氧化鋁我們都再熟悉不過了，它不僅有較高的熔點（2054℃），而且還有出色的機械強度、硬度、高電阻率和導(dǎo)熱性能，因此是世界上用量最大的特種陶瓷材料之一。

不過材料學(xué)家相信氧化鋁還有許多潛能未能被發(fā)掘，因此一直有在研究它的新用法，比如說氧化鋁纖維就是近年來一種比較具備代表性的成果。

氧化鋁纖維及其SEM圖

氧化鋁纖維是何物？

氧化鋁纖維是一種高性能的無機纖維，雖然名字中沒有體現(xiàn)，但其實它的成分并不限于Al₂O₃，有的還含有SiO₂和B₂O₃等金屬氧化物成分，是一種相當(dāng)高端的耐火材料。

作為當(dāng)今世界最新型的超輕質(zhì)高溫耐火纖維之一，氧化鋁纖維不僅可以在更高溫度下保持很好的抗拉強度，長期使用溫度在1450-1600℃；而且表面活性好，易與樹脂、金屬、陶瓷基體復(fù)合，形成諸多性能優(yōu)異、應(yīng)用廣泛的復(fù)合材料。同時它還具有熱導(dǎo)率小、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點，在“防火隔熱”這一塊也很有一手。此外，與其它高性能無機纖維如碳化硅纖維相比，氧化鋁纖維原料成本要低，且生產(chǎn)工藝簡單，具有較高的性價比。

目前氧化鋁纖維已被廣泛應(yīng)用于航空航天、核電核能、軍工以及汽車工業(yè)等領(lǐng)域。在業(yè)界，它甚至還被認(rèn)為是最具有潛力的高溫材料之一。

氧化鋁纖維的代表產(chǎn)品

經(jīng)過多年的發(fā)展，氧化鋁纖維已經(jīng)成功實現(xiàn)商業(yè)化，主要的品種有美國Du Pont公司的FP、PRD-166，美國3M公司生產(chǎn)的Nextel系列產(chǎn)品，英國ICI公司生產(chǎn)的Saffil氧化鋁纖維，日本Sumitomo公司生產(chǎn)的Altel氧化鋁纖維等。

其中3M的Nextel系列產(chǎn)品我們可以在網(wǎng)上找到詳盡的資料。這些陶瓷纖維是通過溶膠-凝膠法生產(chǎn)的，其制備方法是：在含有甲酸根離子和乙酸根離子的氧化鋁溶膠中，加入作為硅組分的硅溶膠和作為氧化硼組分的硼酸，得到混合溶膠，濃縮成紡絲液進行擠出紡絲，然后在1000℃以上帶有張力條件下燒結(jié)，得到連續(xù)氧化鋁纖維。以下是它的兩種主要型號，分別為Nextel610和Nextel720的性能參數(shù)對比。

可以發(fā)現(xiàn)，兩者的性能存在較大差異，它們的主要區(qū)別在于SiO₂的含量。其中Nextel610幾乎完全是由α氧化鋁的單相成分組成的，它在室溫下比Nextel720有著更高的強度。而Nextel720的組成中添加了比較大量的SiO₂，雖然拉伸強度、彈性模量等性能上都略遜于Nextel610，但是在應(yīng)變性能上卻有著更突出的表現(xiàn)，這是為什么呢？

Nextel720結(jié)構(gòu)粗紗

二氧化硅對氧化鋁纖維的影響

查看3M公布的產(chǎn)品資料，會發(fā)現(xiàn)對于720的描述是這樣的：Nextel陶瓷結(jié)構(gòu)纖維720是由添加了SiO₂的α氧化鋁制成，由于減少了晶界滑動，因此在更高的溫度下具有更好的強度保留。而莫來石相的存在，也使得Nextel720比Nextel610具有更高的蠕變阻力。

這里面提到了幾個關(guān)鍵點，如晶界滑動、莫來石相以及蠕變阻力等。其實這些都是可以結(jié)合起來討論的。我們就先從莫來石相開始。

①莫來石

首先要知道，莫來石陶瓷是主相為莫來石（3Al₂O₃·2SiO₂）的一類陶瓷的總稱。可簡單分為普通莫來石瓷和高純莫來石瓷兩大類，這里就先不討論普通莫來石瓷，感興趣的可以閱讀這篇文章做進一步了解——《除了耐火材料，莫來石陶瓷還能做些什么？》

高純莫來石陶瓷采用人工合成的超細高純莫來石粉末制備而成，它具有膨脹均勻、熱震穩(wěn)定性極好、荷重軟化點高、高溫蠕變值小、硬度大、抗化學(xué)腐蝕性好等特點。雖然莫來石陶瓷的室溫強度較低，限制了其室溫應(yīng)用（就像上面的610在室溫下會比720具備更高的強度一樣）。

但莫來石有個特點，它在高溫下強度衰減較小，在1300℃時抗彎強度可達570MPa，斷裂韌性KIC達5.7MPa，均比常溫時高1.6倍，這種隨溫度升高、強度和韌性不僅不衰減反而大幅度提高，是高純莫來石陶瓷作為高溫材料極佳的特性，因此它在電子封裝材料、汽車領(lǐng)域等有著重要的應(yīng)用。

莫來石在電子封裝材料中的應(yīng)用

②晶界滑動

接著我們來講講莫來石的高溫性能為什么會這么突出，這里涉及到一個概念就是晶界滑動。對于陶瓷材料來說，在較高溫度條件下，由于晶界上的原子易于擴散，受力后易產(chǎn)生滑動，就會促進蠕變進行。隨著溫度的升高，應(yīng)力降低，晶粒度減小，晶界滑動對蠕變的作用越來越大。晶界的滑動易于在晶界上形成裂紋，當(dāng)裂紋迅速擴展達到臨界尺寸后便產(chǎn)生蠕變斷裂。

③高溫蠕變

不過上面也提到了，莫來石有個特點就是高溫蠕變值小，越高溫越強。這是因為在高溫下，鋁硅酸鹽會形成細長的莫來石晶體，它們會形成高強的互鎖網(wǎng)絡(luò)，減少晶界滑動。因此Nextel720在高溫下就能消耗SiO₂和Al₂O₃來形成莫來石使抵抗形變的性能發(fā)生變化，這就是它比Nextel610有著更好的抗蠕變性能的主要原因，非常適合作為填充或加固材料改善復(fù)合材料的機械和熱學(xué)性能（高抗熱震等）。

總結(jié)

最初構(gòu)思這篇文章，是在了解3M產(chǎn)品時發(fā)現(xiàn)一系列的產(chǎn)品在性能上的差異很有趣，因此想要以這個為題寫一個小科普。在此之前很多人（甚至包括小編）或許會對莫來石有誤解，覺得它不夠“純”是否意味著不夠高級，卻忽略了正是這樣的組分才讓它在高溫領(lǐng)域有著如此優(yōu)秀表現(xiàn)的事實。

總而言之，材料沒有高低優(yōu)劣之分，只要能夠得到合適的應(yīng)用，誰都能成為那個領(lǐng)域的種子選手。

粉體圈 NANA

本文為粉體圈原創(chuàng)作品，未經(jīng)許可，不得轉(zhuǎn)載，也不得歪曲、篡改或復(fù)制本文內(nèi)容，否則本公司將依法追究法律責(zé)任。