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陶瓷纤维的五大性质

发布者: 高温粘结剂|硅酸铝保温涂料|南方(综合)保温材料厂  发布时间:2017-10-6 10:22:02

      陶瓷纤维是服务于高温技术的基础材料,与各种工业窑炉有极为密切的关系。各种工业窑炉因用途和使用条件不同,对构成其主体的基础材料-陶瓷纤维的要求也就不同。而不同种类的陶瓷纤维也由于化学矿物组成、显微结构的差异和生产工艺不同,表现出不同的基本特性。所以,在研究、生产、选用工业窑炉筑炉材料的过程中,必须对陶瓷纤维的基本性质和各各陶瓷纤维的特性有充分的认识。
     陶瓷纤维的品质取决于其性质,它是评价陶瓷纤维的质量标准,也是选择陶瓷纤维的依据。陶瓷纤维的五大性质一般包括化学矿物组成、结构性质、热学性质、力学性质及使用性质等。

    一、陶瓷纤维的化学矿物组成;是陶瓷纤维性质的其中一种,陶瓷纤维的化学矿物组成决定了陶瓷纤维的品质。通常根据陶瓷纤维的化学成分,即主要成分和有害杂质成分来区分其类别。对于高档陶瓷纤维,不仅要考虑化学组成,还要考虑主晶相含量、晶粒尺寸,甚至晶相的特征等。
    化学组成即通常所称的化学成分,是陶瓷纤维的最基本特征。按各个化学成分含量的多少和作用将其分为两部分:即占绝对多量的主要成分和占少量的副成分。副成分包括陶瓷纤维生产用原料伴随的有害杂质成分和陶瓷纤维生产过程中为改善其性质而特别加入的添加成分。
    Al2O3、SiO2、ZrO2、Cr2O3等氧化物构成了陶瓷纤维的主成分。它们的性质和数量直接决定着陶瓷纤维的品质,尤其是陶瓷纤维的耐热性,这是因为这些主成分均为高熔点的氧化物。
    使用天然原料,甚至高纯工业原料生产的陶瓷纤维不可避免地要混入一定数量杂质成分,因而陶瓷纤维的质量规定中都规定了主成分的最低值


    二、陶瓷纤维的结构性质;陶瓷纤维直径多为2~5Um,长度30~250mm,呈表面光滑无缺陷的圆柱形,截面往往是圆形。与传统轻质耐火材料相比,陶瓷纤维具有气孔率高、气孔孔径和比表面积大等特点。一般陶瓷纤维气孔率大于90%。轻质耐火材料的隔热功能主要就是利用气孔中空气的隔热,因而气孔孔径的大小、气孔性质(开气也或闭气孔)对材料的导热性能有决定性的影响。
    陶瓷纤维的组织结构系由固态纤维与空气组成的混合结构。这种结构类型的轻质耐火材料的显微结构特点是固相和气相都以连续相的形式存在。在这种结构中,固态物质以纤维状形式存在,并构成连续固相骨架,而气相则连续存在于纤维材料的骨架间隙之中。


    三、陶瓷纤维的热学性质;导热系数是物质的一种物理性质(也是陶瓷纤维里的热学性质),它表征物质的导热能力。导热系数的数值大小是指单位时间内,每单位长度,温度差为1℃时,每单位面积所通过的热量,其单位为W/(m.K)。
    对于各种不同的物质,导热系数是不同的。对于同一物质,其导热系数的数值还要取决于该物质的结构、体积密度、压力和湿度。各种不同物质的导热系数的数值相差很大,在0℃时,根据已确定的数值,范围是0.0065~417.6W/(m.K)。
    在各种物质中以气体导热系数值最小。常温下空气导热系数值仅0.0255W/(m.K)。在工业上气体被广泛用作绝热体。但气体只有在不发生对流的时候,方能保持其优良的绝热性能。静止空气是一种具有接近空气的导热率,是因为陶瓷纤维系由固态纤维系由固态纤维和空气组成的混合结构,气孔率高达90%以上,大量低导热率空气充满于气孔中,并破坏了固态分子的连续网络结构,从而获得优良的绝热性能。并且气孔直径越小,沿热流方向由固态纤维分割成密闭状态的气孔数量越多,则陶瓷纤维的绝热性能越好。
    由于陶瓷纤维具有不同于传统耐火砖、绝热砖的结构,从而决定其热传导过程亦不相同。陶瓷纤维中的传热不单纯是固态纤维的导热,同时还存在着空气的导热、空隙中气体的对流传热和孔壁之间的辐射传热。从传热角度来看,一般以导热系数这一重要的物理指标来表征陶瓷纤维的绝热性能。对均质材料来说,导热系数代表材质本身的热性能,多孔混合结构的陶瓷纤维的导热系数则表征了其内传导、对流及辐射等三种传热效果的总和,故又称其为当量导热系数或表观导热系数。采用陶瓷纤维作为工业窑炉、高温管道壁衬材料的原因,在于通过对炉(管)壁的绝热达到控制热流、节约能源的效果。为此,必须探明影响陶瓷纤维材料导热系数的主要因素,并在陶瓷纤维生产、使用等环节中加以调节、控制,以获得最佳效益。影响陶瓷纤维导热系数的主要因素包括:(1)温度;(2)密度;(3)渣球;(4)纤维直径;(5)纤维湿度;(6)使用气氛;(7)纤维方向;这些都与陶瓷纤维的导热系数影响有关的。由此可见导热系数不仅是表征纤维状轻质耐火材料绝热性能的重要指标,也是陶瓷纤维窑炉设计时纤维炉衬传热计算中的主要技术参数之一。



    四、陶瓷纤维产品的力学性质是指产品在外力作用下,抵抗变形和破坏的能力。陶瓷纤维产品的力学性质指标包括耐压强度、抗拉强度、抗折强度。对不同品种的陶瓷纤维产品要求的力学性质指标不同。陶瓷纤维毯、软毡、纸及纺织品等柔韧性产品的力学性质指标为抗拉强度。陶瓷纤维板、陶瓷纤维不定形材料(浇注料、可塑料、喷涂料)等刚性产品的力学性质指标为耐压强度、抗折强度。
    1、耐压强度
    指刚性陶瓷纤维产品常温下,单位面积上所能承受的极限载荷。耐压强度是衡量刚性陶瓷纤维产品质量的重要性能指标之一,可间接地反应出产品的组织结构,如致密性、均匀性、烧结性等。根据试样测试前受热条件的不同,刚性陶瓷纤维产品的耐压强度指标又分为:
    (1)烘干耐压强度,试样在110℃温度下干燥,并保温24h,待试样冷却至常温测得的数值,单位为MPa;
    (2)烧后耐压强度,试样在使用温度下煅烧,并保温3h,待试样冷却至常温测得数值,单位为MPa。
    2、抗折强度
    指刚性陶瓷纤维阁单位面积承受弯距时的极限折断应力,又称抗弯强度、断裂模量。
    气孔大小和数量、组织结构是否均匀一致、纤维间结合是否牢固是决定其产品抗折强度大小的重要因素。根据试样测试前受热条件不同,刚性陶瓷纤维产品的抗折强度指标又分为:
    (1)烘干抗折强度,试样在110℃温度下干燥,并保温24h,待试样冷却至常温测得的数值,单位为MPa;
    (2)烧后抗折强度,试样在使用温度下煅烧,并保温3h,待试样冷却至常温测得的数值,单位为MPa。
    3、抗拉强度(抗张强度)
    指柔韧性陶瓷纤维产品(毯、软毡、纸、纺织品等产品)单位面积承受拉应力(拉伸负荷)的作用而产生破坏的极限应力,以试样单位横截面上所承受的负荷来表示,单位为MPa。
    4、高温蠕变性
    指耐火材料在高温下,受应力作用随时间变化而发生的等温形变。由于施加外力的方式不同,可分为高温压缩蠕变、高温拉伸蠕变、高温弯曲蠕变和高温扭转蠕变等。但主要应用的是压缩蠕变。无论何种形式的蠕变,都是形变量与温度、应力和时间的函数关系。在应力和温度固定的情况下,耐火材料蠕变可分为三个特征阶段,第一阶段为减速蠕变(初期蠕变),这一阶段的时间很短;第二阶段为匀速蠕变;第三阶段为加速蠕变,此阶段蠕变速率迅速增加,直至材料受到破坏。
    改善陶瓷纤维蠕变性的重要途径是改善陶瓷纤维产品的化学矿物组成和结构。应提高原料的纯度,减少高温下液相生成量;提高玻璃玻璃相黏度,抑制晶粒生长速度。
 
  六、陶瓷纤维的使用性质

   1、耐热性和加热线收缩变化
      陶瓷纤维作为继传统重质耐火砖及不定形耐火材料之后的第三代耐火材料,它不仅具有一般低导热率材料所具有的优良的绝热性能,并具有高温下持续工作的优良耐热性能。由于玻璃质纤维的结晶和晶粒生长;纤维中有害杂质及纤维使用中腐蚀性物质促进纤维结晶、聚晶及纤维接触处的烧结;高温蠕变等因素,造成纤维结构的变化——收缩变形、纤维失弹、脆化折断、纤维强度降低、致密化,直至发生烧结丧失纤维状结构。因此,各类陶瓷纤维的使用温度都有一个极限温度称为最高使用温度,又称为“分类温度”或“等级温度”,并作为纤维耐热性能的标志。国际上习惯把陶瓷纤维产品分为4个等级温度,即1000℃型、1260℃型、1400℃型和1600℃型。
      陶瓷纤维的最高使用温度,是指陶瓷纤维短时间内能承受的极限温度,用以表征陶瓷纤维产品的耐热性的指标。陶瓷纤维产品允许长期使用温度一般比最高使用温度低200℃左右。以国产1260℃型纤维制品为例,其长期使用温度是1000℃左右。因此,最高使用温度这个概念很重要,它与长期使用温度有着密切的关系,是纤维应用过程中主要的参考依据。过去有些使用单位把最高使用温度当成长期使用温度,这是错误的,会造成不必要的损失。
     除此之外,同一种陶瓷纤维产品在不同条件下使用,其长期使用温度也有差异。如工业窑炉操作制度(连续或间歇式窑炉)、燃料种类、炉内气氛等工艺条件,都是影响陶瓷纤维使用温度和使用寿命的因素。
    目前还没有测定陶瓷纤维耐热性指标的理想方法。一般是将陶瓷纤维产品加热到一定温度,根据试样加热线收缩变化和结晶程度来评定陶瓷纤维产品的耐热性。
   2、抗热震性能
      指陶瓷纤维制品在温度急剧变化条件下抵抗产生开裂、剥落断裂等损伤的能力,又称为抗热冲击性,抗温度急变性,耐急冷、急热性等。
   3、抗风蚀性能
      陶瓷纤维表面光滑,彼此结合力差。在制毡、板(或成毯)的工艺中必须加入一定量的结合剂,或采用“针刺”方法,使纤维制品保持一定强度和施工性能。当温度升高至600℃左右,纤维制品中的结合剂开始逐渐挥发,并靠纤维间相互交织保持一定形状。当气流速度超过一定范围,纤维制品就会逐渐冲刷剥落,因而引起纤维壁衬的抗风蚀性能。无纺针刺技术引入陶瓷纤维二次制品生产工艺之后,使陶瓷纤维针刺毯的抗风蚀性能提高至20m/S.g。
   4、弹性及抗透气性能
      陶瓷纤维用作高温气体的密封材料和垫衬材料,要求具有弹性(压缩复原性)和抗透气性。当温度超过400℃时,随温度升高,由于发生蠕变,纤维制品的回弹率将逐渐减小。陶瓷纤维的压缩回弹率随纤维制品的密度增大而提高,其透气阻力也相应增大,即纤维制品的透气性减小。因此,作为高温气体的密封材料和垫衬材料时,应选密度大(至少128kg/m3)的纤维制品,以提高其压缩回弹率和透气阻力。
   5、化学稳定性能
      在氧化性气氛和中性气氛中,陶瓷纤维具有优良的化学稳定性。而在还原性气氛、真空条件及窑炉气氛中含有硫酸盐、氟化物、碱金属、V2O5等物质时化学稳定性差,并直接影响纤维的析晶和晶粒生长速度,使陶瓷纤维性能劣化。
   6、隔音性能
      由于陶瓷纤维制品是微细纤维多孔集合体,具有优良的吸音性能,并可用作高温消音材料。对于高频声波,体积密度小的纤维制品吸音音量降低率大,而对于低频声波则相反,体积密度小的纤维制品的吸音音量降低率小。
   7、电气特性
     陶瓷纤维具有优良的电气绝缘性能,是绝缘性材料。但其绝缘电阻随温度的升高而降低。陶瓷纤维的介电特性,即使在高温状态下,陶瓷纤维仍具有很高的介电常数和低的介电损失,适于用作高频率绝缘材料。


 
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