本文主要介紹陶瓷纖維的分類以及溫度、環(huán)境氣氛和雜質(zhì)對陶瓷纖維制品性能的影響，詳細(xì)介紹了陶瓷纖維原棉，陶瓷纖維毯、氈、板、紙，紡織品、異型件、組件、澆注料和其他高性能陶瓷纖維制品在保溫隔熱方面的應(yīng)用情況。
一
陶瓷纖維生產(chǎn)方法
陶瓷纖維按組成，分為玻璃態(tài)(非晶態(tài))纖維和多晶(晶態(tài))纖維兩大類。
1、玻璃態(tài)纖維生產(chǎn)方法
玻璃態(tài)陶瓷纖維的生產(chǎn)方法是將原料在電阻爐內(nèi)熔融，高溫熔體流股從出料口流出，流到多輥離心機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的甩絲輥上，甩絲輥的離心力將高溫熔體甩成纖維狀材料。高溫熔體流股也可以在高速氣流噴吹力的作用下驟冷而被吹制成纖維狀材料。
2、多晶態(tài)纖維生產(chǎn)方法
多晶陶瓷纖維的生產(chǎn)方法有膠休法和先驅(qū)體法兩種。
膠體法：將可溶性的鋁鹽、硅鹽等制成一定粘度的膠體溶液，溶液流股經(jīng)壓縮空氣噴吹法或離心盤甩絲法成纖，然后進(jìn)行高溫?zé)崽幚砭娃D(zhuǎn)變成鋁硅氧化物晶體纖維。
先驅(qū)體法：將可溶性的鋁鹽、硅鹽制成一定粘度的膠體溶液，用先驅(qū)誶(膨化有機(jī)纖維)均勻吸收該膠體溶液，再進(jìn)行熱處理而轉(zhuǎn)變成鋁硅氧化物晶體纖維。
3、陶瓷纖維的使用溫度
陶瓷纖維的最高使用溫度，足指陶瓷纖維短時間內(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。如1260 ℃型纖維制品的長期使用溫度是1000℃左右。
國際上習(xí)慣按溫度把陶瓷纖維產(chǎn)品分為4個等級， 即1000℃型、1260℃型、1400℃型和 1600 ℃型。國內(nèi)按陶瓷纖維成分和最高使用溫度還進(jìn)行了細(xì)分，以滿足不同檔次的絕熱保溫選用要求。
*表1陶瓷纖維分類溫度和使用溫度細(xì)分表*
二
影響陶瓷纖維使用性能的因素分析
陶瓷纖維制品具有耐高溫，體積密度小，絕熱性能好，化學(xué)穩(wěn)定性好，抗熱震穩(wěn)定性好，抗風(fēng)蝕性能好，施工方便快速等特點，是當(dāng)今世界上最具發(fā)展?jié)摿Φ墓?jié)能環(huán)保型絕熱保溫材料。但陶瓷纖維在應(yīng)用上也存在一些缺點：穩(wěn)定性較差，抗侵蝕、抗氣流沖刷、抗剝落等性能均較差，長期于高溫下暴露時，由于玻璃質(zhì)纖維的結(jié)晶和晶粒生長、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)，加上腐蝕性爐氣的侵蝕、氣流的沖刷等因素的影響，易粉化脫落。陶瓷纖維產(chǎn)品在不同條件下使用，其長期使用溫度有差異。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。
1、溫度對陶瓷纖維性能的影響
從熱力學(xué)的角度看，玻璃態(tài)的陶瓷纖維處于一種亞穩(wěn)定狀態(tài)。所以只要在一定的溫度條件下加熱，纖維內(nèi)部就會產(chǎn)生質(zhì)點重排，玻璃態(tài)就會轉(zhuǎn)化為結(jié)晶態(tài)，纖維就會析晶。
*表2不同溫度下陶瓷纖維析晶變化情況*
當(dāng)晶粒尺寸長大到與纖維直徑尺寸相接近時，纖維內(nèi)部的結(jié)合力將由分子間的化學(xué)鍵結(jié)合為主，變?yōu)橐跃Яｉg的晶界結(jié)合為主。由于晶界結(jié)合力較為脆弱，因此將導(dǎo)致纖維脆性的加強(qiáng)，在外力的作用下纖維極易遭到破壞，并最終失去纖維特性。
2、使用環(huán)境氣氛對陶瓷纖維性能的影響
在還原氣氛下，纖維中的SiO 易與CO和H2發(fā)生下列反應(yīng)：
SiO +COSiO+CO
SiO +H SiO +H O
由于SiO2被還原成揮發(fā)性物質(zhì)，纖維結(jié)構(gòu)慢慢發(fā)生變化，表面逐漸變得粗糙。當(dāng)纖維內(nèi)部有莫來石晶粒生成時，纖維就易斷裂，加速了纖維的劣化。
3、雜質(zhì)對陶瓷纖維性能的影響
陶瓷纖維中存在的一些雜質(zhì)，如Fe O 、Na O、K O等，它們會與陶瓷纖維中的其他成分在一個較低的溫度下反應(yīng)生成共熔物，低共熔物的存在破壞了纖維的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，纖維內(nèi)部的粘度降低，析晶時離子團(tuán)重排所需克服的析晶活化能降低，析晶溫度降低，同時由于低共熔物的存在加速了晶粒的生長，促進(jìn)了纖維的粉化。
三
陶瓷纖維制品的應(yīng)用
陶瓷纖維最大特性：
(1)導(dǎo)熱系數(shù)低，常溫下僅為0.03 W/(m·K)，在1000 ℃時為粘土磚的1/5。
(2)制品密度小，一般在64 500 kg/m3之間。
(3)熱容量低，僅為耐火磚的1/72，輕質(zhì)磚的1/42。
(4)加工性能好，纖維柔軟易切割，連續(xù)性強(qiáng)，便于纏繞。
(5)吸音性能良好，可作為高溫消音材料。
(6)化學(xué)穩(wěn)定性好，除強(qiáng)堿、氟、磷酸鹽外，幾乎不受化學(xué)藥品的侵蝕。
(7)耐熱震性能好。
(8)絕緣性能良好,常溫下體積電阻率為1×1013Ω·cm,800℃下體積電阻率為6×108Ω·cm。
(9)陶瓷纖維對波長1.8 6.0 μm 的光波有很高的反射性。
陶瓷纖維原棉通常加工成各種式樣的陶瓷纖維制品供各行各業(yè)選用。陶瓷纖維制品最重要的用途就是高溫環(huán)境下的保溫隔熱，應(yīng)用范圍涵蓋冶金、機(jī)械、電子、陶瓷、玻璃、化工、汽車、建材、輕工、軍工、船舶、航空航天等領(lǐng)域。
目前陶瓷纖維制品有毯、氈、板、紙、布、帶、繩、卷管、瓦塊、模塊、異型件、可塑料、噴涂料、 涂抹料、澆注料等。
1、陶瓷纖維原棉
陶瓷纖維棉通過電阻爐將原材料高溫熔融，經(jīng)噴吹或甩絲成纖工藝生產(chǎn)制成，直徑一般為2 5μm，長度多為30 250 mm。
陶瓷纖維棉的纖維表面呈光滑的圓柱形，橫截面通常是圓形。其結(jié)構(gòu)特點是氣孔率高(一般大于90%)，而且氣孔孔徑和比表面積大。由于氣孔中的空氣具有良好的隔熱作用，因而纖維中氣孔孔徑的大小及氣孔的性質(zhì)(開氣孔或閉氣孔)對其導(dǎo)熱性能具有決定性的影響實際上，陶瓷纖維的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)是一種由固態(tài)纖維與空氣組成的混合結(jié)構(gòu)，其顯微結(jié)構(gòu)特點是同相和氣相都是以連續(xù)相的形式存在。因此，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)相骨架，而氣相則連續(xù)存在于纖維材料的骨架間隙之中。正是由于陶瓷纖維具有這種結(jié)構(gòu)，使其氣孔率較高，氣孔孔徑和比表面積較大，從而使陶瓷纖維具有優(yōu)良的隔熱性能和較小的體積密度。
陶瓷纖維棉屬中性偏酸性材料，除與強(qiáng)酸堿反應(yīng)外，不被其他弱堿、弱酸及水、油、蒸汽侵蝕，與鉛、鋁、銅不浸潤，具有優(yōu)良的柔韌性和彈性。陶瓷纖維密度較小，比輕質(zhì)隔熱磚爐襯輕75%以上，比輕質(zhì)澆注料爐襯輕90% 95%，導(dǎo)熱系數(shù)約為輕質(zhì)粘土磚的1/8，是輕質(zhì)耐熱襯里(澆注料)的1/10， 熱容埴僅為輕質(zhì)隔熱襯里和輕質(zhì)澆注料襯里的1/10 左右，大大降低了能源損耗量，節(jié)能蓄熱效果顯著。同時，陶瓷纖維具有施工簡便，無需烘爐，縮短施工周期，安裝簡便等特點。陶瓷纖維棉是其佘陶瓷纖維制品的主要原料，也可按分類溫度直接用作工業(yè)窯爐膨脹縫充填、爐壁隔熱、密封材料。
2、陶瓷纖維包覆系統(tǒng)
陶瓷纖維包覆材料的制作方法是將散裝陶瓷纖維自然沉降在集棉機(jī)網(wǎng)帶上，使其形成均勻的棉坯，經(jīng)針刺制毯工藝得到無粘結(jié)劑的干法針刺毯。該毯柔軟富有彈性，抗拉強(qiáng)度高，加工和施工性能優(yōu)良，是陶瓷纖維制品應(yīng)用最為廣泛的產(chǎn)品之一。根據(jù)其工藝的不同，陶瓷纖維包覆系統(tǒng)可分為甩絲和噴吹兩大類。
陶瓷纖維包覆系統(tǒng)適用于各種隔熱工業(yè)窯爐的爐門密封、爐口幕簾、窯頂隔熱：高溫?zé)煹?、風(fēng)管襯套、膨脹接頭：石油化工設(shè)備、容器、管道高溫隔熱、保溫;高溫環(huán)境下的防護(hù)衣、手套、頭套、頭盔，靴等;汽車發(fā)動機(jī)隔熱罩、重油發(fā)動機(jī)排氣管包裹、 高速賽車復(fù)合制動摩擦襯墊、核電、汽輪機(jī)隔熱;加熱件熱處理隔熱;輸送高溫液體、氣體的泵、壓縮機(jī)和閥門用的密封填料、墊片：高溫電器絕緣：防火門、防火簾、滅火毯、接火花用墊子和隔熱覆蓋等防火縫制品;航天、航空工業(yè)用的隔熱、保溫材料、制動摩擦襯墊;深冷設(shè)備、容器、管道的隔熱、包裹，高檔寫宇樓中的檔案庫、金庫、保險柜等重要場所的絕熱、防火隔層，消防自動防火簾。
3、陶瓷纖維異型件
陶瓷纖維異型件是采用優(yōu)質(zhì)陶瓷纖維棉作原料，用真空成型工藝制成。能制成擁有優(yōu)越高溫性能的剛性并有自支撐強(qiáng)度的異型制品。所有異形制品在其使用溫度范圍內(nèi)都有較低的收縮，并保持有高隔熱、輕質(zhì)和抗沖擊的特點。未灼燒的材料很容易被切割成機(jī)械加工。在使用過程中，產(chǎn)品的抗磨損和剝落性能良好，而且不被大多數(shù)熔融金屬所潤濕。
陶瓷纖維異型件包括管形、錐形、圓頂形和方盒型，大多數(shù)異型制品是按照客戶的要求進(jìn)行生產(chǎn)， 如有色金屬行業(yè)用澆鑄帽和套管、石化行業(yè)用的真空成型看火孔等。
四
其他高性能陶瓷纖維制品
1、可溶陶瓷纖維制品
可溶陶瓷纖維的主要成分是SiO 、CaO、MgO，Al O 含量小于1%?？扇芾w維在人體體液中有足夠的溶解度，是一種無污染、無危害、綠色環(huán)保的新型節(jié)能材料?？扇芴沾衫w維產(chǎn)品具有低導(dǎo)熱率、熱損失小、甩絲纖維長、交織性好、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良、吸音性能好、在人體體液中有良好可降解性的特點?？扇芴沾衫w維產(chǎn)品用于輪船船艙、甲板及煙道的防火吸音;防火門、建筑隔墻領(lǐng)域的防火吸音;窯爐棚體膨脹縫、爐門、頂蓋絕熱密封;高溫窯爐襯里全纖維結(jié)構(gòu)的平鋪背襯、熱面耐火。
2、陶瓷纖維復(fù)合絕熱板
以陶瓷纖維為增強(qiáng)材料的陶瓷纖維復(fù)合絕熱板具有納米網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，能有效降低材料的熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射，600 ℃時的導(dǎo)熱系數(shù)在0.030 W/(m.K)左右，僅為常用絕熱保溫材料的20% 50%。陶瓷纖維復(fù)合絕熱板與其他相關(guān)產(chǎn)品的導(dǎo)熱系數(shù)比較。
*表3陶瓷纖維復(fù)合絕熱板導(dǎo)熱系數(shù)與其他相關(guān)產(chǎn)品的比較*
3、陶瓷纖維復(fù)合絕熱板的特性
(1)優(yōu)越的隔熱性能。常溫(25℃)導(dǎo)熱系數(shù)為0.015 W/(nvK),600℃時的導(dǎo)熱系數(shù)為0.030 W/(m.K)。該材料與目前常用的絕熱保溫材料相比絕熱效果可提高2 10倍，可減少絕熱層厚度30% 50%。
(2)耐高溫。長期使用溫度可達(dá)900 ℃，與陶瓷纖維其他制品復(fù)合結(jié)構(gòu)可達(dá)1700℃。
(3) 使用壽命長?？勺鼋^熱體永久層，5 10 年。
(4) 經(jīng)濟(jì)節(jié)能。比常規(guī)材料節(jié)能10% 30%。
(5) 環(huán)保無毒。在火場中和高溫下不釋放任何有毒物質(zhì)，不含石棉(全系列)、多溴聯(lián)苯(阻燃劑)。
(6) 很好的化學(xué)穩(wěn)定性?？砷L期耐受除氫氟酸、強(qiáng)堿外的大部分酸堿環(huán)境，不分解不變質(zhì)，可長期耐受各種熱輻射(紫外光、紅外光、可見光)及電磁輻射，性能不退化。
(7) 隔音減震。本材料為多孔材料，并具有相當(dāng)?shù)膹椥?，是一種優(yōu)秀的隔音減震材料，聲速在本材料中會下降至在空氣中的1/3。
4、陶瓷纖維復(fù)合絕熱板的應(yīng)用領(lǐng)域
陶瓷纖維復(fù)合絕熱板具有優(yōu)異的隔熱效果，可以在以下行業(yè)取得廣泛的應(yīng)用。
(1) 鋼鐵工業(yè)：鋼包、中間包、電爐、加熱爐、退火爐、混鐵爐、燒結(jié)爐等。
(2) 石油化工業(yè)：裂解爐、加熱爐、管道等。
(3) 陶瓷業(yè)：回轉(zhuǎn)窯、梭式窯、隧道窯等窯體及管道。
(4) 工業(yè)爐窯：背襯絕熱、爐窯爐襯、爐窯隔熱帶等系統(tǒng)。
(5) 電力工業(yè)：核電絕熱系統(tǒng)、蒸汽輪機(jī)、鍋爐管道系統(tǒng)。
(6) 家用電器：加熱器、烤爐、烤箱、電飯煲、微波爐、電磁爐、壁爐等電器儀表的隔熱保護(hù)。
(7) 航空航天、建筑、建材、高/低溫工程防火隔熱等領(lǐng)域。
陶瓷纖維制品優(yōu)良的耐溫隔熱性能為高溫工業(yè)領(lǐng)域的隔熱保溫帶來了一場節(jié)能上的革命。在全球能源價格不斷上漲，中國將節(jié)能降耗提升到國家戰(zhàn)略的背景下，比傳統(tǒng)耐火材料節(jié)能10% 30%的陶瓷纖維制品前景十分看好?？扇芴沾衫w維屬無污染的環(huán)境友好型材料。陶瓷纖維產(chǎn)品今后生產(chǎn)趨勢，就是朝著無污染、精細(xì)化和多功能化方向發(fā)展，尤其是利用新工藝、新原料，制備高附加值、高科技含呈的功能性精細(xì)陶瓷纖維，其生產(chǎn)幾率會越來越大，這將對優(yōu)化絕熱耐火材料具有重大意義。
END