陶瓷纖維的五大性質(zhì)
發(fā)布者： 高溫粘結(jié)劑|硅酸鋁保溫涂料|南方(綜合)保溫材料廠 發(fā)布時(shí)間：2017/10/6 10:22:02
陶瓷纖維是服務(wù)于高溫技術(shù)的基礎(chǔ)材料，與各種工業(yè)窯爐有極為密切的關(guān)系。各種工業(yè)窯爐因用途和使用條件不同，對構(gòu)成其主體的基礎(chǔ)材料-陶瓷纖維的要求也就不同。而不同種類的陶瓷纖維也由于化學(xué)礦物組成、顯微結(jié)構(gòu)的差異和生產(chǎn)工藝不同，表現(xiàn)出不同的基本特性。所以，在研究、生產(chǎn)、選用工業(yè)窯爐筑爐材料的過程中，必須對陶瓷纖維的基本性質(zhì)和各各陶瓷纖維的特性有充分的認(rèn)識。
陶瓷纖維的品質(zhì)取決于其性質(zhì)，它是評價(jià)陶瓷纖維的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，也是選擇陶瓷纖維的依據(jù)。陶瓷纖維的五大性質(zhì)一般包括化學(xué)礦物組成、結(jié)構(gòu)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)及使用性質(zhì)等。
一、陶瓷纖維的化學(xué)礦物組成；是陶瓷纖維性質(zhì)的其中一種，陶瓷纖維的化學(xué)礦物組成決定了陶瓷纖維的品質(zhì)。通常根據(jù)陶瓷纖維的化學(xué)成分，即主要成分和有害雜質(zhì)成分來區(qū)分其類別。對于高檔陶瓷纖維，不僅要考慮化學(xué)組成，還要考慮主晶相含量、晶粒尺寸，甚至晶相的特征等。
化學(xué)組成即通常所稱的化學(xué)成分，是陶瓷纖維的最基本特征。按各個化學(xué)成分含量的多少和作用將其分為兩部分：即占絕對多量的主要成分和占少量的副成分。副成分包括陶瓷纖維生產(chǎn)用原料伴隨的有害雜質(zhì)成分和陶瓷纖維生產(chǎn)過程中為改善其性質(zhì)而特別加入的添加成分。
Al2O3、SiO2、ZrO2、Cr2O3等氧化物構(gòu)成了陶瓷纖維的主成分。它們的性質(zhì)和數(shù)量直接決定著陶瓷纖維的品質(zhì)，尤其是陶瓷纖維的耐熱性，這是因?yàn)檫@些主成分均為高熔點(diǎn)的氧化物。
使用天然原料，甚至高純工業(yè)原料生產(chǎn)的陶瓷纖維不可避免地要混入一定數(shù)量雜質(zhì)成分，因而陶瓷纖維的質(zhì)量規(guī)定中都規(guī)定了主成分的最低值
二、陶瓷纖維的結(jié)構(gòu)性質(zhì)；陶瓷纖維直徑多為2~5Um,長度30~250mm，呈表面光滑無缺陷的圓柱形，截面往往是圓形。與傳統(tǒng)輕質(zhì)耐火材料相比，陶瓷纖維具有氣孔率高、氣孔孔徑和比表面積大等特點(diǎn)。一般陶瓷纖維氣孔率大于90%。輕質(zhì)耐火材料的隔熱功能主要就是利用氣孔中空氣的隔熱，因而氣孔孔徑的大小、氣孔性質(zhì)（開氣也或閉氣孔）對材料的導(dǎo)熱性能有決定性的影響。
陶瓷纖維的組織結(jié)構(gòu)系由固態(tài)纖維與空氣組成的混合結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)類型的輕質(zhì)耐火材料的顯微結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是固相和氣相都以連續(xù)相的形式存在。在這種結(jié)構(gòu)中，固態(tài)物質(zhì)以纖維狀形式存在，并構(gòu)成連續(xù)固相骨架，而氣相則連續(xù)存在于纖維材料的骨架間隙之中。
三、陶瓷纖維的熱學(xué)性質(zhì)；導(dǎo)熱系數(shù)是物質(zhì)的一種物理性質(zhì)（也是陶瓷纖維里的熱學(xué)性質(zhì)），它表征物質(zhì)的導(dǎo)熱能力。導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值大小是指單位時(shí)間內(nèi)，每單位長度，溫度差為1℃時(shí)，每單位面積所通過的熱量，其單位為W/(m.K)。
對于各種不同的物質(zhì)，導(dǎo)熱系數(shù)是不同的。對于同一物質(zhì)，其導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值還要取決于該物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、體積密度、壓力和濕度。各種不同物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值相差很大，在0℃時(shí)，根據(jù)已確定的數(shù)值，范圍是0.0065~417.6W/(m.K)。
在各種物質(zhì)中以氣體導(dǎo)熱系數(shù)值最小。常溫下空氣導(dǎo)熱系數(shù)值僅0.0255W/(m.K)。在工業(yè)上氣體被廣泛用作絕熱體。但氣體只有在不發(fā)生對流的時(shí)候，方能保持其優(yōu)良的絕熱性能。靜止空氣是一種具有接近空氣的導(dǎo)熱率，是因?yàn)樘沾衫w維系由固態(tài)纖維系由固態(tài)纖維和空氣組成的混合結(jié)構(gòu)，氣孔率高達(dá)90%以上，大量低導(dǎo)熱率空氣充滿于氣孔中，并破壞了固態(tài)分子的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而獲得優(yōu)良的絕熱性能。并且氣孔直徑越小，沿?zé)崃鞣较蛴晒虘B(tài)纖維分割成密閉狀態(tài)的氣孔數(shù)量越多，則陶瓷纖維的絕熱性能越好。
由于陶瓷纖維具有不同于傳統(tǒng)耐火磚、絕熱磚的結(jié)構(gòu)，從而決定其熱傳導(dǎo)過程亦不相同。陶瓷纖維中的傳熱不單純是固態(tài)纖維的導(dǎo)熱，同時(shí)還存在著空氣的導(dǎo)熱、空隙中氣體的對流傳熱和孔壁之間的輻射傳熱。從傳熱角度來看，一般以導(dǎo)熱系數(shù)這一重要的物理指標(biāo)來表征陶瓷纖維的絕熱性能。對均質(zhì)材料來說，導(dǎo)熱系數(shù)代表材質(zhì)本身的熱性能，多孔混合結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維的導(dǎo)熱系數(shù)則表征了其內(nèi)傳導(dǎo)、對流及輻射等三種傳熱效果的總和，故又稱其為當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)或表觀導(dǎo)熱系數(shù)。采用陶瓷纖維作為工業(yè)窯爐、高溫管道壁襯材料的原因，在于通過對爐(管）壁的絕熱達(dá)到控制熱流、節(jié)約能源的效果。為此，必須探明影響陶瓷纖維材料導(dǎo)熱系數(shù)的主要因素，并在陶瓷纖維生產(chǎn)、使用等環(huán)節(jié)中加以調(diào)節(jié)、控制，以獲得最佳效益。影響陶瓷纖維導(dǎo)熱系數(shù)的主要因素包括：（1)溫度；（2）密度；（3）渣球；（4）纖維直徑；（5）纖維濕度；（6）使用氣氛；（7）纖維方向；這些都與陶瓷纖維的導(dǎo)熱系數(shù)影響有關(guān)的。由此可見導(dǎo)熱系數(shù)不僅是表征纖維狀輕質(zhì)耐火材料絕熱性能的重要指標(biāo)，也是陶瓷纖維窯爐設(shè)計(jì)時(shí)纖維爐襯傳熱計(jì)算中的主要技術(shù)參數(shù)之一。
四、陶瓷纖維產(chǎn)品的力學(xué)性質(zhì)是指產(chǎn)品在外力作用下，抵抗變形和破壞的能力。陶瓷纖維產(chǎn)品的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)包括耐壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度。對不同品種的陶瓷纖維產(chǎn)品要求的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)不同。陶瓷纖維毯、軟氈、紙及紡織品等柔韌性產(chǎn)品的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)為抗拉強(qiáng)度。陶瓷纖維板、陶瓷纖維不定形材料（澆注料、可塑料、噴涂料）等剛性產(chǎn)品的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)為耐壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度。
1、耐壓強(qiáng)度
指剛性陶瓷纖維產(chǎn)品常溫下，單位面積上所能承受的極限載荷。耐壓強(qiáng)度是衡量剛性陶瓷纖維產(chǎn)品質(zhì)量的重要性能指標(biāo)之一，可間接地反應(yīng)出產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)，如致密性、均勻性、燒結(jié)性等。根據(jù)試樣測試前受熱條件的不同，剛性陶瓷纖維產(chǎn)品的耐壓強(qiáng)度指標(biāo)又分為：
(1)烘干耐壓強(qiáng)度，試樣在110℃溫度下干燥，并保溫24h,待試樣冷卻至常溫測得的數(shù)值，單位為MPa；
(2)燒后耐壓強(qiáng)度，試樣在使用溫度下煅燒，并保溫3h,待試樣冷卻至常溫測得數(shù)值，單位為MPa。
2、抗折強(qiáng)度
指剛性陶瓷纖維閣單位面積承受彎距時(shí)的極限折斷應(yīng)力，又稱抗彎強(qiáng)度、斷裂模量。
氣孔大小和數(shù)量、組織結(jié)構(gòu)是否均勻一致、纖維間結(jié)合是否牢固是決定其產(chǎn)品抗折強(qiáng)度大小的重要因素。根據(jù)試樣測試前受熱條件不同，剛性陶瓷纖維產(chǎn)品的抗折強(qiáng)度指標(biāo)又分為：
(1)烘干抗折強(qiáng)度，試樣在110℃溫度下干燥，并保溫24h,待試樣冷卻至常溫測得的數(shù)值，單位為MPa；
(2)燒后抗折強(qiáng)度,試樣在使用溫度下煅燒，并保溫3h,待試樣冷卻至常溫測得的數(shù)值，單位為MPa。
3、抗拉強(qiáng)度(抗張強(qiáng)度)
指柔韌性陶瓷纖維產(chǎn)品（毯、軟氈、紙、紡織品等產(chǎn)品）單位面積承受拉應(yīng)力(拉伸負(fù)荷)的作用而產(chǎn)生破壞的極限應(yīng)力，以試樣單位橫截面上所承受的負(fù)荷來表示，單位為MPa。
4、高溫蠕變性
指耐火材料在高溫下，受應(yīng)力作用隨時(shí)間變化而發(fā)生的等溫形變。由于施加外力的方式不同，可分為高溫壓縮蠕變、高溫拉伸蠕變、高溫彎曲蠕變和高溫扭轉(zhuǎn)蠕變等。但主要應(yīng)用的是壓縮蠕變。無論何種形式的蠕變，都是形變量與溫度、應(yīng)力和時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。在應(yīng)力和溫度固定的情況下，耐火材料蠕變可分為三個特征階段，第一階段為減速蠕變（初期蠕變），這一階段的時(shí)間很短；第二階段為勻速蠕變；第三階段為加速蠕變，此階段蠕變速率迅速增加，直至材料受到破壞。
改善陶瓷纖維蠕變性的重要途徑是改善陶瓷纖維產(chǎn)品的化學(xué)礦物組成和結(jié)構(gòu)。應(yīng)提高原料的純度，減少高溫下液相生成量；提高玻璃玻璃相黏度，抑制晶粒生長速度。
六、陶瓷纖維的使用性質(zhì)
1、耐熱性和加熱線收縮變化
陶瓷纖維作為繼傳統(tǒng)重質(zhì)耐火磚及不定形耐火材料之后的第三代耐火材料，它不僅具有一般低導(dǎo)熱率材料所具有的優(yōu)良的絕熱性能，并具有高溫下持續(xù)工作的優(yōu)良耐熱性能。由于玻璃質(zhì)纖維的結(jié)晶和晶粒生長；纖維中有害雜質(zhì)及纖維使用中腐蝕性物質(zhì)促進(jìn)纖維結(jié)晶、聚晶及纖維接觸處的燒結(jié)；高溫蠕變等因素，造成纖維結(jié)構(gòu)的變化——收縮變形、纖維失彈、脆化折斷、纖維強(qiáng)度降低、致密化，直至發(fā)生燒結(jié)喪失纖維狀結(jié)構(gòu)。因此，各類陶瓷纖維的使用溫度都有一個極限溫度稱為最高使用溫度，又稱為“分類溫度”或“等級溫度”，并作為纖維耐熱性能的標(biāo)志。國際上習(xí)慣把陶瓷纖維產(chǎn)品分為4個等級溫度，即1000℃型、1260℃型、1400℃型和1600℃型。
陶瓷纖維的最高使用溫度，是指陶瓷纖維短時(shí)間內(nèi)能承受的極限溫度，用以表征陶瓷纖維產(chǎn)品的耐熱性的指標(biāo)。陶瓷纖維產(chǎn)品允許長期使用溫度一般比最高使用溫度低200℃左右。以國產(chǎn)1260℃型纖維制品為例，其長期使用溫度是1000℃左右。因此，最高使用溫度這個概念很重要，它與長期使用溫度有著密切的關(guān)系，是纖維應(yīng)用過程中主要的參考依據(jù)。過去有些使用單位把最高使用溫度當(dāng)成長期使用溫度，這是錯誤的，會造成不必要的損失。
除此之外，同一種陶瓷纖維產(chǎn)品在不同條件下使用，其長期使用溫度也有差異。如工業(yè)窯爐操作制度（連續(xù)或間歇式窯爐）、燃料種類、爐內(nèi)氣氛等工藝條件，都是影響陶瓷纖維使用溫度和使用壽命的因素。
目前還沒有測定陶瓷纖維耐熱性指標(biāo)的理想方法。一般是將陶瓷纖維產(chǎn)品加熱到一定溫度，根據(jù)試樣加熱線收縮變化和結(jié)晶程度來評定陶瓷纖維產(chǎn)品的耐熱性。
2、抗熱震性能
指陶瓷纖維制品在溫度急劇變化條件下抵抗產(chǎn)生開裂、剝落斷裂等損傷的能力，又稱為抗熱沖擊性，抗溫度急變性，耐急冷、急熱性等。
3、抗風(fēng)蝕性能
陶瓷纖維表面光滑，彼此結(jié)合力差。在制氈、板（或成毯）的工藝中必須加入一定量的結(jié)合劑，或采用“針刺”方法，使纖維制品保持一定強(qiáng)度和施工性能。當(dāng)溫度升高至600℃左右，纖維制品中的結(jié)合劑開始逐漸揮發(fā)，并靠纖維間相互交織保持一定形狀。當(dāng)氣流速度超過一定范圍，纖維制品就會逐漸沖刷剝落，因而引起纖維壁襯的抗風(fēng)蝕性能。無紡針刺技術(shù)引入陶瓷纖維二次制品生產(chǎn)工藝之后，使陶瓷纖維針刺毯的抗風(fēng)蝕性能提高至20m/S.g。
4、彈性及抗透氣性能
陶瓷纖維用作高溫氣體的密封材料和墊襯材料，要求具有彈性（壓縮復(fù)原性）和抗透氣性。當(dāng)溫度超過400℃時(shí)，隨溫度升高，由于發(fā)生蠕變，纖維制品的回彈率將逐漸減小。陶瓷纖維的壓縮回彈率隨纖維制品的密度增大而提高，其透氣阻力也相應(yīng)增大，即纖維制品的透氣性減小。因此，作為高溫氣體的密封材料和墊襯材料時(shí)，應(yīng)選密度大（至少128kg/m3)的纖維制品，以提高其壓縮回彈率和透氣阻力。
5、化學(xué)穩(wěn)定性能
在氧化性氣氛和中性氣氛中，陶瓷纖維具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性。而在還原性氣氛、真空條件及窯爐氣氛中含有硫酸鹽、氟化物、堿金屬、V2O5等物質(zhì)時(shí)化學(xué)穩(wěn)定性差，并直接影響纖維的析晶和晶粒生長速度，使陶瓷纖維性能劣化。
6、隔音性能
由于陶瓷纖維制品是微細(xì)纖維多孔集合體，具有優(yōu)良的吸音性能，并可用作高溫消音材料。對于高頻聲波，體積密度小的纖維制品吸音音量降低率大，而對于低頻聲波則相反，體積密度小的纖維制品的吸音音量降低率小。
7、電氣特性
陶瓷纖維具有優(yōu)良的電氣絕緣性能，是絕緣性材料。但其絕緣電阻隨溫度的升高而降低。陶瓷纖維的介電特性，即使在高溫狀態(tài)下，陶瓷纖維仍具有很高的介電常數(shù)和低的介電損失，適于用作高頻率絕緣材料。
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