氧化锆纤维制品制备

1、1 氧化锆纤维制品的制备及其应用氧化锆纤维制品的制备及其应用 2/20 2 主要内容主要内容 氧化锆纤维制品在高效电炉中的应用氧化锆纤维制品在高效电炉中的应用 氧化锆纤维制品氧化锆纤维制品 氧化锆纤维的制备氧化锆纤维的制备 概述概述 3/20 3 1. 1. 概述概述 氧化锆纤维是一种多晶陶瓷纤维氧化锆纤维是一种多晶陶瓷纤维, ,是唯一能满足是唯一能满足15001500C C以上超高温以上超高温 氧化气氛下长期使用的高档轻质耐火纤维材料。它除具有一般陶瓷纤维氧化气氛下长期使用的高档轻质耐火纤维材料。它除具有一般陶瓷纤维 的特性外的特性外, , 还具有还具有熔点高熔点高(2600 (2600 )

2、 )、耐高温、耐高温(2200 (2200 ) )、抗氧化、耐腐、抗氧化、耐腐 蚀、热传导率低蚀、热传导率低等优良特性等优良特性, , 在无机纤维材料中占有特殊的位置在无机纤维材料中占有特殊的位置, , 是一是一 种高性能的隔热和耐腐蚀材料种高性能的隔热和耐腐蚀材料, , 在航空航天、原子能、冶金和石油化工、在航空航天、原子能、冶金和石油化工、 交通运输等行业得到了广泛的应用。交通运输等行业得到了广泛的应用。 1.1 1.1 氧化锆纤维简介氧化锆纤维简介 氧化锆纤维可分为短纤维和连续纤维，短纤维一般指长度为厘米、氧化锆纤维可分为短纤维和连续纤维，短纤维一般指长度为厘米、 毫米或微米的纤维，强度

3、一般不高；连续纤维一般指长度大于毫米或微米的纤维，强度一般不高；连续纤维一般指长度大于1 1米的纤米的纤 维，强度高，韧性好，并可以实现三维编织，在复合增强材料方面更维，强度高，韧性好，并可以实现三维编织，在复合增强材料方面更 具有优势。具有优势。 4/20 4 1. 1. 概述概述 r r 纤维的 纤维的SEMSEM 照片照片 r r 纤维制品 纤维制品 5/20 5 1. 1. 概述概述 1.2 1.2 氧化锆纤维性能氧化锆纤维性能 1.2.1 1.2.1 高温性能高温性能 氧化锆具有很好的高温性能氧化锆具有很好的高温性能, , 在温度高达在温度高达2480 2480 时仍可保持其纤维形态

4、时仍可保持其纤维形态, , 1400 1400 左右仍具有可绕性。氧化锆纤维使用温度可达氧化铝的熔点以上左右仍具有可绕性。氧化锆纤维使用温度可达氧化铝的熔点以上, , 最高最高 可达可达2200 2200 , , 不仅适用于氧化气氛不仅适用于氧化气氛, , 而且可在还原气氛和真空下使用。而且可在还原气氛和真空下使用。 1.2.2 1.2.2 隔热性能隔热性能 氧化锆具有低导热系数氧化锆具有低导热系数, , 氧化锆纤维的导热性如同大多数陶瓷纤维一样氧化锆纤维的导热性如同大多数陶瓷纤维一样, , 主要取决其松散性主要取决其松散性, , 氧化锆纤维的低密度提供了最有效的隔热性能。氧化锆纤维的低密度提

5、供了最有效的隔热性能。 1.2.3 1.2.3 耐腐蚀性能耐腐蚀性能 氧化锆纤维具有优异的耐腐蚀性能氧化锆纤维具有优异的耐腐蚀性能, , 对强腐蚀性的化学药品有极大的反应对强腐蚀性的化学药品有极大的反应 惰性惰性, , 氧化锆纤维对温度高达氧化锆纤维对温度高达700 700 的熔融碱金属的氯化物和碳酸盐以及的熔融碱金属的氯化物和碳酸盐以及230 230 的碱金属的氢氧化物水溶液有特殊的耐腐蚀能力的碱金属的氢氧化物水溶液有特殊的耐腐蚀能力, , 例如将氧化锆纤维在例如将氧化锆纤维在40%40% 的的KOHKOH溶液中煮沸溶液中煮沸1 h, 1 h, 损失小于损失小于0.5%0.5%。氧化锆纤维对

6、绝大多数熔融金属如铜、。氧化锆纤维对绝大多数熔融金属如铜、 铝、铁、钢等不浸润铝、铁、钢等不浸润, , 因此长期接触金属后很少发生反应或污染因此长期接触金属后很少发生反应或污染, , 另外另外, , 氧化氧化 锆纤维暴露在无机酸中锆纤维暴露在无机酸中, , 在达到沸点时能够短时间不发生反应。在达到沸点时能够短时间不发生反应。 6/20 6 2.2.氧化锆纤维的制备氧化锆纤维的制备 由于氧化铭的高熔点和熔体的低粘度特性由于氧化铭的高熔点和熔体的低粘度特性, ,不能采用象硅酸铝及高铝不能采用象硅酸铝及高铝 陶瓷纤维那样的熔融制丝法陶瓷纤维那样的熔融制丝法, ,而只能采用前驱体法来制造而只能采用前驱

7、体法来制造, ,主要有主要有载体法、载体法、 无机盐法和溶胶凝胶法。无机盐法和溶胶凝胶法。 图2-1 载体法制备氧化锆纤维工艺流程图 2.1 2.1 载体法载体法 7/20 7 2. 2.氧化锆纤维的制备氧化锆纤维的制备 图2-2 无机盐法制备氧化锆纤维工艺流程图 2.2 2.2 无机盐法无机盐法 2.3 2.3 溶胶溶胶凝胶法凝胶法 该法是以醋酸锆或锆的醇盐为原料该法是以醋酸锆或锆的醇盐为原料, ,通过加水分解、蒸发、缩聚通过加水分解、蒸发、缩聚 等制成一定粘度的等制成一定粘度的ZrOZrO2 2溶胶纺丝液溶胶纺丝液, ,采用与无机盐法相同的纤维化方采用与无机盐法相同的纤维化方 法制成凝胶纤

8、维法制成凝胶纤维, ,干燥、热处理制成氧化锆纤维。干燥、热处理制成氧化锆纤维。 8/20 8 2. 2.氧化锆纤维的制备氧化锆纤维的制备 聚锆前驱体纤维聚锆前驱体纤维 热处理后的热处理后的r r纤维纤维 9/20 9 3. 3. 氧化锆纤维制品氧化锆纤维制品 氧氧 化化 锆锆 纤纤 维维 制制 品品 氧化锆纤维毡氧化锆纤维毡 刚性氧化锆纤维制品刚性氧化锆纤维制品 氧化锆纤维纸氧化锆纤维纸 氧化锆纤维布氧化锆纤维布 10/20 10 3. 3. 氧化锆纤维制品氧化锆纤维制品 3.1 3.1 氧化锆纤维毡氧化锆纤维毡 氧化锆纤维毡是用有机短纤维经针刺制成氧化锆纤维毡是用有机短纤维经针刺制成 有机纤

9、维毡为先驱体有机纤维毡为先驱体, , 浸渍锆盐溶液浸渍锆盐溶液, , 经热经热 处理而得到的具有原有机纤维毡形貌的氧化处理而得到的具有原有机纤维毡形貌的氧化 锆纤维毡。其制备工艺与氧化锆纤维的制备锆纤维毡。其制备工艺与氧化锆纤维的制备 工艺相同工艺相同, , 氧化锆纤维毡主要氧化锆纤维毡主要用于晶体生长用于晶体生长 炉的的隔热炉的的隔热, , 在晶体生长炉中的使用温度高在晶体生长炉中的使用温度高 达达1920 1920 , , 仍保持纤维毡形态仍保持纤维毡形态, , 起到了极好起到了极好 的隔热作用。的隔热作用。 在激光单晶生长炉中使用氧化锆纤维毡做在激光单晶生长炉中使用氧化锆纤维毡做 隔热材

10、料隔热材料, , 可以降低能耗可以降低能耗, , 有利于贵金属铱有利于贵金属铱 的回收的回收, , 可以保证晶体生长炉的温场稳定性可以保证晶体生长炉的温场稳定性, , 提高晶体生长的成品率及晶体的光学质量。提高晶体生长的成品率及晶体的光学质量。 图图3-1 3-1 蓝宝石炉用氧化锆纤维蓝宝石炉用氧化锆纤维 隔热侧屏隔热侧屏 11/20 11 3. 3. 氧化锆纤维制品氧化锆纤维制品 3.2 3.2 刚性氧化锆纤维制品刚性氧化锆纤维制品 该制品是用氧化锆纤维为原料该制品是用氧化锆纤维为原料, , 经短切并经短切并 加入低温、高温结合剂制成水性悬浮液加入低温、高温结合剂制成水性悬浮液, , 最后最

11、后 经成型烧成而成。制品有氧化锆纤维板、筒、经成型烧成而成。制品有氧化锆纤维板、筒、 罩、异型制品等罩、异型制品等, , 可机械加工。制备氧化锆纤可机械加工。制备氧化锆纤 维制品的维制品的关键为氧化锆纤维悬浮液的制备及成关键为氧化锆纤维悬浮液的制备及成 型模具的设计型模具的设计, , 为了使成型后制品有一定的强为了使成型后制品有一定的强 度度, , 能够自支撑能够自支撑, , 要加入低温结合剂要加入低温结合剂, , 结合剂结合剂 要选择水溶性的要选择水溶性的, , 如聚乙烯醇、甲基纤维素等。如聚乙烯醇、甲基纤维素等。 高温强度靠加入高温结合剂提供高温强度靠加入高温结合剂提供, , 可供选择的可

12、供选择的 有硅溶胶、铝溶胶、锆溶胶等。用硅溶胶作为有硅溶胶、铝溶胶、锆溶胶等。用硅溶胶作为 高温结合剂的制品使用温度较低高温结合剂的制品使用温度较低, , 一般使用温一般使用温 度为度为1650 1650 左右。而添加锆溶胶做结合剂的左右。而添加锆溶胶做结合剂的 纤维制品纤维制品, , 其使用温度可达其使用温度可达2000 2000 。因工艺。因工艺 需要需要, , 在悬浮液中还应加入分散剂等在悬浮液中还应加入分散剂等, , 以利成以利成 型操作。成型模具应设计成阻力小的微孔结构。型操作。成型模具应设计成阻力小的微孔结构。 图图3-2 3-2 氧化锆纤维板氧化锆纤维板 图图3-3 3-3 氧化

13、锆异形制品氧化锆异形制品 12/20 12 3. 3. 氧化锆纤维制品氧化锆纤维制品 3.3 3.3 氧化锆纤维纸氧化锆纤维纸 氧化锆纤维纸是用氧化锆纤维经分散氧化锆纤维纸是用氧化锆纤维经分散, , 加入粘接剂加入粘接剂, , 必要时可加必要时可加 入其他纤维或晶须入其他纤维或晶须, , 经抄纸工艺而制成氧化锆纤维纸主要用于经抄纸工艺而制成氧化锆纤维纸主要用于碱性电碱性电 池的隔膜池的隔膜, , 这是因为氧化锆纤维具有优异的这是因为氧化锆纤维具有优异的耐腐蚀性能和耐高温性能耐腐蚀性能和耐高温性能。 使用氧化锆纤维纸作碱性电池隔膜比常用的石棉纸、玻纤纸及尼龙隔使用氧化锆纤维纸作碱性电池隔膜比常用

14、的石棉纸、玻纤纸及尼龙隔 膜性能优越膜性能优越, , 寿命长。寿命长。 图图3-4 3-4 氧化锆纤维纸氧化锆纤维纸 但是但是, , 目前我国生产的氧化锆纤维目前我国生产的氧化锆纤维 由于其本身性能尚有差距由于其本身性能尚有差距, , 如强度低、如强度低、 脆性大等脆性大等, , 还不能抄制出纯氧化锆纤维还不能抄制出纯氧化锆纤维 纸纸, , 不得不混入诸如石棉、玻纤等纤维不得不混入诸如石棉、玻纤等纤维, , 这就带入了这些纤维的缺点这就带入了这些纤维的缺点, , 因此因此, , 虽虽 然性能有所提高然性能有所提高, , 但还不能完全满足碱但还不能完全满足碱 性电池的需要。这就促使我们研制纯氧性

15、电池的需要。这就促使我们研制纯氧 化锆纤维的氧化锆布作为电池隔膜。化锆纤维的氧化锆布作为电池隔膜。 13/20 13 3. 氧化锆纤维制品氧化锆纤维制品 3.4 3.4 氧化锆纤维布氧化锆纤维布 氧化锆纤维布是用特种有机纤维氧化锆纤维布是用特种有机纤维, , 经设计编织经设计编织 成具有特殊结构的有机纤维布做前驱体成具有特殊结构的有机纤维布做前驱体, , 浸渍稳定浸渍稳定 化的锆盐溶液化的锆盐溶液, , 经过与制备氧化锆纤维相同的工艺经过与制备氧化锆纤维相同的工艺, , 最后在特定气氛及热处理工艺条件下煅烧而成。它最后在特定气氛及热处理工艺条件下煅烧而成。它 具有普通布的外观特点具有普通布的外

16、观特点, , 平整、柔软平整、柔软, , 具有一定的具有一定的 强度。氧化锆纤维布主要用作强度。氧化锆纤维布主要用作高能高能Ni-H2 Ni-H2 电池隔膜电池隔膜。 氧化锆纤维布膜是目前国际上最先进的航天用电池氧化锆纤维布膜是目前国际上最先进的航天用电池 隔膜隔膜, , 它具有它具有良好的耐碱、耐热和抗氧化性能良好的耐碱、耐热和抗氧化性能, ,而而 且透气性好且透气性好, ,吸碱率高吸碱率高, ,面电阻小面电阻小等特点。使用氧化等特点。使用氧化 锆纤维布作卫星电池隔膜锆纤维布作卫星电池隔膜, ,可提高电池性能，增加可提高电池性能，增加 电池寿命，延长卫星的使用寿命。电池寿命，延长卫星的使用寿

17、命。 氧化锆纤维布还可做高温电解槽的隔膜氧化锆纤维布还可做高温电解槽的隔膜, , 可使电解槽的温度由可使电解槽的温度由60 60 8080提高到提高到160 160 200 200 , , 从而使电解能耗大幅度下降从而使电解能耗大幅度下降, , 电解效率增加。电解效率增加。 氧化锆纤维布是理想的烧结电子陶瓷氧化锆纤维布是理想的烧结电子陶瓷, , 如如PTCPTC的铺垫隔热材料的铺垫隔热材料, , 它还可它还可 用于超高温复杂情况下的外包隔热及用于高温强腐蚀介质过滤等。用于超高温复杂情况下的外包隔热及用于高温强腐蚀介质过滤等。 图图3-5 3-5 氧化锆纤维布氧化锆纤维布 14/20 3. 氧化锆纤维制品氧化锆纤维制品 图图3-6 3-6 氧化锆纤维复合材料全纤维炉膛高温电炉氧化锆纤维复合材料全纤维炉膛高温电炉 15/20 1