陶瓷纤维的发展现状及新品种的种类与应用
刘潇
摘 要：本文主要从国内外陶瓷纤维的发展现状及应用领域、陶瓷纤维新品种的研发等几个方面阐述陶瓷纤维的优势。通过分析，耐火陶瓷纤维材料是一种轻质、高效的保温绝热材料，与传统的绝热材料相比具有很多无可比拟的优势。随着各国对节能的重视，陶瓷纤维将会得到很好的应用和快速发展，并且陶瓷纤维替代其他绝热材料的空间也是十分巨大，值得在陶瓷行业大力推广。
关键词：陶瓷纤维；新品种；应用；发展
1 前言
耐火陶瓷纤维材料是一种轻质、高效的保温绝热材料，与传统的绝热材料相比，它具有以下几个方面的性能优势。
（1） 陶瓷纤维作炉衬体积密度低
陶纤炉衬比轻质隔热砖炉衬轻75%以上，比轻质浇注料炉衬轻90%～95%。如采用纤维炉衬可大大减轻窑炉的钢结构负荷，延长炉体使用寿命。
（2） 陶瓷纤维作炉衬热容量（蓄热量）低
陶瓷纤维的热容量仅为轻质耐热衬里和轻质浇注料衬里的l/10左右，而炉衬材料的热容量与炉衬的重量成正比。低热容量意味着窑炉在往复操作中吸收的热量少，同时升温的速度加快，大大减少了炉温操作控制中的能源耗量，尤其对加热炉的启炉、停炉起到非常显著的节能效果。
（3） 其他方面
随着应用技术的提高，陶瓷纤维还在不断拓展新的应用领域。目前，由于全球能源价格的不断上涨，节能已成为我们当前的首要任务。相比隔热砖与浇注料等传统耐火材料，节能效果达10%～30%的陶瓷纤维在我国已得到了更多、更广的应用，发展前景十分看好。
2 国外陶瓷纤维的发展及应用领域
2.1 国外陶瓷纤维的发展
陶瓷纤维最早出现在1941年，美国巴布、维尔考克斯公司用天然高岭土，用电弧炉熔融喷吹成纤维。20世纪40年代后期，美国两家公司生产硅酸铝系列纤维，并首次应用于航空工业；20世纪60年代，美国研制出多种陶瓷纤维制品，并用于工业窑炉壁衬。
美国和加拿大是陶瓷纤维的生产大国，年产量达到了10万t左右，约占世界耐火纤维年总产量的1/3。欧洲的陶瓷纤维产量位于第三，年产量达到6万t左右。在年产30万t的陶瓷纤维中，各种制品的比例大致为：毯和纤维模块占45%；真空成型板、毡及异形制品占25%；散状纤维棉占15%；纤维绳、布等织品占6%；纤维不定形材料占6%；纤维纸占3%。
2.2 国外陶瓷纤维的应用领域
随着耐火纤维生产技术的不断发展及广泛的应用，耐火陶纤制品已经实现了系列化与功能化。产品在使用温度上，可以满足从600～1600 ℃不同温度档次的使用要求；在形态上，已经逐渐形成了从传统的棉、毯、毡产品到纤维模块、板、异型件、纸、纤维纺织品；从纤维棉到纤维喷涂、可塑料、浇注料等多种形态的二次加工或深加工产品，完全满足各行业不同工业炉对耐火陶瓷纤维制品的使用要求。在国外一些大的陶瓷纤维企业成功开发并批量生产用于特殊应用领域的多晶氧化锆纤维、氮化硅纤维、碳化硅纤维、硼化物纤维等新产品，如：美国杜邦公司生产的多晶氧化铝长纤维，含有99.9%多晶α-Al2O3，纤维直径为20 μm，主要用于制造纺织物。由碳化硅纤维增强的金属基（钛基）复合材料、陶瓷基复合材料已用于制造航天飞机部件、高性能发动机等耐高温结构材料，是21世纪航空航天及其他高技术领域的新材料。
目前，在国外陶瓷纤维的应用带来了十分显著的经济效益，导致陶瓷纤维的应用范围日益扩大，一些主要工业发达国家的陶瓷纤维产量继续保持持续增长的发展势头，其中尤以玻璃态硅酸铝纤维的发展最为迅速。
3 国内陶瓷纤维的进展及应用
我国陶瓷纤维生产起步较晚，在20世纪70年代初期，才先后在北京耐火材料厂和上海耐火材料厂研制成功并投入批量生产。其后10余年主要以“电弧炉熔融、一次风喷吹成纤、湿法手工制毡”的工艺生产陶瓷纤维制品，工艺落后，产品单一。自1984年首钢公司耐火材料厂从美国CE公司引进电阻法甩丝成纤陶瓷纤维针刺毯生产线后，至1987年，又有河南陕县电器厂、广东高明硅酸铝纤维厂和贵阳耐火材料厂分别从美国BW公司和Ferro公司引进了3条不同规模、不同成纤方法的陶瓷纤维针刺毯生产线及真空成型技术，从此改变了我国陶瓷纤维生产工艺、生产设备落后和产品单一的面貌。自1986年开始，我国通过对引进的陶瓷纤维生产设备和工艺消化、吸收，并结合国情研制、设计建成了不同类型的电阻法甩丝（或喷吹）成纤干法针刺毯生产线82条，安装在45家企业内。年产量已达到10万t以上，成为世界最大的生产国。随着产品品种的多样化，除批量生产低温型、标准型、高纯型、高铝型等多种陶瓷纤维针刺毯及超轻质树脂干法毡（板）外，还可生产14%～17% ZrO2的含锆纤维毯，其使用温度可达1300 ℃以上。
20世纪80年代末期，日本直井机织公司、车铁及英特莱等机织品公司相继在北京投资建成了陶瓷纤维纺织品专业生产企业，并批量生产陶瓷纤维布、带、扭绳、套管、方盘根等陶瓷纤维纺织品，纤维织品生产所需的散状纤维棉及工艺装备均已实现了国产化。90年代初，北京、上海、辽宁鞍山、山东、河南三门峡等地先后从美国、法国、日本等国引进了陶瓷纤维的喷涂技术和设备，并在冶金、石化部门工业窑炉上应用了陶瓷纤维喷涂炉衬，节省了能耗，取得了良好的经济效益，现已得到了普遍推广，并在冶金、石化和机械等部门工业炉和加热装置中的应用取得了成功的经验。
目前，我国陶瓷纤维已处于持续调整发展的阶段，陶瓷纤维的生产工艺与设备，尤其是干法针刺毯的生产工艺与设备具有世界先进的含铬、含锆硅酸铝纤维板、多晶氧化铝纤维、多晶莫来石纤维及混配纤维制品等新型陶瓷纤维与制品相继开发成功，并投放了工业化生产，使纤维状轻质耐火材料构成了完整的系列产品。
陶瓷纤维作为过滤器普遍强度较低，发展低成本高强度的连续纤维增强陶瓷纤维过滤器是今后的发展方向。陶瓷纤维过滤器由于其优良的特性将会在高温烟气过滤等方面发挥越来越重要的作用，具有脱硫、脱硝、烟气催化转化等功能的陶瓷纤维过滤材料将是热气体净化材料的发展方向。陶瓷纤维过滤在我国高温烟气净化方面还没有起步，但近几年来的应用情况表明，在世界范围内陶瓷过滤器用量呈现出高增长趋势。可以预见，为实现节能减排的目标，高温烟气陶瓷过滤技术在中国的推广应用已为期不远。新型陶瓷纤维是近年发展起来的高技术功能纤维，除了防紫外线纤维、蓄热保温纤维和抗菌防臭纤维外，还有防中子纤维、导电纤维、磁性纤维等，陶瓷微粉在纤维中的应用范围也十分广阔。
4 陶瓷纤维新品种的种类及应用现状
4.1 新型陶瓷纤维复合材料
据报载，近几年，日本开发生产出军用发动机用新型陶瓷纤维复合材料，如：日本三菱株式会社为战斗机用发动机和火箭发动机研制了陶瓷纤维复合材料，该复合材料是将10 μm的陶瓷纤维编织成三维结构，涂以一种玻璃状的物质，这种陶瓷纤维耐热，但易断裂，将其制成复合材料，可提高其强度。碳纤维复合材料通常用于飞机及火箭箭体，但很少用于发动机，因为它大约只能应用于300 ℃的环境中，所以一般用镍基合金。而新（下转第28页）的陶瓷纤维复合材料的耐高温性比碳纤维复合材料好，而又比镍基合金轻50%，已在日本防卫厅的战斗机用发动机喷管上进行了外场试验，并在火箭发动机上成功制造了一个原型件，并于2005年在火箭发动机上已经实现了工程应用。
4.2 陶瓷纤维模块
陶瓷纤维模块是为了简化和加快窑炉施工、提高炉衬整体性而推出的新型耐火炉衬制品。陶瓷纤维模块颜色洁白、尺寸规整，能直接固定于工业窑炉炉壳钢板锚固钉上，具有良好的耐火隔热效果，提高了窑炉耐火隔热的整体性，推动了窑炉砌筑技术的进步。陶瓷纤维模块处于预压状态，在炉衬砌筑完毕后，陶瓷纤维模块的膨胀使炉衬无缝隙，并可补偿纤维炉衬收缩，以提高纤维炉衬的绝热性能、优良的热稳定性及抗热震性。陶瓷纤维模块安装迅速，并且锚固件设置于壁衬冷面，可降低锚固件材质的要求。
随着国家节能减排计划的推进，烧砖隧道窑的改造迫在眉睫，陶瓷纤维模块在烧砖隧道窑吊顶方面以其卓越的保温性能受到用户青睐。模块，包括折叠块、切片块、派洛块、真空成型块。由于多晶莫来石纤维制作方法及晶向结构不同，其纤维长度较短且柔软性差。无法制作成大模块，导致多晶纤维无法大规模应用。现在多晶纤维多使用在浇注料或耐火砖炉墙、炉顶内表面贴块，使用多晶纤维贴块可有效降低炉外壁温度同时减少炉墙蓄热损失。
目前，国内陶瓷纤维制造厂家使用的模块形式多为折叠块，该结构使用针刺毯进行折叠，成型时使用机械设备对模块进行预压。由于折叠块制作方法导致表面凹凸不平影响抗冲刷涂料喷涂的效果。切片块就是在此基础之上改进而来，其制作方法与折叠块相同，只是在成型后将纤维毯折叠处切去使模块表面平整。
4.3 新型中空纤维陶瓷膜
近年来，新型中空纤维构型陶瓷膜受到广泛关注，中空纤维陶瓷膜除具有传统的陶瓷膜本身优点以外，还具有装填密度大、单位体积膜有效分离面积大、膜壁薄、渗透通量高和节省原料、易于实现分离设备小型化等优点。新型中空纤维构型陶瓷膜的应用可望大大提高陶瓷膜分离性能。中空纤维陶瓷膜由于其独特的性能和结构特点，在用于废水（气）处理的无机分离膜、固体氧化物陶瓷膜燃料电池、微通道反应器、催化剂载体等领域的应用正受到越来越多的关注。
4.4 陶瓷纤维新品种应用现状
陶瓷纤维新品种的开发生产和应用，大大促进了陶瓷纤维的应用技术和施工方法的发展。含锆纤维是用熔融法生产的一种用途广泛、成本较低的硅酸铝纤维，可大量用作砌筑各种热工窑炉的热面全纤维炉衬，目前国内产品在这方面的质量和应用开发还相对落后，现在国外出现了含铬纤维，使用温度比含锆纤维更高，国内还没有这方面的报道。
5 结语
总之，陶瓷纤维是一种性能优异、纤维状轻质的新型绝热节能材料，广泛应用于工业、民用及国防领域的耐高温、绝热部位。随着各国对节能的重视，陶瓷纤维得到了很好的应用和快速发展。并且陶瓷纤维替代其他绝热材料的空间也是十分巨大。预计未来几年，我国陶瓷纤维产量年复合增长率在30%以上。随着对功能性整理织物要求的不断提高，以及新型陶瓷微粉材料研究开发的不断深入，开发陶瓷纤维将会有良好的发展前途和广阔的应用前景。
