上世紀五六十年代，傳統(tǒng)的無機纖維材料開始應用于各個領域，其主要代表纖維為天然石棉，但在實用中發(fā)現(xiàn)，這種天然纖維會致癌的，所以不再受人們的重視，研發(fā)生態(tài)環(huán)境友好型高性能纖維成為人們的首要選擇。高性能無機纖維近幾十年來開始發(fā)展較為迅速，主要是指碳纖維、硼纖維、碳化纖維和氧化鋁纖維，主要用于樹脂、金屬和陶瓷基體的增強，由于它們高的比強度和比彈性模量，使得復合材料具有比純金屬更優(yōu)異的物理性能，其復合材料在軍事、空間技術等方面發(fā)揮著不可替代的作用。

1. 氧化鋁纖維的簡介

氧化鋁纖維主要成分為Al₂O₃，有的還含有SiO₂和B₂O₃等金屬氧化物成分，是一種高性能的無機纖維。與碳纖維、碳化硅纖維等非氧化物纖維相比，氧化鋁纖維具有高強度、超常的耐熱性和耐高溫氧化性的優(yōu)點，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、陶瓷基體復合，形成諸多性能優(yōu)異、應用廣泛的復合材料；同時還具有熱導率小、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點。氧化鋁纖維一直被認為是最具有潛力的高溫材料。

圖1 多晶氧化鋁纖維和氧化鋁短纖維

由于具有優(yōu)異的性價比和巨大的商業(yè)價值，氧化鋁纖維正吸引著世界上許多發(fā)達國家投入大量的時間和精力去研制、開發(fā)與利用。與國際先進水平相比，我國研究開發(fā)氧化鋁纖維起步較晚，基礎理論研究和實驗技術水平與國外還存在大差距。制備可紡性好、連續(xù)性強、缺陷少的氧化鋁長纖維成為當今我國氧化鋁纖維制備方面急需解決的問題。

2. 氧化鋁纖維的制備

制備氧化鋁纖維的原料大多為較易得到的金屬氧化物粉末、無機鹽、有機聚合物等，它可以通過直接從水溶液、溶膠或者其他一些溶劑中紡絲制成，也可以以黏膠絲為載體來制備。目前，氧化鋁纖維的制備方法主要有溶膠-凝膠法、浸漬法、熔融抽絲法、游漿法等。

（一）溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是在液相條件下將醇鹽或無機鹽等原料混合均勻，加入有機酸類或高分子類助劑，經(jīng)過水解和縮聚等反應得到澄清透明的穩(wěn)定溶膠，溶膠中的膠粒聚合成為凝膠，凝膠經(jīng)過干燥、煅燒等步驟得到所需要的微米級或納米級材料。

利用溶膠-凝膠法制備氧化鋁纖維主要包括三個步驟，即可紡性溶膠的制備、成纖以及熱處理。

可紡性溶膠的制備分為分散法和水解法，其中水解法最為常用。水解法是以無機鹽和醇鹽為原料，在催化劑存在的條件下發(fā)生水解縮合反應其中無機鹽先發(fā)生溶劑化反應，形成線性聚合物，這是使溶膠具有成纖性的關鍵因素。通過調(diào)節(jié)原料種類、組分比例、溶劑種類、催化劑、pH值和水解聚合溫度來控制水解聚合，進而控制生成溶膠的可紡性。可紡性膠體形成后，運用不同的成纖方法制備凝膠纖維，這些方法主要有離心成纖、平吹成纖和干法紡絲等。而對凝膠纖維的熱處理過程包含化學變化和礦物相變化，即將吸附水、結構水、有機物及某些負離子排除，使纖維結構轉化為較穩(wěn)定的氧化物物相，同時在該過程中控制纖維的致密性和力學等性質(zhì)。因而熱處理時升溫速率要緩慢，必須先完全形成低溫晶相，再轉化為高溫晶相。

圖2 無機鋁鹽應用溶膠-凝膠法制備氧化鋁纖維基本工藝步驟[1]

優(yōu)點：制品的均勻度高，尤其是多組分制品，其均勻程度可達分子或原子水平；制品純度高，因為所用原料的純度高，且溶劑在處理過程中容易被除去；燒結溫度比傳統(tǒng)方法約低400-500℃，制備的氧化鋁纖維直徑小，因而拉伸強度有較大提高。

缺點：原料多為有機醇鹽，價格比較昂貴且對人類身體健康有害，不利于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)；整個制備過程所需時間較長，使得工業(yè)生產(chǎn)周期過長，產(chǎn)品價格明顯提高。

圖3 溶膠-凝膠法制備的氧化鋁纖維掃描圖[2]

（二）浸漬法

浸漬法是一種傳統(tǒng)的催化劑制造方法，通常是將載體放進含有活性物質(zhì)的水溶液中浸泡，當浸漬平衡后，將剩余的液體除去，再進行干燥、鍛燒、活化等過程。

將浸漬法應用于纖維的制造，則是采用無機鹽溶液浸漬基體纖維，其中親水性能良好的有機粘膠纖維作為浸漬基體纖維，無機鋁鹽水溶液一般作為浸漬液。在一定條件下將它們混合，基體最大量的吸附浸漬液，其中無機鋁鹽以分子狀態(tài)分散于基體纖維中，并非粘附于纖維表面，然后進行熱處理，使有機纖維素全部分解，同時吸附的無機鹽完成脫水、熱解、裂解并分解成為氧化鋁，從而在原有機纖維處形成氧化鋁纖維，在更高溫度下完成晶型轉化和纖維的致密化。

圖4 溶膠浸漬法制備的氧化鋁纖維[3]

優(yōu)點：可以先將基體纖維編織再浸漬、燒結，因而可得到形狀復雜且強度較高的連續(xù)氧化鋁纖維。

缺點：成本較高且纖維質(zhì)量較差，產(chǎn)率低，不適宜大規(guī)模生產(chǎn)。

（三）熔融抽絲法

熔融抽絲法是1971年美國TYCO研究所研發(fā)出的一種制備氧化鋁纖維的新方法。熔融抽絲法即在高溫下向氧化鋁熔體中插入鉬制細管，利用毛細現(xiàn)象，熔融液剛好升到毛細管的頂端，然后由頂端緩慢向上拉伸就得到連續(xù)α-Al₂O₃纖維。

此方法制備的纖維直徑范圍一般在20-150μm之間，長度在3-25mm之間，纖維的橫截面一般為扇形、半圓形或圓形，纖維的表面較為光滑，纖維拉伸強度可達到2.35GPa，彈性模量可達451GPa。

優(yōu)點：既可制備連續(xù)纖維，也可制備短纖維，且設備相對簡單、成本低、工藝易控，成纖后不需要進一步的熱處理。

缺點：由于隨著氧化鋁含量的逐漸升高，熔體的可紡性逐漸變差并難以控制，目前熔融抽絲法只能用于低氧化鋁含量纖維的制備，這些纖維一般只能在低于1200℃的條件下應用，纖維品質(zhì)相對較低；且這種制備方法成本較高，生產(chǎn)效率較低，不適宜大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。

3. 氧化鋁纖維的應用

由于氧化鋁纖維突出的化學穩(wěn)定性、結構穩(wěn)定性和環(huán)境友好性等特點，因此它已經(jīng)被普遍地應用于航空航天領域、汽車運輸領域、高溫爐領域以及催化領域等。

（1）航空航天領域

氧化鋁短纖維具有超高溫絕熱的特點，因此在高溫絕熱領域受到人們的普遍歡迎。莫來石短纖維作為氧化鋁纖維的一種，作為金屬基陶瓷基復合材料的增強體具有熱膨脹率低、韌性強、強度高的顯著優(yōu)勢，在航天、航空工業(yè)上作為絕熱材料得到了廣泛應用。上世紀80年代，美國發(fā)射的“挑戰(zhàn)者”及航天飛機防熱材料中均使用了nextel-312纖維。

圖5 美國挑戰(zhàn)者號及nextel-312氧化鋁連續(xù)纖維

（2）汽車運輸領域

氧化鋁纖維與金屬基體的界面反應較小，浸潤性良好，因此氧化鋁纖維可以作為金屬基質(zhì)鋁、鎂、鐵、鎳、銅、鈦以及其他各種金屬的增強體，制備各種合金。例如，在較為苛刻的環(huán)境下工作的柴油發(fā)動機活塞就是應用的纖維增強復合材料。

圖6 纖維增強發(fā)動機活塞及纖維增強氣門嘴帽

（3）高溫爐窯領域

氧化鋁纖維還是一種優(yōu)質(zhì)的耐火材料，它具有質(zhì)量輕、熱穩(wěn)定性好、熱導率低以及耐火度較高等優(yōu)異特點，其各項性能都優(yōu)于傳統(tǒng)耐火材料，其成品形式有散裝纖維、真空成型制品等，具有非常有效的節(jié)能效果，普遍受到大眾的歡迎。用氧化鋁纖維制備的隔熱襯護材料可以應用于1400℃以上的工作溫度，在鋼鐵工業(yè)、石油化工業(yè)、陶瓷制備業(yè)中的各種爐窯都是應用的此種材料。

圖7 氧化鋁纖維隔熱襯護材料

（4）催化領域

氧化鋁介孔纖維材料由于具有介電常數(shù)高、熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性好、機械模量高等優(yōu)點而受到人們的普遍重視。無機介孔材料具有較大的比表面積和規(guī)則的孔道結構因而化學活性較高、吸附容量極大，所以在催化劑、催化劑載體和吸收劑領域有著廣泛的應用。

參考文獻

[1]邢芳. 微米級氧化鋁纖維的制備與表征[D]. 華東師范大學, 2014.

[2]田敏. 氧化鋁纖維的膠體法制備與表征[D]. 山東大學, 2012.

[3]王佳, 王守業(yè), 王剛,等. 氧化鋁溶膠浸漬法制備氧化鋁纖維的工藝研究[J]. 耐火材料, 2017(1):50-52.

作者：L-things