常規的氧化鋁纖維是多晶結構，多晶氧化鋁纖維是新型的高性能無機陶瓷纖維，與碳纖維、碳化硅纖維等非氧化物纖維和金屬纖維比較，氧化鋁纖維具有高強度、高模量、熱導率小、熱膨脹系數低、抗化學侵蝕能力、高耐熱性和耐高溫氧化性，在高溫下具有較高的拉伸強度，其表面活性好，易與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合，形成諸多性能優異的復合材料。

氧化鋁纖維產品

單晶α-Al₂O₃纖維的優勢

氧化鋁纖維的一大典型應用就是制備高溫復合陶瓷應用于許多高溫工況，如噴氣發動機、燃氣輪機和工業爐，以取代金屬和金屬合金。然而，作為高溫陶瓷復合材料的增韌體，通常會存在以下兩個問題：一是高溫下產生晶體相變、晶粒粗化，以及由玻璃相的蠕變導致纖維的高溫強度下降；二是在高溫成形和使用過程中，氧化物纖維易與陶瓷基體（尤其是氧化物陶瓷）形成強結合的界面，導致復合材料的脆性破壞，喪失了纖維的增韌作用。

相比于多晶氧化鋁纖維，單晶α-Al₂O₃纖維除具有多晶氧化鋁纖維的優點外，可克服多晶纖維因晶粒在高溫下長大而導致纖維性能下降的問題，得以實現在較大的溫度范圍內的熱學、化學和力學性能大幅度提升，從而在加入基體材料后可使其復合材料的性能更加優越和穩定，可望在工業高溫爐窯、軍工、航空航天、交通運輸及高新科技領域中得到廣泛的應用。

幾種非金屬無機材料纖維的性質比較

單晶α-Al₂O₃纖維制備方法

氣相法是制備單晶α-Al₂O₃纖維最常見的方法。氣相法制備條件非?？量?，通常需要特殊設備，反應需要在高溫、真空或保護性氣氛、催化劑條件下進行，因此限制了單晶α-Al₂O₃纖維的制備工業化。

氣相法可分為固相-液相-氣相法和固相-氣相法。

1.固相-液相-氣相法

固相-液相-氣相法 (Vapor-Liquid-Solid,VLS)法的主要制備過程為：在單晶α-Al₂O₃纖維的生長過程中，反應物、催化劑熔體和產物分別對應于VLS生長機制中的氣相、液相和固相，將所要制備的單晶α-Al₂O₃纖維源加熱形成蒸氣，待蒸氣擴散到液態金屬團簇催化劑表面，形成過飽和團簇后在催化劑表面生長析出，從而形成單晶α-Al₂O₃纖維。

VLS法生長機理示意圖

由VLS法制備的單晶α-Al₂O₃纖維的特征是纖維頂部有催化劑顆粒，而單晶α-Al₂O₃纖維的直徑由催化劑尺寸決定，因此可以通過控制催化劑粒子的大小來控制單晶α-Al₂O₃纖維的直徑。常用的金屬催化劑有Au、Fe、Ni、Pt等。

VLS法要求催化劑對反應物有一定的溶解能力，兩者需首先形成合金液滴，單晶 α-Al₂O₃纖維的合成溫度應介于最低共熔點和氧化鋁材料本身熔點之間，因此VLS法制備單晶α-Al₂O₃纖維的難點是選擇合適的催化劑。而加入催化劑有可能污染單晶α-Al₂O₃纖維，所以測試和使用前須去除催化劑。

2.固相-氣相法

固相-氣相法(Vapor-Solid,VS)是將一種或幾種反應物在高溫區通過加熱形成蒸氣，然后用惰性氣流運送到反應器低溫區或者通過快速降溫使蒸氣沉積下來生長一維納米材料的制備方法。VS生長法制備氧化鋁一維納米材料是直接通過氣態分子沉積，以微觀缺陷（位錯、孿晶等）為形核中心。

VS法制備單晶氧化鋁纖維的產率大，產品質量好，純度高，但制備溫度較高，控制單晶α-Al₂O₃纖維生長的難度較大，相關機理研究尚處于理論探索階段。

氣相沉積原理

3.熔融抽絲法

1971年美國TYCO研究所開發了制備單晶α-氧化鋁纖維的方法——熔融抽絲法。即在高溫下氧化鋁在鉬坩堝中熔化，并向該熔體中插入鉬制細管，利用毛細現象，熔融液剛好升到毛細管的頂端，然后在頂端緩慢向上拉引得到單晶α-Al₂O₃纖維連續纖維。

熔融抽絲法易于形成含鋁纖維，并可以制成形狀復雜的纖維產品，但成本較高，工藝較為繁瑣，產品性能不易控制，形成的纖維質量較差。

鉬坩堝

4.前驅體法

這種方法可采用靜電紡絲法(e-spinning)先獲得前導纖維，將鋁源、溶劑、催化劑等混合制備為聚合物溶液，紡絲成尺度在微米到納米級的細纖維，然后將所得前導纖維置于管形爐內通氬氣進行煅燒，冷卻后獲得單晶α-Al₂O₃纖維。

靜電紡絲法制備納米纖維

5.濕氫法

采用少量Al粉或是含Al合金（Al稍過量）在高溫潮濕氫氣中加熱，可獲得單晶α-Al₂O₃纖維。

濕氫方法中通過控制氫氣露點起到對其中水蒸氣含量的控制，限制鋁金屬的氧化速度。為得到品質良好的纖維，必須控制露點以使過飽和度不超過臨界值，以保證纖維順利生長。但由于露點不易控制，受環境濕度因素干擾大，且對實驗設備影響很大，目前已經很少采用。

總結

多晶氧化鋁纖維在高科技領域主要用做增強材料和耐高溫絕熱材料兩大類，廣泛用于增強Al、Ti、SiC 和其他氧化物陶瓷基體，纖維與基體之間具有良好的相容性，具有的高強度、高模量、耐高溫、抗氧化性、耐腐性和電絕緣性等多功能特性，正在被廣泛應用于各領域。單晶α-Al₂O₃纖維替代多晶氧化鋁纖維應用于更高使用溫度和更佳使用性能的高科技復合材料，有利于金屬基復合材料和陶瓷基復合材料的性能優化，可拓寬氧化鋁纖維的應用領域。

目前，國內外制備單晶α-Al₂O₃纖維的技術大多處于實驗室階段，因為纖維生長溫度、分壓、反應氣流速度以及原始產物的組分必須保持恒定，這些參數的改變會導致纖維生長過程停止，制約了單晶α-Al₂O₃纖維進行工業生產。其優越的性能應用于軍工、航天方面更值得期待，因此加強單晶α-Al₂O₃纖維制備工藝和應用領域的研究具有重要意義。

參考來源：

1.單晶α-Al₂O₃纖維的研究進展，嚴伯剛、吳韜、金磊、馮曉野、范璐（江西科學）；

2.高溫陶瓷纖維/高溫陶瓷基復合材料研究進展，耿廣仁、周明星、周長靈、王開宇、周媛媛、李魁、程之強、劉福田（佛山陶瓷）；

3.氧化鋁纖維發展現狀及應用前景，汪家銘、孔亞琴（高科技纖維與應用）；

4.氧化鋁晶須的研究進展，李潔、乃學瑛、邊紹菊（現代化工）；

5.α-氧化鋁晶須的制備和高溫比較晶體化學的研究，梁邦兵（礦物巖石地球化學通報）。

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