第三節(jié) 其他無機(jī)纖維

一、高強(qiáng)度玻璃纖維

玻璃纖維（glassfiber或fiberglass）是一種性能優(yōu)異的無機(jī)非金屬材料，是用熔融玻璃制成的極細(xì)的纖維，直徑從幾微米到二十幾微米，相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的1/20～1/5，每束纖維原絲都有數(shù)百根甚至上千根單絲組成，通常作為復(fù)合材料中的增強(qiáng)材料、電絕緣材料、絕熱保溫材料、電路基板等，廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域。

1.生產(chǎn)玻璃纖維的原料 生產(chǎn)玻璃纖維用的玻璃不同于其他玻璃制品的玻璃。國(guó)際上已經(jīng)商品化的纖維用玻璃如下：

（1）E玻璃，也稱無堿玻璃（氧化鈉0～2%），是一種鋁硼硅酸鹽玻璃。廣泛用于生產(chǎn)電絕緣用玻璃纖維，具有良好的電氣絕緣性及機(jī)械性能，也大量用于生產(chǎn)玻璃鋼用玻璃纖維，它的缺點(diǎn)是易被無機(jī)酸侵蝕，故不適于用在酸性環(huán)境。

（2）C玻璃，也稱中堿玻璃（氧化鈉8%～12%），屬含硼或不含硼的鈉鈣硅酸鹽玻璃，其特點(diǎn)是耐化學(xué)性特別是耐酸性優(yōu)于無堿玻璃，但電絕緣性能差，機(jī)械強(qiáng)度比無堿玻璃纖維低10%～20%。通常國(guó)外的中堿玻璃纖維含一定數(shù)量的三氧化二硼，而中國(guó)的中堿玻璃纖維則完全不含硼。中堿玻璃纖維只是用于生產(chǎn)耐腐蝕的玻璃纖維產(chǎn)品，如用于生產(chǎn)過濾織物、包扎織物、玻璃纖維表面氈等，也用于增強(qiáng)瀝青屋面材料等，因?yàn)槠鋬r(jià)格低于無堿玻璃纖維而有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

（3）高強(qiáng)玻璃纖維，其特點(diǎn)是高強(qiáng)度、高模量，它的單纖維抗拉強(qiáng)度為2800MPa，比無堿玻璃纖維抗拉強(qiáng)度高25%左右，彈性模量86000MPa，也比無堿玻璃纖維高。多用于軍工、航空、防彈盔甲及運(yùn)動(dòng)器械。但是由于價(jià)格昂貴，目前在民用方面還不能得到推廣，全世界產(chǎn)量也就幾千噸左右。

（4）AR玻璃纖維，也稱耐堿玻璃纖維，主要是為了增強(qiáng)水泥而研制的。

（5）A玻璃，也稱高堿玻璃（氧化鈉13%以上），是一種典型的鈉鈣硅酸鹽玻璃，因耐水性很差，很少用于生產(chǎn)玻璃纖維

（6）E-CR玻璃，是一種改進(jìn)的無硼無堿玻璃，用于生產(chǎn)耐酸耐水性好的玻璃纖維，其耐水性比無堿玻璃纖維改善7～8倍，耐酸性比中堿玻璃纖維也優(yōu)越不少，是專為地下管道、儲(chǔ)罐等開發(fā)的新品種。

（7）D玻璃，也稱低介電玻璃，用于生產(chǎn)介電強(qiáng)度好的低介電玻璃纖維。

除了以上的玻璃纖維成分以外，近年來還出現(xiàn)一種新的無堿玻璃纖維，它完全不含硼，從而減輕環(huán)境污染，但其電絕緣性能及機(jī)械性能都與傳統(tǒng)的E玻璃相似。另外，還有一種雙玻璃成分的玻璃纖維，已用在生產(chǎn)玻璃棉中，據(jù)稱在作玻璃鋼增強(qiáng)材料方面也有潛力。此外還有無氟玻璃纖維，是為環(huán)保要求而開發(fā)出來的改進(jìn)型無堿玻璃纖維。

2.玻璃纖維的分級(jí) 玻璃纖維按組成、性質(zhì)和用途，分為不同的級(jí)別。E級(jí)玻璃纖維使用最普遍，廣泛用于電絕緣材料；S級(jí)為特殊纖維，雖然產(chǎn)量小，但很重要，因具有超高強(qiáng)度，主要用于軍事防御，如防彈箱等；C級(jí)比E級(jí)更具耐化學(xué)性，用于電池隔離板、化學(xué)濾毒器；A級(jí)為堿性玻璃纖維，用于生產(chǎn)增強(qiáng)材料。

1938年，美國(guó)歐文斯-科寧公司發(fā)明了E玻璃纖維。后應(yīng)美國(guó)空軍的需求開發(fā)了一種比E玻璃纖維強(qiáng)度和模量更高的玻璃纖維，取名為S玻璃纖維。法國(guó)的維托特克斯公司開發(fā)出了商標(biāo)為R（或RH）的高強(qiáng)玻璃纖維，日本的日東紡織株式會(huì)社、板硝子公司也分別開發(fā)出了牌號(hào)或商標(biāo)為T及U的高強(qiáng)玻璃纖維，俄羅斯的波洛茨克公司生產(chǎn)牌號(hào)為BMл的高強(qiáng)玻璃纖維。國(guó)外高強(qiáng)玻璃纖維主要由美國(guó)AGY公司生產(chǎn)，其生產(chǎn)及銷售量占全世界的80%以上。我國(guó)于20世紀(jì)60年代中期開始研制高強(qiáng)度玻璃纖維，至20世紀(jì)90年代，已相繼研制出高強(qiáng)1號(hào)～4號(hào)玻璃纖維。近年來，隨著需求的不斷增加，高強(qiáng)玻璃纖維在北美、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展較快，年需求自2004年以來，均以每年25%以上的速度遞增。

3.高強(qiáng)玻璃纖維的化學(xué)組成 高強(qiáng)玻璃纖維的高強(qiáng)度來源于它的化學(xué)組成，部分來源于高SiO₂含量。其化學(xué)組成為二氧化硅—三氧化二鋁—氧化鎂（SiO₂—Al₂O₃—MgO）三相體系。

目前，高強(qiáng)度玻璃纖維產(chǎn)品主要有美國(guó)的“S-2”、日本的“T”纖維、俄羅斯的“BMл”纖維、法國(guó)的“R”纖維和中國(guó)的“HS”系列纖維。表2-7是各種高強(qiáng)玻璃纖維的

主要成分。圖2-9是部分高強(qiáng)玻璃纖維及其產(chǎn)品。

表2-7 高強(qiáng)高模玻璃纖維主要組分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

圖2-9 高強(qiáng)玻璃纖維及其產(chǎn)品

4.高強(qiáng)玻璃纖維的性能 高強(qiáng)玻璃纖維與常用E玻璃纖維相比具有很多優(yōu)點(diǎn)：拉伸強(qiáng)度高，彈性模量高，剛性好，斷裂伸長(zhǎng)率大，抗沖擊性能好，化學(xué)穩(wěn)定性好，耐高溫，抗疲勞特性及雷達(dá)透波性能好。

（1）拉伸強(qiáng)度及彈性模量。高強(qiáng)玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度、彈性模量分別比E玻璃纖維提高了30%～40%和16%～20%。用高強(qiáng)玻璃纖維制成的復(fù)合材料其強(qiáng)度及模量比E玻璃纖維制成的復(fù)合材料都能高近50%。

（2）耐沖擊性能。斷裂伸長(zhǎng)率表示纖維抗沖擊變形的能力，是材料耐沖擊的重要指標(biāo)，高強(qiáng)玻璃纖維的斷裂伸長(zhǎng)率大于5%，和芳綸、碳纖維相比，其在一定應(yīng)力下形變能力最大，能充分吸收沖擊能量，該特性決定高強(qiáng)玻璃纖維可以作為一種比較理想的防彈材料。

（3）耐疲勞特性。高強(qiáng)玻璃纖維的耐疲勞性能比E玻璃纖維高出10倍以上，該特性決定用高強(qiáng)玻璃纖維制成的復(fù)合材料具有更長(zhǎng)的工作壽命。

（4）化學(xué)穩(wěn)定特性。高強(qiáng)玻璃纖維具有高的化學(xué)穩(wěn)定性，其水煮、酸洗、堿洗后強(qiáng)度保持率要比E玻璃纖維高。

（5）耐高溫性能。高強(qiáng)玻璃纖維在比E玻璃纖維更高的溫度下熔制而成，具有較高的軟化點(diǎn)，通常高強(qiáng)玻璃纖維要比E玻璃纖維的耐高溫性高100～150℃。

高強(qiáng)度玻璃纖維是傳統(tǒng)E玻璃纖維和碳纖維最具吸引力的替代材料。使得高強(qiáng)度玻璃纖維如此具有吸引力的因素有兩個(gè)，一是在大多數(shù)使用普通玻璃纖維的工藝過程中高強(qiáng)玻璃纖維易于取代；二是它的綜合性能是其他競(jìng)爭(zhēng)材料難以匹敵的。高強(qiáng)玻璃纖維將是一種廣受歡迎的材料。

5.高強(qiáng)玻璃纖維的制備方法 高強(qiáng)玻璃纖維的制造工藝較為復(fù)雜，先要經(jīng)過熔融，然后纖化，除了制成球和棒的形狀外，一般是直接進(jìn)行纖化的，具體有三種纖化工藝。

（1）拉絲法。有長(zhǎng)絲噴嘴拉絲法（最主要的方法）、玻璃棒拉絲法、熔體滴拉絲法。

（2）離心法。有轉(zhuǎn)鼓離心法、階梯離心法、水平瓷盤離心法。

（3）吹噴法。有吹噴法、噴嘴吹噴法。

這幾種纖化工藝也可以聯(lián)合使用，如離心—吹噴法等。經(jīng)過纖化之后，再進(jìn)行后加工。工藝流程如下：

6.高強(qiáng)玻璃纖維的應(yīng)用領(lǐng)域

（1）航空航天。目前高強(qiáng)玻璃纖維在世界航空領(lǐng)域中占20%～30%市場(chǎng)，常見的材料有Glare層板、S玻璃纖維單向預(yù)浸料以及S玻璃纖維細(xì)紗布。其用途作為飛機(jī)內(nèi)裝材料、地板、艙門、機(jī)翼前緣、雷達(dá)罩、副油箱、直升機(jī)機(jī)翼等。

（2）國(guó)防軍事、警用器材。高強(qiáng)玻璃纖維的斷裂伸長(zhǎng)率大于5%，使之能成為吸收能量的理想材料，高強(qiáng)無捻粗紗方格布和酚醛樹脂復(fù)合制成高強(qiáng)玻璃纖維復(fù)合材料層壓板可以用于各種軍事或民用目的的防彈裝甲。

（3）一般民用工業(yè)。

①汽車工業(yè)。利用高強(qiáng)玻璃纖維的耐高溫性能，用作Silentex消音器填料減少噪聲；高強(qiáng)玻璃纖維與橡膠材料復(fù)合制作的同步帶用在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)比金屬鏈更耐高溫、耐腐蝕。

②壓力容器。高強(qiáng)玻璃纖維可以直接用于纏繞各種高壓氣瓶（醫(yī)療、煤礦、消防、登山體育用），或者和碳纖維一起使用，增強(qiáng)氣瓶的抗沖擊性和耐摩擦性能。

③電動(dòng)機(jī)行業(yè)。傳統(tǒng)換向器加強(qiáng)環(huán)多為金屬環(huán)，不僅強(qiáng)度低（只有400MPa），也不絕緣，采用高強(qiáng)玻璃纖維生產(chǎn)的加強(qiáng)環(huán)不僅具有良好的絕緣性能，強(qiáng)度也可以達(dá)到800～1200MPa，是鋼環(huán)的2～3倍，能確保轉(zhuǎn)子軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力，對(duì)漆包線起到固定作用。

④高強(qiáng)格柵。高強(qiáng)玻璃纖維強(qiáng)度高。耐腐蝕性能好，用于生產(chǎn)超長(zhǎng)跨距格柵，其縱向筋條的間隔可以非常大。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的高強(qiáng)格柵產(chǎn)品通過美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)測(cè)試，在海洋石油平臺(tái)、人行通道、船甲板、地鐵、煤礦等緊急逃生通道或救生場(chǎng)所得到廣泛的應(yīng)用。

⑤風(fēng)力發(fā)電。據(jù)國(guó)外研究，單臺(tái)風(fēng)力機(jī)組的發(fā)電量和風(fēng)力葉片的長(zhǎng)度的平方成正比，這就要求風(fēng)力葉片尺寸能盡量的長(zhǎng)，以提高發(fā)電效率降低發(fā)電成本。葉片的大型化就要求葉片本身剛性和硬度高，以避免在強(qiáng)風(fēng)時(shí)葉片彎曲變形和塔身相碰。有研究表明，E玻璃纖維的理論設(shè)計(jì)極限葉片長(zhǎng)度50m左右，相信隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展高強(qiáng)玻璃纖維必將會(huì)得到應(yīng)用。

（4）紡織工業(yè)。高強(qiáng)玻璃纖維制品分為直接制品和復(fù)合制品兩類，直接制品有高強(qiáng)玻璃纖維紗線、合股無捻粗紗、直接無捻粗紗、高強(qiáng)玻璃纖維布、單向布、無捻粗紗布等。

①紡織紗。國(guó)外高強(qiáng)玻璃纖維有捻紗以9μm/68tex的單捻紗為主，也有少量的9μm/ 33tex的單捻紗和合股紗，浸潤(rùn)劑分為淀粉型、直接增強(qiáng)用硅烷型。紡織紗主要供應(yīng)玻璃纖維織布廠家。我國(guó)高強(qiáng)紗主要模仿前蘇聯(lián)的產(chǎn)品，以8μm的直接增強(qiáng)細(xì)紗為主。

②無捻粗紗。高強(qiáng)無捻粗紗通常由直徑9μm以上原絲合股而成，其浸潤(rùn)劑有環(huán)氧、酚醛、乙烯基等樹脂基體。值得一提的是，AGY公司在2000年以后推出ZenTron及VeTron兩種牌號(hào)的直接無捻粗紗。

③高強(qiáng)玻璃纖維布。國(guó)外高強(qiáng)玻璃纖維廠家通常自身不織布，而是將紡織紗供應(yīng)給專業(yè)的織布廠商來織造高強(qiáng)布，如高強(qiáng)單向布和無捻粗紗布。

二、氧化鋁纖維

氧化鋁纖維（aluminafiber），又稱多晶氧化鋁纖維，屬于高性能無機(jī)纖維，是一種多晶陶瓷纖維，具有長(zhǎng)纖、短纖、晶須等多種形式，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、民用復(fù)合材料領(lǐng)域。氧化鋁纖維直徑10～20μm，密度2.7～4.2g/cm³，抗拉強(qiáng)度1.4～2.45GPa，抗拉模量190～385GPa，最高使用溫度為1100～1400℃，以Al₂O₃為主要成分，并含有少量的SiO₂、B₂O₃、Zr₂O₃、MgO等。

目前，氧化鋁纖維的產(chǎn)量還較低，西歐國(guó)家的產(chǎn)量約占全球總產(chǎn)量的50%，日本占39%左右。40%的氧化鋁纖維用于各種工業(yè)爐窯及相關(guān)行業(yè)熱加工過程，其中25%左右用于冶金行業(yè)。我國(guó)于20世紀(jì)70年代末開始工業(yè)化生產(chǎn)氧化鋁纖維。隨著電力、鋼鐵、機(jī)械、汽車、造船、化工、電子、建材等行業(yè)的迅速發(fā)展及節(jié)能降耗的需要，帶動(dòng)了陶瓷類纖維產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，品種也從普通陶瓷纖維、高純硅酸鋁纖維、高鋁纖維和含鋯硅酸鋁纖維逐步發(fā)展到多晶氧化鋁纖維和多晶莫來石纖維，技術(shù)含量越來越高，使用溫度極限不斷提高。世界氧化鋁纖維的年需求量正以10%左右的速度增加。

目前，市場(chǎng)上主要的氧化鋁纖維品種有美國(guó)Dupont公司生產(chǎn)的FP和PRD166，美國(guó)3M公司生產(chǎn)的Nextel系列，英國(guó)ICI公司生產(chǎn)的Saffil以及日本Sumitomo公司生產(chǎn)的Altel，見表2-8。

表2-8 國(guó)外已商品化生產(chǎn)的氧化鋁纖維品種

1.氧化鋁纖維的生產(chǎn)方法

（1）溶膠—凝膠法。

①以金屬鋁的無機(jī)鹽或醇鹽為主要原材料，加入酸催化劑、水等，在一定條件下使其分散均勻，并發(fā)生水解和聚合反應(yīng)，得到一定濃度的溶膠；再經(jīng)過濃縮處理達(dá)到一定黏度后成為可紡凝膠，經(jīng)過紡絲、干燥、燒結(jié)等步驟即得到氧化鋁纖維。

②以鋁溶膠和硅膠為主要原材料，將含有甲酸鋁、乙酸鋁的鋁溶膠和硅膠、硼酸按適當(dāng)比例混合，在一定條件下濃縮制備出適宜黏度的紡絲液，將該紡絲液置于紡絲機(jī)上進(jìn)行擠出拉絲，再經(jīng)過干燥和1000℃以上的高溫?zé)Y(jié)，使纖維致密化，得到高密度和高強(qiáng)度的連續(xù)氧化鋁纖維。

③以水溶性有機(jī)硅烷為主要原材料，將水溶性有機(jī)硅烷加到Al（OH）_x（CHCOO）_y·nH₂O或Al₂（OH）₅Cl·2H₂O的水溶液中，在一定條件下混合均勻，再加入成纖助劑（有機(jī)高分子聚合物），進(jìn)行充分混合形成紡絲液，該紡絲液經(jīng)過高速氣流吹成棉花狀短纖維，于1000℃以下進(jìn)行燒結(jié)熱處理，得到含5%SiO₂的Al₂O₃多晶短纖維。

溶膠—凝膠法生產(chǎn)氧化鋁纖維工藝簡(jiǎn)單，易于控制，產(chǎn)品的均勻性好，其均勻程度可以達(dá)到分子或原子水平，溶劑在生產(chǎn)中容易被除去，燒結(jié)溫度比傳統(tǒng)的方法低400～500℃，所得氧化鋁纖維的拉伸性能好。美國(guó)3M公司采用溶膠—凝膠法生產(chǎn)氧化鋁纖維，在含有甲酸根離子和乙酸根離子的氧化鋁溶膠中加入硅膠和硼酸，制成混合溶膠，濃縮成可紡溶液進(jìn)行擠出紡絲，在1000℃以上帶有張力條件下拉伸燒結(jié)，得到連續(xù)氧化鋁纖維。

（2）淤漿法。淤漿法是以Al₂O₃粉末為主要原材料，加入分散劑、流變助劑、燒結(jié)助劑等，在一定條件下制成可紡混合物，再擠出成纖、干燥、燒結(jié)，得到直徑在200μm左右的氧化鋁纖維。例如，將粒徑小于0.5μm的α-Al₂O₃微粉、Al₂（OH）₅Cl₂·H₂O和適量的MgCl₂水溶液在一定條件下充分混合，使之形成可紡黏稠漿液，由該漿液紡出的絲經(jīng)過干燥、燒結(jié)后就得到Al₂O₃多晶連續(xù)纖維。該方法生產(chǎn)中的漿料含水分及揮發(fā)物較多，在燒結(jié)前必須進(jìn)行干燥處理，并要選擇適當(dāng)?shù)纳郎厮俣?，防止氣體揮發(fā)時(shí)體積收縮過快導(dǎo)致纖維破裂。

（3）預(yù)聚合法。預(yù)聚合法是先將烷基鋁和其他添加劑在一定條件下聚合，形成一種鋁氧烷聚合物，將該聚合物溶解在有機(jī)溶劑中，加入硅酸酯或有機(jī)硅化合物，再對(duì)該混合物進(jìn)行濃縮處理成可紡黏稠液，再經(jīng)過干法紡絲成先驅(qū)纖維，分別在600℃和1000℃進(jìn)行熱處理，得到微晶聚集態(tài)連續(xù)氧化鋁纖維。該方法的紡絲性能好，易于得到連續(xù)長(zhǎng)纖維。

（4）卜內(nèi)門法。卜內(nèi)門法是將有機(jī)鋁鹽和其他添加劑在一定條件下混合，使之成為一定黏度的黏稠溶液，然后再與一定量的水溶性有機(jī)高分子、含硅氧化聚合物等混合均勻形成可紡黏稠液，經(jīng)過紡絲、干燥、燒結(jié)等處理，就得到了氧化鋁纖維。卜內(nèi)門法的先驅(qū)體不能形成均勻溶膠，本身并不形成線型聚合物，難以得到連續(xù)長(zhǎng)纖維，因而其產(chǎn)品多為短纖維形式，圖2-10為此法所得氧化鋁纖維的電鏡掃描圖。

（5）浸漬法。浸漬法是采用無機(jī)鋁鹽作為浸漬液，親水性能良好的黏膠纖維作為浸漬物基體纖維，在一定條件下將它們混合均勻，無機(jī)鋁鹽以分子狀態(tài)分散于基體纖維中，經(jīng)過浸漬、干燥、燒結(jié)等步驟可以得到形狀復(fù)雜的氧化鋁纖維。該法成本較高，工藝較為繁瑣，產(chǎn)品性能不易控制，形成的纖維質(zhì)量較差。

（6）熔融抽絲法。1971年，美國(guó)TYCO研究所開發(fā)了熔融抽絲法來制備單晶α-Al₂O₃纖維，即在高溫下向氧化鋁熔體內(nèi)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α-Al₂O₃連續(xù)纖維。和浸漬法類似，熔融抽絲法易于形成含鋁纖維，并可以制成形狀復(fù)雜的纖維產(chǎn)品，但成本較高，工藝較為繁瑣，產(chǎn)品性能不易控制，形成的纖維質(zhì)量較差。

2.氧化鋁纖維的性能 氧化鋁纖維的生產(chǎn)原材料是易于得到的金屬氧化物粉末、無機(jī)鹽、水、聚合物、膠黏劑等，可以直接從水溶液、懸濁液、溶膠凝膠或其他有機(jī)溶液中紡絲，也可以以黏膠絲為載體纖維來制備，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備要求不高，無需惰性氣體保護(hù)等。因此，氧

圖2-10 氧化鋁纖維電鏡掃描照片

化鋁纖維除具有一般陶瓷纖維的高強(qiáng)度、高模量、熱導(dǎo)率低、熱膨脹系數(shù)低、抗化學(xué)侵蝕能力強(qiáng)、超常的耐熱性、耐高溫氧化性、低空隙率、低變形及獨(dú)特的電化學(xué)性質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)外，還具有原料成本較低、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，具有較高的性價(jià)比和商業(yè)價(jià)值。

3.氧化鋁纖維的應(yīng)用

（1）用作絕熱耐火材料。氧化鋁短纖維具有突出的耐高溫性能，主要用作絕熱耐火材料，在冶金爐、陶瓷燒結(jié)爐或其他高溫爐中作護(hù)身襯里的隔熱材料。由于其密度小、絕熱性好、熱容量小，不僅可以減輕爐體質(zhì)量，而且可以提高控溫精度，節(jié)能效果顯著。氧化鋁纖維在高溫爐中的節(jié)能效果比一般的耐火磚或高溫涂料好，其原因不僅是因?yàn)闇p少了散熱損失，更主要的是強(qiáng)化了爐氣對(duì)爐壁的對(duì)流傳熱，使?fàn)t壁能得到更多的熱量，再通過輻射傳給物料，從而提高了物料的加熱速度和生產(chǎn)能力。氧化鋁纖維還具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)3.2GPa，模量可達(dá)420GPa，使用溫度可在1000℃以上，有些可在1400℃高溫下長(zhǎng)期使用而強(qiáng)度不變。

（2）用作高強(qiáng)度材料。氧化鋁纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有良好的綜合性能，因而成為裝甲車、坦克發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的理想材料。美國(guó)陸軍采用氧化鋁纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造履帶板，使其質(zhì)量從鑄鋼的544kg下降到272～363kg，減輕近50%。

（3）用作航空航天材料。氧化鋁纖維還可應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，據(jù)報(bào)道，氧化鋁纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成空射導(dǎo)彈用固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，其爆破壓強(qiáng)和鋼材相同，質(zhì)量卻比鋁合金還輕11%。此外，應(yīng)用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管，可使噴管設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化，部件數(shù)量減少50%，質(zhì)量減輕50%。

（4）用作汽車附件材料。氧化鋁纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料可用于制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、連桿、氣門、集流腔等。據(jù)稱，采用這種材料制成的連桿質(zhì)量輕、抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度高、線膨脹系數(shù)小，可滿足連桿工作性能要求，日本本田公司在轎車上使用了5萬根這樣的連桿。

（5）其他應(yīng)用。除了上述應(yīng)用，氧化鋁纖維材料還可以用作有機(jī)廢氣處理器、燃?xì)獯呋紵椛淦?、耐火隔熱纖維砌塊等，能夠改善汽車發(fā)動(dòng)機(jī)使用效率、減少廢氣排放量、提高燃燒速度、改善產(chǎn)品烘干效果等。用于環(huán)保和再循環(huán)技術(shù)領(lǐng)域，如用作焚燒電子廢料的設(shè)備，經(jīng)過多年運(yùn)轉(zhuǎn)后，氧化鋁纖維仍然具有優(yōu)良的抵抗?fàn)t內(nèi)各種有害物腐蝕的性能。

4.氧化鋁纖維目前存在的問題及發(fā)展前景 氧化鋁纖維具有較好的綜合性能和較廣泛的應(yīng)用，但也存在一些問題。單純的氧化鋁纖維尤其是α-Al₂O₃纖維的力學(xué)強(qiáng)度還不夠理想，需要在研制開發(fā)中引入一定的雜元素，以提高其力學(xué)性能，這方面有大量的空間需要做探索研究。氧化鋁纖維的純度也有待提高，以減少雜質(zhì)、減少纖維缺陷，從而提高氧化鋁纖維的強(qiáng)度?，F(xiàn)在氧化鋁的生產(chǎn)多為間歇式生產(chǎn)，間歇式生產(chǎn)不易獲得性能穩(wěn)定的長(zhǎng)纖維，影響其使用。在實(shí)現(xiàn)了氧化鋁纖維連續(xù)化生產(chǎn)后，既可生產(chǎn)短纖維，也可以生產(chǎn)長(zhǎng)纖維，有利于擴(kuò)大該纖維的應(yīng)用范圍和適應(yīng)性。隨著日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，世界上不少先進(jìn)國(guó)家正在不斷地?cái)U(kuò)大氧化鋁纖維的生產(chǎn)和開發(fā)研究。我國(guó)已開發(fā)出氧化鋁短纖，但其長(zhǎng)纖維尚屬于空白，因此，開發(fā)性能優(yōu)異的長(zhǎng)纖維以取代國(guó)外產(chǎn)品具有十分重要的意義。

三、碳化硅纖維

碳化硅纖維（SiliconCarbidefibers）是重要的高技術(shù)纖維之一，化學(xué)式為Si—C或Si—C—O。該纖維是以有機(jī)硅化合物為原料，經(jīng)紡絲、碳化或氣相沉積而制得具有β-碳化硅結(jié)構(gòu)的無機(jī)纖維，屬陶瓷纖維類。按形態(tài)可分為連續(xù)纖維、短切纖維、晶須；按結(jié)構(gòu)分為單晶纖維和多晶纖維；按集數(shù)可分為單絲和束絲纖維。

從形態(tài)上來講，晶須是一種單晶，碳化硅的晶須直徑一般為0.1～2μm，長(zhǎng)度為20～300μm，外觀呈粉末狀；連續(xù)纖維是碳化硅包覆在鎢絲或碳纖維等芯絲上而形成的連續(xù)絲或紡絲和熱解而得到純碳化硅長(zhǎng)絲。

1.碳化硅纖維的制備方法 目前已有的SiC纖維在形態(tài)上有晶須和連續(xù)纖維兩類。SiC連續(xù)纖維可分為兩種，一種是在碳絲或鎢絲芯材上通過化學(xué)氣相沉積（CVD）附著SiC，制成直徑為140μm的含異種芯材的復(fù)合型單絲；另一種是用有機(jī)金屬聚合物紡成先驅(qū)絲，再經(jīng)高溫處理轉(zhuǎn)變成SiC纖維。

能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化制備SiC纖維的方法主要有三種，即早期采用的化學(xué)氣相沉積法（CVD），已成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法以及最近發(fā)展起來的活性碳纖維轉(zhuǎn)化法。

（1）化學(xué)氣相沉積法（CVD法）。氣相沉積法即在連續(xù)的鎢絲或碳絲芯材上沉積碳化硅。通常在管式反應(yīng)器中用水銀電極直接采用直流電或射頻加熱，把基體芯材（鎢絲或碳絲）加熱到1200℃以上，通入甲基氯硅烷（如甲基三氯硅烷）類化合物與氫氣的混合氣體，經(jīng)反應(yīng)裂解為碳化硅，沉積在細(xì)鎢絲或碳纖維上，再經(jīng)過熱處理從而獲得含有芯材的復(fù)合SiC纖維。

該法制得的SiC纖維中的SiC純度高，表現(xiàn)出極好的抗拉強(qiáng)度和抗蠕變性能，CVD法SiC纖維的典型特性如表2-9所示。但是，CVD法SiC纖維直徑太大（約140μm），不能編織，不利于陶瓷基復(fù)合材料（CMC）的成型，而且設(shè)備生產(chǎn)效率低下，成本太高，無法實(shí)現(xiàn)大批量工業(yè)化生產(chǎn)。

表2-9 CVD法SiC纖維的典型特征

（2）先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法。先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法是以有機(jī)聚合物（一般為有機(jī)金屬聚合物）為先驅(qū)體，利用其可溶可熔等特性成型后，經(jīng)高溫?zé)岱纸馓幚?，使之從有機(jī)化合物轉(zhuǎn)變?yōu)闊o機(jī)陶瓷材料的方法。SiC纖維就是用聚碳硅烷為先驅(qū)體，通過在250～350℃下熔融紡絲成型，并經(jīng)空氣不熔化（在160～250℃下）處理、高溫裂解而制得的。

由于先驅(qū)體法制備的連續(xù)SiC纖維比CVD法的制備成本低、生產(chǎn)效率高，更適用于工業(yè)化生產(chǎn)，因此，先驅(qū)體法制得的SiC纖維正逐漸成為研究與應(yīng)用的主流。

先驅(qū)體法也有一些缺點(diǎn)，如原料及保護(hù)氣體的價(jià)格昂貴、制造工藝繁雜，纖維質(zhì)量不容易控制等。

（3）活性碳纖維轉(zhuǎn)化法。為了使SiC纖維能夠廣泛地被各個(gè)領(lǐng)域所應(yīng)用，就必然要求SiC纖維的制備成本要更低，并且制備過程要簡(jiǎn)單、容易。因此，出現(xiàn)了一種新的SiC纖維制備方法——活性碳纖維轉(zhuǎn)化法。它是利用氣態(tài)的一氧化硅與多孔活性碳反應(yīng)便轉(zhuǎn)化生成了SiC。

活性碳纖維（ACF）是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的第三代新型功能吸附材料（詳見本書第七章第二節(jié)）。活性碳纖維轉(zhuǎn)化法制備SiC纖維包括三大工序如下：

①活性碳纖維制備；

②在一定真空度的條件下，在1200～1300℃的溫度下，ACF與SiO₂發(fā)生反應(yīng)而轉(zhuǎn)化為SiC纖維；

③在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行熱處理（1600℃）。

活性碳纖維轉(zhuǎn)化法雖然使SiC纖維生產(chǎn)的成本大大降低，使得SiC纖維大批量、工業(yè)化生產(chǎn)以及大范圍地被應(yīng)用成為可能，但是其性能還需進(jìn)一步的提高。提高活性碳纖維轉(zhuǎn)化法SiC纖維性能的關(guān)鍵在于降低活性碳纖維微孔的孔徑，并盡可能提高活性碳纖維的性能。

2.碳化硅纖維的結(jié)構(gòu) 碳化硅（SiC）纖維是以硅和碳原子交替鍵合組成的，其比強(qiáng)度和比模量較高，與金屬、樹脂的浸潤(rùn)性能好，與金屬復(fù)合時(shí)很少發(fā)生反應(yīng)，在高溫下具有優(yōu)越的抗氧化性能，是制造各類復(fù)合材料（包括金屬基和陶瓷基復(fù)合材料）最有希望的無機(jī)纖維。它的綜合性能（尤其是高溫抗氧化性能）是目前廣泛應(yīng)用的碳纖維所望塵莫及的。目前SiC纖維有五種：普通SiC纖維、含鈦SiC纖維、碳芯SiC纖維、鎢芯SiC纖維及SiC晶須。

碳化硅纖維的硬度介于剛玉和金剛石之間，機(jī)械強(qiáng)度高于剛玉，可作為磨料和其他某些工業(yè)材料使用。工業(yè)用碳化硅于1891年研制成功，是最早的人造磨料。在隕石和地殼中雖有少量碳化硅存在，但迄今尚未找到可供開采的礦源。純碳化硅是無色透明的晶體。工業(yè)碳化硅因所含雜質(zhì)的種類和含量不同，而呈淺黃色、綠色、藍(lán)色乃至黑色，透明度隨其純度不同而異。碳化硅晶體結(jié)構(gòu)分為六方或菱面體的α-SiC和立方體的β-SiC（又稱立方碳化硅）。α-SiC由于其晶體結(jié)構(gòu)中碳和硅原子的堆垛序列不同而構(gòu)成許多不同變體，已發(fā)現(xiàn)70余種。β-SiC于2100℃以上時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)棣?SiC。其結(jié)構(gòu)如圖2-11～圖2-14所示。

圖2-11 碳化硅纖維宏觀形態(tài)

圖2-12 α-SiC的晶體結(jié)構(gòu)

圖2-13 SiC纖維拋光面的形貌

圖2-14 SiC纖維斷裂面形貌

3.碳化硅纖維的性能 碳化硅（SiC）纖維是近年來受材料界關(guān)注的高性能陶瓷纖維，具有與金屬、陶瓷、聚合物復(fù)合相容性好的特點(diǎn)，是高性能復(fù)合材料的理想增強(qiáng)纖維。其性能如下：

（1）比強(qiáng)度和比模量高。碳化硅復(fù)合材料包含35%～50%的碳化硅纖維，因此有較高的比強(qiáng)度和比模量，通常比強(qiáng)度較復(fù)合前提高1～4倍，比模量提高1～3倍。

（2）高溫性能好。碳化硅纖維具有卓越的高溫性能，碳化硅增強(qiáng)復(fù)合材料可提高基體材料的高溫性能。

（3）尺寸穩(wěn)定性好。碳化硅纖維的熱膨脹系數(shù)比金屬小，僅為（2.3～4.3）×10^-6/℃，碳化硅增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有很小的熱膨脹系數(shù)，因此也具有很好的尺寸穩(wěn)定性能。

（4）不吸潮、不老化，使用可靠。碳化硅纖維和金屬基體性能都很穩(wěn)定，其復(fù)合材料不存在吸潮、老化、分解等問題，保證了使用的可靠性。

（5）優(yōu)良的抗疲勞和抗蠕變性。碳化硅纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有較好的界面結(jié)構(gòu)，可有效地阻止裂紋擴(kuò)散，從而使其具有優(yōu)良的抗疲勞和抗蠕變性能。

（6）較好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性。碳化硅增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料保持了金屬材料良好的導(dǎo)熱性。此外，它還具有熱變形系數(shù)小、光學(xué)性能好、各向同性、無毒、能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜形狀的近凈尺寸成型等優(yōu)點(diǎn)，因而成為空間反射鏡的首選材料。

碳化硅纖維的最高使用溫度達(dá)1200℃，其耐熱性和耐氧化性均優(yōu)于碳纖維，強(qiáng)度達(dá)1960～4410MPa，在最高使用溫度下強(qiáng)度保持率在80%以上，模量為176.4～294GPa，化學(xué)穩(wěn)定性也好。

作為一種多相陶瓷，SiC的材質(zhì)既硬且脆，加工難度很大。從已見報(bào)道的SiC反射鏡來看，其面形精度尚不能滿足高精度光學(xué)系統(tǒng)的成像要求，這使得它在應(yīng)用中受到限制。常規(guī)的碳化硅產(chǎn)品在彌補(bǔ)現(xiàn)有常規(guī)纖維在特殊領(lǐng)域的不足之外尚有許多的缺陷。

4.碳化硅纖維材料的應(yīng)用前景 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)高性能纖維的需求越來越緊迫，尤其在航空、航天、原子能、高性能武器裝備及高溫工程等諸多領(lǐng)域，迫切需要高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕的新型材料。目前，碳化硅纖維產(chǎn)品在很多領(lǐng)域已有應(yīng)用。

（1）航空航天材料。碳化硅纖維復(fù)合樹脂用做飛機(jī)的主體和機(jī)冀，重量有明顯減輕；制成宇宙火箭，不僅重量輕，而且強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)大大減小。

（2）運(yùn)動(dòng)用材料。由于該材料材質(zhì)輕、強(qiáng)度高、耐熱性能好，已廣泛用做賽艇、賽車、摩托車和輕快自行車材料及其他體育材料。

（3）醫(yī)療用具。由于該材料的X射線透過性強(qiáng)、材質(zhì)強(qiáng)度高，已用于制作X光用機(jī)械、醫(yī)療用器皿和人造關(guān)節(jié)等。

（4）土木工程材料。目前地下電纜、輸水管道、橋梁等已開始使用這種材料。

此外，由于SiC的寬禁帶性質(zhì)，SiC制備的紫外光電探測(cè)器可在極端條件下應(yīng)用于生化檢測(cè)、可燃性氣體尾焰探測(cè)、臭氧層監(jiān)測(cè)、短波通信以及導(dǎo)彈羽煙的紫外輻射探測(cè)等領(lǐng)域，并適用于惡劣環(huán)境的光探測(cè)器件與光傳感器。Ti、Co、Al摻入SiC薄膜具有比純的SiC薄膜更優(yōu)越的光敏性能，是一種在光催化、太陽能電池、紫外光傳感器等多個(gè)領(lǐng)域具有研究?jī)r(jià)值的薄膜材料。

就SiC纖維來說，今后的發(fā)展趨勢(shì)，首先是從合成方法上簡(jiǎn)化工藝流程，制取加工性能優(yōu)越的先驅(qū)體，改進(jìn)工藝，降低成本，提高性能，開發(fā)用途；其次是深入對(duì)反應(yīng)機(jī)理和SiC纖維及其復(fù)合材料的性能與微觀結(jié)構(gòu)的研究，從而尋求改進(jìn)加工性能和使用性能的途徑。