(a)η态氧化铝纤维结构透射电镜照片

(b)δ态氧化铝纤维结构透射电镜照片

图5

　　表2表明随着晶体微观结构的改变，纤维性能也随着改变。在Saffil高温纤维中需控制的一个重要的参数是α-Al₂O₃的量以获得最佳的热工与机械性能。对低α-Al₂O₃纤维(LA）和高α-Al₂O₃纤维(HA)试验表明：HA纤维在高温应用中热收缩率小，而LA纤维在机械性能方面有较好表现。

表2　氧化铝纤维处理后性能随晶体结构而改变

3　形态各异的纤维制成品
3.1　纤维毡和纤维毯
　　氧化铝纤维可用作加热炉内衬，其最高使用温度1 600 ℃。纤维有高的回弹性(见图6)。在1 200℃仍能保持较高的纤维回弹性。在1 200 ℃以上，纤维压缩回弹率随着纤维微观结构逐渐变化而加大。但纤维毡在施工中采用预压缩或纤维块经预扎致密、交错安装等技术，使纤维在高温下得以回弹，不会产生高温收缩缝。炉衬的使用寿命得以增加。

图6　纤维毯的隔热性能

图7　两种氧化铝纤维的线收缩特性及硅酸铝纤
维的线性收缩特性(24 h保温)

图9　混合纤维中SiO₂量对高温线性
收缩性能的影响

　　氧化铝纤维在陶瓷业和石化工业上有许多用途，在钢铁工业中的炉子上业已得到了广泛的应用。在这些应用中，有许多工作环境非常恶劣，如加热温度在1 450 ℃的锻造炉、钢锭二次加热炉、均热退火炉等。燃料的类型对纤维炉衬的隔热性能和使用寿命有较大影响，重油燃烧对纤维炉衬有严重污染和反应问题。对这一问题的推荐解决方案是在炉衬上喷涂表面涂层。
　　Thermal Ceramics有限公司是近几年主要的氧化铝纤维及其制品的制造商，生产氧化铝纤维及混合纤维的板、毡等。表3列出了一些成功应用氧化铝纤维作炉子内衬的例子。

表3　钢铁行业高温炉炉衬上内贴氧化铝纤维应用实例评价

　　氧化铝纤维和陶瓷纤维(45%Al₂O₃，55%SiO₂)混合纤维的高温线收缩率随温度呈非线性增长，见图8曲线。随着氧化铝含量增加，纤维线收缩率下降，但这一下降受氧化铝纤维含量影响，氧化铝纤维量低于50%或Al₂O₃含量低于72%时，影响最为显著，此时，混合纤维收缩率等同于莫来石纤维。在温度高于玻璃脱琉温度时，陶瓷纤维在稳定的氧化铝纤维搭建的框架中收缩。当温度进一步升高到烧结温度，此时，一般陶瓷纤维将发生大面积收缩，而混合纤维将发生SiO₂与氧化铝纤维共同生成莫来石晶体。当陶瓷纤维中SiO₂全部转化为莫来石后，纤维性能得到很大提高，图9给出了混合纤维自由态SiO₂全部生成莫来石后的高温线收缩。

图8　混合纤维(氧化铝纤维+硅酸铝纤维)中氧化铝
纤维含量对高温线收缩性能的影响

　　毡制品模块结构在工艺和经济两方面对真空成型产品形成了一系列的挑战。低渣球量的纤维对表面光洁度质量要求较高产品的处理场合非常适用，如汽车工业表面钢板的处理。目前越来越多的连续退火炉使用氧化铝纤维作隔热内衬。
　　如果工作温度足够高，所有级别的Saffil纤维将最终转变为热力学稳定态：α-Al₂O₃，但此时若有少量SiO₂存在，在这种条件下转变为莫来石晶体，可以阻止Al₂O₃晶粒长大，保持结构的一致性，从而延长隔热寿命。纯氧化铝纤维毡也用于化学环境较为恶劣，陶瓷纤维不能使用的地方。如在还原性气氛下或真空条件下，陶瓷纤维会有大量SiO₂烧损的地方。
　　一个突出的例子是高铝纤维毡可以在(5～10)×133 Pa真空度，温度为1 400 ℃下，在钼加热管下工作。另一个实例是应用在陶瓷烧结窑炉内，温度为1 410 ℃，含35%CO还原气氛。在这种间歇式窑炉上使用氧化铝纤维作隔热层可节约燃料32%。
3.2　散装纤维及其真空成型
　　散棉氧化铝纤维可为多方面供货。通过真空成型工艺可生产形状各异、大小尺寸不同的隔热产品，这一技术是将氧化铝纤维与有机或无机粘结剂和填料、添加剂和其它纤维相混合，制成形状简单或复杂的制品，经加工后可满足很高的精度要求。M.H.Detric有限公司用纤维生料经真空成型可制成形状各异的样品。
3.3　精制的混合纤维制品
　　应用各种隔热制品的最重要目的是获得最佳的性能价格比，需综合考虑原材料价格、隔热性能、使用寿命和维修费用等主要参数。
　　炉子工作温度越高燃料节省越大，但在隔热系统上的花费也越多。通过将氧化铝纤维与廉价的陶瓷纤维相混合开发出混合纤维产品系列，具有各档热工性能。隔热产品的一个最重要的性能参数是在最高使用温度下的高温线收缩率，这一参数的主要影响因素是氧化铝纤维含量。图7曲线给出了Saffil LA纤维(低α-Al₂O₃）和HA纤维(高α-Al₂O₃）两种纤维的高温收缩特性及其与标准1260陶瓷纤维和经改良耐高温陶瓷纤维的比较。

图10　纤维中Al₂O₃含量与纤维使用温度的关系
(24 h保温，3%线收缩)

图11　真空成型板的线收缩性能(4 h保温)

9　新的挑战
　　有许多窑炉、炉子要求采用能够承受1 800 ℃以下各档温度的炉衬，根据特殊用途优化选择炉衬热面有以下几项指标：
　　(1) 在炉子使用温度下炉衬材料的工作特性
　　(2) 对炉内气氛的耐久性
　　(3) 炉衬的节能效果
　　(4) 生产周期(开炉时间)
　　(5) 维修、保养费用
　　(6) 安装费用

10　结论
　　氧化铝纤维及其合成纤维(氧化铝纤维+陶瓷纤维)在陶瓷、冶金行业的高温炉上作炉衬非常成功。由于这些行业被处理产品的质量要求高，对纤维炉衬的性能和寿命有较高的要求。
　　在石化工业，生产工艺常常要求炉子在若干年内连续运行而内衬不需维修。在这些炉子上可以使用氧化铝纤维。使用氧化铝纤维的另一个优势是使用预制轻质纤维模块结构可以节省安装费用。
　　可以预计，随着对纤维粘结剂模块的研究和不断优化，更多地开发出纤维产品的安装和调整方式，以氧化铝纤维为基础构成的纤维制品将得到更广泛的应用。

　　石化行业对纤维炉衬常常提出特殊的要求：连续使用寿命高，可靠使用寿命超过10年，维修量小。如乙烯裂解炉，炉内温度常为1 200～1 300 ℃，烧嘴温度1 500 ℃。

6　纤维在航空航天上的应用
　　各种氧化铝纤维制品还可用于隔热上，这种材料可制成USA航空航天飞机热保护系统用零件。如航天飞机的空气二次进风处，温度大约在1 300 ℃，氧化铝纤维可以用来作隔热系统。这种纤维还可用于各种内部固定或航天材料板。目前，用在航天飞机前部和侧面作热屏蔽的航天材料板是由SiO₂-Al₂O₃纤维和SiO₂纤维合成的。然而，第2代板材有希望能承受大于1 500 ℃的二次进风空气温度。氧化铝纤维的加入能改善混合纤维的加热线收缩性能,抗拉强度可增加20%，耐热温度提高15%。

7　总体经济评价
　　图12给出了各种纤维50 mm厚每平方米价格。通常，氧化铝含量越高，纤维的允许使用温度越高，同时价格也越高,即制造费用越高。
　　随着使用温度的升高，50 mm厚纤维层的保温节能效果越显著，燃料节约率越高。

图12　纤维使用温度与价格的关系
(含45%Al₂O₃的硅酸纤维价格为100)

8　纤维毒性分析
　　近20年以来，高温陶瓷纤维为能源节约、环境改善作出了巨大贡献。然而由于其纤维颗粒细小，对从事纤维制造或施工、使用的工人的身体健康有害，这对纤维的使用是一个很大的限制。
　　尽管目前科学委员会还未就纤维颗粒大小、特性对动物和人体影响的试验结果形成统一认识，但纤维大小对人体健康的重要性已获得认识。目前普遍认为：1 μm以下的纤维颗粒需引起重视。根据这一观点，对氧化铝材料的颗粒大小进行控制使其对健康的潜在伤害最小。
　　对兔子用注射、喂食、吸入等方式做毒性试验，用石棉做，结果为阳性；用氧化铝纤维做试验，生物反应是阴性的。

5　最新发展动态
　　在混合纤维制品中加入无机粘结剂能改善纤维的加热线收缩，像加入填料会增加纤维密度一样。图11曲线给出了真空成型板(加有SiO₂粘结剂，以增加刚性)线收缩特性。通过对粘结剂模数的优选和改善交互反应可以大大增强耐高温性能。由Kanthal GmbH公司提供的Fibrothal制品(HT1750/1900)是一种用Saffil纤维添加无机粘结剂制品。这种产品可以用来制作坚固且重量轻的耐火砖、Half型外壳、圆管等。捣实成形后直接安装在炉内，方便可行。这类产品最高可用到1 800 ℃，其密度为0.32 g/cm³，具有很好的机械性能。而且因为氧化铝含量很高，这类产品具有很好的抗化学腐蚀性。由于氧化铝纤维具有很好的各向均匀性，这类产品的结构完整性很高。这种新型成型工艺也相应得到了发展。