氧化鋁纖維又稱多晶氧化鋁纖維，通常以Al₂O₃為主要成分，通常還含有5%左右SiO₂及B₂O₃、ZrO₂、MgO等用以穩定晶相、抑制高溫下晶粒長大的少量，其獨特之處在于融合了晶體材料和纖維材料特性于一體，與碳纖維和金屬纖維相比，可以在較高溫度下保持很好的抗拉強度，長期使用溫度在1450-1600℃，并具有優異的表面活性，易與樹脂、金屬、陶瓷基體復合，形成諸多性能優異、應用廣泛的復合材料。此外，它還具有熱導率小、熱膨脹系數低等特點，在工業、軍事、民用復合材料領域得到了廣泛的應用。

不過由于制備方式、組分等存在一些差異，氧化鋁纖維有著連續纖維、短切纖維等多種形態，不同形態的氧化鋁纖維在應用上也有些差別。

3M? Nextel? 720 連續陶瓷氧化物纖維的粗紗形式（左）、3M? Nextel? 短切纖維 720（右）

氧化鋁連續纖維的應用

由于具有脆性的氧化鋁陶瓷材料在制為纖維后總體積極小，內部包含的可能導致脆性斷裂的缺陷也隨著減少，因此具有與金屬材料相當的抗拉強度，在增強復合材料等方面展現出獨特的應用價值。

氧化鋁纖維在基體當中起到增強增韌作用的機制主要有三種：纖維拔出、纖維橋連、纖維斷裂，即當陶瓷斷裂時，斷口處纖維材料的這些現象會消耗斷裂過程中產生的力學載荷并使裂紋偏轉，從而避免材料因發生脆性斷裂而造成災難性的破壞。連續纖維又叫長纖維，其直徑在通常數微米到幾十微米之間，具有較大的長徑比。相比氧化鋁短切纖維，連續纖維能夠提供更長的傳力路徑和實現更好的各向同性，當裂紋達到纖維表面時，能使得載荷能夠更有效地傳遞到復合材料中的其他區域，有效地分散局部應力集中，并防止材料中出現局部弱點，因此更適合充當復合材料的增強體。目前，氧化鋁連續纖維在增強金屬基體、陶瓷基體上都有成功應用。

連續纖維增強增韌機制

1、在金屬基復合材料中的應用

憑借與金屬基體較強的浸潤性，氧化鋁纖維增強的金屬基復合材料已在汽車活塞槽部件中得到應用，不僅顯著提高了金屬基材料的力學性能、耐磨性、硬度，且膨脹系數也得到了降低。另外，由于陶瓷纖維增強金屬基體復合材料使高性能組件量僅有鋼或鑄鐵重的一半的同時，還具有同等或更好的強度和剛度，因此還可用于高負荷的機械零件和高溫高速旋轉零件以及對輕量化而要求的高功能構件，如汽車連桿、傳動軸、剎車等零件及直升飛機的傳動裝置等。

纖維增強發動機活塞及纖維增強氣門嘴帽

2、在陶瓷基復合材料中的應用：

先進陶瓷固有的脆性嚴重制約了其在高溫結構材料領域的應用。將高強度的連續氧化鋁纖維引入陶瓷材料中形成連續氧化鋁纖維增韌陶瓷復合材料已成為提升陶瓷材料韌性最有效的途徑之一。與高溫合金相比，氧化鋁連續纖維增強陶瓷復合材料密度下降約2/3，長時耐溫能力提升100～200℃；與碳纖維、碳化硅纖維等增強的陶瓷復合材料相比，則具備固有的高溫抗氧化和耐水汽腐蝕性能，無需環境障涂層即可在高溫富氧、富含水汽的中等載荷工況下表現出顯著的優勢，在航空發動機、地面燃氣輪機、民用工業等領域具有廣闊的應用前景。

3、在聚合物基體中的應用：

連續氧化鋁纖維與樹脂基體結合良好，比玻璃纖維的彈性大，比碳纖維的壓縮強度高，所以連續氧化鋁樹脂復合材料正逐步在一些領域得到廣泛應用。特別是在文體用品方面，連續氧化鋁纖維復合材料可制成色彩鮮艷的高強度釣魚桿、高爾夫球、滑雪板、網球拍等。值得注意的是，使用氧化鋁連續纖維制備的增強聚合物復合材料還具有透波性好、質量輕的特點，有望在電路板、電子器械、雷達罩和電池等工具或器件中得以應用。

氧化鋁短切纖維的應用

理論上短纖維增強復合材料性質具有各向同性，但由于制備、成型加工過程當中更易受外力作用會產生擇優取向，最終的產物性能具有一定的各向異性，因此在增強復合基體強度方面不如連續纖維，不過由于氧化鋁短纖維是由微晶構成，具有突出的耐高溫、熱穩定性好及耐機械振動等優點，同時導熱系數和容重分別只有傳統耐火材料的1/10和1/15，用作高溫絕熱材料表現突出。

1、隔熱爐襯材料

作為理想的節能增效耐火材料，氧化鋁短纖維可制成板、氈、磚等，其性能不僅超出了常見的高溫紡織品，如芳香族聚酰胺纖維、碳纖維、石英和玻璃纖維的限制，同時還具有抗氧化、化學惰性、輕質、柔性、耐火和高溫下的電絕緣性能。因此，可用于工作溫度高于1400℃的鋼鐵工業各種熱處理爐、陶瓷燒成窯、石油化工中的裂解爐、燃燒爐等的隔熱爐襯材料，尤其適用于藍寶石長晶爐，可以減輕爐體質量的同時，提高控溫精度，減少爐壁散熱，保溫性能好，蓄熱量少，熱惰性小，具有良好的熱輻射能力和紅外加熱效應，比一般耐火磚或高溫涂料節能效果顯著。

氧化鋁纖維隔熱襯護材料

2、汽車三元催化襯墊

三元催化器，是安裝在汽車排氣系統中最重要的機外凈化裝置，它可將汽車尾氣排出的CO、HC和NOx等有害氣體通過氧化和還原作用轉變為無害的二氧化碳、水和氮氣。由于汽車三元催化器內部在工作時具有高溫氣流沖擊、不規則震動、酸性氣體腐蝕和對催化劑載體保護要求高等問題，需要采用具有優異的高溫穩定性、化學穩定性、密封性、機械強度以及隔音、隔熱性能的襯墊，而由氧化鋁短纖維制成的非膨脹性密封襯墊就是一種理想的襯墊材料。

由氧化鋁短纖維制成的汽車三元催化劑襯墊（來源：東珩國纖新材料）

小結

憑借優良的性能，氧化鋁纖維已經廣泛用于金屬、陶瓷增強，在航天航空、軍工、高性能運動器材以及高溫絕熱材料等領域有重要應用。不過由于制備方式、組分等存在的差異，氧化鋁連續纖維、短切纖維各有其應用側重，連續纖維由于優異的抗拉強度和各向同性，主要應用于金屬基、陶瓷基、聚合物基復合材料的增強，而短切纖維則更多用于隔熱爐襯材料、三元催化劑襯墊材料等高溫絕熱材料中。

參考文章：

1、李雪松.氧化鋁纖維的制備方法及研究進展[J].山東化工.

2、張健. 連續Al2O3纖維表面金屬化改性及性能研究[D].河南工業大學.

3、鄭周. 氧化鋁纖維增強陶瓷基復合材料的制備及力學性能研究[D].國防科技大學.

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