Керамическое волокно

В химической технологии волокна и волокнистые материалы играют поистине огромную роль. Современный уровень развития техники позволяет получать волокна из различных веществ и материалов и таким образом обеспечивать необходимый комплекс физико-химических характеристик для каждого конкретного применения. Некоторые типы волокон – полимерные, стеклянные, металлические – уже давно и успешно производятся по отработанным технологиям, являясь достаточно традиционными материалами в своих областях. Другие – такие как углеродные и керамические – представляют особый интерес на современном этапе развития химической технологии, так как их использование позволяет создавать материалы нового поколения – легкие, прочные, износоустойчивые, для применения при повышенных температурах и в агрессивных средах.

Первоначально, в начале 1970х гг., оксидные керамические волокна использовали в качестве высокотемпературных теплозащитных материалов, стойких до 1600 °С, однако не рассчитанных на какую-либо серьезную механическую нагрузку. Новый виток развития керамические волокна малого (не более 10-20 мкм) диаметра получили с тех пор, как появилась необходимость получения армирующих волокон для керамических и металлических композитов с температурой применения выше 500 °С . Для успешного применения керамических волокон в создании таких инновационных материалов, помимо химической и термической стабильности при повышенных температурах, к ним предъявляется ряд других требований. Первым из них является достаточная гибкость – для того, чтобы возможным было изготовление заготовок различной формы и размеров для дальнейшего формования композита. Достаточную гибкость, даже для материалов с высоким модулем упругости, обеспечивает малый диаметр волокон − гибкость обратнопропорциональна четвертой степени диаметра волокна. Например, для получения волокна из оксида алюминия или карбида кремния с модулем упругости 300 ГПа, требуется диаметр 10 мкм. Также для большей технологичности процесса получения композитов регламентируется значение минимального значения относительного удлинения волокна до разрушения: оно не должно быть ниже 1%. Это влечет за собой требование к прочности волокна: минимальная прочность на разрыв волокна с модулем упругости 200 ГПа должна составлять 2ГПа. Для облегчения создаваемых материалов и конструкций также предъявляются требования к плотности волокна – не должна превышать 5 г/см3 . Необходимыми являются долговременная химическая и термическая стабильность и сопротивление ползучести при температуре свыше 1100 ˚С.

В химической технологии волокна и волокнистые материалы играют поистине огромную роль. Современный уровень развития техники позволяет получать волокна из различных веществ и материалов и таким образом обеспечивать необходимый комплекс физико-химических характеристик для каждого конкретного применения. Некоторые типы волокон – полимерные, стеклянные, металлические – уже давно и успешно производятся по отработанным технологиям, являясь достаточно традиционными материалами в своих областях. Другие – такие как углеродные и керамические – представляют особый интерес на современном этапе развития химической технологии, так как их использование позволяет создавать материалы нового поколения – легкие, прочные, износоустойчивые, для применения при повышенных температурах и в агрессивных средах.

 Керамические волокна – это все неметаллические волокна (оксидные и неоксидные) за исключением волокон, полученных из расплавов стекол. Границу между стеклянными и оксидными керамическими волокнами провести не так просто, так как керамические волокна, полученные по золь-гель технологии, могут быть аморфными, и в этом смысле схожими со стеклянными волокнами; с другой стороны, в последнее время разработаны методы получения керамических волокон, включающие получение расплава оксидной шихты. Термин «стеклянные» следует относить к волокнам, полученным из расплавов силикатного состава; основную группу оксидных «керамических» волокон составляют волокна на основе оксида алюминия, хотя существуют и другие волокна из 4 5 высокотемпературных оксидов. Условную градацию между стекло- и керамическими волокнами также можно провести по температуре их применения: первые могут применяться лишь до 1150 °С (кремнеземистое волокно), вторые – минимум до 1400 °С (в случае SiC-волокон в неокислительной атмосфере) и 1600 °С (для высокотемпературных оксидных волокон на основе Al2O3), а в некоторых случаях до 2000 и 2500 °С (волокна из ZrO2, ThO2).

Среди тугоплавких оксидов: кальция, магния, алюминия, бериллия, циркония, гафния, тория и др., а также множество смешанных оксидов, − промышленное производство волокон налажено только для оксида алюминия. Для этого есть несколько причин. Первой является широкое распространение сырьевых материалов: оксид алюминия и его производные получают из природных минералов бокситов, нефелинов, каолинов, что дает ряд преимуществ перед оксидами циркония, гафния, тория и т.д., исходные минералы для производства которых малодоступны. Вторая – высокая твердость корунда (α-модификации оксида алюминия) − 9 по шкале Мооса − в отличие, например, от CaO и MgO с твердостью 5-6 по шкале Мооса. Третья − технологические особенности: промышленные методы формования таких высокотемпературных волокон, как правило, включают получение золей оксидов, к чему не склонны оксиды элементов II группы. Четвертая – недостаточная химическая стабильность некоторых тугоплавких оксидов. Например, оксид кальция реагирует с водой уже при комнатной температуре. Высокие химическая и термическая стабильность оксида алюминия обусловлены его структурой

В единый класс выделяют не только волокна из оксида алюминия, но и волокна с его высоким содержанием. Классифицировать подобные волокна можно по нескольким позициям:

1. По степени кристалличности: монокристаллы, поликристаллические. Аморфные керамические волокна не встречаются крайне редко.

2. По химическому составу. Выделяют волокна из чистого оксида алюминия (более 99 масс % Аl2O3); волокна, содержащие 65 и более масс.% Аl2O3 (отдельно здесь следует отметить волокна, содержащие фазу муллита 3Al2O3⋅2SiO2, а также ряд волокон промежуточного состава, содержащих как фазы муллита, так и оксида алюминия). В состав подобных волокон дополнительно могут входить оксиды циркония, бора, щелочных и щелочноземельных металлов.

3. По длине: непрерывное и дискретное (резаное и штапельное).

4. По способу получения: выделяют прямые и косвенные методы. В первом случае получают непосредственно волокна или их волокнистые предкерамические предшественники. К этим методам относят золь-гель технологии и получение из расплава оксида (в общем случае, шихты из нескольких оксидов). К косвенным методам относят те методы, в качестве исходных материалов применяются уже готовые волокна: пропитка промышленно-производимых волокон соединениями металлов и CVD-технологии. CVD применяют для нанесения покрытий, например, на W-волокна. Метод также может применяться непосредственно для получения волокон из газовой фазы.

5. По методу формования волокна: экструзионные, дутьевые, механические методы (с применением центрифуг), электроформование. Отметим, что на практике встречаются и более сложные методы получения/формования волокна, включающие комбинацию нескольких приведенных.

© ООО  ТД  «Промышленные огнеупоры», 2015-2018

Адрес: г.Москва, ул.Воронцово Поле, д. 11, стр. 1
E-mail: info@promceramics.ru
Телефоны: +7 495 142-82-35
+7 495 142-92-35

Яндекс.Метрика