用无机纤维增强陶瓷、金属、高聚物制得的复合材料具有许多优异性能,如轻质、高强、高模、耐高温等,广泛应用于航天航空、军工、高性能运动器材、以及高温绝热材料等领域,引起了人们的极大关注。玻璃纤维是人们最早应用的无机纤维,作为工业用纤维材料已经确立了应有的地位;后来,硅酸铝纤维也开始被应用于保温复合材料;随着空间技术的发展以及新型发动机等新产业的兴起,对材料提出了更高的要求,比如在氧化性气氛的高温条件下能够保持其使用强度和模量。随后研制出了许多更高性能的纤维,如氧化铝纤维、硼纤维,碳化硅纤维,氮化硅纤维等新品种。例如,20世纪60年代,用化学气相沉积法(ＣＶＤ)制得硼纤维和碳化硅纤维,用于金属基复合材料;1972年,ＩＣＩ公司制得Ｓａｆｆｉｌ短纤维,应用于增强轻合金;3Ｍ公司于70年代制得了Ｎｅｘ ｔｅｌ-312连续纤维;1979年,ＤｕＰｏｎｔ公司研制出一种α-氧化铝纤维ＦＰ等。这些高性能无机纤维用于金属、陶瓷复合材料,具有轻质、高强、高模、耐高温的优异性能,这些是目前碳纤维和有机纤维所无法比拟的。 实验室分析天平
1 无机纤维的种类及其制法、性能及应用
无机纤维的材料主要有二氧化硅、氧化铝、硅酸铝、二氧化钛、石墨、硼、碳化硼、碳化硅
以及氧化硅等,其制造方法主要有化学气相沉淀法、溶胶-凝胶法、化学反应—前驱体法、晶体生长法、熔融纺丝法等。与有机纤维相比,无机纤维除了强度和模量较高外,更重要的是具有超常的耐高温性,部分无机纤维的使用温度见表1。
1 1 硅酸铝纤维硅酸铝纤维主要由氧化铝和二氧化硅组成,有时还含有少量氧化铁、二氧化钛、氧化钙等物质。氧化铝含量一般在45%～60%之间的硅酸铝纤维可以通过熔融纺丝法制造;若氧化铝含量更高,由
于氧化铝的熔点高和熔体粘度低,难以用熔法纺丝。氧化物熔体通过喷吹或离心纺丝成型,得到直径为1μｍ～10μｍ,长度为几个ｃｍ的硅酸铝纤维[1]。硅酸铝纤维形状和颜同棉花相似,密度小,隔热性能好,可以制成毯、毡、纸、板等形状,主要用于高温炉的绝热材料。1 2 氧化铝纤维传送侦测
与硅酸铝纤维相比,氧化铝纤维中氧化铝组分的含量更高,因而有更好的耐高温性和更高的模量,在制造复合材料方面有很好的前景,部分氧化铝纤维性能见表2。由于氧化铝的熔点高,融体粘度低,用传统的熔法纺丝困难,难以制得氧化铝长纤维。70年代以来,各国研究者陆续研究出不同生产路线[2～6],主要有:
淤浆法,杜邦公司将直径在0 5μｍ以下的α-Ａｌ2Ｏ3的粉末,用羟基氯化铝和少量的铝化镁作粘结剂制得一定粘度的浆料,进行干法纺丝成纤;经干燥、烧结,得到α-氧化铝多晶纤维。
测向天线
溶胶—凝胶法,也是制造氧化铝纤维最常用的一种方法,美国3Ｍ公司把含甲酸根离子和乙酸根离子的氧化铝溶液,与含有硅组分的溶液、硼酸溶液混合,得到溶胶,浓缩成纺丝液进行纺丝,然后于900℃烧结成纤维,接着在1000℃以上烧结,即得到Ｎｅｘｔｅｌ312氧化铝纤维。基体纤维浸渍溶液法,采用无机盐溶液浸渍基体纤维,然后烧结除去基体纤维而得到陶瓷纤维。
采用溶液多为水溶液,基体纤维为亲水性的粘胶丝纤维。基中无机盐以分子状态分散于粘胶纤维中,而不是粘附于纤维表面,这有利于纤维的形成。氧化铝纤维主要用作增强材料(长纤维)和高温绝热材料(短纤维),可以编织成无纺布、编织带、绳索,广泛用于增强Ａｌ、Ｔｉ、ＳｉＣ和其它氧化物陶瓷基体。另外,多微孔氧化铝纤维还可以用于催化剂载体材料。
1.3二氧化硅纤维
高纯度二氧化硅纤维是另一种重要的用于高温领域的金属氧化物纤维。主要制造方法[1]有:①以高纯度二氧化硅为原料,通过熔法纺丝得到二氧化硅纤维。②以一种含75%(ｗｔ)ＳｉＯ2,25%(ｗｔ)Ｎａ2Ｏ的玻璃为原料,熔融纺丝,再经过酸滤过程得到二氧化硅纤维。③用Ｎａ2ＳｉＯ4的浓缩溶液纺丝,在酸浴中转变为多孔的聚合硅酸,随后脱水得到二氧化硅纤维。④以硅醇盐为原料,通过溶胶—凝胶法也可以制得高纯氧化硅纤维。
下水井盖
1 4 硼基纤维
排放因子
1 4 1 硼纤维
硼纤维一般是用化学沉积法将无定形硼沉积在钨丝或碳纤维上制成,直径100μｍ。它具有高强度、高模量和低密度等优点,可用于增强复合材料,尤其是轻质结构材料,在体育器材和飞行器方面也有重要应用[10]。但是,硼纤维在高温下使用易氧化分解,失去高强度和模量,为此,可在其表面涂覆一层ＳｉＣ。
1 4 2 碳化硼纤维
碳化硼纤维制法与硼纤维类似,以ＢＣｌ2和甲烷混合物为原料,通过化学沉积法制得。
1 4 3 氮化硼纤维
氮化硼纤维具有高强度、高模量的特点,先制得前驱体氧化硼纤维,然后在800℃条件下暴露于ＮＨ3气体中,经过渗氮过程,再在2000℃条件下拉制成氮化硼纤维[11]。以氮化硼纤维为增强材料的氮化硼基复合材料可以用于绝缘、导热的电器、电子元件材料[12]。
1 5 硅基纤维
1 5 1 碳化硅纤维ＳｉＣ纤维是用于高温领域的最重要的纤维之一,不仅具有高强度、高弹性模量的特点,还具有优异耐高温性能,甚至可以在1800℃下使用。主要制造方法有:①在1200～1400℃条件下,通过化学沉积法将ＳｉＣ沉积在钨丝或碳纤维上[13];②先由有机硅化合物聚碳硅烷纺丝成型得先驱纤维,再在1000℃以上,惰性气体保护或真空条件下烧结得到ＳｉＣ纤维。ＳｉＣ纤维还具有良好的耐化学腐蚀性,与金属反应程度低,且具有半导体性质[14],作为纤维增强材料,可以用于金属、陶瓷、聚合物的复合材料。其中,碳化硅增强聚合物基复合材料可以吸收或透过雷达波,可作为雷达天线罩、火箭、导弹、飞机的隐身结构材料,在军事上有重要应用。
1 5 2 氮化硅纤维
Ｓｉ3Ｎ4纤维可由ＳｉＯ与Ｎ2在1400℃绝缘高温炉中通过一种还原剂作用反应制备。3ＳｉＯ+3Ｒ+2Ｎ23ＲＯ+Ｓｉ3Ｎ4 (Ｒ是还原剂)此外,也可将有机硅化合物聚碳硅烷先驱纤维先经电子束照射交联,再在ＮＨ3气体中烧结,得到Ｓｉ3Ｎ4纤维[15]。氮化硅具有类似碳化硅纤维的力学性能和应用领域,耐化学腐蚀和耐高温性良好,是未来航天航空、汽车发动机
耐高温部件最有希望候选的材料之一。不同种类的无机纤维性能有所差别,表3列出了几种无机纤维与其它纤维的性能比较。可以看出,无机纤维的密度较碳纤维和Ｋｅｖｌａｒ纤维高;氧化铝纤维的拉伸强度较低;ＦＰ及ＳＣＳ-6纤维模量较高,伸长率小。人们可以根据不同的需要选择不同类型的纤维。
晶须纤维是一种针状单晶体,断面呈三角形,具有很高的强度和模量,有金属晶须和陶瓷晶须两大类。金属晶须中,铁晶须已经投产,是由五羰基铁分解并在磁场中结晶形成的[14]。铁晶须可以在磁场中取向,用于制取有定向行为的复合材料。此外,还有铜晶须、铬晶须、镍晶须等。陶瓷晶须除了强度极高,还有低密度、弹性模量高、耐热性好等特点,是一类很有发展前
景的增强纤维,主要用于宇航工业。陶瓷晶须一般用气相结晶法生产,工艺复杂,造价较高。,目前工业生产的陶瓷晶须主要是ＳｉＣ晶须,其它还有Ａｌ2Ｏ3晶须、Ｓ3Ｎ4晶须和石墨晶须等。几种晶须材料的性能见表4。2 展望许多高性能的无机纤维,如氧化铝纤维,硼纤
维,碳化硅纤维,氮化硅纤维,因它们的优异性能和在高科技领域的广泛应用,已经越来越受到人们的重视。其中,碳化硅纤维和氧化铝纤维与金属、陶瓷之间具有很好的相容性,因此十分
手机盒适合于制造增强金属复合材料(ＦＲＭ)和增强陶瓷材料(ＦＲＣ)。同时,这类纤维与基体界面热膨胀率和导热率非常接近,所以在耐热复合材料的开发中发展很快,纤维的加入可以提高陶瓷基体的韧性、增加抗冲击强度,在火箭、喷气飞机的耐热部件方面会得到应用[17]。但是由于碳化硅等纤维原料价格高,工艺复杂,造价昂贵,使其应用推广受到限制。与此相比较,氧化铝纤维成本要低许多,尤其是溶胶—凝胶法的应用使得纤维的烧结温度大大降低,并且可以进行化学剪裁,制得具有精确化学计量配比组分的氧化铝纤维,可以控制得到更优异的性能,如莫来石纤维[18～20]。我国在这方面的研究已经受到重视,但还只是低档次、小规模生产,不能满足国内需求。对高性能无机纤维尤其是较低成本的氧化铝纤维的研究和开发将是我国材料开发的热点之一。
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