氧化鋁纖維的制備及應(yīng)用
氧化鋁纖維的制備及應(yīng)用：上世紀(jì)五六十年代，傳統(tǒng)的無機(jī)纖維材料開始應(yīng)用于各個領(lǐng)域，其主要代表纖維為石棉，但在實用中發(fā)現(xiàn)，這種纖維會致癌的，所以不再受人們的重視，研發(fā)生態(tài)環(huán)境友好型高性能纖維成為人們的首要選擇。
高性能無機(jī)纖維近幾十年來開始發(fā)展較為迅速，主要是指碳纖維、硼纖維、碳化纖維和氧化鋁纖維，主要用于樹脂、金屬和陶瓷基體的增強(qiáng)。由于它們高的比強(qiáng)度和比彈性模量，使得復(fù)合材料具有比金屬更優(yōu)異的物理性能，其復(fù)合材料在軍事、空間技術(shù)等方面發(fā)揮著不可替代的作用。
一氧化鋁纖維的簡介
氧化鋁纖維主要成分為Al2O3，有的還含有SiO2和B2O3等金屬氧化物成分，是一種高性能的無機(jī)纖維。
與碳纖維、碳化硅纖維等非氧化物纖維相比，氧化鋁纖維具有高強(qiáng)度、超常的耐熱性和耐高溫氧化性的優(yōu)點(diǎn)，可以在更高溫度下保持很好的抗拉強(qiáng)度，長期使用溫度在1450-1600℃;
由于具有優(yōu)異的性價比和巨大的商業(yè)價值，氧化鋁纖維正吸引著世界上許多發(fā)達(dá)投入大量的時間和精力去研制、開發(fā)與利用。
而且表面活性好，易與樹脂、金屬、陶瓷基體復(fù)合，形成諸多性能優(yōu)異、應(yīng)用廣泛的復(fù)合材料;同時還具有熱導(dǎo)率小、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)。氧化鋁纖維一直被認(rèn)為是具有潛力的高溫材料。
二氧化鋁纖維的制備
制備氧化鋁纖維的原料大多為較易得到的金屬氧化物粉末、無機(jī)鹽、有機(jī)聚合物等，它可以通過直接從水溶液、溶膠或者其他一些溶劑中紡絲制成，也可以以黏膠絲為載體來制備。
目前，氧化鋁纖維的制備方法主要有溶膠-凝膠法、浸漬法、熔融抽絲法、游漿法等。
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溶膠-凝膠法
溶膠-凝膠法是在液相條件下將醇鹽或無機(jī)鹽等原料混合均勻，加入有機(jī)酸類或高分子類助劑，經(jīng)過水解和縮聚等反應(yīng)得到澄清透明的穩(wěn)定溶膠，溶膠中的膠粒聚合成為凝膠，凝膠經(jīng)過干燥、煅燒等步驟得到所需要的微米級或納米級材料。
利用溶膠-凝膠法制備氧化鋁纖維主要包括三個步驟，即可紡性溶膠的制備、成纖以及熱處理。
可紡性溶膠的制備分為分散法和水解法，其中水解法為常用。
水解法是以無機(jī)鹽和醇鹽為原料，在催化劑存在的條件下發(fā)生水解縮合反應(yīng)其中無機(jī)鹽先發(fā)生溶劑化反應(yīng)，形成線性聚合物，這是使溶膠具有成纖性的關(guān)鍵因素。
通過調(diào)節(jié)原料種類、組分比例、溶劑種類、催化劑、pH值和水解聚合溫度來控制水解聚合，進(jìn)而控制生成溶膠的可紡性。
可紡性膠體形成后，運(yùn)用不同的成纖方法制備凝膠纖維，這些方法主要有離心成纖、平吹成纖和干法紡絲等。
而對凝膠纖維的熱處理過程包含化學(xué)變化和礦物相變化，即將吸附水、結(jié)構(gòu)水、有機(jī)物及某些負(fù)離子排除，使纖維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為較穩(wěn)定的氧化物物相，同時在該過程中控制纖維的致密性和力學(xué)等性質(zhì)。因而熱處理時升溫速率要緩慢，須先完全形成低溫晶相，再轉(zhuǎn)化為高溫晶相。
優(yōu)點(diǎn)：制品的均勻度高，尤其是多組分制品，其均勻程度可達(dá)分子或原子水平;制品度高，因為所用原料的度高，且溶劑在處理過程中容易被除去;燒結(jié)溫度比傳統(tǒng)方法約低400-500℃，制備的氧化鋁纖維直徑小，因而拉伸強(qiáng)度有較大提高。
缺點(diǎn)：原料多為有機(jī)醇鹽，價格比較昂貴且對人類身體健康有害，不利于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn);整個制備過程所需時間較長，使得工業(yè)生產(chǎn)周期過長，產(chǎn)品價格明顯提高。
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浸漬法
浸漬法是一種傳統(tǒng)的催化劑制造方法，通常是將載體放進(jìn)含有活性物質(zhì)的水溶液中浸泡，當(dāng)浸漬平衡后，將剩余的液體除去，再進(jìn)行干燥、鍛燒、活化等過程。
將浸漬法應(yīng)用于纖維的制造，則是采用無機(jī)鹽溶液浸漬基體纖維，其中親水性能良好的有機(jī)粘膠纖維作為浸漬基體纖維，無機(jī)鋁鹽水溶液一般作為浸漬液。
在一定條件下將它們混合，基體大量的吸附浸漬液，其中無機(jī)鋁鹽以分子狀態(tài)分散于基體纖維中，并非粘附于纖維表面，然后進(jìn)行熱處理，使有機(jī)纖維素全部分解，同時吸附的無機(jī)鹽完成脫水、熱解、裂解并分解成為氧化鋁，從而在原有機(jī)纖維處形成氧化鋁纖維，在更高溫度下完成晶型轉(zhuǎn)化和纖維的致密化。
優(yōu)點(diǎn)：可以先將基體纖維編織再浸漬、燒結(jié)，因而可得到形狀復(fù)雜且強(qiáng)度較高的連續(xù)氧化鋁纖維。
缺點(diǎn)：成本較高且纖維質(zhì)量較差，產(chǎn)率低，不適宜大規(guī)模生產(chǎn)。
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熔融抽絲法
熔融抽絲法是1971年美國TYCO研究所研發(fā)出的一種制備氧化鋁纖維的新方法。熔融抽絲法即在高溫下向氧化鋁熔體中插入鉬制細(xì)管，利用毛細(xì)現(xiàn)象，熔融液剛好升到毛細(xì)管的頂端，然后由頂端緩慢向上拉伸就得到連續(xù)α-Al2O3纖維。
此方法制備的纖維直徑范圍一般在20-150μm之間，長度在3-25mm之間，纖維的橫截面一般為扇形、半圓形或圓形，纖維的表面較為光滑，纖維拉伸強(qiáng)度可達(dá)到2.35GPa，彈性模量可達(dá)451GPa。
優(yōu)點(diǎn)：既可制備連續(xù)纖維，也可制備短纖維，且設(shè)備相對簡單、成本低、工藝易控，成纖后不需要進(jìn)一步的熱處理。
缺點(diǎn)：由于隨著氧化鋁含量的逐漸升高，熔體的可紡性逐漸變差并難以控制，目前熔融抽絲法只能用于低氧化鋁含量纖維的制備，這些纖維一般只能在低于1200℃的條件下應(yīng)用，纖維品質(zhì)相對較低;且這種制備方法成本較高，生產(chǎn)效率較低，不適宜大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。
三氧化鋁纖維的應(yīng)用
由于氧化鋁纖維突出的化學(xué)穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和環(huán)境友好性等特點(diǎn)，因此它已經(jīng)被普遍地應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域、汽車運(yùn)輸領(lǐng)域、高溫爐領(lǐng)域以及催化領(lǐng)域等。
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航空航天領(lǐng)域
氧化鋁短纖維具有超高溫絕熱的特點(diǎn)，因此在高溫絕熱領(lǐng)域受到人們的普遍歡迎。莫來石短纖維作為氧化鋁纖維的一種，作為金屬基陶瓷基復(fù)合材料的增強(qiáng)體具有熱膨脹率低、韌性強(qiáng)、強(qiáng)度高的顯著優(yōu)勢，在航天、航空工業(yè)上作為絕熱材料得到了廣泛應(yīng)用。
上世紀(jì)80年代，美國發(fā)射的“挑戰(zhàn)者”及航天飛機(jī)防熱材料中均使用了nextel-312纖維。
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汽車運(yùn)輸領(lǐng)域
氧化鋁纖維與金屬基體的界面反應(yīng)較小，浸潤性良好，因此氧化鋁纖維可以作為金屬基質(zhì)鋁、鎂、鐵、鎳、銅、鈦以及其他各種金屬的增強(qiáng)體，制備各種合金。
例如，在較為苛刻的環(huán)境下工作的柴油發(fā)動機(jī)活塞就是應(yīng)用的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。
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高溫爐窯領(lǐng)域
氧化鋁纖維還是一種良好的耐火材料，它具有質(zhì)量輕、熱穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率低以及耐火度較高等優(yōu)異特點(diǎn)，其各項性能都優(yōu)于傳統(tǒng)耐火材料，其成品形式有散裝纖維、真空成型制品等，具有非常有效的節(jié)能效果，普遍受到大眾的歡迎。
用氧化鋁纖維制備的隔熱襯護(hù)材料可以應(yīng)用于1400℃以上的工作溫度，在鋼鐵工業(yè)、石油化工業(yè)、陶瓷制備業(yè)中的各種爐窯都是應(yīng)用的此種材料。
圖7氧化鋁纖維隔熱襯護(hù)材料
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催化領(lǐng)域
氧化鋁介孔纖維材料由于具有介電常數(shù)高、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好、機(jī)械模量高等優(yōu)點(diǎn)而受到人們的普遍重視。無機(jī)介孔材料具有較大的比表面積和規(guī)則的孔道結(jié)構(gòu)因而化學(xué)活性較高、吸附容量大，所以在催化劑、催化劑載體和吸收劑領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
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