Coneixement de la classificació i ús de les fibres ceràmiques
El material aïllant porós de fibra ceràmica pot formar una estructura estable amb només una petita quantitat de material (fibra). En comparació amb el material aïllant de porus ceràmics, el material aïllant de fibra ceràmica és lleuger, porós, amb poca conductivitat tèrmica i capacitat calorífica específica. Característiques grans i poden suportar càrregues molt altes. Aquest material s’ha utilitzat en molts camps com la separació per filtració, l’aïllament tèrmic, la biomedicina i els materials compostos. L’estructura de protecció tèrmica reutilitzable representada per material de fibra ceràmica s’utilitza àmpliament en el sistema de protecció tèrmica de diversos avions avançats a casa i a l’estranger, i té importants valors d’aplicació i perspectives de desenvolupament.
Les fibres ceràmiques es poden dividir en dues categories: fibres ceràmiques no òxides (com ara fibres SiC, fibres C) i fibres ceràmiques d’òxid (inclòs l’òxid compost) (com ara fibres de silicat d’alumini, fibres Al2O3).
Fibra ceràmica no òxida
Fibra de carbur de silici. El carbur de silici (SiC), conegut comunament com a carbur de silici i sílice de carboni, és un compost sintètic que s’uneix covalentment. Es pot preparar mitjançant deposició química de vapor, reducció carbotèrmica, sinterització de pols i conversió de precursors. El carbur de silici pur és incolor i transparent, i el carbur de silici utilitzat a la indústria sol ser de color verd clar o negre perquè conté ferro lliure, silici, carboni i altres impureses.
Com que el carbur de silici té bones característiques d’alta temperatura, com ara resistència a l’oxidació, resistència i estabilitat a alta temperatura, bona conductivitat tèrmica, baixa densitat, baix coeficient d’expansió i baixa fluïdesa, es pot utilitzar com a cambra de combustió per a turbines de gas d’alta temperatura. Broquets d'alta temperatura, pales de turbina, etc. A causa de la seva alta conductivitat tèrmica i bones propietats d'aïllament, el carbur de silici es pot utilitzar com a intercanviador de calor a alta temperatura en forns industrials metal·lúrgics, així com substrats i materials d'embalatge per a circuits integrats a gran escala. . Gràcies a la seva elevada duresa, resistència al desgast i resistència a la corrosió àcida i àlcali, es poden preparar materials de segellat mecànics com coixinets lliscants, discs de vàlvules, pales de ventiladors i canonades resistents a la corrosió a la indústria mecànica i química.
El carbur de silici no només té bones propietats físiques, sinó també excel·lents propietats químiques. En una atmosfera sense oxigen, només el 5% de silici estava contingut a la fase gasosa a la superfície del carbur de silici a les 2300℃. No obstant això, quan el carbur de silici va ser exposat a l'oxigen a 1000℃, la superfície va començar a oxidar-se, però el carbur de silici podria formar una pel·lícula protectora de SiO2 per evitar que continués la reacció d’oxidació.
Fibra de carboni. La fibra de carboni fa referència a un material de carboni fibrós que s’escalfa fins a 1.000°C o superior per una fibra orgànica en un gas inert per formar un material de carboni fibrós amb un contingut de carboni igual o superior al 90%. La fibra de carboni és un nou tipus de material inorgànic amb una densitat d’1,5-2g / cm3, que és 1/4 de la densitat de l’acer, 1/2 de la densitat de l’aliatge d’alumini i de 4 a 5 vegades més forta que l’acer. El coeficient d’expansió tèrmica és petit i la resistència al xoc tèrmic és bona. De sobte baixa d'una temperatura elevada de diversos milers de graus centígrads a una temperatura normal i no esclata, i té una bona lubricitat i conductivitat elèctrica. Les fibres de carboni són químicament similars al carboni, són inertes a l’alcalinitat general i no es trenquen a temperatures de nitrogen líquid. En un entorn sense oxigen, fins i tot a una temperatura alta de 3000℃, no es fon, sinó en una atmosfera d’aire, quan la temperatura és superior a 400℃, es produeix una oxidació important i es generen CO i CO 2. Per tant, la fibra de carboni pot reduir considerablement el pes estructural del component i millorar el rendiment tècnic, fent-lo àmpliament utilitzat en vehicles aeroespacials.
En funció de les matèries primeres utilitzades, les fibres de carboni es poden classificar en fibres de carboni basades en poliacrilonitril, fibres de carboni basades en el to, fibres de carboni basades en cel·lulosa i fibres de carboni basades en fenols. Les fibres de carboni més habituals que s’utilitzen són la fibra de carboni poliacrilonitril i la fibra de carboni tonal.
Fibra ceràmica d’òxid
Fibra de silicat d'alumini. La forma i el color de la fibra de silicat d’alumini és similar a la del cotó. És una fibra ceràmica amorfa composta principalment d’alúmina i sílice, i de vegades conté una petita quantitat d’òxid de ferro, diòxid de titani, òxid de calci i similars. Segons la composició de la substància i el contingut, es pot dividir en quatre categories: fibra de silicat d’alumini estàndard (ordinària), fibra de silicat d’alumini d’alta puresa, fibra de silicat d’alumini que conté alumini d’alta puresa i fibra d’aluminosilicat de zirconi d’alta puresa . El contingut dels components es mostra a la taula 1-2.
La fibra de silicat d'alumini té un diàmetre d'1-10 μm i una longitud de 5-25 cm. Té una bona resistència a la temperatura, aïllament tèrmic i absorció acústica, i té poc emmagatzematge de calor, baixa conductivitat tèrmica i forta resistència a les vibracions mecàniques. La temperatura de servei pot arribar als 1200 ° C. La densitat és de només 0,096-0,128 g / cm3. Després de l’addició de CrO2, atès que el CrO2 impedeix la precipitació i el creixement de cristalls a la part de contacte entre les fibres, es pot millorar la resistència a contracció a alta temperatura de la fibra i la temperatura d’ús arriba als 1400 ° C. El material compost de fibra de silicat d'alumini es pot fabricar en forma de catifa, feltre, paper i placa. S'ha utilitzat àmpliament en l'aïllament tèrmic d'equips d'energia tèrmica, com ara la indústria química i la maquinària, i en la capa d'aïllament tèrmic de les peces del motor coet.
Fibra de quars. La fibra de quars es refereix a la fibra de vidre de sílice especialitzada d’alta puresa amb un contingut de carregador inferior al 0,1% i un diàmetre de fibra de 0,7-15 μm. Té una alta resistència a la calor, una temperatura d’ús estable a llarg termini de 1050 ° C i una resistència instantània de temperatura fins a 1700 ° C. A més, la fibra de quars té resistència a la corrosió, retenció d’alta resistència a alta temperatura, estabilitat dimensional, bona resistència als xocs tèrmics , alta estabilitat química i excel·lents propietats d'aïllament elèctric, constant dielèctrica i pèrdua dielèctrica. El coeficient és el millor entre totes les fibres minerals i és molt més barat de produir que les fibres de carbur de silici. Per tant, la fibra de quars té un ús important en la indústria militar i aeroespacial de defensa i es pot utilitzar per fabricar sistemes de protecció tèrmica aeroespacial.
Les fibres de quars es classifiquen en fibres de vidre de quars continu i llana de vidre de quars. La fibra de vidre de quars continu es refereix a una fibra llarga que s’obté mitjançant l’obtenció d’una força externa després de fondre el vidre de quars. En general, el diàmetre del monofilament és de 3-10 μm i es pot processar en filats, teles i similars de fibra de vidre de quars. La llana de vidre de quars es refereix a una mena de fibra de vidre de quars llarg i curt que s’obté mitjançant el bufat d’un vidre de quars fos per un flux d’aire a alta pressió i la seva forma és esponjosa, similar a la de cotó. En general, el cotó ultrafí, que té un diàmetre de fibra inferior a 3 μm, s’anomena cotó fi que té un diàmetre de 3-5 μm.
Fibra de mulit. La mulita és l'únic compost binari que pot estar present de forma estable a temperatura i pressió normals en el sistema binari de sílice i alumina. La fórmula química és 3Al2O3·2 Si2 i el seu diagrama de fases és el que es mostra a la figura 1.
Figura 1 Diagrama de fases del material de Mullite
La fibra de mullita és una fibra policristal·lina amb una fase cristal·lina principal de cristal·lins de mullita. És l’única fase estable del sistema binari de sílice i alumina. La seva activitat és baixa i la seva capacitat de recristal·lització és baixa. La fibra de pedra té una bona resistència a altes temperatures i es pot utilitzar fins a 1500℃. No obstant això, quan la temperatura és superior a 1500℃, el gra creixerà i perdrà les seves propietats mecàniques a alta temperatura. Quan la temperatura arriba al 1830 aproximadament℃, Es descompondrà ràpidament en alúmina i fase líquida. La fibra de mullita s’expandeix de manera uniforme quan s’escalfa, té una excel·lent estabilitat de resistència als xocs tèrmics, baixa conductivitat tèrmica, no és fàcil d’arrossegar-se a alta temperatura i no només pot mantenir una bona elasticitat, sinó que també té una petita contracció i el propi material té una bona estabilitat química. . No és susceptible a la corrosió, de manera que s’utilitza àmpliament en diversos productes d’alta temperatura i sistemes de protecció tèrmica com a nou material de fibra ultra-lleuger resistent a la calor a alta temperatura. Tot i això, les propietats mecàniques de la temperatura normal de la fibra de mullita no són bones, cosa que s’ha convertit en un obstacle important per a l’ús pràctic del material.
Fibra d'alumina. La fibra d'alumina és un tipus de fibra ceràmica policristal·lina, que té moltes formes, com ara fibra llarga, fibra curta i bigotis. Conté principalment Al2O3 i, de vegades, conté una certa quantitat d’additius com sílice, nitrur de bor, zircònia, òxid de ferro, òxid de magnesi i similars. La fibra d'alúmina té un diàmetre de 10-20 μm i una densitat de 2,7-4,2 g / cm3, i té altes propietats mecàniques, resistència a la tracció de 1,4-2,45 GPa i mòdul de tracció de 190 a 385 GPa.
Té una bona resistència química, resistència a l’oxidació, resistència a altes temperatures, alta estabilitat química i baix coeficient d’expansió tèrmica, punt de fusió de 2050 ° C, es pot utilitzar a 1500 ° C durant molt de temps.
Les fibres curtes d’alumina s’utilitzen principalment per a materials aïllants d’alta temperatura, les fibres llargues s’utilitzen per reforçar materials compostos i els bigotis tenen una gran resistència i algunes propietats magnètiques, elèctriques i òptiques especials, que s’utilitzen en materials funcionals. La fibra d'alumina té una bona activitat superficial i és fàcil de combinar amb materials bàsics com el metall i la ceràmica. Combinat amb la seva alta temperatura d’ús, s’ha utilitzat àmpliament en camps industrials i d’alta tecnologia en general. Es pot utilitzar en forns d'alta temperatura i enginyeria tèrmica. Equips, reactors nuclears i materials d’aïllament tèrmic per al transbordador espacial. Els Estats Units utilitzen fibres d'alúmina com a panells d'aïllament al transbordador espacial Columbia. Quan el transbordador espacial vola a l'atmosfera, els panells d'aïllament impedeixen que la calor entri a l'escut tèrmic a través de la bretxa entre els panells d'aïllament. La fibra d'alumina té una importància estratègica important i un gran valor comercial en el camp militar i aeroespacial, i atrau molts països a invertir molta mà d'obra, recursos materials i recursos financers per a la investigació, el desenvolupament i la utilització. No obstant això, la fibra d'alúmina té una alta densitat i una alta conductivitat tèrmica, cosa que limita la seva aplicació posterior.
