牛基烨-3110706041-氧化铝纤维

1、 牛基烨 3110706041 复合材料11021、在实际的工作应用中，选择增强体主要要注意哪些事项？答：1) 力学性能：杨氏模量和塑性强度2) 物理性能：密度和热扩散系数3) 几何特性：形貌和尺寸4) 物理化学相容性5) 成本因素 国内外氧化铝纤维的制备技术及其应用现状1、前言 氧化铝纤维，英文名alumina fiber，又称多晶氧化铝纤维，属于高性能无机纤维，是一种多晶陶瓷纤维，具有长纤、短纤、晶须等多种形式。氧化铝纤维直径1020m，密度2.74.2g/cm3，强度1.42.45GPa，模量190385GPa，最高使用温度为11001400，以Al2O3为主要成分，并含有少量的SiO2

2、、B2O3、Zr2O3、MgO等。 与碳纤维和金属纤维比较，氧化铝纤维具有高强度、高模量、高耐热性和耐高温氧化性，在高温下具有较高的拉伸强度。氧化铝纤维表面活性好，与金属、陶瓷等基体材料易于复合；热导率剂热膨胀系数低；抗震性好；原材料成本较低，具有较高的性价比。尤其是采用溶胶-凝胶法制造的氧化铝纤维，其烧结温度大大降低，还可以进行精确化学计量控制，制造出性能更优异的氧化铝纤维。基于此，氧化铝纤维在军工、航天航空上具有重要的战略意义、巨大的商业价值，吸引了许多发达国家投入大量人力、物力和财力进行研制开发与利用。美国等发达国家已将其作为航空、航天飞行器和民用汽车工业中先进发动机组件的极具发展潜力的

3、材料之一。2、制备工艺 氧化铝纤维制法不同其Al2O3的结晶态和含量各异，制取工艺比较简单，对生产设备和生产条件要求不高，与碳纤维相比，氧化铝纤维的成本要低很多，且原料易得，这为氧化铝纤维的大量应用提供了充足的条件。由于氧化铝熔点高达2323，其熔体粘度低，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。2.1.淤浆法 淤浆法是以Al2O3粉末为主要原材料，加入分散剂、流变助剂、烧结助剂等，在一定条件下制成可纺混合物，再挤出成纤、干燥、烧结，得到直径在200m左右的氧化铝纤维。例如，将粒径小于 0.5m的-Al2O3微粉、Al2（OH）5Cl.2H2O和适量的MgCl2水溶

4、液在一定条件下充分混合均匀，使之形成可纺粘稠浆液，由该浆液纺出的丝经过干燥、烧结后就得到Al2O3多晶连续纤维。该方法生产中的浆料含水分及挥发物较多，在烧结前必须进行干燥处理，并要选择适当的升温速率，防止气体挥发时体积收缩过快导致纤维破裂。 1979年，美国杜邦公司最早采用淤浆法生产氧化铝纤维，将-Al2O3（直径0.5m）粉末与羟基氯化铝和氯化镁作为粘结剂在一定条件下混合制成一定粘度的可纺浆料，干法纺丝，经过干燥，然后烧结到1800的高温，得到-Al2O3多晶纤维，其氧化铝含量为99.9%。其商品牌号为FP，该氧化铝纤维的断裂伸长率低，仅为0.29%，因而应用受到限制。 日本Mitsui M

5、ining公司采用淤浆法生产氧化铝纤维，用-Al2O3粉末为主要材料，辅以其他添加剂，制成可纺浆料，经干法纺丝后在一定的温度下进行干燥，烧结处理得到表面光滑的氧化铝纤维。2.2溶胶-凝胶法 溶胶-凝胶法是一种新型的成型方法,一般以铝的醇盐或无机盐为原料,同时加入其它有机酸催化剂,溶于醇/水中,得到混合均匀的溶液,经醇解/水解和聚合反应得到溶胶,浓缩的溶胶达到一定粘度后进行纺丝,得到凝胶纤维,随后进行热处理得到氧化铝纤维。 美国3M公司通过溶胶-凝胶法生产了Nextel系列的陶瓷纤维。其中Nextel 312组分为Al2O360%,B2O314%,SiO224%。制备方法是:在含有甲酸根离子和乙

6、酸根离子的氧化铝溶胶中,加入作为硅组分的硅溶胶和作为氧化硼组分的硼酸,得到混合溶胶,浓缩成纺丝液进行挤出纺丝,然后在1000以上带有张力条件下烧结,得到连续氧化铝纤维。 溶胶-凝胶法具有以下优点:制品的均匀度高,尤其是多组分的制品,其均匀程度可达分子或原子水平;制品纯度高,因为所用原料的纯度高,而且溶剂在处理过程中容易被除去;烧结温度比传统方法约低400500；制备的氧化铝纤维直径小,因而拉伸强度有较大提高。 溶胶-凝胶法制备氧化铝纤维是近年来研究的热点,许多研究者应用这种方法控制化学计量组成,制备了莫来石型(3Al2O3/2SiO2)氧化铝纤维,具有莫来石晶体结构,不含无定型硅,提高了纤维的

7、抗蠕变性,降低了热膨胀系数,在复合材料领域很有吸引力。溶胶-凝胶法制备氧化铝纤维工艺简单,可设计性强,产品多样化,是一种很有发展前途的制备无机材料的方法。2.3预聚合法 预聚合法先将烷基铝和其它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粘稠液，再经过干法纺丝成先驱纤维，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。该方法的纺丝性能好，易于得到连续长纤维。 日本往友化学公司采用预聚合法生产氧化铝纤维，先用烷基铝和水在一定的条件下聚合成铝氧烷化合物，将其溶解在有机溶剂中，再加入硅酸酯或有机硅化

8、合物，将混合物制成可纺粘稠液，经纺丝，干燥烧结生产出氧化铝纤维。2.4卜内门法 卜内门法将有机铝盐和其它添加剂在一定条件下混合，使之成为一定粘度的粘稠溶液，然后再与一定量的水溶性有机高分子、含硅氧化聚合物等混合均匀形成可纺粘液，经过纺丝、干燥、烧结等处理，就得到了氧化铝纤维。卜内门法的先驱体不能形成均匀溶胶，本身并不形成线性聚合物，难以得到连续长纤维，因而其产品多为短纤维形式。 英国ICI公司采用卜内门法生产氧化铝纤维，先将羟基乙酸铝混合成铝盐溶液，然后与聚环氧乙烷等水溶性分子、聚硅氧烷混合在一起制成可纺粘稠液，经纺丝、干燥、烧结成氧化铝纤维。2.5浸渍法 浸渍法采用无机铝盐作为浸渍液，亲水性

9、能良好的粘胶纤维作为浸渍物基体纤维，在一定条件下将它们混合均匀，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。 该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。2.6熔融抽丝法 1971年，美国TYCO研究所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内插入钼制细管，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。和浸渍法类似，熔融抽丝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，

10、产品性能不易控制，形成的纤维质量较差。3、氧化铝纤维的性能及应用 氧化铝纤维具有优异的抗高温、耐腐蚀、低变形、低热导率、低空隙率与独特的电化学性质，其原材料是易于得到的金属氧化物粉末、无机盐、水、聚合物、粘胶剂等，可以直接从水溶液、悬浊液、溶胶凝胶或其它有机溶液中纺丝，也可以以粘胶丝为载体纤维来制备，对生产设备要求不高，无需惰性气体保护等。3.1用作绝热耐火材料 氧化铝短纤维具有突出的耐高温性能，主要用作绝热耐火材料，在冶金炉、陶瓷烧结炉或其它高温炉中作护身衬里的隔热材料。由于其密度小、绝热性好、热容量小，不仅可以减轻炉体质量，而且可以提高控温精度，节能效果显著。氧化铝纤维在高温炉中的使用节能

11、效果比一般的耐火砖或高温涂料好，节能量远大于散热损失量，其原因不仅是因为减少了散热损失，更主要的是强化了炉气对炉壁的对流传热，使炉壁能得到更多的热量，再通过辐射传给物料，从而提高了物料的加热速度和生产能力。 氧化铝纤维还具有优异的高温力学性能，其抗拉强度可达3.2GPa，模量可达420GPa，长期使用温度在1000以上，有些可在1400高温下长期使用而强度不变。3.2用作高强度材料 氧化铝纤维增强铝基复合材料具有良好的综合性能，因而成为装甲车、坦克发动机活塞的理想材料。美国陆军采用氧化铝纤维增强复合材料制造履带板，使质量从铸钢的544kg下降到272363kg，减轻近50%。3.3用作航空航天

12、材料 氧化铝纤维还可应用于航空航天领域，据报道，氧化铝纤维增强复合材料制成空射导弹用固体发动机壳体，其爆破压强和钢材相同，质量却比铝合金还轻11%；此外，应用于固体火箭发动机喷管，可使喷管设计大大简化，部件数量减少50%，质量减轻50%。3.4用作汽车附件材料 氧化铝纤维增强铝基复合材料可用于制造汽车发动机活塞、连杆、气门、集流腔等。据称，采用这种材料制成的连杆质量轻、抗拉强度和疲劳强度高、线膨胀系数小，可满足连杆工作性能要求，日本本田公司在轿车上使用了5万根这样的连杆。3.5其他应用 除了上述应用，氧化铝纤维材料还可以用作有机废气处理器、燃气催化燃烧辐射器、耐火隔热纤维砌块等，能够改善汽车发

13、动机使用效率、减少废气排放量、提高燃烧速率、改善产品烘干效果等。用于环保和再循环技术领域，如用作焚烧电子废料的设备，经过多年运转后，氧化铝纤维仍然具有优良的抵抗炉内各种有害物腐蚀的性能。4、结语 氧化铝纤维主要用制造增强复合材料和高温绝热材料,可以制成无维布、编织带、绳索等各种形状,广泛应用于航天、航空、汽车、电力等高科技领域。氧化铝纤维与基本(如金属、陶瓷)之间相容性良好,因此适于制造增强金属复合材料和增强陶瓷材料。氧化铝纤维与陶瓷基体界面的热膨胀率和导热率非常接近,纤维的加入可以提高陶瓷基体的韧性、增加抗冲击强度,在耐热复合材料的开发中发展很快。采用氧化铝纤维增强的金属基与陶瓷基复合材料,可用于超音速飞机上,也可用于液体火箭发动机的喷管和垫圈,能在2200以上使用。采用Nextel610增强的铝基复合材料的拉伸强度已经超过了1500MPa。氧化铝纤维由于制法较多,性能差异较大,可满足各种不同使用性能,应用前景广阔,尤其在增强金属、陶瓷领域是最有希望的无机纤维之一;又因为生产成本相对较低,生产工艺简单,近年来大有赶超其它无机纤维的势头。5、参考文献1任春华.叶亚莉.周国成.蒋英.氧化铝纤维的发展现状及前景.关