从3M公司Nextel系列的氧化铝陶瓷纤维看SiO2含量对其性能的影响

  氧化铝我们都再熟悉不过了，它不仅有较高的熔点（2054℃），并且还有出色的机械强度、硬度、高电阻率和导热性能，因此是世界上用量最大的特种陶瓷材料之一。不过材料学家相信氧化铝还有许多潜能未能被发掘，因此一直有在研究它的新用法，比如说

  氧化铝纤维是何物？氧化铝纤维是一种高性能的无机纤维，虽然名字中没有体现，但其实它的成分并不限于Al2O3，有的还含有SiO2和B2O3等金属氧化物成分，是一种相当高端的耐火材料。作为当今世界最新型的超轻质高温耐火纤维之一，氧化铝纤维不但可以在更高温度下保持很好的抗拉强度，经常使用温度在1450-1600℃；而且表面活性好，易与树脂、金属、陶瓷基体复合，形成诸多性能优异、应用广泛的复合材料。同时它还具有热导率小、热线胀系数低等优点，在“防火隔热”这一块也很有一手。此外，与其它高性能无机纤维如碳化硅纤维相比，氧化铝纤维原料成本要低，且生产的基本工艺简单，具有较高的性价比。

  目前氧化铝纤维已被大范围的应用于航空航天、核电核能、军工和汽车工业等领域。在业界，它甚至还被认为是最具有潜力的高温材料之一。氧化铝纤维的代表产品经过多年的发展，氧化铝纤维已经成功实现商业化，主要的品种有美国Du Pont公司的FP、PRD-166，美国3M公司生产的Nextel系列新产品，英国ICI公司生产的Saffil氧化铝纤维，日本Sumitomo公司生产的Altel氧化铝纤维等。其中3M的Nextel系列新产品我们大家可以在网上找到详尽的资料。这些陶瓷纤维是通过溶胶-凝胶法生产的，其制备方法是：在含有甲酸根离子和乙酸根离子的氧化铝溶胶中，加入作为硅组分的硅溶胶和作为氧化硼组分的硼酸，得到混合溶胶，浓缩成纺丝液进行挤出纺丝，然后在1000℃以上带有张力条件下烧结，得到连续氧化铝纤维。以下是它的两种主要型号，分别为Nextel610和Nextel720的性能参数对比。

  可以发现，两者的性能存在比较大差异，它们的主要不同之处在于SiO2的含量。其中Nextel610几乎完全是由α氧化铝的单相成分组成的，它在室温下比Nextel720有着更高的强度。而Nextel720的组成中添加了比较大量的SiO2，虽然拉伸强度、弹性模量等性能上都略逊于Nextel610，但是在应变性能上却有着更突出的表现，这是怎么回事呢？

  二氧化硅对氧化铝纤维的影响查看3M公布的产品资料，会发现对于720的描述是这样的：Nextel陶瓷结构纤维720是由添加了SiO2的α氧化铝制成，由于减少了晶界滑动，因此在更高的温度下具有更加好的强度保留。而莫来石相的存在，也使得Nextel720比Nextel610具有更高的蠕变阻力。

  这里面提到了几个关键点，如晶界滑动、莫来石相以及蠕变阻力等。其实这些都是能结合起来讨论的。我们就先从莫来石相开始。①莫来石首先要知道，莫来石陶瓷是主相为莫来石（3Al2O3·2SiO2）的一类陶瓷的总称。可简单分为普通莫来石瓷和高纯莫来石瓷两大类，这里就先不讨论普通莫来石瓷，感兴趣的可以阅读这篇文章做进一步了解——《除了耐火材料，莫来石陶瓷还能做些什么？》高纯莫来石陶瓷采用人工合成的超细高纯莫来石粉末制备而成，它具有膨胀均匀、热震稳定性极好、荷重软化点高、高温蠕变值小、硬度大、抗化学腐蚀性好等特点。虽然莫来石陶瓷的室温强度较低，限制了其室温应用（就像上面的610在室温下会比720具备更高的强度一样）。但莫来石有个特点，它在高温下强度衰减较小，在1300℃时抗弯强度可达570MPa，断裂韧性KIC达5.7MPa，均比常温时高1.6倍，这种随温度上升、强度和韧性不仅不衰减反而大幅度提升，是高纯莫来石陶瓷作为高温材料极佳的特性，因此它在电子封装材料、汽车领域等有着重要的应用。

  ②晶界滑动接着我们来讲讲莫来石的高温性能为何会这么突出，这里涉及到一个概念就是晶界滑动。对于陶瓷材料来说，在较高温度条件下，由于晶界上的原子易于扩散，受力后易产生滑动，就会促进蠕变进行。随着温度的升高，应力降低，晶粒度减小，晶界滑动对蠕变的作用慢慢的变大。晶界的滑动易于在晶界上形成裂纹，当裂纹迅速扩展达到临界尺寸后便产生蠕变断裂。③高温蠕变不过上面也提到了，莫来石有个特点就是高温蠕变值小，越高温越强。这是因为在高温下，铝硅酸盐会形成细长的莫来石晶体，它们会形成高强的互锁网络，减少晶界滑动。因此Nextel720在高温下就能消耗SiO2和Al2O3来形成莫来石使抵抗形变的性能发生明显的变化，这就是它比Nextel610有着更好的抗蠕变性能的根本原因，很适合作为填充或巩固材料改善复合材料的机械和热学性能（高抗热震等）。总结最初构思这篇文章，是在了解3M产品时发现一系列的产品在性能上的差异很有趣，因此想要以这个为题写一个小科普。在此之前很多人（甚至包括小编）或许会对莫来石有误解，觉得它不够“纯”是否意味着不够高级，却忽略了正是这样的组分才让它在高温领域有着如此优秀表现的事实。总而言之，材料没有高低优劣之分，只要能获得合适的应用，谁都能成为那个领域的种子选手。粉体圈 NANA