連續纖維增強陶瓷基復合材料具有低密度、高強度、高模量、耐高溫和抗磨損等特點，已被應用于航空航天發動機熱端等關鍵部件。在發動機實際工況下，高溫燃氣中的水蒸氣會加速航空發動機熱端復合材料部件的氧化，從而減弱復合材料的力學性能和可靠性。氧化鋁纖維增強氧化鋁復合材料（簡稱Al₂O₃/Al₂O₃復合材料）相較于其他陶瓷基復合材料具有較好的抗水蒸氣氧化性能，有效解決了陶瓷基復合材料在特定環境下易氧化的問題，極大拓寬了陶瓷基復合材料在航空航天等領域的應用。

受限于高性能Al₂O₃纖維原材料，我國對Al₂O₃/Al₂O₃復合材料的研究起步較晚，目前對于氧化鋁纖維產品極其復合材料的研究和應用還是國外做得較為成熟，那么有哪些值得關注的產品和研究方向呢？我們一起來看看。

氧化鋁纖維的常用型號

氧化鋁連續纖維的研究始于20世紀70年代，目前只有美國、日本、德國和中國等國家掌握了其制造技術。美國3M公司在1974年首次通過溶膠-凝膠法制備了氧化鋁纖維，經過不斷優化，推出了Nextel系列氧化鋁纖維，其中Nextel 610纖維和Nextel 720纖維是目前應用最廣泛的氧化鋁纖維。

1.Nextel 610氧化鋁纖維

Nextel 610氧化鋁纖維的主要成分為α-Al₂O₃，含有低于1%的Fe₃O₄和SiO₂，為單相多晶氧化鋁纖維。在纖維制備過程中，Fe₃O₄有效提高了α-Al₂O₃的形核率，降低了α-Al₂O₃的相變溫度，SiO₂有效減小了α-Al₂O₃晶粒的生長速率。在Fe₃O₄和SiO₂的共同作用下，氧化鋁纖維的燒結溫度顯著降低且致密度明顯上升。

Nextel 610氧化鋁纖維是目前室溫拉伸強度和拉伸模量最高的氧化鋁纖維，但高溫處理后纖維中α-Al₂O₃晶粒迅速長大，纖維缺陷增多，力學性能明顯下降。

Nextel 610氧化鋁纖維的基礎性能

經高溫處理后，Nextel 610氧化鋁纖維晶粒會顯著長大，力學性能下降。

不同溫度熱處理后 Nextel 610 氧化鋁纖維的表面形貌

根絕美國3M公司報道的Nextel 610氧化鋁纖維的高溫力學性能測試數據可知，Nextel 610氧化鋁纖維在1200℃之前強度較高，強度保留率在95%以上；1300℃時強度下降明顯，強度保留率降低至64%；1400℃時的強度保留率僅為30.2%。這主要是因為Nextel 610氧化鋁纖維是單相纖維，在較高的溫度下晶粒快速長大，導致強度迅速下降。

不同溫度熱處理后Nextel 610氧化鋁纖維晶粒尺寸和拉伸強度關系

另外，Nextel 610氧化鋁纖維的抗蠕變性能較差，在不同環境熱處理后其蠕變性能有明顯差異，相比與空氣環境，水汽環境會顯著增加Nextel 610纖維的蠕變速率。

2.Nextel 720氧化鋁纖維

Nextel 720氧化鋁纖維主要含α-Al₂O₃和SiO₂，其中SiO₂的含量約為15%。在纖維燒成過程中SiO₂與α-Al₂O₃反應生成莫來石，莫來石可在α-Al₂O₃晶界處聚集，形成莫來石包圍α-Al₂O₃的結構，可有效抑制α-Al₂O₃晶粒的生長，明顯提高了纖維的抗蠕變性能。

Nextel 720氧化鋁纖維的基礎性能

與 Nextel 610氧化鋁纖維類似，高溫熱處理可使Nextel 720氧化鋁纖維的晶粒長大，尤其在高于1600℃的溫度下，Nextel 720氧化鋁纖維晶粒長大明顯。這是由于當熱處理溫度低于1600 ℃時，Nextel 720氧化鋁纖維中的晶粒長大主要為α-Al₂O₃晶粒的生長，莫來石晶粒幾乎不長大，并且由于莫來石的存在，α-Al₂O₃晶粒的生長受到抑制。當熱處理溫度高于1600 ℃時，Nextel 720氧化鋁纖維中晶粒長大主要來源于莫來石晶粒的生長。

Nextel 720氧化鋁纖維在1500～1700℃熱處理時晶粒尺寸與保溫時間的關系

基于以上原因，高溫熱處理也會對Nextel 720氧化鋁纖維的力學性能產生顯著影響。當測試溫度低于1200℃時，Nextel 720氧化鋁纖維高溫拉伸性能低于 Nextel 610氧化鋁纖維，這是因為在1200℃前，Nextel 610氧化鋁纖維晶粒長大不明顯，纖維拉伸強度保留率較高；當測試溫度高于1200℃ 時，Nextel 610氧化鋁纖維晶粒明顯長大，拉伸強度明顯下降，而Nextel 720氧化鋁纖維晶粒長大不明顯，導致Nextel 720氧化鋁纖維在1200℃以上高溫拉伸性能高于Nextel 610氧化鋁纖維。

另外，Nextel 720氧化鋁纖維的抗老化性能和的抗蠕變性能也較好，不過水汽的存在也會顯著增加 Nextel 720纖維的蠕變速率。

綜上所述，Nextel 610氧化鋁纖維成分單一，主要為α-Al₂O₃相，其室溫和高溫拉伸強度較高，但纖維的單相組成導致其力學性能受溫度影響較明顯，纖維的高溫穩定性和抗蠕變性能差。為提高纖維的穩定性和抗蠕變性能，3M公司在 Nextel 610氧化鋁纖維的基礎上開發了Nextel 720氧化鋁纖維。Nextel 720氧化鋁纖維中主要含有α-Al₂O₃和莫來石兩相，相較于Nextel 610氧化鋁纖維，Nextel 720 氧化鋁纖維的室溫和高溫力學性能較差。但由于莫來石相的存在，Nextel 720氧化鋁纖維在高溫下的晶粒長大速率較小，穩定性和抗蠕變性能較好。

小結

通過以上兩種迭代產品的性能對比可知，目前氧化鋁纖維對于高溫應用工況下的性能顯著下降仍舊是需要解決的痛點，在通過優化成分、高溫相組成、晶粒生長過程調控等手段可進一步提升其高溫性能，同時對于抗老化和抗蠕變性也有一定的提升，但室溫和高溫性能的平衡、水分環境影響等仍舊有較大的提升空間。

另外，在在連續纖維增強陶瓷基復合材料的實際應用中，界面相要與纖維和基體間有良好的物理和化學相容性，同時界面相與纖維和基體間的結合強度要適中，這是因為一方面界面相能防止界面結合強度過大導致復合材料發生脆性斷裂，降低力學性能；另一方面界面相能防止界面結合強度過小導致載荷不能通過界面傳遞給纖維，減弱纖維的增強作用。目前我國目前有Al₂O₃ /Al₂O₃復合材料的制備研究，主要制備工藝為漿料浸漬-燒結工藝和溶膠-凝膠工藝。但漿料浸漬-燒結工藝制備溫度較高，溶膠-凝膠工藝制備周期過長，且所制備的Al₂O₃ /Al₂O₃復合材料性能較低，很難滿足航空航天等領域的工程化應用。如何進一步優化復合材料性能，在低溫、低成本的條件下實現高性能 Al₂O₃ /Al₂O₃復合材料的制備，也是該領域需要長期研究的難題。

參考來源：

1.氧化鋁纖維增強氧化鋁基復合材料研究進展，孫敬偉、王洪磊、周新貴（硅酸鹽通報）；

2.氧化鋁纖維增強陶瓷基復合材料的制備及力學性能研究，鄭周（國防科技大學）；

3.無機酸鋁體系氧化鋁連續纖維的制備技術研究，賈玉娜、曹旭、焦秀玲等（無機材料學報）。

粉體圈小吉