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鄒小姐：13326633089 -
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氧化鋁我們都再熟悉不過(guò)了，它不僅有較高的熔點(diǎn)（2054℃），而且還有出色的機(jī)械強(qiáng)度、硬度、高電阻率和導(dǎo)熱性能，因此是世界上用量最大的特種陶瓷材料之一。
不過(guò)材料學(xué)家相信氧化鋁還有許多潛能未能被發(fā)掘，因此一直有在研究它的新用法，比如說(shuō)氧化鋁纖維就是近年來(lái)一種比較具備代表性的成果。
氧化鋁纖維及其SEM圖
氧化鋁纖維是何物？
氧化鋁纖維是一種高性能的無(wú)機(jī)纖維，雖然名字中沒(méi)有體現(xiàn)，但其實(shí)它的成分并不限于Al2O3，有的還含有SiO2和B2O3等金屬氧化物成分，是一種相當(dāng)高端的耐火材料。
作為當(dāng)今世界最新型的超輕質(zhì)高溫耐火纖維之一，氧化鋁纖維不僅可以在更高溫度下保持很好的抗拉強(qiáng)度，長(zhǎng)期使用溫度在1450-1600℃；而且表面活性好，易與樹(shù)脂、金屬、陶瓷基體復(fù)合，形成諸多性能優(yōu)異、應(yīng)用廣泛的復(fù)合材料。同時(shí)它還具有熱導(dǎo)率小、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，在“防火隔熱”這一塊也很有一手。此外，與其它高性能無(wú)機(jī)纖維如碳化硅纖維相比，氧化鋁纖維原料成本要低，且生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，具有較高的性?xún)r(jià)比。
目前氧化鋁纖維已被廣泛應(yīng)用于航空航天、核電核能、軍工以及汽車(chē)工業(yè)等領(lǐng)域。在業(yè)界，它甚至還被認(rèn)為是最具有潛力的高溫材料之一。
氧化鋁纖維的代表產(chǎn)品
經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，氧化鋁纖維已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，主要的品種有美國(guó)Du Pont公司的FP、PRD-166，美國(guó)3M公司生產(chǎn)的Nextel系列產(chǎn)品，英國(guó)ICI公司生產(chǎn)的Saffil氧化鋁纖維，日本Sumitomo公司生產(chǎn)的Altel氧化鋁纖維等。
其中3M的Nextel系列產(chǎn)品我們可以在網(wǎng)上找到詳盡的資料。這些陶瓷纖維是通過(guò)溶膠-凝膠法生產(chǎn)的，其制備方法是：在含有甲酸根離子和乙酸根離子的氧化鋁溶膠中，加入作為硅組分的硅溶膠和作為氧化硼組分的硼酸，得到混合溶膠，濃縮成紡絲液進(jìn)行擠出紡絲，然后在1000℃以上帶有張力條件下燒結(jié)，得到連續(xù)氧化鋁纖維。以下是它的兩種主要型號(hào)，分別為Nextel610和Nextel720的性能參數(shù)對(duì)比。
可以發(fā)現(xiàn)，兩者的性能存在較大差異，它們的主要區(qū)別在于SiO2的含量。其中Nextel610幾乎完全是由α氧化鋁的單相成分組成的，它在室溫下比Nextel720有著更高的強(qiáng)度。而Nextel720的組成中添加了比較大量的SiO2，雖然拉伸強(qiáng)度、彈性模量等性能上都略遜于Nextel610，但是在應(yīng)變性能上卻有著更突出的表現(xiàn)，這是為什么呢？
Nextel720結(jié)構(gòu)粗紗
二氧化硅對(duì)氧化鋁纖維的影響
查看3M公布的產(chǎn)品資料，會(huì)發(fā)現(xiàn)對(duì)于720的描述是這樣的：Nextel陶瓷結(jié)構(gòu)纖維720是由添加了SiO2的α氧化鋁制成，由于減少了晶界滑動(dòng)，因此在更高的溫度下具有更好的強(qiáng)度保留。而莫來(lái)石相的存在，也使得Nextel720比Nextel610具有更高的蠕變阻力。
這里面提到了幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，如晶界滑動(dòng)、莫來(lái)石相以及蠕變阻力等。其實(shí)這些都是可以結(jié)合起來(lái)討論的。我們就先從莫來(lái)石相開(kāi)始。
①莫來(lái)石
首先要知道，莫來(lái)石陶瓷是主相為莫來(lái)石（3Al2O3·2SiO2）的一類(lèi)陶瓷的總稱(chēng)?？珊?jiǎn)單分為普通莫來(lái)石瓷和高純莫來(lái)石瓷兩大類(lèi)，這里就先不討論普通莫來(lái)石瓷，感興趣的可以閱讀這篇文章做進(jìn)一步了解——《除了耐火材料，莫來(lái)石陶瓷還能做些什么？》
高純莫來(lái)石陶瓷采用人工合成的超細(xì)高純莫來(lái)石粉末制備而成，它具有膨脹均勻、熱震穩(wěn)定性極好、荷重軟化點(diǎn)高、高溫蠕變值小、硬度大、抗化學(xué)腐蝕性好等特點(diǎn)。雖然莫來(lái)石陶瓷的室溫強(qiáng)度較低，限制了其室溫應(yīng)用（就像上面的610在室溫下會(huì)比720具備更高的強(qiáng)度一樣）。
但莫來(lái)石有個(gè)特點(diǎn)，它在高溫下強(qiáng)度衰減較小，在1300℃時(shí)抗彎強(qiáng)度可達(dá)570MPa，斷裂韌性KIC達(dá)5.7MPa，均比常溫時(shí)高1.6倍，這種隨溫度升高、強(qiáng)度和韌性不僅不衰減反而大幅度提高，是高純莫來(lái)石陶瓷作為高溫材料極佳的特性，因此它在電子封裝材料、汽車(chē)領(lǐng)域等有著重要的應(yīng)用。
莫來(lái)石在電子封裝材料中的應(yīng)用
②晶界滑動(dòng)
接著我們來(lái)講講莫來(lái)石的高溫性能為什么會(huì)這么突出，這里涉及到一個(gè)概念就是晶界滑動(dòng)。對(duì)于陶瓷材料來(lái)說(shuō)，在較高溫度條件下，由于晶界上的原子易于擴(kuò)散，受力后易產(chǎn)生滑動(dòng)，就會(huì)促進(jìn)蠕變進(jìn)行。隨著溫度的升高，應(yīng)力降低，晶粒度減小，晶界滑動(dòng)對(duì)蠕變的作用越來(lái)越大。晶界的滑動(dòng)易于在晶界上形成裂紋，當(dāng)裂紋迅速擴(kuò)展達(dá)到臨界尺寸后便產(chǎn)生蠕變斷裂。
③高溫蠕變
不過(guò)上面也提到了，莫來(lái)石有個(gè)特點(diǎn)就是高溫蠕變值小，越高溫越強(qiáng)。這是因?yàn)樵诟邷叵?，鋁硅酸鹽會(huì)形成細(xì)長(zhǎng)的莫來(lái)石晶體，它們會(huì)形成高強(qiáng)的互鎖網(wǎng)絡(luò)，減少晶界滑動(dòng)。因此Nextel720在高溫下就能消耗SiO2和Al2O3來(lái)形成莫來(lái)石使抵抗形變的性能發(fā)生變化，這就是它比Nextel610有著更好的抗蠕變性能的主要原因，非常適合作為填充或加固材料改善復(fù)合材料的機(jī)械和熱學(xué)性能（高抗熱震等）。
總結(jié)
最初構(gòu)思這篇文章，是在了解3M產(chǎn)品時(shí)發(fā)現(xiàn)一系列的產(chǎn)品在性能上的差異很有趣，因此想要以這個(gè)為題寫(xiě)一個(gè)小科普。在此之前很多人（甚至包括小編）或許會(huì)對(duì)莫來(lái)石有誤解，覺(jué)得它不夠“純”是否意味著不夠高級(jí)，卻忽略了正是這樣的組分才讓它在高溫領(lǐng)域有著如此優(yōu)秀表現(xiàn)的事實(shí)。
總而言之，材料沒(méi)有高低優(yōu)劣之分，只要能夠得到合適的應(yīng)用，誰(shuí)都能成為那個(gè)領(lǐng)域的種子選手。
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