兩種知名型號(hào)氧化鋁纖維的性能優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

發(fā)布時(shí)間 | 2024-04-01 11:45 分類 | 粉體應(yīng)用技術(shù) 點(diǎn)擊量 | 1935

氧化鋁

導(dǎo)讀：目前氧化鋁纖維對(duì)于高溫應(yīng)用工況下的性能顯著下降仍舊是需要解決的痛點(diǎn)，在通過(guò)優(yōu)化成分、高溫相組成、晶粒生長(zhǎng)過(guò)程調(diào)控等手段可進(jìn)一步提升其高溫性能，同時(shí)對(duì)于抗老化和抗蠕變性也有一定的提升...

連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料具有低密度、高強(qiáng)度、高模量、耐高溫和抗磨損等特點(diǎn)，已被應(yīng)用于航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)熱端等關(guān)鍵部件。在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況下，高溫燃?xì)庵械乃魵鈺?huì)加速航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端復(fù)合材料部件的氧化，從而減弱復(fù)合材料的力學(xué)性能和可靠性。氧化鋁纖維增強(qiáng)氧化鋁復(fù)合材料（簡(jiǎn)稱Al₂O₃/Al₂O₃復(fù)合材料）相較于其他陶瓷基復(fù)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(fù)合材料在特定環(huán)境下易氧化的問(wèn)題，極大拓寬了陶瓷基復(fù)合材料在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用。

受限于高性能Al₂O₃纖維原材料，我國(guó)對(duì)Al₂O₃/Al₂O₃復(fù)合材料的研究起步較晚，目前對(duì)于氧化鋁纖維產(chǎn)品極其復(fù)合材料的研究和應(yīng)用還是國(guó)外做得較為成熟，那么有哪些值得關(guān)注的產(chǎn)品和研究方向呢？我們一起來(lái)看看。

氧化鋁纖維的常用型號(hào)

氧化鋁連續(xù)纖維的研究始于20世紀(jì)70年代，目前只有美國(guó)、日本、德國(guó)和中國(guó)等國(guó)家掌握了其制造技術(shù)。美國(guó)3M公司在1974年首次通過(guò)溶膠-凝膠法制備了氧化鋁纖維，經(jīng)過(guò)不斷優(yōu)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(yīng)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(guò)程中，F(xiàn)e₃O₄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(zhǎng)速率。在Fe₃O₄和SiO₂的共同作用下，氧化鋁纖維的燒結(jié)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(qiáng)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(zhǎng)大，纖維缺陷增多，力學(xué)性能明顯下降。

Nextel 610氧化鋁纖維的基礎(chǔ)性能

經(jīng)高溫處理后，Nextel 610氧化鋁纖維晶粒會(huì)顯著長(zhǎng)大，力學(xué)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(guó)3M公司報(bào)道的Nextel 610氧化鋁纖維的高溫力學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)可知，Nextel 610氧化鋁纖維在1200℃之前強(qiáng)度較高，強(qiáng)度保留率在95%以上；1300℃時(shí)強(qiáng)度下降明顯，強(qiáng)度保留率降低至64%；1400℃時(shí)的強(qiáng)度保留率僅為30.2%。這主要是因?yàn)镹extel 610氧化鋁纖維是單相纖維，在較高的溫度下晶?？焖匍L(zhǎng)大，導(dǎo)致強(qiáng)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(qiáng)度關(guān)系

另外，Nextel 610氧化鋁纖維的抗蠕變性能較差，在不同環(huán)境熱處理后其蠕變性能有明顯差異，相比與空氣環(huán)境，水汽環(huán)境會(huì)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(guò)程中SiO₂與α-Al₂O₃反應(yīng)生成莫來(lái)石，莫來(lái)石可在α-Al₂O₃晶界處聚集，形成莫來(lái)石包圍α-Al₂O₃的結(jié)構(gòu)，可有效抑制α-Al₂O₃晶粒的生長(zhǎng)，明顯提高了纖維的抗蠕變性能。

Nextel 720氧化鋁纖維的基礎(chǔ)性能

與 Nextel 610氧化鋁纖維類似，高溫?zé)崽幚砜墒筃extel 720氧化鋁纖維的晶粒長(zhǎng)大，尤其在高于1600℃的溫度下，Nextel 720氧化鋁纖維晶粒長(zhǎng)大明顯。這是由于當(dāng)熱處理溫度低于1600 ℃時(shí)，Nextel 720氧化鋁纖維中的晶粒長(zhǎng)大主要為α-Al₂O₃晶粒的生長(zhǎng)，莫來(lái)石晶粒幾乎不長(zhǎng)大，并且由于莫來(lái)石的存在，α-Al₂O₃晶粒的生長(zhǎng)受到抑制。當(dāng)熱處理溫度高于1600 ℃時(shí)，Nextel 720氧化鋁纖維中晶粒長(zhǎng)大主要來(lái)源于莫來(lái)石晶粒的生長(zhǎng)。

Nextel 720氧化鋁纖維在1500～1700℃熱處理時(shí)晶粒尺寸與保溫時(shí)間的關(guān)系

基于以上原因，高溫?zé)崽幚硪矔?huì)對(duì)Nextel 720氧化鋁纖維的力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)測(cè)試溫度低于1200℃時(shí)，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?yàn)樵?200℃前，Nextel 610氧化鋁纖維晶粒長(zhǎng)大不明顯，纖維拉伸強(qiáng)度保留率較高；當(dāng)測(cè)試溫度高于1200℃ 時(shí)，Nextel 610氧化鋁纖維晶粒明顯長(zhǎng)大，拉伸強(qiáng)度明顯下降，而Nextel 720氧化鋁纖維晶粒長(zhǎng)大不明顯，導(dǎo)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(guò)水汽的存在也會(huì)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(qiáng)度較高，但纖維的單相組成導(dǎo)致其力學(xué)性能受溫度影響較明顯，纖維的高溫穩(wěn)定性和抗蠕變性能差。為提高纖維的穩(wěn)定性和抗蠕變性能，3M公司在 Nextel 610氧化鋁纖維的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)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(lái)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(xué)性能較差。但由于莫來(lái)石相的存在，Nextel 720氧化鋁纖維在高溫下的晶粒長(zhǎng)大速率較小，穩(wěn)定性和抗蠕變性能較好。

小結(jié)

通過(guò)以上兩種迭代產(chǎn)品的性能對(duì)比可知，目前氧化鋁纖維對(duì)于高溫應(yīng)用工況下的性能顯著下降仍舊是需要解決的痛點(diǎn)，在通過(guò)優(yōu)化成分、高溫相組成、晶粒生長(zhǎng)過(guò)程調(diào)控等手段可進(jìn)一步提升其高溫性能，同時(shí)對(duì)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(huán)境影響等仍舊有較大的提升空間。

另外，在在連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用中，界面相要與纖維和基體間有良好的物理和化學(xué)相容性，同時(shí)界面相與纖維和基體間的結(jié)合強(qiáng)度要適中，這是因?yàn)橐环矫娼缑嫦嗄芊乐菇缑娼Y(jié)合強(qiáng)度過(guò)大導(dǎo)致復(fù)合材料發(fā)生脆性斷裂，降低力學(xué)性能；另一方面界面相能防止界面結(jié)合強(qiáng)度過(guò)小導(dǎo)致載荷不能通過(guò)界面?zhèn)鬟f給纖維，減弱纖維的增強(qiáng)作用。目前我國(guó)目前有Al₂O₃ /Al₂O₃復(fù)合材料的制備研究，主要制備工藝為漿料浸漬-燒結(jié)工藝和溶膠-凝膠工藝。但漿料浸漬-燒結(jié)工藝制備溫度較高，溶膠-凝膠工藝制備周期過(guò)長(zhǎng)，且所制備的Al₂O₃ /Al₂O₃復(fù)合材料性能較低，很難滿足航空航天等領(lǐng)域的工程化應(yīng)用。如何進(jìn)一步優(yōu)化復(fù)合材料性能，在低溫、低成本的條件下實(shí)現(xiàn)高性能 Al₂O₃ /Al₂O₃復(fù)合材料的制備，也是該領(lǐng)域需要長(zhǎng)期研究的難題。