Poznavanje klasifikacije i uporabe keramičkih vlakana

Porozni izolacijski materijal od keramičkih vlakana može stvoriti stabilnu strukturu sa samo malom količinom materijala (vlakana). U usporedbi s izolacijskim materijalom od keramičkih pora, izolacijski materijal od keramičkih vlakana je lagan, porozan, niske toplinske vodljivosti i specifičnog toplinskog kapaciteta. Velike značajke i može podnijeti vrlo velika opterećenja. Ovaj se materijal koristi u mnogim poljima kao što su odvajanje filtracije, toplinska izolacija, biomedicina i kompozitni materijali. Struktura za toplinsku zaštitu za višekratnu upotrebu koju predstavljaju materijali od keramičkih vlakana naširoko se koristi u sustavu toplinske zaštite raznih naprednih zrakoplova kod kuće i u inozemstvu te ima važnu vrijednost primjene i razvojne izglede.

Keramička vlakna možemo podijeliti u dvije kategorije: neoksidna keramička vlakna (kao što su SiC vlakna, C vlakna) i oksidna (uključujući kompozitni oksid) keramička vlakna (poput aluminijskih silikatnih vlakana, Al2O3 vlakna).

1. Neoksidna keramička vlakna

2. Vlakna silicij-karbida. Silicijev karbid (SiC), poznat kao silicijev karbid i ugljični silicij, sintetski je spoj koji je kovalentno vezan. Može se pripremiti kemijskim taloženjem pare, karbotermalnom redukcijom, sinterovanjem praha i pretvaranjem prekursora. Čisti silicijev karbid je bezbojan i proziran, a silicijev karbid koji se koristi u industriji često je svijetlozelen ili crn jer sadrži slobodno željezo, silicij, ugljik i druge nečistoće.

   Budući da silicijev karbid ima dobre karakteristike visokih temperatura, poput otpornosti na oksidaciju, čvrstoće i stabilnosti na visokoj temperaturi, dobre toplinske vodljivosti, male gustoće, niskog koeficijenta širenja i niskog puzanja, može se koristiti kao komora za sagorijevanje plinskih turbina s visokom temperaturom. Visokotlačne mlaznice, lopatice turbine itd. Zbog visoke toplinske vodljivosti i dobrih izolacijskih svojstava, silicijev karbid može se koristiti kao izmjenjivač topline s visokom temperaturom u metalurškim industrijskim pećima, kao i podloga i ambalažni materijali za velike integrirane krugove . Zahvaljujući visokoj tvrdoći, otpornosti na habanje i otpornosti na koroziju na kiseline i lužine, mehanički brtveni materijali poput kliznih ležajeva, diskova ventila, lopatica ventilatora i cijevi otpornih na koroziju mogu se pripremiti u mehaničkoj i kemijskoj industriji.

   Silicijev karbid ima ne samo dobra fizikalna svojstva, već i izvrsna kemijska svojstva. U atmosferi bez kisika, u plinskoj fazi na površini silicijevog karbida u 2300 nalazilo se samo 5% silicija℃. Međutim, kada je silicijev karbid bio izložen kisiku na 1000℃, površina je počela oksidirati, ali silicijev karbid mogao bi stvoriti zaštitni film SiO2 da spriječi nastavak reakcije oksidacije.

3. Ugljična vlakna. Ugljično vlakno odnosi se na vlaknasti ugljični materijal koji se zagrije na 1000°C ili više organskim vlaknima u inertnom plinu da bi se stvorio vlaknasti ugljični materijal koji ima sadržaj ugljika 90% ili više. Ugljična vlakna nova su vrsta anorganskog materijala gustoće 1,5-2g / cm3, što je 1/4 gustoće čelika, 1/2 gustoće aluminijske legure i 4 puta do 5 puta jača od čelika. Koeficijent toplinskog širenja je mali, a otpornost na toplinski udar dobra. Iznenada se s visoke temperature od nekoliko tisuća Celzijevih stupnjeva spusti na normalnu temperaturu i ne pukne, a ima dobru mazivost i električnu vodljivost. Ugljična vlakna kemijski su slična ugljiku, inertna su do opće lužnatosti i ne krče se na temperaturama tekućeg dušika. U okruženju bez kisika, čak i pri visokoj temperaturi od 3000℃, ne topi se, već u zračnoj atmosferi, kada je temperatura viša od 400℃, dolazi do značajne oksidacije i stvaraju se CO i CO 2. Stoga ugljična vlakna mogu uvelike smanjiti strukturnu težinu komponente i poboljšati tehničke performanse, čineći je široko korištenom u zrakoplovnim vozilima.

   Ovisno o korištenim sirovinama, ugljična vlakna mogu se klasificirati u ugljična vlakna na osnovi poliakrilonitrila, ugljična vlakna na osnovi smole, ugljična vlakna na osnovi celuloze i ugljična vlakna na bazi fenolnih kiselina. Najčešće korištena ugljična vlakna su poliakrilonitrilna ugljična vlakna i smolasta ugljična vlakna.

4. Oksidna keramička vlakna

5. Aluminijsko silikatna vlakna. Oblik i boja aluminij-silikatnih vlakana slična su pamuku. To je amorfno keramičko vlakno koje se uglavnom sastoji od glinice i silicijevog dioksida, a ponekad sadrži malu količinu željeznog oksida, titan-dioksida, kalcijevog oksida i slično. Prema sastavu tvari i sadržaju može se podijeliti u četiri kategorije: standardna (obična) aluminij-silikatna vlakna, aluminij-silikatna vlakna visoke čistoće, aluminij-silikatna vlakna koja sadrže aluminij i cirkonijeva aluminosilikatna vlakna visoke čistoće . Sadržaj komponenata prikazan je u tablici 1-2.

   Aluminijsko silikatna vlakna imaju promjer 1-10μm i duljinu 5-25cm. Ima dobru temperaturnu otpornost, toplinsku izolaciju i apsorpciju zvuka, a ima malu količinu topline, nisku toplinsku vodljivost i snažnu otpornost na mehaničke vibracije. Radna temperatura može doseći 1200 ° C. Gustoća je samo 0,096-0,128g / cm3. Nakon dodatka CrO2, budući da CrO2 sprječava taloženje kristala i rast na kontaktnom dijelu između vlakana, otpor vlakna na visoku temperaturu skupljanja može se poboljšati, a temperatura upotrebe doseže 1400 ° C. Kompozitni materijal od aluminijskih silikatnih vlakana može se izraditi u obliku tepiha, filca, papira i ploče. Široko se koristi u toplinskoj izolaciji opreme za toplinsku energiju poput kemijske industrije i strojeva, te u toplinsko izolacijskom sloju dijelova raketnih motora.

6. Kvarcna vlakna. Kvarcno vlakno odnosi se na specijalna silikatna staklena vlakna visoke čistoće sa sadržajem spremnika manjim od 0,1% i promjerom vlakana od 0,7-15 μm. Ima visoku otpornost na toplinu, dugotrajnu stabilnu temperaturu upotrebe od 1050 ° C i trenutnu temperaturnu otpornost do 1700 ° C. Uz to, kvarcno vlakno ima otpornost na koroziju, visoku čvrstoću na visokoj temperaturi, dimenzionalnu stabilnost, dobru otpornost na toplotni udar , visoka kemijska stabilnost i izvrsna električna izolacijska svojstva, dielektrična konstanta i dielektrični gubici. Koeficijent je najbolji među svim mineralnim vlaknima i mnogo je jeftiniji za proizvodnju od silicij-karbidnih vlakana. Stoga kvarcna vlakna imaju važnu uporabu u obrambenoj vojnoj i zrakoplovnoj industriji i mogu se koristiti za proizvodnju zrakoplovnih sustava toplinske zaštite.

   Kvarcna vlakna klasificiraju se u kontinuirana kvarcna staklena vlakna i kvarcnu staklenu vunu. Kontinuirano kvarcno stakleno vlakno odnosi se na dugo vlakno dobiveno povlačenjem vanjske sile nakon što se kvarcno staklo rastopi. Općenito, promjer monofilamenta je 3-10 μm i može se preraditi u pređu, tkaninu i slično od kvarcnih staklenih vlakana. Kvarcna staklena vuna odnosi se na vrstu dugih i kratkih kvarcnih staklenih vlakana dobivenih puhanjem taline kvarcnog stakla visokotlačnim protokom zraka, a oblik je pahuljast, sličan vati. Općenito, ultrafini pamuk, čiji je promjer vlakana manji od 3 μm, naziva se finim pamukom promjera 3-5 μm.

7. Mulitna vlakna. Mulit je jedini binarni spoj koji može biti stabilno prisutan pri normalnoj temperaturi i tlaku u binarnom sustavu silicijevog dioksida i glinice. Kemijska formula je 3Al2O3·2SiO2, a njegov fazni dijagram prikazan je na slici 1.

   Slika 1 Dijagram faze mulitnog materijala

   Mulitno vlakno je polikristalno vlakno s glavnom kristalnom fazom mulitnih kristalita. To je jedina stabilna faza u binarnom sustavu silicijevog dioksida i glinice. Njegova aktivnost je slaba, a sposobnost rekristalizacije slaba. Kamena vlakna imaju dobru otpornost na visoke temperature i mogu se koristiti do 1500℃. Međutim, kada je temperatura viša od 1500℃, zrno će rasti i izgubiti mehanička svojstva visoke temperature. Kad temperatura dosegne oko 1830℃, Brzo će se razgraditi u glinicu i tekuću fazu. Mulitno vlakno ravnomjerno se širi zagrijavanjem, ima izvrsnu stabilnost otpornosti na toplinski udar, nisku toplinsku vodljivost, nije lako puzati pri visokoj temperaturi i može ne samo održavati dobru elastičnost, već ima i malo skupljanja, a sam materijal ima dobru kemijsku stabilnost . Nije osjetljiv na koroziju, pa se široko koristi u raznim visokotemperaturnim proizvodima i sustavima toplinske zaštite kao novi ultralaki visokotemperaturni materijal otporan na toplinu. Međutim, mehanička svojstva mulitnih vlakana pri normalnoj temperaturi nisu dobra, što je postalo glavna prepreka praktičnoj upotrebi materijala.

8. Alumina vlakna. Alumina vlakna su vrsta polikristalnih keramičkih vlakana koja imaju mnoge oblike poput dugih vlakana, kratkih vlakana i brkova. Uglavnom sadrži Al2O3, a ponekad sadrži i određenu količinu aditiva poput silicijevog dioksida, bor-nitrida, cirkonija, željeznog oksida, magnezijevog oksida i slično. Aluminijeva oksidna vlakna imaju promjer 10-20 μm i gustoću 2,7-4,2 g / cm3, a imaju visoka mehanička svojstva, vlačnu čvrstoću 1,4-2,45 GPa i vlačni modul 190-385 GPa.

   Ima dobru kemijsku otpornost, otpornost na oksidaciju, otpornost na visoke temperature, visoku kemijsku stabilnost i nizak koeficijent toplinskog širenja, talište 2050 ° C, može se dugo koristiti na 1500 ° C.

Kratka vlakna od glinice uglavnom se koriste za izolacijske materijale s visokom temperaturom, duga vlakna se koriste za ojačanje kompozitnih materijala, a brkovi imaju visoku čvrstoću i neka posebna magnetska, električna i optička svojstva koja se koriste u funkcionalnim materijalima. Aluminijeva vlakna imaju dobru površinsku aktivnost i lako ih je složiti s osnovnim materijalima poput metala i keramike. U kombinaciji s visokom uporabnom temperaturom, široko se koristi u općenito industrijskim i visokotehnološkim poljima. Može se koristiti u pećima s visokom temperaturom i toplinskom inženjerstvu. Oprema, nuklearni reaktori i toplinski izolacijski materijali za svemirski brod. Sjedinjene Države koriste aluminijeva vlakna kao izolacijske ploče na Space Shuttleu Columbia. Kada svemirski brod leti u atmosferi, izolacijske ploče sprječavaju ulazak topline u toplinski štit kroz razmak između izolacijskih ploča. Aluminijeva vlakna imaju važan strateški značaj i veliku komercijalnu vrijednost u vojnoj i zrakoplovnoj industriji, privlačeći mnoge zemlje da ulože puno radne snage, materijalnih resursa i financijskih sredstava za istraživanje i razvoj i korištenje. Međutim, aluminijeva vlakna imaju visoku gustoću i visoku toplinsku vodljivost, što ograničava njegovu daljnju primjenu.