陶瓷纖維的發(fā)展現(xiàn)狀及新品種的種類與應(yīng)用

劉瀟

摘 要：本文主要從國內(nèi)外陶瓷纖維的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用領(lǐng)域、陶瓷纖維新品種的研發(fā)等幾個(gè)方面闡述陶瓷纖維的優(yōu)勢。通過分析，耐火陶瓷纖維材料是一種輕質(zhì)、高效的保溫絕熱材料，與傳統(tǒng)的絕熱材料相比具有很多無可比擬的優(yōu)勢。隨著各國對(duì)節(jié)能的重視，陶瓷纖維將會(huì)得到很好的應(yīng)用和快速發(fā)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(yè)大力推廣。

關(guān)鍵詞：陶瓷纖維；新品種；應(yīng)用；發(fā)展

1 前言

耐火陶瓷纖維材料是一種輕質(zhì)、高效的保溫絕熱材料，與傳統(tǒng)的絕熱材料相比，它具有以下幾個(gè)方面的性能優(yōu)勢。

（1） 陶瓷纖維作爐襯體積密度低

陶纖爐襯比輕質(zhì)隔熱磚爐襯輕75%以上，比輕質(zhì)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(jié)構(gòu)負(fù)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(zhì)耐熱襯里和輕質(zhì)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(fù)操作中吸收的熱量少，同時(shí)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(duì)加熱爐的啟爐、停爐起到非常顯著的節(jié)能效果。

（3） 其他方面

隨著應(yīng)用技術(shù)的提高，陶瓷纖維還在不斷拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，由于全球能源價(jià)格的不斷上漲，節(jié)能已成為我們當(dāng)前的首要任務(wù)。相比隔熱磚與澆注料等傳統(tǒng)耐火材料，節(jié)能效果達(dá)10%～30%的陶瓷纖維在我國已得到了更多、更廣的應(yīng)用，發(fā)展前景十分看好。

2 國外陶瓷纖維的發(fā)展及應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 國外陶瓷纖維的發(fā)展

陶瓷纖維最早出現(xiàn)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(jì)40年代后期，美國兩家公司生產(chǎn)硅酸鋁系列纖維，并首次應(yīng)用于航空工業(yè)；20世紀(jì)60年代，美國研制出多種陶瓷纖維制品，并用于工業(yè)窯爐壁襯。

美國和加拿大是陶瓷纖維的生產(chǎn)大國，年產(chǎn)量達(dá)到了10萬t左右，約占世界耐火纖維年總產(chǎn)量的1/3。歐洲的陶瓷纖維產(chǎn)量位于第三，年產(chǎn)量達(dá)到6萬t左右。在年產(chǎn)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(yīng)用領(lǐng)域

隨著耐火纖維生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展及廣泛的應(yīng)用，耐火陶纖制品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了系列化與功能化。產(chǎn)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(tài)上，已經(jīng)逐漸形成了從傳統(tǒng)的棉、毯、氈產(chǎn)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(tài)的二次加工或深加工產(chǎn)品，完全滿足各行業(yè)不同工業(yè)爐對(duì)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(yè)成功開發(fā)并批量生產(chǎn)用于特殊應(yīng)用領(lǐng)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(chǎn)品，如：美國杜邦公司生產(chǎn)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(qiáng)的金屬基（鈦基）復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料已用于制造航天飛機(jī)部件、高性能發(fā)動(dòng)機(jī)等耐高溫結(jié)構(gòu)材料，是21世紀(jì)航空航天及其他高技術(shù)領(lǐng)域的新材料。

目前，在國外陶瓷纖維的應(yīng)用帶來了十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益，導(dǎo)致陶瓷纖維的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，一些主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家的陶瓷纖維產(chǎn)量繼續(xù)保持持續(xù)增長的發(fā)展勢頭，其中尤以玻璃態(tài)硅酸鋁纖維的發(fā)展最為迅速。

3 國內(nèi)陶瓷纖維的進(jìn)展及應(yīng)用

我國陶瓷纖維生產(chǎn)起步較晚，在20世紀(jì)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(chǎn)。其后10余年主要以“電弧爐熔融、一次風(fēng)噴吹成纖、濕法手工制氈”的工藝生產(chǎn)陶瓷纖維制品，工藝落后，產(chǎn)品單一。自1984年首鋼公司耐火材料廠從美國CE公司引進(jìn)電阻法甩絲成纖陶瓷纖維針刺毯生產(chǎn)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(jìn)了3條不同規(guī)模、不同成纖方法的陶瓷纖維針刺毯生產(chǎn)線及真空成型技術(shù)，從此改變了我國陶瓷纖維生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設(shè)備落后和產(chǎn)品單一的面貌。自1986年開始，我國通過對(duì)引進(jìn)的陶瓷纖維生產(chǎn)設(shè)備和工藝消化、吸收，并結(jié)合國情研制、設(shè)計(jì)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(chǎn)線82條，安裝在45家企業(yè)內(nèi)。年產(chǎn)量已達(dá)到10萬t以上，成為世界最大的生產(chǎn)國。隨著產(chǎn)品品種的多樣化，除批量生產(chǎn)低溫型、標(biāo)準(zhǔn)型、高純型、高鋁型等多種陶瓷纖維針刺毯及超輕質(zhì)樹脂干法氈（板）外，還可生產(chǎn)14%～17% ZrO2的含鋯纖維毯，其使用溫度可達(dá)1300 ℃以上。

20世紀(jì)80年代末期，日本直井機(jī)織公司、車鐵及英特萊等機(jī)織品公司相繼在北京投資建成了陶瓷纖維紡織品專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)，并批量生產(chǎn)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(chǎn)所需的散狀纖維棉及工藝裝備均已實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)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(jìn)了陶瓷纖維的噴涂技術(shù)和設(shè)備，并在冶金、石化部門工業(yè)窯爐上應(yīng)用了陶瓷纖維噴涂爐襯，節(jié)省了能耗，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，現(xiàn)已得到了普遍推廣，并在冶金、石化和機(jī)械等部門工業(yè)爐和加熱裝置中的應(yīng)用取得了成功的經(jīng)驗(yàn)。

目前，我國陶瓷纖維已處于持續(xù)調(diào)整發(fā)展的階段，陶瓷纖維的生產(chǎn)工藝與設(shè)備，尤其是干法針刺毯的生產(chǎn)工藝與設(shè)備具有世界先進(jìn)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(fā)成功，并投放了工業(yè)化生產(chǎn)，使纖維狀輕質(zhì)耐火材料構(gòu)成了完整的系列產(chǎn)品。

陶瓷纖維作為過濾器普遍強(qiáng)度較低，發(fā)展低成本高強(qiáng)度的連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷纖維過濾器是今后的發(fā)展方向。陶瓷纖維過濾器由于其優(yōu)良的特性將會(huì)在高溫?zé)煔膺^濾等方面發(fā)揮越來越重要的作用，具有脫硫、脫硝、煙氣催化轉(zhuǎn)化等功能的陶瓷纖維過濾材料將是熱氣體凈化材料的發(fā)展方向。陶瓷纖維過濾在我國高溫?zé)煔鈨艋矫孢€沒有起步，但近幾年來的應(yīng)用情況表明，在世界范圍內(nèi)陶瓷過濾器用量呈現(xiàn)出高增長趨勢。可以預(yù)見，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，高溫?zé)煔馓沾蛇^濾技術(shù)在中國的推廣應(yīng)用已為期不遠(yuǎn)。新型陶瓷纖維是近年發(fā)展起來的高技術(shù)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(dǎo)電纖維、磁性纖維等，陶瓷微粉在纖維中的應(yīng)用范圍也十分廣闊。

4 陶瓷纖維新品種的種類及應(yīng)用現(xiàn)狀

4.1 新型陶瓷纖維復(fù)合材料

據(jù)報(bào)載，近幾年，日本開發(fā)生產(chǎn)出軍用發(fā)動(dòng)機(jī)用新型陶瓷纖維復(fù)合材料，如：日本三菱株式會(huì)社為戰(zhàn)斗機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制了陶瓷纖維復(fù)合材料，該復(fù)合材料是將10 μm的陶瓷纖維編織成三維結(jié)構(gòu)，涂以一種玻璃狀的物質(zhì)，這種陶瓷纖維耐熱，但易斷裂，將其制成復(fù)合材料，可提高其強(qiáng)度。碳纖維復(fù)合材料通常用于飛機(jī)及火箭箭體，但很少用于發(fā)動(dòng)機(jī)，因?yàn)樗蠹s只能應(yīng)用于300 ℃的環(huán)境中，所以一般用鎳基合金。而新（下轉(zhuǎn)第28頁）的陶瓷纖維復(fù)合材料的耐高溫性比碳纖維復(fù)合材料好，而又比鎳基合金輕50%，已在日本防衛(wèi)廳的戰(zhàn)斗機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)噴管上進(jìn)行了外場試驗(yàn)，并在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上成功制造了一個(gè)原型件，并于2005年在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)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(guī)整，能直接固定于工業(yè)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(dòng)了窯爐砌筑技術(shù)的進(jìn)步。陶瓷纖維模塊處于預(yù)壓狀態(tài)，在爐襯砌筑完畢后，陶瓷纖維模塊的膨脹使?fàn)t襯無縫隙，并可補(bǔ)償纖維爐襯收縮，以提高纖維爐襯的絕熱性能、優(yōu)良的熱穩(wěn)定性及抗熱震性。陶瓷纖維模塊安裝迅速，并且錨固件設(shè)置于壁襯冷面，可降低錨固件材質(zhì)的要求。

隨著國家節(jié)能減排計(jì)劃的推進(jìn)，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(jié)構(gòu)不同，其纖維長度較短且柔軟性差。無法制作成大模塊，導(dǎo)致多晶纖維無法大規(guī)模應(yīng)用。現(xiàn)在多晶纖維多使用在澆注料或耐火磚爐墻、爐頂內(nèi)表面貼塊，使用多晶纖維貼塊可有效降低爐外壁溫度同時(shí)減少爐墻蓄熱損失。

目前，國內(nèi)陶瓷纖維制造廠家使用的模塊形式多為折疊塊，該結(jié)構(gòu)使用針刺毯進(jìn)行折疊，成型時(shí)使用機(jī)械設(shè)備對(duì)模塊進(jìn)行預(yù)壓。由于折疊塊制作方法導(dǎo)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(chǔ)之上改進(jìn)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(gòu)型陶瓷膜受到廣泛關(guān)注，中空纖維陶瓷膜除具有傳統(tǒng)的陶瓷膜本身優(yōu)點(diǎn)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(jié)省原料、易于實(shí)現(xiàn)分離設(shè)備小型化等優(yōu)點(diǎn)。新型中空纖維構(gòu)型陶瓷膜的應(yīng)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(dú)特的性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在用于廢水（氣）處理的無機(jī)分離膜、固體氧化物陶瓷膜燃料電池、微通道反應(yīng)器、催化劑載體等領(lǐng)域的應(yīng)用正受到越來越多的關(guān)注。

4.4 陶瓷纖維新品種應(yīng)用現(xiàn)狀

陶瓷纖維新品種的開發(fā)生產(chǎn)和應(yīng)用，大大促進(jìn)了陶瓷纖維的應(yīng)用技術(shù)和施工方法的發(fā)展。含鋯纖維是用熔融法生產(chǎn)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(nèi)產(chǎn)品在這方面的質(zhì)量和應(yīng)用開發(fā)還相對(duì)落后，現(xiàn)在國外出現(xiàn)了含鉻纖維，使用溫度比含鋯纖維更高，國內(nèi)還沒有這方面的報(bào)道。

5 結(jié)語

總之，陶瓷纖維是一種性能優(yōu)異、纖維狀輕質(zhì)的新型絕熱節(jié)能材料，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民用及國防領(lǐng)域的耐高溫、絕熱部位。隨著各國對(duì)節(jié)能的重視，陶瓷纖維得到了很好的應(yīng)用和快速發(fā)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(yù)計(jì)未來幾年，我國陶瓷纖維產(chǎn)量年復(fù)合增長率在30%以上。隨著對(duì)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(fā)的不斷深入，開發(fā)陶瓷纖維將會(huì)有良好的發(fā)展前途和廣闊的應(yīng)用前景。