金属纤维及其制品的研究进展

金属纤维及其制品的研究进展

金属纤维是一种广泛发展前景的材料。它不仅继承了材料本身的固有性能，而且简化过程显著变化了材料的内部结构、物理和化学性质。广泛使用。这是许多重要的材料，需要民法和国防工程。金属纤维制备技术由于难度大、工艺复杂,曾经只被美国、比利时和日本等少数几个国家掌握,其中研究最早的是美国,但规模化和产业化最快的是Bekaert公司,他们一度控制了世界一半以上的市场。我国对金属纤维及其制品的研究较晚,20世纪80年代中期,我国对于金属纤维及其制品的需求开始迅速增长,由于国内当时尚不具备大规模生产金属纤维及纤维毡的能力和条件,每年不得不花费大量外汇从国外进口,因此我国开始加大对金属纤维及其制品的自主研究投入。此后经多年的发展,西北有色金属研究院于1998年建成了国内最大的金属纤维及制品科研、生产和检测基地,并与2002年顺利通过国家重点工业性试验项目“金属纤维及其制品”的验收,从此意味着我国在金属纤维及纤维毡领域的研究及产业化方面已走到了世界前列,成为继美国、比利时和日本之后世界上第4个能规模生产金属纤维和大型纤维毡的国家。1多功能化、结构功能一体化的材料由金属纤维制成的多孔材料具有密度小、比表面积大、孔隙度高和抗冲击性能高等优点,又因为其不仅具有金属的性质,又因为材料内部存在着大量孔隙,具有一系列的功能特性,使得金属纤维多孔材料正在从功能单一的材料用途向结构材料延伸,最终实现多功能化、结构功能一体化的突破。随着金属多孔材料功能结构一体化的研究,其应用领域不断扩展,目前金属纤维制品在航空、航天、原子能、石化、冶金、机械、医药和环保等行业得到广泛应用。2过滤材料在果汁过滤领域的应用金属纤维用于过滤材料,主要是指用金属纤维制成的金属纤维毡。金属纤维毡渗透性能好、强度高、耐腐蚀、耐高温、可折叠、可再生和寿命长等,与传统的金属粉末过滤材料和金属丝网过滤材料相比具有诸多优点,如表1所示。金属纤维被广泛应用于高分子聚合物过滤、食品与饮料过滤、气体过滤和汽车安全气囊等领域。由金属纤维毡做成的梯度过滤材料,在饮料行业中用于果汁的过滤,比其他过滤材料具有更高的过滤精度。由铁铬铝纤维制成的柴油车尾气颗粒捕集器是世界上最新出现的一种环保产品,使用该种捕集器后,柴油车排放的尾气经检测达到欧Ⅳ尾气排放标准,并且在安装柴油发动机尾气微粒捕集器后,还能附带降低柴油机的排气噪声,目前已经被欧洲汽车厂商批量使用。金属纤维多孔材料还可用作汽车安全气囊的过滤元件,可在汽车受到撞击后控制气体膨胀速度,过滤高温气体中的颗粒物和冷却高温气体,从而使安全气囊起到保护人体的作用。近年来,由于在工业领域中的应用工况变得更加复杂和恶劣,金属纤维烧在洁净能源转化(煤气化技术)和高温气体除尘等应用方面具有广阔的应用空间。我国对企业的粉尘排放标准也大大提高,尤其是钢铁冶金行业,从2008年7月1日起,排放标准从每立方米150mg降到30mg,传统除尘材料大多是用化纤和玻璃纤维做成,材料所耐高温最高为280℃左右,但是排放的气体最高温度瞬间有时会达到400℃,所以经常出现烧漏现象。用不锈钢纤维毡做的滤材耐高温可达600℃左右,不仅可长期使用,而且由于金属纤维毡的透气度是化纤和玻纤的两倍,还可大大缩小过滤设备的体积。3金属纤维材料噪声污染是当今世界性的大问题,被列为国际公害之一。吸声是噪声控制的主要方法之一,当声波透入材料微孔后引起空气运动,空气在微孔内与孔壁摩擦,由于空气的粘滞性和热传导性使声能变为热能而消耗。传统用于吸声的主要材料有金属多孔材料和非金属多孔材料两种,非金属多孔材料较脆、易折断,在实用过程中会产生纤维尘灰,污染环境,而且无机纤维吸声板的耐候性和抗气流冲刷较差。金属纤维多孔材料是一类重要的金属多孔吸声材料,与传统吸声材料相比,烧结金属纤维多孔材料同时具有强度高、耐腐蚀、耐高温和抗恶劣环境能力强等明显优势,特别适合在高温(大于700℃)、高声压级(小于140dB)及强气流(来流马赫数小于0.1)等极端环境下应用,是一种具有良好发展前途的吸声材料。波音公司早在20世纪60年代中期,就用8~100μm的不锈钢纤维制成多孔消音材料,用于发动机辅助机组的进排气处理。铝质纤维吸声材料在国外的使用已很普遍,较多使用在音乐厅、展览馆、教室、高架公路底面的吸声材料,高速公路或冷却塔的声屏障,地铁、隧道等地下潮湿环境的吸声材料等,铝质纤维板的结构,如图1所示。近年来金属纤维材料已逐渐在国外汽车上开始使用,国内桑塔纳汽车也开始使用这种材料作为消声器的消声器芯。近几年,中科院、上海同济大学、西安交通大学、西北有色金属研究等单位对金属纤维的吸声性能做了大量研究工作。其中西安交通大学以烧结金属(316L)纤维多孔材料为研究对象,通过理论分析和实验测试,重点研究了温度场和温度梯度场对多孔金属材料吸声性能的影响,从而为多孔金属材料在极端环境下的工程应用提供了理论依据。汤慧萍研究小组采用不锈钢纤维制备不同孔隙性能的纤维多孔材料,通过实验测试发现梯度结构的金属纤维多孔材料在高频下具有非常优越的吸声性能。虽然,金属纤维吸声材料具有诸多优异性能,但还存在一些不足,尤其是其生产成本高,如何在保证吸声效率的前提下降低其生产成本是今后工作的重点。4导电塑料材料电磁波污染被称为当今世界第四大污染公害,在高频电磁波强辐射环境中会干扰人体肌体组织内分子的原有电场,使身心健康受到影响,引起病变,并具有累积性。金属纤维不仅具有可纺性,而且具有优良的导电、防磁性,因此用其制成的混纺产品具有很好的电磁屏蔽效果。金属纤维在混纺织物中含量达0.5%~5%可制成防静电工作服,用于易燃易爆场所或易产生粉尘的特定工作场所;含量5%~20%的混纺织物可用于防静电地毯、防静电吸尘器、电磁波(微波)防护服及防护罩、医疗手术服;金属纤维含量达25%的混纺织品制作成的超高压屏蔽服,可用于小于500kV交、直流电的作业。目前电子设备如电视机、计算机均是用塑料制成的,若将少量金属纤维掺到塑料中制成导电塑料则可形成一个屏蔽层,它既可阻碍电磁波辐射,又能防止其他电磁波干扰,达到保护人类健康的目的。美国、日本、欧盟等技术发达国家研究导电塑料已有几十年的历史,现已广为使用。此外,金属纤维还可用于防雷达侦察伪装遮障,俗称伪装网,是一种多功能伪装器材,能有效防可见光、中近红外线、紫外线和雷达侦察,尤其能防空载雷达侦察和制导。随着现代科技、军事的不断发展,我国也已研制出能预防多波段雷达侦察的伪装网,并在军事上得到应用。5金属纤维增强的热浇注料金属纤维作为增强元素主要用于提高材料的强度和其他一些性能。例如金属纤维加到混凝土中是一种新颖的建筑结构材料,不仅提高了混凝土的载荷能力,而且还能起到抑制裂纹的作用,从而提高混凝土的抗拉强度、弯曲强度、冲击强度和抗剥落性,这种材料可用于建筑隧道及飞机跑道等等。金属纤维增强的耐火材料具有较好的耐高温性和抗震性,1994~1995年,在新库兹涅茨克市库兹涅茨水泥厂引入了采用金属纤维增强的耐热浇注料修理回转窑的工艺方法。由于采用了金属纤维,使所修理的窑内各段的使用寿命提高0.5~1倍。纸钢是用极细的金属纤维混在纸浆中用造纸法制成,集合了纸的轻、薄和钢的强度,广泛用于上业、建筑业、国防和军用以及日常生活等领域,美国已用纸钢建成一座“纸桥”,跨高达15m,桥面宽约3m,行人、小型拖拉机和2.5t的吉普车均能安全通过,而且可以随拆随装。金属纤维也可与铝合金压铸,作为汽车发动机连杆材料,这种复合材料与传统材料相比,在保持同样强度和刚度的同时,可减轻质量30%。6金属纤维燃烧主导产品我国燃气红外燃烧器现在采用的主要材料有陶瓷板、铁铬铝丝网等。陶瓷板价格便宜,但抗热、抗机械冲击能力弱,因而使用寿命短,而铁铬铝丝网存在容易回火等问题,应用一直受到限制。金属纤维燃烧器是一种全预混表面燃烧式燃气燃烧器,与传统的燃烧器相比具有以下优势:(1)污染物排放低,全预混和多孔介质的表面燃烧方式保证了低过量空气系数下的完全燃烧,一氧化碳的不完全燃烧物的排放浓度低;(2)安全性高,金属纤维介质孔隙的细密性决定了金属纤维燃烧器的回火倾向性极低;(3)使用寿命长,金属纤维燃烧器具有良好的抗腐蚀、抗氧化性和抗热冲击性能等特性,此外金属纤维燃烧器还具有良好的抗机械冲击性能。目前国际上较先进的燃气红外燃烧器通常使用铁铬铝纤维作为燃烧辐射面材料,这种金属纤维表面燃烧的原理是:预混好的空煤气,进入燃烧器头部空腔,通过分流板,均匀渗透到金属纤维表面,火焰在金属纤维表面上燃烧,以辐射和对流的形式向外传热。由于金属纤维燃烧器具有诸多优越的性能,因此不但可用于炒菜燃气灶、烤箱等方面,也可用于大锅灶、冷凝式锅炉、纸张干燥和沥青路面加热等领域。除以上应用外,金属纤维还拥有广泛的应用领域,如用镍金属纤维毡制备的阳极材料不仅可大大提高电池的充放电次数,抗大电流冲击,而且具有稳定性好、电容量大、活性物质填充量大、内阻低、极板强度高的优点,特别适用于大电流工作环境。由于金属纤维具有它自己特有的微波信号,因此用金属纤维制成的条形码比用金属粉末制成的条形码具有更强的识别功能,目前利用金属纤维制成的特殊