5-6无机纳米晶须与陶瓷纤维VIP

无机纳米晶须及其应用,北京科技大学研究生2016-2017秋季学期,陶瓷基复合材料选修课第5讲,无机纳米晶须的发展历史,无机纳米晶须的合成机理,无机纳米晶须在复合材料中的作用机理及用途,无机纳米晶须种类,无机纳米晶须应用展望,主要内容,晶须（Whisker）是一种纤维状单晶，横断面近乎一致，内外结构高度完整，长径比一般在51000以上，直径通常在20nm100m之间，但具有特殊性质的晶须直径通常在110m之间1。,1无机晶须，化学工业出版社，2005年6月，第一版,什么是晶须？,1661年，RobertBoyle在”TheScepticalChemist”中首次认识银晶须自发生长的现象。,20世纪60年代初开发了可以产业化的金属氧化物、碳化物、氮化物、卤化物等晶须实验品。,1965年，开发出强度比Al高6倍的Al2O3(w)/Al复合材料，强度比塑料高10倍的Al2O3(w)/塑料复合材料。,1992年，中科院盐湖所由高世扬院士领导的课题组开始从事晶须合成条件和机理的研究。2000年，完成了“年产100吨硼酸铝晶须工业性实验”项目。,无机纳米晶须的发展历史,晶须的生长机理,螺旋位错生长机理1958年，由F.C.Frank提出。该机理适宜于解释液相及气相中晶须的生长过程。,VLS生长机理20世纪60年代，由Shyne和Milewski提出。该机理适宜于解释气相中晶须的生长过程，许多有价值的晶须如-Al2O3、B、GaAs、Ge、GaP、MgO、NiBr2、NiO、Se、Si和SiC等皆以VLS机理生长。,其它生长机理晶须毒化诱导生长机理；晶须结构各向异性诱导生长机理；晶须开裂生长机理；扩散控制生长机理等。,反应体系中存在的催化剂液滴是气体原料和固体产物的媒介。气相原料分子在低于二维成核临界过饱和点（P/Pe)crit的条件下通过气-液界面输入到小液滴中，使小液滴成为含有晶须气体原料的熔体，当熔体达到一定的过饱和度时析出晶体并沉积在液滴与基体的界面上。随着气源的连续供给，晶须连续长出，而将小液滴抬起，直到生长停止，最后小液滴残留在晶须顶端。,基体,液相,气相,气相,VLS生长机理,晶须的生长机理,晶须,1,2,3,4,5,在界面处生长成固态晶须,蒸气,界面,液相,晶须,VLS生长机理,气相分子向液滴扩散,气相分子在催化剂液滴上发生多相化学反应生成晶须新相,反应副产物由液滴扩散进入气相,气相分子或新相通过液滴输送到界面,晶须生长途径,固相中生长,有压力诱导生长，沉积生长和固相解理生长方式。,硬质基体,挤压,应力诱导生长晶须,液相中生长,有蒸发-冷凝，毒化-诱导，电解，晶化，化学解理，从凝胶中生长和熔融等生长方式。,晶须生长途径,-,+,-,+,电解液中晶须的生长,气相中生长,有蒸发凝结，气相输送+化学反应生长方式。,晶须生长途径,硅源,Si+SiO2,SiO+N2+H2,Si3N4+H2O,晶须,CO,碳源,晶须生长区,氮化硅晶须气相反应生长原理,硅系晶须碳化硅晶须、氮化硅晶须,SiC1250S,SiC1300S,2ZhuxianYang,Chem.Mater.2004,16,3877.UniversityPeking,surfacearea:119m2/g,surfacearea:145m2/g,晶须种类,SEMmicrographofas-extrudedSiCw/ZK60,SiCwhiskersinSiCw/ZK60compositealignedwiththetensile,3YanFeng.ScriptaMaterialia2005,53,361.HarbinInstituteofTechnology,硅系晶须碳化硅晶须,晶须种类,2.氮化硅晶须,6Naoyashibata,Nature,2004,428,730,Atomic-resoltionSTEMimagsofintergranularfilminLa-doped-Si3N4,La,N,Si,晶须种类,3.氮化硅晶须,7I-WeiChen,Nature,1997,389,701,SEMimagesandXRDNd0.4Si9.9Al2.1Oo.9N15samplefiredat1950,晶须种类,3.氧化物晶须:氧化锌、氧化镁、氧化钛、氧化锡、氧化铜等,SEMimagesofZnOsamplespreparedat180.,HRTEMimageofclusterZnOwhiskers,4ChangyouLiuetal.MaterialsLetters,2005.PekingUniversity,晶须种类,2.氧化物晶须氧化锌,SEMimageofZnOwhiskergrownonGaAssubstrate,5S.H.Eometal.J.CrystalGrowth2005.284,168,晶须种类,4.砷化镓晶须,SEMimagesofGaAsnanoscalewhiskersa.cross-sectionalview,bplanview.,8V.G.Dubrovskii.J.ofCrystalGrowth.Inpress,a,b,晶须种类,SEMimagesofGaAswhiskersgrowninwindowofSiO2maskedarea.(a)Birdseyeviewofwhiskers.(b)Whiskersseenfromdirectionnormaltosubstratesurface.,9K.Haraguchietal.CurrentAppliedPhysics,2006,6,10,4.砷化镓晶须,晶须种类,硼酸盐晶须：硼酸铝、硼酸镁、硼酸镍晶须等。,盐类晶须：钛酸钾、硫酸钙、碳酸钙和硅酸钙晶须等。,5.其它种类晶须,晶须种类,氢氧化物晶须：氢氧化镁等。,晶须在复合材料中的应用,晶须直径小，原子高度有序，强度接近于完整晶体的理论值，因而具有优良的耐高温、耐高热、耐腐蚀性能，有优良的机械强度、电绝缘性、轻量、高强度、高弹性模量、高硬度等特性。作为塑料、金属、陶瓷等改性增强材料有极佳的物理、化学性能和优异的力学性能。,强度/(GN/m2),晶须基体,铝,碳化硼,石墨,钢,碳化硅,晶须与基体材料强度比较,晶须在复合材料中的应用,负荷传递,荷载或应力能通过基体从晶须传递到晶须，由于晶须的强度大于基体强度，并具有较大的弹性模量，当应力作用于复合材料时，晶须在周围的基体中局部地应变，使更强的应力作用于晶须，从而降低周围的基体材料所受的应力。,裂纹桥联,在紧靠裂纹尖端处的晶须与基体界面开裂区，晶须把裂纹桥联起来，并在裂纹的表面加上闭合应力，阻止裂展。,裂纹偏转,当裂纹扩展到晶须时，因晶须模量极高，由于晶须周围存在应力场，基体中的裂纹难于穿过晶须按原来的扩展方向继续扩展。,拔出效应,紧靠裂纹尖端的晶须在外应力作用下沿着它和基体的界面滑出的现象。,晶须在复合材料中的应用,晶须在复合材料中的作用机理,晶须在复合材料中的应用,对晶须补强增韧效果的影响因素,界面性质1.界面结合力2.物理匹配3.化学相容,晶须性能1.长径比2.晶须含量3.晶须强度4.晶须排布,Aductileceramiccompositewithhighstrengthat1873K,10Y.waku,Nature,1997,389,49,Al2O3/GdAlO3withwhiskerinterface,Al2O3/Y3Al5O12,1.对陶瓷基和金属基材料补强增韧,晶须在复合材料中的应用,2.改性高分子聚合物,由于晶须本身结构纤细，且具高强度，高模量。晶须加入到树脂之中，可大幅度提高聚合物材料的力学性能，耐热性等诸多性能。作为一种新兴的增强材料，具有许多长纤维不具备的优越性能，在航天、航空以及众多民用工业领域得到广泛应用。,晶须在复合材料中的应用,3.晶须具有吸波、压敏、吸声、减振、防噪、抗菌和催化等性能,InfluenceofresistivityofT-ZnOontheeffectofmicrowaveabsorption.,11ZuowanZhouMater.Sci.andEng.B2006,126,93SouthwestJiaotongUniversit,SEMimagesoftetra-needle-likeZnOwhiskers,晶须在复合材料中的应用,无机纳米晶须的发展前景,晶须的高度取向结构，不仅使其具有高强度、高模量和高伸长率，且具有光、电、磁、介电、导电、超导电性能，因而作为高性能复合材料改性等越来越广泛用于汽车、航空航天、化工、冶金、国防、机械、电器、船舶、石油等领域。目前面临的问题是晶须生长理论发展比较缓慢，与实验相比，理论很不完善，需进一步定量化和精确化。近年来，无机合成化学有了新突破和新发展，因此，随着各种新型晶须制备技术的不断出现，晶须生长理论和晶须材料科学也将会进入快速发展的新阶段。,北京科技大学研究生2016-2017秋学期,陶瓷基复合材料选修课第5讲,陶瓷纤维增强体材料及应用,陶瓷纤维的分类,非晶质（玻璃态）纤维晶质纤维,氧化物陶瓷纤维（如氧化铝纤维）非氧化物陶瓷纤维（如碳化硅纤维）,陶瓷纤维棉陶瓷纤维毯陶瓷纤维毡陶瓷纤维板,从微观形态上分：,从成分上分：,从陶瓷纤维制品分：,陶瓷纤维模块陶瓷纤维纸陶瓷纤维纺织品,陶瓷纤维的制备方法,（溶剂）热合成法水（溶剂）热合成法是指在密封压力容器中，以水(或其他流体)作为溶媒(也可以是固相成分之一)，在高温（100）、高压(9.81MPa)的条件下制备纤维的一种方法。水热法在单晶生长、粉体制备、薄膜、纤维制备和材料合成上的研究表明，这是一种应用广泛、可制备多种成分材料的方法，而且制品质量高，成本也较低。,陶瓷纤维的制备方法,碳纤维灌浆置换法碳纤维灌浆置换法是利用多孔碳纤维的吸附特性，将碳纤维束在含有陶瓷组分的浆料或溶液中浸泡，然后在高温下氧化除掉有机组分而形成陶瓷纤维。该法制备的纤维相互粘连严重，影响复合材料的均匀性和机械性能。,陶瓷纤维的制备方法,化学气相沉积法（CVD法）化学气相沉积法需要以一种导热、导电性能较好的纤维作为芯材，利用可以气化的小分子化合物在一定的温度下反应，使生成的目标陶瓷材料沉积到芯材上，从而得到“有芯”的陶瓷纤维。,陶瓷纤维的制备方法,有机聚合物前驱体转化法有机聚合物前驱体转化法是以有机金属聚合物为前驱体，利用其可溶、可熔等特性成形后，经高温热分解处理使之从有机物转变为无机陶瓷材料。这种方法可以获得高强度、高模量、细小直径的连续陶瓷纤维，可以在相对较低的温度下生产陶瓷纤维，陶瓷前驱体合成的陶瓷纤维成本较高。,陶瓷纤维的制备方法,静电纺丝法静电纺丝法是使带电荷的高分子溶液或熔体在静电场中流动与变形，然后经溶剂蒸发或熔体冷却而固化得到纤维状物质。静电纺丝法制备陶瓷纤维可分为三个步骤：首先使用可溶于水的盐或酯与聚乙烯毗咯烷酮（PVP）的乙醇溶液或水溶液混合制备前驱体溶液；然后是静电纺丝过程，使用静电纺丝设备，对已配置完成的前驱体溶液进行纺丝；最后将电纺纤维经过处理、煅烧。煅烧过程中，纤维中残留的水分、乙醇等有机溶剂蒸发，PVP、酯或盐分解，不同非金属元素结合形成陶瓷纤维。,陶瓷纤维的制备方法,挤压法挤压法就是利用SiC粉在聚合物粘结剂存在下挤出纺丝，形成的细丝再烧结固化。该方法制造的多晶陶瓷纤维（包括其它方法制得的SiC纤维）具有最佳的抗高温蠕变特性，但是该方法只能得到强度较低的SiC纤维。,陶瓷纤维的制备方法,超细微粉烧结法这种方法是采用将-SiC、-SiC的微粉溶解于聚合物的溶液中，然后经混和纺丝、挤出、溶剂蒸发、煅烧、预烧结等工艺步骤制得SiC纤维，所得纤维的特点是富碳、大直径、低强度，虽然耐温性较好，但是抗氧化性能差。,陶瓷纤维的制备方法,溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法通常是先将金属醇盐溶解于有机溶剂中，配制成一定粘度的溶胶，再将溶胶纺丝后进行热处理而得到陶瓷纤维。溶胶一凝胶法不但能制备出直径较小的纤维(30m)，而烧结的温度较低(1000)。是制备PZT陶瓷纤维的最主要方法。,陶瓷纤维的制备方法,辐射不熔化法采用核辐射辐照的方法对PCS先驱丝进行不熔化处理，不必使用氧化性气氛，也不需加入引发剂，利用射线的强穿透能力使先驱丝的内部形成具有不熔化特性的特定化学结构，实现先驱丝的整体不熔化。利用加速器产生的高能电子束、同位素源产生的射线辐照PCS先驱丝，照射至一定剂量后，在高纯Ar气或N2气氛中高温热解，得到的烧成产物为陶瓷纤维。,陶瓷纤维发展趋势,陶瓷纤维材料虽具有优良的性能，但却存在致命的弱点脆性，限制了其优良性能的发挥，同时在高温下可能发生粉化现象，也就限制了它的广泛应用。所以研究其增韧方法，改善其脆性，提高其强度，强化其力学性能显得至关重要，并成为陶瓷纤维研究的主要方向。,氧化铝纤维,是以Al2O3为主要成分，并含有少量的SiO2、B2O3、ZrO2、MgO等成分。这类纤维具有优良的高温抗氧化性能，可应用在1400以上的高温场合，是近年来备受重视的无机纤维。美国3M公司采用新颖的成核细化晶粒的工艺，生产出Al2O3纤维，它不仅具有高拉伸强度和弹性模量（拉伸强度达到3.2GPa，弹性模量达到370GPa），而且还具有热导率低、电化学性能独特和抗腐蚀等一系列特点。与其他陶瓷纤维相比，其具有制造流程简单，设备要求不高，不需要惰性气体保护等特点，故而有高的性价比，具有很大的商业价值，是广泛应用于军民复合材料工业上的重要增强纤维。Al2O3纤维的制备方法和组成品种很多，得到的产品性能各异，纤维品种形状有连续Al2O3纤维和非连续Al2O3纤维。,氧化铝纤维,由于制备方法和组成不同，性能差异较大。氧化铝系列纤维主要用作复合材料增强材料和耐高温绝热材料两大类。连续纤维可编织成无维布、编织带、绳索等各种特殊的形状来应用。主要用于增强Al、Ti和SiC等其他非氧化物陶瓷制备复合材料柔性隔热材料。由于Al2O3材料密度低、绝热性好，热容量小、节能效果好，而且可以提高其复合材料的力学性能，改善耐磨性和硬度，而且线胀系数小，故氧化铝增强铝基复合材料已应用于制造汽车活塞部件、连杆、刹车零件、旋转气体压缩机叶片及直升机的传动装置等。氧化铝纤维增强聚合物，由于纤维的弹性模量比玻璃纤维高，比碳纤维的压缩强度高，而且纤维为白色，所以可以制造各种颜色的高强度、高刚性的钓鱼杆、高尔夫球杆、滑雪板、网球拍等。,氧化铝纤维制取工艺,由于氧化铝熔点高达2323，其熔体黏度低，成纤性差，故无法用熔融法制取氧化铝纤维，目前主要有以下几种制取工艺。淤浆法以-Al2O3粉、Al(OH)2Cl2H2O及少量MgCl26H2O为主要原料，加入分散剂、流变助剂、烧结助剂等辅料，在一定条件下制成淤浆干纺混合物，再挤出纺丝成纤、干燥，在10001500的空气中烧结，再在1500气体火焰中处理，得到连续的氧化铝纤维。淤浆法生产中水分及挥发物较多，在烧结前进行干燥处理,并选择适当的升温速率,防止体积收缩过快导致纤维破裂。,溶胶凝胶法,以金属铝的无机盐或醇盐为主要原料，加入醋酸、酒石酸等酸催化剂和水等，在一定条件下配成溶液并使其分散均匀，发生水解和聚合反应后得到一定浓度的溶胶，再经过浓缩处理使其黏度达到220-250Pas，成为可纺凝胶，经过纺丝、干燥后于1500烧结。可得到微晶聚集态氧化铝纤维。该法生产氧化铝纤维工艺简单，易于控制早期结晶以及材料的显微结构，产品纯度高，均匀性好，其均匀程度可以达到分子或原子水平，溶液在生产中容易被除去，烧结温度比传统方法低400-500，所得到的氧化铝纤维的拉伸性能好、可设计性强、产品多样，已成为制取氧化铝纤维的主要方法。,预聚合法,用烷基铝和其他添加剂在一定条件下聚合，形成一种铝氧烷聚合物，将该聚合物溶解在有机溶剂中，加入硅酸酯或有机硅化合物，再对该混合物进行浓缩处理成可纺黏稠液。经过干法纺丝成先驱纤维，然后分别在600和1000进行热处理，得到微晶聚集态连续氧化铝纤维。该法易于得到连续的氧化铝长纤维。,浸渍法,采用无机铝盐作为浸渍液，亲水性能良好的黏胶纤维作为浸渍物基体纤维。在一定条件下将其混合均匀，无机铝盐以分子状态分散于基体纤维中，经过浸渍、干燥、烧结、编织等步骤可以得到形状复杂的氧化铝纤维。浸渍法易于形成含铝纤维，并可以制成形状复杂的纤维产品，但成本较高，工艺较为繁琐，产品性能不易控制，形成的纤维质量较差。,熔融抽丝法,开发了熔融抽丝法来制备单晶-Al2O3纤维，即在高温下向氧化铝熔体插入钼制细管。利用毛细现象，熔融液刚好升到毛细管的顶端，然后由顶端缓慢向上拉伸就得到-Al2O3连续纤维。该法制取氧化铝纤维存在和浸渍法同样的不足之处（工艺繁琐、成本高）。,复合材料,由于氧化铝纤维与金属基体的浸润性良好，界面反应较小，其复合材料的力学性能、耐磨性、硬度均有所提高，热膨胀系数降低。氧化铝纤维增强铝基复合材料成为装甲车、坦克发动机活塞的理想材料。采用氧化铝纤维增强复合材料制造坦克履带板，可使质量从铸钢的544kg下降到272-363kg。采用高强度、高弹性的氧化铝纤维与陶瓷基体复合技术，能得到韧性优良的纤维增强陶瓷基复合材料，可明显提高陶瓷产业的技术水平，带动高技术陶瓷产业的迅速发展。氧化铝纤维与树脂基体结合良好，比玻璃纤维的弹性大，比碳纤维的压缩强度高，所以氧化铝树脂复合材料正逐步在一些领域取代玻璃纤维和碳纤维。特别是在文体用品方面，氧化铝纤维复合材料可制成色彩鲜艳的高强度钓鱼杆、高尔夫球等。,应用前景,应用前景,氧化铝短纤维主要用于高温绝热材料，长纤维用作增强复合耐火材料，可以编织成无纺布、编织带、绳索等各种形状的纤维制品。作为一种重要的绝热节能材料，其应用技术在近10年来得到迅速发展。随着应用技术的提高，氧化铝纤维及其制品不断拓展了新的应用领域，具有良好的发展前景。,工业高温炉窑,氧化铝短纤维具有突出的质量轻、耐高温、热稳定性好、热导率低、热容小及耐机械振动等优点，导热系数和容重分别只有传统耐火材料的1/10和1/15，综合性能好，是理想的节能增效耐火材料，比一般的耐火砖或高温涂料节能效果显著。生产实践证明，应用于连续加热工业炉可节能15以上，用在间歇式工业加热炉可节能30以上，同时可提高生产率和改善产品质量，实现炉体结构轻型化、大型化。多晶氧化铝纤维在高温工业炉、加热装置及高温管道的应用将替代部分其他耐火绝热材料，具有优异的性价比和实际应用价值。,航空航天,美国“哥伦比亚”号航天飞机隔热板衬垫用的是Saffil氧化铝纤维，能经受1600的高温，当航天飞机由太空返回大气层时，这种衬垫会防止热通过隔热板之间的间隙进入防热罩内。Saffil氧化铝纤维还可用于铝合金活塞，优点是当温度上升时膨胀较小，比纯合金减少约25，使活塞和汽缸之间磨合接触良好，可节省燃料。氧化铝纤维增强复合材料制成的空射导弹用固体发动机壳体，其爆破压强和钢材相同，质量则比铝合金还减轻11。氧化铝长纤维增强金属基复合材料主要应用于直升飞机的传动装置等承受高负荷的机械零件和高温高速旋转零件，以及有轻量化要求的航空航天高功能构件。此外，还可应用于固体火箭发动机喷管，使喷管设计大大简化，部件数量减少50，质量减轻50。多晶耐火氧化铝纤维也应用于宇航导弹和原子能领域，用作核反应堆及航天飞机的隔热材料、轻合金的增强材料等。,其他领域,氧化铝纤维由于良好的耐化学腐蚀性能,可用于环保和再循环技术领域。利用氧化铝纤维抗硫化氧化腐蚀、抗热震、长寿命的特点生产的高温过滤管，应用在800-900煤气或烟气环境中，可满足增压流化床燃烧联合循环和整体式煤气化联合循环发电技术中的高温气体过滤要求。氧化铝纤维柔软、弹性好，还是理想的密封材料，由于具有绝缘、消音、抗氧化、耐油和耐水性能，施工方便。最近，也有研究人员开始将氧化铝长纤维用于热核反应堆冷却换热装置的衬里。目前使用氧化铝纤维为主要原料的成型产品有氧化铝纤维增强铝基复合材料活塞、氧化铝纤维催化剂有机废气处理器、氧化铝纤维燃气催化燃烧辐射器、耐火隔热纤维砌块等，可应用于铝基复合材料增强剂、隔热隔音材料等领域。,改进完善氧化铝纤维,在氧化铝纤维生产过程中，以凝胶浓缩物或晶体的形式存在的可纺产物，在需要纺丝时，可用水或其他溶剂溶解到一定的粘度，经过纺丝机可以纺出连续纤维，以实现氧化铝纤维连续化生产，这样既可生产短纤维，也可以生产长纤维，有利于扩大氧化铝纤维的应用范围和适应性。单纯的氧化铝纤维尤其是-Al2O3纤维的力学强度还不够理想，因此一方面要进一步提高纤维强度，需要在研制开发中引入一定的其他元素，以提高其力学性能。另一方面还要提高氧化铝纤维的纯度和产品质量，减少杂质，可以减少纤维缺陷，从而提高其强度。同时还要改进制备工艺，加强对氧化铝纤维增强金属基、陶瓷基复合材料性能优化的研究。,ZrO2陶瓷纤维,二、ZrO2陶瓷纤维材料的主要用途,1、新型的先进民用材料工业窑炉用超高温隔热材料与金属或合金复合，宽温度范围使用的超强材料与玻璃复合，制成高强绝热玻璃高温过滤材料高温化学反应催化剂载体,二、ZrO2陶瓷纤维材料的主要用途,2、宇航工业航天飞机（器）用绝热与结构增强材料超高温表面绝热材料/特殊防热结构绝热材料载人飞行器超高温复合材料/前锥体及翼前缘超高温绝热、烧蚀与结构材料/防热砖用增强材料导弹、火箭发动机喷管喉部、内衬用高温稳定材料通讯卫星高能电池用隔膜、支撑体及隔热材料空间熔炼炉、原子用超高温隔热材料,ZrO2的三种晶型,单斜四方立方液相,纯ZrO2在不同温度区间具有单斜（Monoclinic）、四方（Tetragonal）、立方(Cubic)三种不同晶型，晶型转化式为：,2、ZrO2纤维,为获得高强度的氧化锆纤维，通常掺入2-3mol%的Y2O3作稳定剂。,ZrO2纤维是具有多晶陶瓷结构的纤维状材料，直径1-30m，晶粒大小50-150nm，晶相四方或立方。,ZrO2纤维的分类,按纤维长度分类：ZrO2纤维可分为连续纤维短纤维（定长纤维）两种类型。连续长度大于一米的纤维称为连续纤维长度为厘米或毫米级别的纤维则称为短纤维,氧化锆连续纤维,主要作为复合增强材料应用于航空、航天、国防等尖端领域中。要求其具有很高的抗拉伸强度和极好的柔韧性。最好能连续千米不断，几千根一束，能有序缠绕并可解绕，因此制备相当困难，掌握其制备技术的也仅有我们及美、日等几家科研机构，至今未见有工业化生产的报道。,氧化锆短纤维,主要用作超高温隔热或密封材料，对长度、强度和有序性要求不是很苛刻，因此制备工艺相对简单。主要产品形式有纤维毡或毯等,ZrO2的性能参数,高熔点：2715C低导热系数：1.6-2.1w/mk（金属氧化物中为最小）低高温蒸气压：13700C蒸汽压仅为810-12Torr低比热：0.4J/gK,ZrO2纤维的主要性能指标,最高使用温度2200高强度0.5-1.5GPa低密度0.08-0.16g/cm3低导热系数0.05-0.2W/mK高温抗氧化性能不氧化耐化学腐蚀性能对卤化物、氢氧化物及无机酸有很强的抗腐蚀能力40%KOH溶液煮沸1小时失重300m，抗拉强度2.53.0GPa，弹性模量180200GPa，纤维直径1416m，丝束根数400800根/束。,先驱体法制备连续碳化硅纤维,碳化硅纤维最重要的优势在两方面：一是其高耐氧化性；二是其较高的电阻率以及电阻率的可调控性。而后者可以使其成为透波材料(在高体积电阻率的条件下)或者吸波材料(在低体积电阻率的条件下)。碳化硅纤维要能获得应用和发展，必须充分发挥这两方面的特色。是近年来碳化硅纤维的研究与发展的趋势，即：(1)通过降低纤维中的杂质含量制备具有更高耐热性、耐氧化性的碳化硅纤维；(2)通过制备工艺的改变获得具有不同电阻率的碳化硅纤维。,几种典型SiC系列纤维的品种和性能,含钛连续SiC纤维,由先驱体聚碳硅烷制得的纤维不是纯的SiC纤维，其元素组成及质量分数为Si(55.5)、C(28.4)、O(14.0)、H(0.15)，形成的-SiC微晶的尺寸为15nm。纤维表面有SiO2存在。在无机化过程中经由硅碳氧不稳定相(SiCxOy)热分解过程和-SiC微晶晶粒粗化过程，从而影响了SiC纤维的高温力学性能。作为耐热材料和先进复合材料的增强体，这种性能还不够理想。在SiC纤维中引进其他金属或非金属元素是改善SiC纤维性能的好方法，其中受到重视的是含钛、锆或钒、铝的SiC纤维。其中含钛、锆、铝的SiC纤维日本宇部兴产公司均有研究和开发，且含钛SiC纤维已经实现了工业化生产，其突出的优点是耐热性能较好、与铝及铝合金的润湿性和相容性较好，更适合作为铝基复合材料的增强体。,Tyranno系列纤维品牌及特性,可通过化学反应将Ti、Zr等元素引入到纤维中，可以同时获得低电阻率、而力学性能较高的SiC纤维。,功能型SiC系列纤维,SiC系列纤维具有高强度、高模量、低线胀系数和电阻率可调节的特点，除作为结构复合材料的增强体外，还因具有良好的雷达波吸收功能而成为发展较快的耐高温吸波材料。作为雷达波电损耗型的吸收剂，通常认为电阻率在101103cm的纤维具有最佳的吸波特性。可以制备出适用于在1210GHz区域中具有最大吸收特性的吸波纤维。如日本碳公司生产的低体积电阻率NL-500纤维，其电阻率在0.55.0cm；而高体积电阻率的NL-400纤维，其电阻率在106107em，是良好的雷达波透波纤维。同时又具备优异的力学性能，是一种极佳的功能型结构复合材料增强体。吸波材料的发展趋势之一是材料形态上低维化，材料组成上的复合化，对SiC纤维进行改性，可以使之适用于结构吸波材料的需求。,掺混型SiC纤维,在SiC纤维中掺入导电金属异元素，调节其加入量，使之熔纺成先驱丝，再经高温处理，达到调整SiC纤维的电阻率且保持较高的力学性能的目的，以满足吸波结构对吸波纤维的需求。我国在研究先驱体法制备SiC纤维的同时，采用大功率超声波将平均粒径为30-50nm的超细金属(Fe、Co、Ni、Ti)粉分别分散到聚碳硅烷中，通过熔融纺丝、不熔化处理、烧结制备出具有良好力学性能的电阻率连续可调的掺混型SiC纤维。研究结果表明，随掺混的金属微粉量的增加，所获得的SiC纤维的拉伸强度下降，电阻率下降。当聚碳硅烷中加入纳米Fe粉后，获得的掺混型SiC纤维的电阻率急剧下降，只需要在聚碳硅烷加入约15(质量分数)Fe量就可以获得电阻率达到100103cm范围内的SiC纤维，且纤维仍能保持较高的拉伸强度，,氮化硅(Si3N4)纤维,Si3N4纤维不但具有优越的力学性能，该纤维线胀系数及热导率小，具有良好的热冲击性、耐氧化性、绝缘性以及很好的弹性模量。它主要应用于金属基(MMC)、陶瓷基复合材料(CMC)和防热功能复合材料的制备。Si3N4纤维制备与由有机硅聚合物出发制备SiC纤维相似，先驱体聚硅氮烷、聚碳硅氮烷可由不同的合成路线与方法获得，经纺丝、不熔化处理和高温处理制得纤维，其组成、结构与性能各不相同。在制备目标上有制备纯Si3N4纤维和Si3N4-SiC复合结构的陶瓷纤维两种趋势。目前以美国DowComing公司、日本东亚燃料公司和法国Domaine大学各自代表氮化硅纤维制备技术中3种不同技术路径。这种纤维直径为1015m，拉伸强度为3.1GPa，弹性模量为260GPa。,Si3N4纤维的典型特性,Si3N4透波纤维,Si3N4纤维具有优越的力学性能、良好的耐热冲击性、高耐氧化性、高绝缘性以及良好的弹性模量，纯氮化硅的介电常数约为7。介电损耗0.0010.005，具有较好的耐高温性能,其热分解温度为1900。同时，它还具有较高的高温电阻率(1x1013-1x1014Qcm)和较好的高温介电性能，是较为理想的高温透波陶瓷纤维材料。,氮化硼(BN)纤维,BN纤维是一种质地柔软、白色丝光状的多晶无机纤维，是无机耐热的品种之一。有BN复合纤维和纯BN纤维之分。氮化硼纤维具有优越的绝热和耐高温性能、优良的电绝缘性、耐腐蚀性和介电性能及易编织特性等，还具有防核辐射、防化学腐蚀、防红外线的作用。用作陶瓷基复合材料的补强剂，可以增加韧性、提高抗热冲击性。已应用于微波窗部件、水平连铸技术中的分离环、通信卫星用电池的隔膜等。,氮化硼(BN)纤维,BN纤维补强的石英已制得导弹防热环形天线窗部件，可满足空间环境的要求，是导弹微波窗材料的首选材料，并已获得应用。BN纤维补强Si3N4能耐1600左右的不锈钢和碳钢的侵蚀，实验证明这种材料可以经受巨大的温差所产生的热冲击。BN纤维能经受40%的KOH溶液的长期侵蚀，作为碱性电池、高能电池隔膜材料，具有耐高温、耐腐蚀、是一种电池隔膜材料。同时BN纤维与石墨结构类似，具有高温润滑性，是一种较理想的润滑材料；BN纤维具有吸收中子的能力，并能抵抗紫外线、宇宙线的照射与辐射，可用作防护服材料。由于BN纤维的化学稳定性，可以制成BN纤维纸、毡等制品，用于化学物质过滤，气体过滤等方面的应用。,氮化硼(BN)纤维,美国是最先研究BN纤维的国家，处于世界领先地位，1966年由金刚砂公司的超热材料研究所首先研究成功BN纤维，1978年研究成功高强度、高模量的BN连续纤维。中国1976年以B2O3纤维用化学转化方法开展了这方面的研究，系统地进行了提高BN纤维性能的基础研究，找出了高性能BN纤维微观结构的理想模式和提高性能的途径。在1993年获得单丝拉伸强度为800MPa，弹性模量50GPa，纤维直径46m，纤维氮含量为96wt，连续长度大于1m的BN纤维。国际上进人20世纪90年代后采用先驱体法制造BN纤维的研究