率低、機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)低的不足,還可以解決蜂窩狀金屬載體材料制備工藝復(fù)雜的難題。另外,金屬纖維載體可以達(dá)到歐5標(biāo)準(zhǔn)對(duì)汽車尾氣中顆粒含量排放要求。朱能等對(duì)金屬纖維氈用于鍋爐煙氣高溫除塵進(jìn)行的研究表明,用金屬纖維氈制成的過濾器能夠在煙氣溫度達(dá)500℃以上的環(huán)境長(zhǎng)期工作;經(jīng)該過濾器處理過的煙氣完全滿足國(guó)家規(guī)定的鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn),證明這種過濾器對(duì)小顆粒粉塵有很好的去除作用。2.2多孔材料的吸收劑金屬纖維用做吸聲材料是近年來開發(fā)出的一種新型吸聲材料,具有良好的吸聲性能,以厚度0.05mm的1Cr18Ni9不銹鋼纖維材料為例,當(dāng)頻率在500Hz以上時(shí)吸聲系數(shù)可達(dá)0.7。另外,與傳統(tǒng)的吸聲材料相比,具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、使用壽命長(zhǎng)、透氣性好、比表面積大以及耐高溫等特點(diǎn)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲污染是一項(xiàng)亟待解決的難題。高溫聲襯技術(shù)是改善發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲問題最有發(fā)展前景的技術(shù)。為了找到一種能適應(yīng)600℃左右的環(huán)境溫度,且能很好吸收500~4000Hz噪聲的吸聲材料,西北有色金屬研究院對(duì)FeCrAl纖維多孔材料的聲學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,在600℃下,1500~6400Hz范圍內(nèi),2~3層FeCrAl纖維組合結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出平穩(wěn)的吸聲特性,吸聲系數(shù)均高于0.90;組合結(jié)構(gòu)越厚吸聲性能越好,其中組合排列規(guī)律按孔隙遞減排列。李獻(xiàn)偉等利用駐波管法測(cè)試了多孔的碳鋼、黃銅、鋁纖維等吸聲材料的垂直入射吸聲系數(shù),頻率范圍為100~4000Hz。試驗(yàn)證明,松散的金屬纖維材料吸收系數(shù)峰值高達(dá)0.98以上;金屬纖維材料具有良好的寬頻吸聲特性,并且在低頻吸聲方面金屬纖維比其他非金屬纖維更優(yōu)越些。張燕等對(duì)AX100型摩托車排氣消聲器進(jìn)行了改進(jìn)研究。在原始消聲器的第二腔腔壁上加金屬纖維材料。研究表明,這種結(jié)構(gòu)改進(jìn)能夠有效地降低噪聲。增加的金屬纖維容重為400kg/m3時(shí),總降噪量比原始消聲器多2.0dB。因此這種結(jié)構(gòu)改進(jìn)可以在摩托車排氣消聲器上推廣使用。馬建敏等對(duì)金屬纖維吸聲特性進(jìn)行了研究。認(rèn)為金屬纖維是一種吸聲性能優(yōu)良的吸聲材料,特別是在中高頻環(huán)境吸聲性能更優(yōu)。因而是水汽、火花、油污、高溫、高氣流等高頻噪聲環(huán)境中理想的吸聲材料。本文作者把不銹鋼纖維用于軋鋼廠大型冷鋸機(jī)鋸罩內(nèi)的吸聲處理,取得了理想的降噪效果。2.3高效、節(jié)能、環(huán)保的燃燒及燃?xì)饧t外技術(shù)金屬纖維表面燃燒的工作原理是:預(yù)混好的空氣與煤氣,進(jìn)入燃燒器頭部空腔,通過分流板,均勻滲透到金屬纖維表面,火焰在金屬纖維表面燃燒,以輻射和對(duì)流的形式向外傳熱。金屬纖維燃燒器特點(diǎn)是:熱強(qiáng)度高,調(diào)節(jié)范圍大,燃燒物中CO和NOX含量很低,在高熱強(qiáng)度下(900kW/m2),CO含量低于0.04%,NOX含量低于0.012%;金屬纖維載體與多孔陶瓷板結(jié)合牢固,不怕冷水沖擊,并可加工成任何形狀;熱惰性小,能很快加熱,很快冷卻;噪聲低;在一次空氣預(yù)混的條件下,不需要冷頭部的裝置。另外,金屬纖維燃燒器技術(shù)符合節(jié)能與環(huán)保要求,是燃?xì)馊紵闹匾獞?yīng)用技術(shù)。黃志甲等研制出一種高效、節(jié)能、環(huán)保的金屬纖維燃燒器。該燃燒器選用耐高溫、抗氧化、機(jī)械強(qiáng)度高的FeAl纖維,通過調(diào)節(jié)風(fēng)量,實(shí)現(xiàn)空氣和燃?xì)獍春侠肀壤烊?保證了燃?xì)獬浞秩紵?熱效率提高了1倍多,主要污染物排放減少了90%以上,同時(shí)燃燒無噪聲,具有明顯的節(jié)能與環(huán)保效果。傅忠誠(chéng)等對(duì)金屬纖維燃燒器CO和NOX排放特性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,與其他燃燒器相比,金屬纖維燃燒器的CO,NOX等有害氣體排放含量低,具有低污染排放特點(diǎn),環(huán)境效益較好。仇中柱等為熱水鍋爐研制了一種新型金屬纖維燃?xì)饧t外線燃燒器。金屬纖維燃燒器的多孔介質(zhì)由直徑大約為20μm超細(xì)金屬纖維加工而成,該金屬纖維是一種FeCr的合金絲,能在1100℃的高溫下長(zhǎng)期工作。這種纖維燃燒器具有污染物低、燃燒效率高、抗腐蝕性強(qiáng)、抗熱沖擊性能高、燃燒功率調(diào)節(jié)范圍寬等優(yōu)點(diǎn),凡具有這種金屬纖維燃燒器的熱水鍋爐,煙氣中NOX排放濃度小于0.003%,CO排放濃度小于0.005%,熱效率提高5%,具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。2.4金屬纖維抗靜電整理隨著電子、電控機(jī)械、通訊、高壓輸電等工業(yè)及軍事電子對(duì)抗技術(shù)的高度發(fā)展,為克服電磁感應(yīng)、靜電起爆和靜電干擾引起的一系列危害及達(dá)到電磁屏蔽的要求,急需開發(fā)特種的紡織品,以滿足其需要。另外,多數(shù)的工服面料根據(jù)穿著要求采用了毛滌混紡產(chǎn)品,而這類服裝在穿著過程中,發(fā)生接觸、摩擦的機(jī)率較大,靜電現(xiàn)象也表現(xiàn)得更為突出。在織物中加入導(dǎo)電材料———金屬纖維就是為解決這類危害所開發(fā)的產(chǎn)品。段亞峰等在花式線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),用不銹鋼金屬長(zhǎng)絲和滌綸DTY有色長(zhǎng)絲為蕊紗,外面包裹長(zhǎng)不銹鋼金屬纖維與滌綸混紡的纖維和染色紗線,通過改變不銹鋼纖維的含量,得到滿足抗電磁輻射要求,抗皺性能和斷裂性能優(yōu)良的特種紡線。柳中笑等選用不銹鋼金屬纖維與羊毛和滌綸纖維混紗,開發(fā)出羊毛含量為50%的持久抗靜電混紗產(chǎn)品。在產(chǎn)品開發(fā)中,由于不銹鋼纖維有較大比重,進(jìn)一步提高了織物的懸垂性,提高了國(guó)產(chǎn)毛產(chǎn)品的檔次和科技含量。張志光等對(duì)金屬纖維抗菌作用進(jìn)行了初步研究。通過研究發(fā)現(xiàn),金屬纖維對(duì)常見的細(xì)菌(如大腸桿菌、白色葡萄球菌)和真菌(如黃曲霉、白色念珠菌)的生長(zhǎng)繁殖有強(qiáng)烈的抑制作用。因此,可以用金屬纖維與天然纖維或化學(xué)纖維混合紡織得到新型保健紡織品,進(jìn)一步拓展了保健纖維紡織品的領(lǐng)域。2.5鎳?yán)w維氈基材料NH-Ni電池被譽(yù)為綠色蓄電池,是近20多年發(fā)展起來的一種新型堿性蓄電池。NH-Ni電池陽極材料活性物質(zhì)骨架材料的性能對(duì)電池的充放電,電池容量及使用壽命起著重要作用。NH-Ni電池陽極板目前主要使用泡沫鎳,但泡沫鎳存在比表面積小、電容量高、強(qiáng)度低、充放電次數(shù)少(小于500次)、循環(huán)使用壽命短等問題,制約著NH-Ni電池的發(fā)展,同時(shí)又面臨著鋰離子二次電池的挑戰(zhàn)。為解決泡沫鎳電極存在的問題,研究人員開始使用鎳?yán)w維氈作為NH-Ni電池陽極極板基體。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),鎳?yán)w維氈陽極板可使NH-Ni電池的充放電次數(shù)提高到幾千次,可耐大電流沖擊,具有電壓穩(wěn)定、電容量大、活性物質(zhì)填充量大、利用率高、內(nèi)阻低、極板強(qiáng)度高等特點(diǎn),因此,用鎳?yán)w維氈取代泡沫鎳在NH-Ni陽極材料中的應(yīng)用是NH-Ni電池的重要發(fā)展方向。奚正平等檢測(cè)了鎳?yán)w維氈的性能指標(biāo)。纖維絲徑為10~40μm、單位質(zhì)量為300~600g/m2的鎳?yán)w維氈,其性能指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果為:孔徑為100~700μm;孔隙度為95%~98%,比表面積為(0.5~2.0)×105cm2/cm3,厚度1.0~3.0μm,抗拉強(qiáng)度5~8MPa,延伸變形≥8%,鎳?yán)w維氈在孔徑尺寸、孔隙度、單位質(zhì)量厚度等性能指標(biāo)上和泡末鎳相近,但在比表面積、抗拉強(qiáng)度、延伸率等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。原彩霞等通過纖維鎳電極與泡沫鎳比較發(fā)現(xiàn):纖維鎳基底不如泡沫鎳基底更容易填充活性物質(zhì),但纖維鎳電極在高倍率下的充電電壓較低,放電電壓較高,電極中活性物質(zhì)的利用率較高,因而電極的體積比容量也比較高;刮漿式纖維鎳電極的大電流放電性能比刮漿式泡沫鎳電極好。葛建生等用直徑為2~10μm,長(zhǎng)度為1mm左右的鎳?yán)w維,將鎳?yán)w維均勻地鋪復(fù)在鍍鎳穿孔鋼帶或其它基網(wǎng)上,在氫還原氣氛中燒成多孔鎳基板。鎳?yán)w維經(jīng)1000℃燒結(jié)后基板的孔隙率高達(dá)95%,活性物質(zhì)填充量為1.79g/cm3,比傳統(tǒng)的羰基鎳粉燒結(jié)式基板高出20%左右,并且這種方法制備的鎳正極板具有良好的卷繞性和電化學(xué)性能。2.6復(fù)合潤(rùn)滑材料自從美國(guó)開發(fā)了用鎢絲增強(qiáng)銅合金作復(fù)合材料以來,許多國(guó)家,特別是美國(guó)、日本、英國(guó),在碳纖維、碳化硅纖維、硼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料方面進(jìn)行了大量的研究,并取得了一些卓有成效的成果。后來,為了滿足高韌性場(chǎng)合的要求,研究者開始對(duì)金屬纖維增強(qiáng)復(fù)合材料展開研究。國(guó)內(nèi)對(duì)金屬纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究起步比較晚,但也取得了不少成果。梁昂珠等用冶金工藝制成具有一定孔隙度的多孔金屬纖維網(wǎng)絡(luò)骨架材料基體,然后將固體潤(rùn)滑劑與多孔金屬纖維網(wǎng)格骨架材料基體進(jìn)行復(fù)合,制得具有較高承載能力和優(yōu)越耐磨性能的金屬基復(fù)合自潤(rùn)滑材料。金屬基復(fù)合自潤(rùn)滑材料比粉基自潤(rùn)滑材料的斷裂極限、沖擊韌性都有明顯提高。另外,金屬纖維網(wǎng)格骨架材料作為復(fù)合自潤(rùn)滑材料的基體,具有良好的蜂窩結(jié)構(gòu),孔形復(fù)雜,通孔多,固體潤(rùn)滑劑比較容易地復(fù)合到骨架的孔洞里,在纖維骨架里貯存大量的潤(rùn)滑劑,保證材料具有良好的自潤(rùn)滑性能。劉英華等對(duì)金屬纖維增強(qiáng)作用與固體潤(rùn)滑材料性能的關(guān)系做了深入研究。研究表明,金屬纖維基體有很高的強(qiáng)度和塑性及良好的滲透性(纖維基體的斷裂極限和沖擊韌性分別為粉末冶金同類產(chǎn)品的2~15倍和5~17倍);金屬纖維與固體潤(rùn)滑劑復(fù)合而成的材料,不僅機(jī)械性能好,還由于纖維體通孔多和具有蜂窩結(jié)構(gòu),有利于潤(rùn)滑劑滲透、貯存和分泌。并且還為材料提供理想的潤(rùn)滑源,同時(shí)明顯改善材料的耐磨性、磨合效果及加工性能,是一種有發(fā)展前途的新型材料。楊生榮等研究了鋼纖維、銅纖維及二者混合增強(qiáng)聚四氟乙烯(PTFE)復(fù)合材料的摩擦性能。結(jié)果顯示,兩種金屬纖維增強(qiáng)都能大幅度降低PTFE磨損,而且鋼纖維的增強(qiáng)效果比銅纖維好,兩種纖維混雜增強(qiáng)效果更好。李智鋼等研究了一種新型齒科復(fù)合材料———金屬纖維增強(qiáng)樹脂基托材料。研究表明,金屬纖維的加入,使該材料的機(jī)械性能明顯優(yōu)于其它國(guó)產(chǎn)基托材料,并且金屬纖維適當(dāng)比重加入時(shí),可得到合適的色澤。2.7導(dǎo)電高分子材料由聚合物基體加工制成的電子儀器外殼具有良好的外觀、質(zhì)輕、易加工成型等優(yōu)點(diǎn),但這種不導(dǎo)電聚合物外殼對(duì)電磁干擾無屏蔽作用,為了防止電磁波輻射造成的干擾與泄露,通常在塑料殼體上涂覆導(dǎo)電涂料或直接在樹脂中摻合導(dǎo)電填料制成導(dǎo)電復(fù)合材料,國(guó)內(nèi)對(duì)金屬纖維作導(dǎo)電填料的研究較多。譚宋庭等以不銹鋼纖維(SSF)作填料,分別與丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)和聚丙烯(PP)兩種聚合物復(fù)合得到了電磁屏蔽用導(dǎo)電性高分子合成材料。當(dāng)聚合物中加入適量的不銹鋼纖維時(shí),金屬纖維形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)一旦形成,復(fù)合材料的電阻率突然下降幾個(gè)數(shù)量級(jí)。導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)形成以后,材料對(duì)電磁波產(chǎn)生屏蔽作用,且隨頻率升高而增加。對(duì)于SSF/PP復(fù)合材料,當(dāng)不銹鋼纖維體積含量為3%時(shí),在1400Hz可以達(dá)到30dB的屏蔽效果;而對(duì)于SSF/ABS復(fù)合材料,當(dāng)纖維體積含量達(dá)到7%時(shí),屏蔽效果還不到30dB。因此,相同不銹鋼纖維含量條件下,結(jié)晶性PP基復(fù)合材料的電導(dǎo)率和屏蔽效果均優(yōu)于無定形ABS基復(fù)合材料。3金屬纖維應(yīng)用金屬纖維因具有某些特殊性能,自問世以來,得到了迅速發(fā)展。金屬纖維及制品在過濾領(lǐng)域中的應(yīng)用取得了良好效果,但是由于纖維過濾材料比較昂貴,還不能完全取代其它過濾材料,因此廉價(jià)金屬維的開發(fā)應(yīng)該成為研究的方向。金屬纖維燃燒器是節(jié)能、環(huán)保的重要途徑,隨著人們節(jié)能、環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),該產(chǎn)品將有更廣闊的應(yīng)用前景。隨著金屬纖維制備技術(shù)的發(fā)展,將生產(chǎn)出更細(xì)微的金屬纖維,例如法國(guó)、比利時(shí)和中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)生產(chǎn)的