Γνώση της ταξινόμησης και της χρήσης κεραμικών ινών
Το πορώδες μονωτικό υλικό από κεραμικές ίνες μπορεί να σχηματίσει μια σταθερή δομή με μικρή μόνο ποσότητα υλικού (ίνες). Σε σύγκριση με το υλικό μόνωσης κεραμικών πόρων, το υλικό μόνωσης από κεραμικές ίνες είναι ελαφρύ, πορώδες, χαμηλής θερμικής αγωγιμότητας και ειδική θερμική ικανότητα. Μεγάλα χαρακτηριστικά και μπορεί να αντέξει πολύ υψηλά φορτία. Αυτό το υλικό έχει χρησιμοποιηθεί σε πολλούς τομείς όπως ο διαχωρισμός διήθησης, η θερμομόνωση, η βιοϊατρική και τα σύνθετα υλικά. Η επαναχρησιμοποιήσιμη δομή θερμικής προστασίας που αντιπροσωπεύεται από υλικό από κεραμικές ίνες χρησιμοποιείται ευρέως στο σύστημα θερμικής προστασίας διαφόρων προηγμένων αεροσκαφών στο εσωτερικό και στο εξωτερικό, και έχει σημαντικές προοπτικές εφαρμογής και ανάπτυξης.
Οι κεραμικές ίνες μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες: κεραμικές ίνες χωρίς οξείδια (όπως ίνες SiC, ίνες C) και κεραμικές ίνες οξειδίου (συμπεριλαμβανομένου του σύνθετου οξειδίου) (όπως ίνες πυριτικού αργιλίου, ίνες Al2O3).
Κεραμικές ίνες χωρίς οξείδια
Ίνες καρβιδίου του πυριτίου. Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC), κοινώς γνωστό ως καρβίδιο του πυριτίου και διοξείδιο του άνθρακα, είναι μια συνθετική ένωση που συνδέεται ομοιοπολικά. Μπορεί να παρασκευαστεί με χημική εναπόθεση ατμών, καρβοθερμική μείωση, σύντηξη σκόνης και πρόδρομη μετατροπή. Το καθαρό καρβίδιο του πυριτίου είναι άχρωμο και διαφανές και το καρβίδιο του πυριτίου που χρησιμοποιείται στη βιομηχανία είναι συχνά ανοιχτό πράσινο ή μαύρο επειδή περιέχει ελεύθερο σίδηρο, πυρίτιο, άνθρακα και άλλες ακαθαρσίες.
Επειδή το καρβίδιο του πυριτίου έχει καλά χαρακτηριστικά υψηλής θερμοκρασίας, όπως αντοχή στην οξείδωση, αντοχή και σταθερότητα σε υψηλή θερμοκρασία, καλή θερμική αγωγιμότητα, χαμηλή πυκνότητα, χαμηλό συντελεστή διαστολής και χαμηλή ερπυσμό, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως θάλαμος καύσης για αεριοστρόβιλους υψηλής θερμοκρασίας. Ακροφύσια υψηλής θερμοκρασίας, πτερύγια στροβίλου κ.λπ. Λόγω της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας και των καλών ιδιοτήτων μόνωσης, το καρβίδιο του πυριτίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εναλλάκτης θερμότητας υψηλής θερμοκρασίας σε μεταλλουργικούς βιομηχανικούς κλιβάνους, καθώς και υποστρώματα και υλικά συσκευασίας για ολοκληρωμένα κυκλώματα μεγάλης κλίμακας . Με την υψηλή σκληρότητά του, την αντοχή στη φθορά και την αντοχή στη διάβρωση στα οξέα και στα αλκάλια, μηχανικά υλικά στεγανοποίησης όπως ολισθαίνοντα ρουλεμάν, δίσκοι βαλβίδων, πτερύγια ανεμιστήρα και ανθεκτικά στη διάβρωση σωλήνες μπορούν να παρασκευαστούν στη μηχανική και χημική βιομηχανία.
Το καρβίδιο του πυριτίου δεν έχει μόνο καλές φυσικές ιδιότητες, αλλά και εξαιρετικές χημικές ιδιότητες. Σε ατμόσφαιρα χωρίς οξυγόνο, μόνο το 5% του πυριτίου περιείχε την αέρια φάση στην επιφάνεια του καρβιδίου του πυριτίου στις 2300℃. Ωστόσο, όταν το καρβίδιο του πυριτίου εκτέθηκε σε οξυγόνο στους 1000℃, η επιφάνεια άρχισε να οξειδώνεται, αλλά το καρβίδιο του πυριτίου θα μπορούσε να σχηματίσει προστατευτικό φιλμ SiO2 για να αποτρέψει τη συνέχιση της αντίδρασης οξείδωσης.
Ινα άνθρακα. Η ίνα άνθρακα αναφέρεται σε ένα ινώδες υλικό άνθρακα που θερμαίνεται στους 1000°C ή υψηλότερη από μια οργανική ίνα σε ένα αδρανές αέριο για να σχηματίσει ένα ινώδες υλικό άνθρακα με περιεκτικότητα σε άνθρακα 90% ή περισσότερο. Οι ίνες άνθρακα είναι ένας νέος τύπος ανόργανου υλικού με πυκνότητα 1,5-2g / cm3, που είναι το 1/4 της πυκνότητας του χάλυβα, το 1/2 της πυκνότητας του κράματος αλουμινίου και 4 φορές έως 5 φορές ισχυρότερο από το χάλυβα. Ο συντελεστής θερμικής διαστολής είναι μικρός και η αντίσταση θερμικού σοκ είναι καλή. Ξαφνικά πέφτει από υψηλή θερμοκρασία αρκετών χιλιάδων βαθμών Κελσίου σε κανονική θερμοκρασία και δεν σκάει και έχει καλή λιπαντικότητα και ηλεκτρική αγωγιμότητα. Οι ίνες άνθρακα είναι χημικά παρόμοιες με τον άνθρακα, είναι αδρανείς με τη γενική αλκαλικότητα και δεν αγκαλιάζονται σε θερμοκρασίες υγρού αζώτου. Σε περιβάλλον μη οξυγόνου, ακόμη και σε υψηλή θερμοκρασία 3000℃, δεν λιώνει, αλλά σε ατμοσφαιρική ατμόσφαιρα, όταν η θερμοκρασία είναι υψηλότερη από 400℃, συμβαίνει σημαντική οξείδωση και παράγονται CO και CO 2. Επομένως, οι ίνες άνθρακα μπορούν να μειώσουν σημαντικά το δομικό βάρος του εξαρτήματος και να βελτιώσουν την τεχνική απόδοση, καθιστώντας το ευρέως χρησιμοποιούμενο σε αεροδιαστημικά οχήματα.
Ανάλογα με τις χρησιμοποιούμενες πρώτες ύλες, οι ίνες άνθρακα μπορούν να ταξινομηθούν σε ίνες άνθρακα με βάση πολυακρυλονιτρίλιο, ίνες άνθρακα με βάση βήματα, ίνες άνθρακα με βάση κυτταρίνη και ίνες άνθρακα με βάση φαινολικές. Οι πιο κοινές ίνες άνθρακα που χρησιμοποιούνται είναι ίνες άνθρακα πολυακρυλονιτριλίου και ίνες άνθρακα βήματος.
Κεραμικές ίνες οξειδίου
Πυριτικές ίνες αλουμινίου. Το σχήμα και το χρώμα των πυριτικών ινών αλουμινίου είναι παρόμοιο με εκείνο του βαμβακιού. Είναι μια άμορφη κεραμική ίνα που αποτελείται κυρίως από αλουμίνα και σίλικα, και μερικές φορές περιέχει μια μικρή ποσότητα οξειδίου του σιδήρου, διοξειδίου του τιτανίου, οξειδίου του ασβεστίου και τα παρόμοια. Ανάλογα με τη σύνθεση της ουσίας και του περιεχομένου, μπορεί να χωριστεί σε τέσσερις κατηγορίες: τυπικές (συνηθισμένες) πυριτικές ίνες αργιλίου, πυριτικές ίνες αργιλίου υψηλής καθαρότητας, πυριτικές ίνες αργιλίου υψηλής περιεκτικότητας σε αλουμίνιο και αλουμινοπυριτικές ίνες ζιρκονίου υψηλής καθαρότητας . Το περιεχόμενο των συστατικών παρουσιάζεται στον Πίνακα 1-2.
Η πυριτική ίνα αργιλίου έχει διάμετρο 1-10μm και μήκος 5-25cm. Έχει καλή αντοχή στη θερμοκρασία, θερμομόνωση και ηχοαπορρόφηση, και έχει χαμηλή αποθήκευση θερμότητας, χαμηλή θερμική αγωγιμότητα και ισχυρή αντίσταση σε μηχανικές δονήσεις. Η θερμοκρασία λειτουργίας μπορεί να φτάσει τους 1200 ° C. Η πυκνότητα είναι μόνο 0,096-0,128g / cm3. Μετά την προσθήκη του Cr02, αφού το CrO2 αποτρέπει την καθίζηση κρυστάλλων και την ανάπτυξη στο τμήμα επαφής μεταξύ των ινών, η αντίσταση συρρίκνωσης υψηλής θερμοκρασίας της ίνας μπορεί να βελτιωθεί και η θερμοκρασία χρήσης φτάνει τους 1400 ° C. Το σύνθετο υλικό από αλουμίνιο πυριτικών ινών μπορεί να κατασκευαστεί σε σχήμα χαλιών, πιλήματος, χαρτιού και πλακών. Έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στη θερμομόνωση εξοπλισμού θερμικής ενέργειας, όπως η χημική βιομηχανία και τα μηχανήματα, καθώς και το στρώμα θερμομόνωσης εξαρτημάτων πυραύλων.
Ίνες χαλαζία. Οι ίνες χαλαζία αναφέρονται σε υψηλής καθαρότητας ειδικές ίνες από διοξείδιο του πυριτίου με περιεκτικότητα σε περιοδικό μικρότερο από 0,1% και διάμετρο ινών 0,7-15 μm. Έχει υψηλή αντοχή στη θερμότητα, μακροχρόνια σταθερή θερμοκρασία χρήσης 1050 ° C και άμεση αντίσταση θερμοκρασίας έως 1700 ° C. Επιπλέον, οι ίνες χαλαζία έχουν αντοχή στη διάβρωση, συγκράτηση υψηλής αντοχής σε υψηλή θερμοκρασία, σταθερότητα διαστάσεων, καλή αντίσταση θερμικού σοκ , υψηλή χημική σταθερότητα και εξαιρετικές ιδιότητες ηλεκτρικής μόνωσης, διηλεκτρική σταθερά και διηλεκτρική απώλεια. Ο συντελεστής είναι ο καλύτερος μεταξύ όλων των ορυκτών ινών και είναι πολύ φθηνότερος στην παραγωγή από τις ίνες καρβιδίου του πυριτίου. Ως εκ τούτου, οι ίνες χαλαζία έχουν σημαντική χρήση στις αμυντικές στρατιωτικές και αεροδιαστημικές βιομηχανίες και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή συστημάτων θερμικής προστασίας αεροδιαστημικής.
Οι ίνες χαλαζία ταξινομούνται σε συνεχείς ίνες γυαλιού χαλαζία και υαλοβάμβακας χαλαζία. Οι συνεχείς ίνες γυαλιού χαλαζία αναφέρονται σε μια μακρά ίνα που λαμβάνεται τραβώντας μια εξωτερική δύναμη μετά την τήξη του γυαλιού χαλαζία. Γενικά, η διάμετρος του μονόινα είναι 3-10 μm, και μπορεί να υποστεί επεξεργασία σε νήματα από υαλοβάμβακα χαλαζία, ύφασμα και τα παρόμοια. Το υαλοβάμβακα χαλαζία αναφέρεται σε ένα είδος μακράς και κοντής ίνας από χαλαζία που λαμβάνεται με φυσήγμα ενός γυαλιού χαλαζία από μια ροή αέρα υψηλής πίεσης και το σχήμα του είναι αφράτο, παρόμοιο με το βαμβάκι. Γενικά, το εξαιρετικά λεπτό βαμβάκι, το οποίο έχει διάμετρο ινών μικρότερη από 3 μm, ονομάζεται λεπτό βαμβάκι με διάμετρο 3-5 μm.
Mullite ίνες. Το Mullite είναι η μόνη δυαδική ένωση που μπορεί να υπάρχει σταθερά σε κανονική θερμοκρασία και πίεση στο δυαδικό σύστημα πυριτίας και αλουμίνας. Ο χημικός τύπος είναι 3Al2O3·2SiO2, και το διάγραμμα φάσης του είναι όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.
Σχήμα 1 Διάγραμμα φάσης υλικού Mullite
Οι ίνες Mullite είναι μια πολυκρυσταλλική ίνα με μια κύρια φάση κρυστάλλων των κρυσταλλιτών mullite. Είναι η μόνη σταθερή φάση στο δυαδικό σύστημα πυριτίας και αλουμίνας. Η δραστηριότητά του είναι χαμηλή και η ικανότητα ανακρυστάλλωσής της είναι χαμηλή. Η πέτρα έχει καλή αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία και μπορεί να χρησιμοποιηθεί έως και 1500℃. Ωστόσο, όταν η θερμοκρασία είναι υψηλότερη από 1500℃, ο κόκκος θα αναπτυχθεί και θα χάσει τις μηχανικές του ιδιότητες υψηλής θερμοκρασίας. Όταν η θερμοκρασία φτάσει περίπου το 1830℃, Θα αποσυντεθεί γρήγορα σε αλουμίνα και υγρή φάση. Η ινώδης μουλίτη διαστέλλεται ομοιόμορφα όταν θερμαίνεται, έχει εξαιρετική σταθερότητα αντίστασης σε θερμικό σοκ, χαμηλή θερμική αγωγιμότητα, δεν είναι εύκολο να σέρνεται σε υψηλή θερμοκρασία και όχι μόνο μπορεί να διατηρήσει καλή ελαστικότητα, αλλά επίσης έχει μικρή συρρίκνωση και το ίδιο το υλικό έχει καλή χημική σταθερότητα . Δεν είναι ευαίσθητο στη διάβρωση, οπότε χρησιμοποιείται ευρέως σε διάφορα προϊόντα υψηλής θερμοκρασίας και συστήματα θερμικής προστασίας ως ένα νέο, εξαιρετικά ελαφρύ, υψηλής θερμοκρασίας ανθεκτικό στη θερμότητα ίνα. Ωστόσο, οι φυσικές μηχανικές ιδιότητες θερμοκρασίας των ινών mullite δεν είναι καλές, γεγονός που έχει καταστεί σημαντικό εμπόδιο στην πρακτική χρήση του υλικού.
Ίνες αλουμίνας. Οι ίνες αλουμίνας είναι ένα είδος πολυκρυσταλλικής κεραμικής ίνας, η οποία έχει πολλές μορφές όπως μακρές ίνες, κοντές ίνες και ψίθυρες. Περιέχει κυρίως Al2O3 και μερικές φορές περιέχει μια ορισμένη ποσότητα προσθέτων όπως σίλικα, νιτρίδιο του βορίου, ζιρκόνια, οξείδιο του σιδήρου, οξείδιο του μαγνησίου και τα παρόμοια. Η ίνα αλουμίνας έχει διάμετρο 10-20 μm και πυκνότητα 2,7-4,2 g / cm3 και έχει υψηλές μηχανικές ιδιότητες, αντοχή εφελκυσμού 1,4-2,45 GPa και συντελεστή εφελκυσμού 190-385 GPa.
Έχει καλή χημική αντίσταση, αντοχή στην οξείδωση, υψηλή θερμοκρασία, υψηλή χημική σταθερότητα και χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής, σημείο τήξης 2050 ° C, μπορεί να χρησιμοποιηθεί στους 1500 ° C για μεγάλο χρονικό διάστημα.
Οι κοντές ίνες αλουμίνας χρησιμοποιούνται κυρίως για υλικά μόνωσης υψηλής θερμοκρασίας, μεγάλες ίνες χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση σύνθετων υλικών και τα μουστάκια έχουν υψηλή αντοχή και ορισμένες ειδικές μαγνητικές, ηλεκτρικές και οπτικές ιδιότητες, οι οποίες χρησιμοποιούνται σε λειτουργικά υλικά. Οι ίνες αλουμίνας έχουν καλή επιφανειακή δραστηριότητα και είναι εύκολο να συνενωθούν με βασικά υλικά όπως μέταλλο και κεραμικά. Σε συνδυασμό με την υψηλή θερμοκρασία χρήσης του, έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως σε γενικά βιομηχανικά και υψηλής τεχνολογίας πεδία. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε κλιβάνους υψηλής θερμοκρασίας και θερμικής μηχανικής. Εξοπλισμός, πυρηνικοί αντιδραστήρες και θερμομονωτικά υλικά για το διαστημικό λεωφορείο. Οι Ηνωμένες Πολιτείες χρησιμοποιούν ίνες αλουμίνας ως μονωτικά πάνελ στο Space Shuttle Columbia. Όταν το διαστημικό λεωφορείο πετά στην ατμόσφαιρα, τα μονωτικά πάνελ εμποδίζουν τη θερμότητα από την είσοδο της θερμικής ασπίδας μέσω του κενού μεταξύ των μονωτικών πλαισίων. Οι ίνες αλουμίνας έχουν σημαντική στρατηγική σημασία και μεγάλη εμπορική αξία στον στρατιωτικό και αεροδιαστημικό τομέα, προσελκύοντας πολλές χώρες να επενδύσουν πολύ ανθρώπινο δυναμικό, υλικούς πόρους και οικονομικούς πόρους για έρευνα και ανάπτυξη και αξιοποίηση. Ωστόσο, η ίνα αλουμίνας έχει υψηλή πυκνότητα και υψηλή θερμική αγωγιμότητα, η οποία περιορίζει την περαιτέρω εφαρμογή της.
