单晶α-Al2O3纤维的性能优势及制备方法

氧化铝纤维产品

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氧化铝纤维的一大典型应用就是制备高温复合陶瓷应用于许多高温工况，如喷气发动机、燃气轮机和工业炉，以取代金属和金属合金。然而，作为高温陶瓷复合材料的增韧体，通常会存在以下两个问题：一是高温下产生晶体相变、晶粒粗化，以及由玻璃相的蠕变导致纤维的高温强度下降；二是在高温成形和使用过程中，氧化物纤维易与陶瓷基体（尤其是氧化物陶瓷）形成强结合的界面，导致复合材料的脆性破坏，丧失了纤维的增韧作用。

相比于多晶氧化铝纤维，单晶α-Al₂O₃纤维除具有多晶氧化铝纤维的优点外，可克服多晶纤维因晶粒在高温下长大而导致纤维性能下降的问题，得以实现在较大的温度范围内的热学、化学和力学性能大幅度提升，从而在加入基体材料后可使其复合材料的性能更加优越和稳定，可望在工业高温炉窑、军工、航空航天、交通运输及高新科技领域中得到广泛的应用。

几种非金属无机材料纤维的性质比较

气相法是制备单晶α-Al₂O₃纤维最常见的方法。气相法制备条件非常苛刻，通常需要特殊设备，反应需要在高温、真空或保护性气氛、催化剂条件下进行，因此限制了单晶α-Al₂O₃纤维的制备工业化。

气相法可分为固相-液相-气相法和固相-气相法。

固相-液相-气相法(Vapor-Liquid-Solid,VLS)法的主要制备过程为：在单晶α-Al₂O₃纤维的生长过程中，反应物、催化剂熔体和产物分别对应于VLS生长机制中的气相、液相和固相，将所要制备的单晶α-Al₂O₃纤维源加热形成蒸气，待蒸气扩散到液态金属团簇催化剂表面，形成过饱和团簇后在催化剂表面生长析出，从而形成单晶α-Al₂O₃纤维。

VLS法生长机理示意图

由VLS法制备的单晶α-Al₂O₃纤维的特征是纤维顶部有催化剂颗粒，而单晶α-Al₂O₃纤维的直径由催化剂尺寸决定，因此可以通过控制催化剂粒子的大小来控制单晶α-Al₂O₃纤维的直径。常用的金属催化剂有Au、Fe、Ni、Pt等。

VLS法要求催化剂对反应物有一定的溶解能力，两者需首先形成合金液滴，单晶α-Al₂O₃纤维的合成温度应介于最低共熔点和氧化铝材料本身熔点之间，因此VLS法制备单晶α-Al₂O₃纤维的难点是选择合适的催化剂。而加入催化剂有可能污染单晶α-Al₂O₃纤维，所以测试和使用前须去除催化剂。

固相-气相法(Vapor-Solid,VS)是将一种或几种反应物在高温区通过加热形成蒸气，然后用惰性气流运送到反应器低温区或者通过快速降温使蒸气沉积下来生长一维纳米材料的制备方法。VS生长法制备氧化铝一维纳米材料是直接通过气态分子沉积，以微观缺陷（位错、孪晶等）为形核中心。

VS法制备单晶氧化铝纤维的产率大，产品质量好，纯度高，但制备温度较高，控制单晶α-Al₂O₃纤维生长的难度较大，相关机理研究尚处于理论探索阶段。

气相沉积原理

1971年美国TYCO研究所开发了制备单晶α-氧化铝纤维的方法——熔融抽丝法。即在高温下氧化铝在钼坩埚中熔化，并向该熔体中插入钼制细管，利用毛细现象，熔融液刚好升到毛细管的顶端，然后在顶端缓慢向上拉引得到单晶α-Al₂O₃纤维连续纤维。

熔融抽丝法易于形成含铝纤维，并可以制成形状复杂的纤维产品，但成本较高，工艺较为繁琐，产品性能不易控制，形成的纤维质量较差。

钼坩埚

这种方法可采用静电纺丝法(e-spinning)先获得前导纤维，将铝源、溶剂、催化剂等混合制备为聚合物溶液，纺丝成尺度在微米到纳米级的细纤维，然后将所得前导纤维置于管形炉内通氩气进行煅烧，冷却后获得单晶α-Al₂O₃纤维。

静电纺丝法制备纳米纤维

采用少量Al粉或是含Al合金（Al稍过量）在高温潮湿氢气中加热，可获得单晶α-Al₂O₃纤维。

湿氢方法中通过控制氢气露点起到对其中水蒸气含量的控制，限制铝金属的氧化速度。为得到品质良好的纤维，必须控制露点以使过饱和度不超过临界值，以保证纤维顺利生长。但由于露点不易控制，受环境湿度因素干扰大，且对实验设备影响很大，目前已经很少采用。

多晶氧化铝纤维在高科技领域主要用做增强材料和耐高温绝热材料两大类，广泛用于增强Al、Ti、SiC和其他氧化物陶瓷基体，纤维与基体之间具有良好的相容性，具有的高强度、高模量、耐高温、抗氧化性、耐腐性和电绝缘性等多功能特性，正在被广泛应用于各领域。单晶α-Al₂O₃纤维替代多晶氧化铝纤维应用于更高使用温度和更佳使用性能的高科技复合材料，有利于金属基复合材料和陶瓷基复合材料的性能优化，可拓宽氧化铝纤维的应用领域。

目前，国内外制备单晶α-Al₂O₃纤维的技术大多处于实验室阶段，因为纤维生长温度、分压、反应气流速度以及原始产物的组分必须保持恒定，这些参数的改变会导致纤维生长过程停止，制约了单晶α-Al₂O₃纤维进行工业生产。其优越的性能应用于军工、航天方面更值得期待，因此加强单晶α-Al₂O₃纤维制备工艺和应用领域的研究具有重要意义。

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参考来源：

1.单晶α-Al₂O₃纤维的研究进展，严伯刚、吴韬、金磊、冯晓野、范璐（江西科学）；

2.高温陶瓷纤维/高温陶瓷基复合材料研究进展，耿广仁、周明星、周长灵、王开宇、周媛媛、李魁、程之强、刘福田（佛山陶瓷）；

3.氧化铝纤维发展现状及应用前景，汪家铭、孔亚琴（高科技纤维与应用）；

4.氧化铝晶须的研究进展，李洁、乃学瑛、边绍菊（现代化工）；

5. α-氧化铝晶须的制备和高温比较晶体化学的研究，梁邦兵（矿物岩石地球化学通报）。

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