陶瓷纖維的發展現狀及新品種的種類與應用

劉瀟

摘 要：本文主要從國內外陶瓷纖維的發展現狀及應用領域、陶瓷纖維新品種的研發等幾個方面闡述陶瓷纖維的優勢。通過分析，耐火陶瓷纖維材料是一種輕質、高效的保溫絕熱材料，與傳統的絕熱材料相比具有很多無可比擬的優勢。隨著各國對節能的重視，陶瓷纖維將會得到很好的應用和快速發展，并且陶瓷纖維替代其他絕熱材料的空間也是十分巨大，值得在陶瓷行業大力推廣。

關鍵詞：陶瓷纖維；新品種；應用；發展

1 前言

耐火陶瓷纖維材料是一種輕質、高效的保溫絕熱材料，與傳統的絕熱材料相比，它具有以下幾個方面的性能優勢。

（1） 陶瓷纖維作爐襯體積密度低

陶纖爐襯比輕質隔熱磚爐襯輕75%以上，比輕質澆注料爐襯輕90%～95%。如采用纖維爐襯可大大減輕窯爐的鋼結構負荷，延長爐體使用壽命。

（2） 陶瓷纖維作爐襯熱容量（蓄熱量）低

陶瓷纖維的熱容量僅為輕質耐熱襯里和輕質澆注料襯里的l/10左右，而爐襯材料的熱容量與爐襯的重量成正比。低熱容量意味著窯爐在往復操作中吸收的熱量少，同時升溫的速度加快，大大減少了爐溫操作控制中的能源耗量，尤其對加熱爐的啟爐、停爐起到非常顯著的節能效果。

（3） 其他方面

隨著應用技術的提高，陶瓷纖維還在不斷拓展新的應用領域。目前，由于全球能源價格的不斷上漲，節能已成為我們當前的首要任務。相比隔熱磚與澆注料等傳統耐火材料，節能效果達10%～30%的陶瓷纖維在我國已得到了更多、更廣的應用，發展前景十分看好。

2 國外陶瓷纖維的發展及應用領域

2.1 國外陶瓷纖維的發展

陶瓷纖維最早出現在1941年，美國巴布、維爾考克斯公司用天然高嶺土，用電弧爐熔融噴吹成纖維。20世紀40年代后期，美國兩家公司生產硅酸鋁系列纖維，并首次應用于航空工業；20世紀60年代，美國研制出多種陶瓷纖維制品，并用于工業窯爐壁襯。

美國和加拿大是陶瓷纖維的生產大國，年產量達到了10萬t左右，約占世界耐火纖維年總產量的1/3。歐洲的陶瓷纖維產量位于第三，年產量達到6萬t左右。在年產30萬t的陶瓷纖維中，各種制品的比例大致為：毯和纖維模塊占45%；真空成型板、氈及異形制品占25%；散狀纖維棉占15%；纖維繩、布等織品占6%；纖維不定形材料占6%；纖維紙占3%。

2.2 國外陶瓷纖維的應用領域

隨著耐火纖維生產技術的不斷發展及廣泛的應用，耐火陶纖制品已經實現了系列化與功能化。產品在使用溫度上，可以滿足從600～1600 ℃不同溫度檔次的使用要求；在形態上，已經逐漸形成了從傳統的棉、毯、氈產品到纖維模塊、板、異型件、紙、纖維紡織品；從纖維棉到纖維噴涂、可塑料、澆注料等多種形態的二次加工或深加工產品，完全滿足各行業不同工業爐對耐火陶瓷纖維制品的使用要求。在國外一些大的陶瓷纖維企業成功開發并批量生產用于特殊應用領域的多晶氧化鋯纖維、氮化硅纖維、碳化硅纖維、硼化物纖維等新產品，如：美國杜邦公司生產的多晶氧化鋁長纖維，含有99.9%多晶α-Al2O3，纖維直徑為20 μm，主要用于制造紡織物。由碳化硅纖維增強的金屬基（鈦基）復合材料、陶瓷基復合材料已用于制造航天飛機部件、高性能發動機等耐高溫結構材料，是21世紀航空航天及其他高技術領域的新材料。

目前，在國外陶瓷纖維的應用帶來了十分顯著的經濟效益，導致陶瓷纖維的應用范圍日益擴大，一些主要工業發達國家的陶瓷纖維產量繼續保持持續增長的發展勢頭，其中尤以玻璃態硅酸鋁纖維的發展最為迅速。

3 國內陶瓷纖維的進展及應用

我國陶瓷纖維生產起步較晚，在20世紀70年代初期，才先后在北京耐火材料廠和上海耐火材料廠研制成功并投入批量生產。其后10余年主要以“電弧爐熔融、一次風噴吹成纖、濕法手工制氈”的工藝生產陶瓷纖維制品，工藝落后，產品單一。自1984年首鋼公司耐火材料廠從美國CE公司引進電阻法甩絲成纖陶瓷纖維針刺毯生產線后，至1987年，又有河南陜縣電器廠、廣東高明硅酸鋁纖維廠和貴陽耐火材料廠分別從美國BW公司和Ferro公司引進了3條不同規模、不同成纖方法的陶瓷纖維針刺毯生產線及真空成型技術，從此改變了我國陶瓷纖維生產工藝、生產設備落后和產品單一的面貌。自1986年開始，我國通過對引進的陶瓷纖維生產設備和工藝消化、吸收，并結合國情研制、設計建成了不同類型的電阻法甩絲（或噴吹）成纖干法針刺毯生產線82條，安裝在45家企業內。年產量已達到10萬t以上，成為世界最大的生產國。隨著產品品種的多樣化，除批量生產低溫型、標準型、高純型、高鋁型等多種陶瓷纖維針刺毯及超輕質樹脂干法氈（板）外，還可生產14%～17% ZrO2的含鋯纖維毯，其使用溫度可達1300 ℃以上。

20世紀80年代末期，日本直井機織公司、車鐵及英特萊等機織品公司相繼在北京投資建成了陶瓷纖維紡織品專業生產企業，并批量生產陶瓷纖維布、帶、扭繩、套管、方盤根等陶瓷纖維紡織品，纖維織品生產所需的散狀纖維棉及工藝裝備均已實現了國產化。90年代初，北京、上海、遼寧鞍山、山東、河南三門峽等地先后從美國、法國、日本等國引進了陶瓷纖維的噴涂技術和設備，并在冶金、石化部門工業窯爐上應用了陶瓷纖維噴涂爐襯，節省了能耗，取得了良好的經濟效益，現已得到了普遍推廣，并在冶金、石化和機械等部門工業爐和加熱裝置中的應用取得了成功的經驗。

目前，我國陶瓷纖維已處于持續調整發展的階段，陶瓷纖維的生產工藝與設備，尤其是干法針刺毯的生產工藝與設備具有世界先進的含鉻、含鋯硅酸鋁纖維板、多晶氧化鋁纖維、多晶莫來石纖維及混配纖維制品等新型陶瓷纖維與制品相繼開發成功，并投放了工業化生產，使纖維狀輕質耐火材料構成了完整的系列產品。

陶瓷纖維作為過濾器普遍強度較低，發展低成本高強度的連續纖維增強陶瓷纖維過濾器是今后的發展方向。陶瓷纖維過濾器由于其優良的特性將會在高溫煙氣過濾等方面發揮越來越重要的作用，具有脫硫、脫硝、煙氣催化轉化等功能的陶瓷纖維過濾材料將是熱氣體凈化材料的發展方向。陶瓷纖維過濾在我國高溫煙氣凈化方面還沒有起步，但近幾年來的應用情況表明，在世界范圍內陶瓷過濾器用量呈現出高增長趨勢。可以預見，為實現節能減排的目標，高溫煙氣陶瓷過濾技術在中國的推廣應用已為期不遠。新型陶瓷纖維是近年發展起來的高技術功能纖維，除了防紫外線纖維、蓄熱保溫纖維和抗菌防臭纖維外，還有防中子纖維、導電纖維、磁性纖維等，陶瓷微粉在纖維中的應用范圍也十分廣闊。

4 陶瓷纖維新品種的種類及應用現狀

4.1 新型陶瓷纖維復合材料

據報載，近幾年，日本開發生產出軍用發動機用新型陶瓷纖維復合材料，如：日本三菱株式會社為戰斗機用發動機和火箭發動機研制了陶瓷纖維復合材料，該復合材料是將10 μm的陶瓷纖維編織成三維結構，涂以一種玻璃狀的物質，這種陶瓷纖維耐熱，但易斷裂，將其制成復合材料，可提高其強度。碳纖維復合材料通常用于飛機及火箭箭體，但很少用于發動機，因為它大約只能應用于300 ℃的環境中，所以一般用鎳基合金。而新（下轉第28頁）的陶瓷纖維復合材料的耐高溫性比碳纖維復合材料好，而又比鎳基合金輕50%，已在日本防衛廳的戰斗機用發動機噴管上進行了外場試驗，并在火箭發動機上成功制造了一個原型件，并于2005年在火箭發動機上已經實現了工程應用。

4.2 陶瓷纖維模塊

陶瓷纖維模塊是為了簡化和加快窯爐施工、提高爐襯整體性而推出的新型耐火爐襯制品。陶瓷纖維模塊顏色潔白、尺寸規整，能直接固定于工業窯爐爐殼鋼板錨固釘上，具有良好的耐火隔熱效果，提高了窯爐耐火隔熱的整體性，推動了窯爐砌筑技術的進步。陶瓷纖維模塊處于預壓狀態，在爐襯砌筑完畢后，陶瓷纖維模塊的膨脹使爐襯無縫隙，并可補償纖維爐襯收縮，以提高纖維爐襯的絕熱性能、優良的熱穩定性及抗熱震性。陶瓷纖維模塊安裝迅速，并且錨固件設置于壁襯冷面，可降低錨固件材質的要求。

隨著國家節能減排計劃的推進，燒磚隧道窯的改造迫在眉睫，陶瓷纖維模塊在燒磚隧道窯吊頂方面以其卓越的保溫性能受到用戶青睞。模塊，包括折疊塊、切片塊、派洛塊、真空成型塊。由于多晶莫來石纖維制作方法及晶向結構不同，其纖維長度較短且柔軟性差。無法制作成大模塊，導致多晶纖維無法大規模應用。現在多晶纖維多使用在澆注料或耐火磚爐墻、爐頂內表面貼塊，使用多晶纖維貼塊可有效降低爐外壁溫度同時減少爐墻蓄熱損失。

目前，國內陶瓷纖維制造廠家使用的模塊形式多為折疊塊，該結構使用針刺毯進行折疊，成型時使用機械設備對模塊進行預壓。由于折疊塊制作方法導致表面凹凸不平影響抗沖刷涂料噴涂的效果。切片塊就是在此基礎之上改進而來，其制作方法與折疊塊相同，只是在成型后將纖維毯折疊處切去使模塊表面平整。

4.3 新型中空纖維陶瓷膜

近年來，新型中空纖維構型陶瓷膜受到廣泛關注，中空纖維陶瓷膜除具有傳統的陶瓷膜本身優點以外，還具有裝填密度大、單位體積膜有效分離面積大、膜壁薄、滲透通量高和節省原料、易于實現分離設備小型化等優點。新型中空纖維構型陶瓷膜的應用可望大大提高陶瓷膜分離性能。中空纖維陶瓷膜由于其獨特的性能和結構特點，在用于廢水（氣）處理的無機分離膜、固體氧化物陶瓷膜燃料電池、微通道反應器、催化劑載體等領域的應用正受到越來越多的關注。

4.4 陶瓷纖維新品種應用現狀

陶瓷纖維新品種的開發生產和應用，大大促進了陶瓷纖維的應用技術和施工方法的發展。含鋯纖維是用熔融法生產的一種用途廣泛、成本較低的硅酸鋁纖維，可大量用作砌筑各種熱工窯爐的熱面全纖維爐襯，目前國內產品在這方面的質量和應用開發還相對落后，現在國外出現了含鉻纖維，使用溫度比含鋯纖維更高，國內還沒有這方面的報道。

5 結語

總之，陶瓷纖維是一種性能優異、纖維狀輕質的新型絕熱節能材料，廣泛應用于工業、民用及國防領域的耐高溫、絕熱部位。隨著各國對節能的重視，陶瓷纖維得到了很好的應用和快速發展。并且陶瓷纖維替代其他絕熱材料的空間也是十分巨大。預計未來幾年，我國陶瓷纖維產量年復合增長率在30%以上。隨著對功能性整理織物要求的不斷提高，以及新型陶瓷微粉材料研究開發的不斷深入，開發陶瓷纖維將會有良好的發展前途和廣闊的應用前景。