陶瓷纤维概论

陶瓷纤维是服务于高温技术的基础材料,与各种工业窑炉有极为密切的关系。作为石棉替代纤维材料近几年也是非常热火。摩擦和密封行业因用途和使用条件不同,对构成其主体的基础材料——陶瓷纤维的要求也就不同。而不同种类的陶瓷纤维也由于化学矿物组成、显微结构的差异和生产工艺不同，表现出不同的基本特性。所以，在研究、生产、选用的过程中，必须对陶瓷纤维的基本性质和各种陶瓷纤维的特性有充分的认识。

1.   定义：

1.1耐火纤维：亦可以称为陶瓷纤维和硅酸铝纤维。同时亦包含碳纤维、氮化物纤维、硼化物纤维和非氧化物纤维等。

1.2陶瓷纤维：一种集传统绝热材料、耐火材料优良性能于一体的纤维状轻质耐火材料。因其属于Al2O3-SiO2体系的纤维，所以在习惯上也成为“硅酸铝纤维”。国际标准化***（ISO）及***标准（GB）将其划分在“人造矿物纤维”类内

1.2.1广义上来讲是耐火纤维的主要代表。是氧化铝、二氧化硅、硅酸铝和氧化锆纤维的总称。

1.2.2狭义上来讲，只有硅酸铝质熔融或溶胶纤维化的纤维才被称作陶瓷纤维。是将Al2O3-SiO2形成的熔融物以细流股状态取出，再通过喷吹或甩丝工艺使之纤维化。

表1-1  纤维的分类及使用温度

2分类：按陶瓷纤维矿物组成分为玻璃质纤维和多晶纤维两大类（鉴于我们行业特点，将不再以纤维形态来分类）：

2.1玻璃质纤维：为非晶质物质，经熔融的液态在骤冷条件下形成的一种无定形固态，具各向同性的特点。而我们摩擦密封行业应用的陶瓷纤维一般经熔融法生产，基本属于玻璃质（非晶质）纤维。***高使用温度控制在1300℃以下，按使用温度细分为：

2.1.1标准型：使用温度 1000℃；

2.1.2高纯型：使用温度 1100℃；

2.1.3高铝型：使用温度 1200℃；

2.1.4含铬型：使用温度 1200℃；

2.1.5含锆型：使用温度 1300-1350℃.

2.1.6国际上也习惯把陶瓷纤维分为4个等级温度：1000℃型，1260℃型，1400℃型和1600℃型。作为纤维耐热性能的标志。

2.2晶质纤维：虽与玻璃质纤维同属于Al2O3-SiO2体系，但二者在微观结构和化学成分（Al2O3在72%以上）也有所不同，所以也导致使用温度出现差异。一般情况下，晶质纤维较非玻璃质纤维使用温度提高200℃以上。

表2-1  耐火纤维分类温度及***高使用温度

3.陶瓷纤维的现状和发展趋势

3.1早在1941年，美国巴布考克?维尔考克斯公司就利用天然高岭土经电弧炉熔融后喷吹成了陶瓷纤维。1973年***出现能源危机后，陶瓷纤维获得了迅速的发展，其中以硅酸铝系纤维发展***快．每年以10％～15％的速度增长。以美国和加拿大为代表的北美地区和欧洲地区产量为大。

3.2我国陶瓷纤维生产起步较晚，在20世纪70年代初期，才先后在北京耐火材料厂和上海耐火材料厂研制成功并投入批量生产。经过数十年的努力，现在已成为世界***大的生产国。纤维及纤维加工产品品种日趋多样化。

3.3 主要应用领域：陶瓷纤维制品的应用领域主要是加工工业和热处理工业(工业窑炉、热处理设备及其它热工设备)。其次是钢铁工业。还有就是应用在摩擦密封等复合材料领域起到增强和改善性能之作用。

3.4 发展趋势：陶瓷纤维产品今后的生产趋势，就是朝着无污染、精细化和多功能化方向发展，尤其是利用新工艺、新原料，制备高附加值、高科技含量的功能性精细陶瓷纤维。

3.4.1通过添加特殊氧化物来提升陶瓷纤维的使用温度：除1000型、1260型、1400型、1600型及混配纤维等典型陶瓷纤维制品外，近年来在熔体的化学组分中添加氧化锆（ZrO2）、氧化铬（Cr2O3）等成分．从而使陶瓷纤维制品的***高使用温度提高到1300℃。

3.4.2 可溶性纤维产品：在熔体的化学组分中添加CaO、MgO等成分．形成SiO2-CaO-MgO三元体系。就CMS系统而言，其主要性能与传统陶瓷纤维性能相当，但溶解速率常数Kdis比传统耐火纤维的大50倍，其生物可溶性，满足欧盟KNB指数的要求，减少对***健康的损害。同时也因为引入CaO、MgO等成分，改善成纤条件，成纤率和柔软性方面都有好处。

3.4.3 62%-75% Al2O3 高强纤维：是一种Al2O3-SiO2-MgO系玻璃质纤维。它突破了Al2O3含量>55%时不能用熔融法生产的禁区。提高了纤维的抗拉强度，其单丝纤维抗拉强度平均达到2500MPa以上。

3.4.4 耐高温纺织纤维：是属于Al2O3-SiO2-MgO（CaO）- ZrO2系玻璃质纤维。纤维长度较长（250-300mm），柔软性能改善相对更适合纺织。

4.陶瓷纤维的原材料和生产工艺

4.1 原材料：原料的质量是决定陶瓷纤维产品的关键因素。高品质纤维必须是以优质原料作保证。纤维生产厂家对于原料化学组成中Fe2O3、Na2O、K2O等影响耐温性及质量的***杂质都有严格规定，因为它们在高温下起着熔剂的作用，严重降低了纤维的难热性能。

4.1.1普通硅酸铝棉：以硬质粘土熟料为原料。譬如焦宝石（纤维棉不是纯白色），或煤矸石系高岭土（纤维为纯白色，柔性有提高）。

4.1.2、高铝型硅酸铝棉：以高纯氧化铝、硅石粉合成料为原料。

4.1.3、含锆型硅酸铝棉：以高纯氧化铝、硅石粉及锆英砂为原料。

表4.1  陶瓷纤维生产用原材料技术性能

4.2 生产工艺：一般为电炉熔融法和胶体法生产。

4.2.1电炉熔融法：主要包括电弧炉、电阻炉生产。一般用于玻璃质纤维的生产。

4.2.1.1电弧炉生产：电弧炉熔融、一次风喷吹成纤。因其产能低，生产的纤维渣球含量高，目前基本上不予采用。

4.2.1.2电阻炉生产：电阻炉熔融，采用甩丝或喷吹法成纤。目前国内采用甩丝成纤法的居多。两种生产成纤方法在纤维直径、长度和抗拉强度方面有差异，各有所长。纤维丝的直径：甩丝纤维更粗些，甩丝纤维一般为3.0-5.0μm，喷丝纤维一般为2.0-3.0μm； 纤维丝的长度：甩丝纤维更长些，甩丝纤维一般为150-250mm, 喷丝纤维一般为100-200mm；另外，甩丝成纤的纤维单丝抗拉强度亦优于喷吹成型的。

图4-1 玻璃态耐火纤维生产工艺流程

4.2.2 胶体法（或称化学法）：一般用于多晶晶质纤维生产，产品主要适合于1300℃以上的高温环境。

图4-2 硅酸铝多晶纤维的制取工艺

5．陶瓷纤维的化学组成：化学组成即通常所称的化学成分，是陶瓷纤维的***基本特征。按各个化学成分含量的多少和作用将其分为两部分：即占***多量的主要成分和占少量的副成分。

表5-1耐火纤维的化学组成

5.1副成分：包括陶瓷纤维生产用原料伴随的***杂质成分和陶瓷纤维生产过程中为改善其性质而特别加入的添加成分。

5.2主成分：Al20、SiO2、ZrO2、Cr2O3等氧化物构成了陶瓷纤维的主成分。5.3主成分熔点：它们的性质和数量直接决定着陶瓷纤维的品质，尤其是陶瓷纤维的耐热性，这是因为这些主成分均为高熔点的氧化物。表3.2为陶瓷纤维常见主成分的熔点。

名称 化学组成 熔点/℃ 名称 化学组成 熔点/℃

氧化铝

氧化硅 Al20

SiO2 2050

1725 氧化锆 ZrO2 2690

　表5-2陶瓷纤维常见主成分的熔点

使用天然原料，甚至高纯工业原料生产的陶瓷纤维不可避免地要混入一定数量的杂质成分，因而陶瓷纤维的质量规定中都规定了主成分的***低值。

6.陶瓷纤维的矿物组成：纤维及纤维制品的矿物组成取决于它的化学组成与生产的工艺条件。有时化学组成完全相同，但由于成分分布的均匀性和加工工艺的不同导致纤维组成的矿物种类、数量、晶粒大小可以完全不同。

表6.1  纤维状绝热耐火材料矿物组成

6.1测试方法：一般通过光学显微镜、电子显微分析、热分析（差热分析DTA）、X射线分析及红外吸收光谱分析等方法来做测定。

6.2矿物组成特点：以“熔融法”生产的玻璃质纤维，其矿物组成为无序的玻璃相；以“胶体法”生产的晶质纤维，其矿物相为微晶晶体，其矿相组成又随着晶质纤维化学组成的不同而不同。

7.陶瓷纤维的物理性能：

7.1纤维密度：在玻璃态熔融化法生产的耐火纤维中，纤维的密度可以看作与真密度相同，对分类温度为1260℃时，纤维密度是2.5-2.6g/m3，在分类温度为1400℃是，纤维密度是2.8 g/m3.氧化铝质的多晶纤维与真密度是不相同的，这是由于多晶纤维内部的微晶粒之间存在显微气孔的缘故。

7.2纤维直径：采用高温熔融喷吹成型法的纤维直径一般在2.5-3.5μm;高速甩丝法的纤维直径在3-5μm.大部分纤维分布在1-8μm区间内。

7.3纤维长度：30-250mm，

表7.1技术指标：

项目 普通型 高铝型 含锆型

分类温度(℃) 1100 1360 1400

工作温度(℃) <1000 1200 1350

颜色 白 洁白 洁白

纤维直径(μm) 3-5 3-5 3-5

渣球含量(%)Ф＞0.25mm <12 <12 <12

7.4比表面积：纤维的比表面积在0.4-0.8㎡/g。

7.5单丝抗拉强度：表7.2是洛阳耐火材料研究院对四种国产陶瓷纤维（硅酸铝纤维）单丝强度的测定结果。

表7.2  四种国产硅酸铝系纤维的单丝强度

7.6渣球含量（非纤维物质）：渣球是高温熔融液在纤维化过程中没能成纤的球状粒子，是熔融纤维化工艺生产纤维不可避免的产物。在多晶纤维制造工艺及胶体法生产中，也存在一定量的渣球。渣球化学成分与纤维相同。

8.陶瓷纤维在摩擦密封材料中的应用：

8.1 陶瓷纤维在耐热性、化学稳定性优势以及纤维长度、直径、比表面积的特性基本满足摩擦密封材料对增强纤维的要求，但因为渣球含量较高和表面光滑需要进行二次加工实现净化和表面处理。

8.2 渣球含量（非纤维物质）：陶瓷纤维在耐火保温材料中的渣球含量控制标准比较宽泛，难以适用于摩擦密封行业。也就是说，陶瓷纤维必须要经过进一步净化处理，才能很好的应用于摩擦密封行业。

8.2.1摩擦材料：因为噪音、对偶磨损等方面的要求，国际通用标准控制在120目（孔径125μm）筛余<5%或更低;

8.2.1密封材料：由于密封性能和表面平整性等方面的要求，国际通用标准控制在120目（孔径125μm）筛余<1%。

8.3纤维表面处理：陶瓷纤维表面在熔融成纤过程中因为表面张力的作用趋于光滑，并且纤维表面聚集负电荷。所以要根据使用要求进行不同的表面处理。

8.3.1摩擦材料：一般经过阳离子表面活性剂处理。也有根据客户要求使用***偶联剂、树脂或橡胶改性，以增强与摩擦材料酚醛树脂的相容性。

8.3.2压缩成张法（辊压法）密封材料：一般经过***偶联剂处理。

8.3.3胶乳抄取工艺（抄取法）密封材料：一般经过阳离子表面改性剂，并配合一些分散剂有助于纤维在水介质中均匀分散。

8.4纤维长度：陶瓷纤维在干混搅拌过程中容易起静电导致纤维结团，造成纤维在摩擦密封材料基体中的均匀分布，从而也影响纤维增强性能的发挥。一般情况下，用于干混工艺的陶瓷纤维需要控制其长度。

8.4.1摩擦材料：根据使用经验控制在200&plu***n;100μm；

8.4.2压缩成张法（辊压法）密封材料：一般在300&plu***n;50μm；

8.4.3胶乳抄取工艺（抄取法）密封材料：因为在水介质中生产，长度在550&plu***n;100μm

8.5普通陶瓷纤维的环保性能：从使用温度来看，普通硅酸铝系陶瓷纤维以完全满足常规摩擦密封材料的耐温性使用要求。

8.5.1生物耐久性：属的Al2O3-SiO2体系，据化学成分分析及相关试验显示其生物耐久性较高。

8.5.2纤维直径影响：一般以3μm 的纤维直径作为临界直径。直径高于 3μm 的粗纤维通常只能停留在上呼吸道系统，通过粘液系统及肌肉活动机能就可以得到有效的清除。对于直径小于3μm的细纤维就较容易进入肺部深处，并有可能对***健康产生潜在的危害。

8.6可溶性陶瓷纤维：鉴于普通陶瓷纤维在环保方面的欠缺和不足。近几年美国摩根热陶瓷公司、山东鲁阳（青岛赛顿）等企业相继推出了SiO2-CaO-MgO三元体系可溶性陶瓷纤维产品。其原理是在熔体的化学组分中添加CaO、MgO等成分形成CMS系统，其耐温、化学稳定性等主要性能与传统陶瓷纤维性能相当，其生物可溶性满足欧盟KNB指数的要求，减少对***健康的损害。

9.结论：

9.1普通陶瓷纤维其优良的耐温性、化学稳定性及纤维强度，是摩擦密封行业上佳石棉替代无机纤维。

9.2陶瓷纤维根据摩擦密封行业的要求必须要经过净化除渣处理。

9.3纤维表面***好按各种不同的生产工艺要求进行改性处理。

9.4应该了解和关注普通陶瓷纤维和环保性陶瓷纤维在生物可溶性方面的差异，做出正确选择。

参考文献

1、 崔之开 《陶瓷纤维》 化学工业出版社；

2、 张克铭 《耐火纤维应用技术》 冶金工业出版社 ；

3、 姜肇中 邹宁宇 叶鼎铨《玻璃纤维应用技术》 中国石化出版社；

4、 张耀明 李巨白 姜肇中《玻璃纤维与矿物棉全书》 化学工业出版社；

5、 谭康《用于摩擦密封材料的新原料集锦》 中国摩擦密封协会。

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大城隆泰恒兴陶瓷纤维制品厂