轻松读懂氧化锆纤维

　　一、氧化锆纤维

　　氧化锆纤维是耐火纤维的一种。耐火纤维具有耐高温、热稳定性好、热导率低、热容小和耐机械震动等优点。根据纤维的微观结构形态，耐火纤维可以分为非晶质纤维和晶质纤维。非晶质类陶瓷纤维主要是由玻璃态物质构成，如玻璃纤维和硅酸铝纤维，而晶质陶瓷纤维一般为多晶态微观结构，如氧化铝纤维，莫来石纤维和氧化锆纤维。人们早期关注的是莫来石纤维和氧化铝纤维，后来发现氧化锆纤维具有比硅铝质耐火纤维更为优越的性能熔点高（2700℃）、抗氧化、耐腐蚀、热传导率低，在大气中，2200℃时仍保持完整的纤维形态，因此，氧化锆纤维及制品也被认为是极好的耐火纤维材料。硅酸铝纤维质优价廉，因此硅酸铝纤维广泛应用于连续加热的高温炉，可实现炉体结构轻型化、大型化，有效节约能源，是理想的节能增效材料。此外硅酸铝纤维还具有绝缘、消音、抗氧化、耐油和耐水性能，施工方便，因此在冶金、建材、石油、化工、船舶、电力、航天等领域应用广泛。

　　二、氧化锆的基本性质及晶型转变

　　氧化锆（ZrO₂）是高熔点的金属氧化物，相对分子量为123.22，具有很高的熔点（2700℃）和化学惰性，氧化锆不溶于水、硫酸、盐酸和硝酸，加热时微溶于氢氟酸和浓硫酸。因此可以用作为耐火材料。

　　纯氧化锆有三种同质异形体：单斜相氧化锆（m-ZrO₂）、四方相氧化锆（t-ZrO₂）、立方相氧化锆（c-ZrO₂）。三种晶型的氧化锆密度分别为5.65g/cm³，6.10g/cm³和6.27g/cm³。这三种晶型在一定条件下，可以发生相互转变。四方相ZrO₂与单斜相ZrO₂之间的相变称为马氏体相变，相变过程中发生的体积变化使得氧化锆具有增韧效果。氧化锆的三种晶型及转变如下所示：

氧化锆的三种晶型及转变

　　三、氧化锆纤维的制备

　　氧化锆纤维具有非常优良的耐高温性能，世界各国都对氧化锆纤维的研究与开发给予了极大的热情，并研究出各种制备方法。但是由于氧化锆的高熔点和熔体的低粘度特性，不能采用像硅酸铝及高铝陶瓷纤维那样的熔融制丝法，而只能采用前驱体法来制造，主要有载体法、无机盐法和溶胶凝胶法。

　　（一）载体法

　　载体法是将含锆的无机盐（如硝酸锆、氧氯化锆）水溶液通过浸渍进入人造丝等有机纤维或炭纤维等无机纤维之后，将这种“荷重前驱体纤维”置于特定的气氛中进行热解，待至碳化氢、碳部分分解后再进行热处理（烧成），使载体纤维充分氧化，锆盐转化成氧化锆，获得保持原纤维微观结构的氧化锆纤维。

　　有机/无机纤维预处理+含稳定剂的锆盐融液→浸渍→出去过剩锆盐→干燥→荷重前去体现为→热分解→热处理烧成→ZrO₂纤维

　　载体法制备氧化锆纤维工艺流程

　　（二）无机盐法

　　无机盐法是以水溶性锆盐为原料，加入一定量的水溶性高分子有机物制成混合液，过滤后加入稳定剂，加热浓缩到适当的粘度（100～350Pa），在特定的湿度和温度条件下纤维化，纤维化可采用喷丝、拉丝和旋转甩丝等方法，原纤维在一定温度下干燥烧成后得到氧化锆纤维。

　　锆盐水溶液+稳定剂+水溶性高分子有机物→蒸发浓缩→纺丝液→纤维化→干燥→热处理→ZrO₂纤维

　　无机盐法制备氧化锆纤维工艺流程

　　（三）溶胶凝胶法

　　该法是以醋酸锆（Zr(CH₃COO)₂）或锆的醇盐（如Zr(OCH₅)₄等）为原料，通过加水分解、蒸发、缩聚等制成一定粘度的氧化锆溶胶纺丝液，采用与无机盐法相同的纤维化方法制成凝胶纤维，干燥、热处理制成氧化锆纤维。

　　这种方法是一种比较可行的制备连续氧化锆纤维的方法，但是设备要求高，拉丝过程控制比较困难，生产成本高。

　　四、氧化锆纤维的性能

　　（一）氧化锆纤维的物理性能

　　氧化锆纤维的物理性能

　　（二）氧化锆纤维的高温性能

　　氧化锆纤维具有很好的高温性能，在温度高达2480℃时仍可保持其纤维形态，1400℃左右仍具有可绕性。氧化锆纤维使用温度可达氧化铝的熔点以上，可达2200℃，氧化锆纤维材料不仅适用于氧化气氛，而且可在还原气氛和真空下使用。氧化锆纤维与其它陶瓷纤维（隔热用）的高温性能比较见下表。

　　氧化锆纤维与其它陶瓷纤维的高温性能比较

　　（三）氧化锆纤维的隔热性能

　　氧化锆是公认具有超低导热系数的陶瓷材料，氧化锆纤维的导热性如同大多数陶瓷纤维一样，主要取决其松散性，氧化锆纤维的低密度提供了有效的隔热性能。几种不同陶瓷纤维的导热系数见下表。

　　几种不同陶瓷纤维的导热系数

　　五、氧化锆纤维的制品

　　（一）氧化锆纤维毡

　　氧化锆纤维毡是用有机短纤维经针刺制成有机纤维毡为前驱体，浸渍锆盐溶液，经热处理而得到的具有原有机纤维毡形貌的氧化锆纤维毡。氧化锆纤维毡主要用于晶体生长炉的隔热，在晶体生长炉中的使用温度高达1920℃，仍保持纤维毡形态，起到了极好的隔热作用。

氧化锆纤维毡

　　（二）氧化锆纤维板/异型件

　　氧化锆纤维制品是用氧化锆纤维为原料，经短切并加入低温、高温结合剂制成水性悬浮液，最后经成型烧成工序。制品有氧化锆纤维板、筒、罩、异型制品等，可机械加工。其制备工艺流程如下：

　　氧化锆纤维→短切→氧化锆纤维悬浮液制备→成型→脱膜→干燥→烧成→加工→成品

　　氧化锆纤维板/异型件制品可用作航天器的前锥体、喷气飞机、导弹等的绝热材料和烧蚀材料，还可用于原子能、磁流体、热离子、感应炉、微波烧结等。

氧化锆纤维板/异型件

　　（三）氧化锆纤维纸

　　氧化锆纤维纸是用氧化锆纤维经分散，加入粘接剂，必要时可加入其他纤维或晶须，经抄纸工艺而制成。氧化锆纤维纸主要用于碱性电池的隔膜，这是因为氧化锆纤维具有优异的耐腐蚀性能和耐高温性能。使用氧化锆纤维纸作碱性电池隔膜比常用的石棉纸、玻纤纸及尼龙隔膜性能优越，寿命长。

氧化锆纤维纸

　　（四）氧化锆纤维布

　　氧化锆纤维布是用特种有机纤维，经设计编织成具有特殊结构的有机纤维布做前驱体，浸渍稳定化的错盐溶液，经过与制备氧化锆纤维相同的工艺，最后在特定气氛及热处理工艺条件下锻烧而成。它具有普通布的外观特点，平整、柔软，具有一定的强度。

氧化锆纤维布尚未应用于民用

　　济南火龙热陶瓷有限责任公司是专业的耐火纤维生产商和防火保温工程承包商，有专业的工业窑炉保温施工队伍。火龙节能16年专注耐火纤维及不定型浇注料的生产及应用开发，已成功为国内外数百家企业提供了上千套保温隔热方案和材料。

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