Conhecimento da classificação e uso de fibras cerâmicas
O material de isolamento poroso de fibra cerâmica pode formar uma estrutura estável com apenas uma pequena quantidade de material (fibra). Comparado com o material de isolamento de poros cerâmico, o material de isolamento de fibra cerâmica é leve, poroso, com baixa condutividade térmica e capacidade de calor específica. Grandes características e podem suportar cargas muito altas. Este material tem sido usado em muitos campos, como separação de filtração, isolamento térmico, biomedicina e materiais compostos. A estrutura de proteção térmica reutilizável representada pelo material de fibra cerâmica é amplamente utilizada no sistema de proteção térmica de várias aeronaves avançadas no país e no exterior, e tem importantes perspectivas de valor de aplicação e desenvolvimento.
As fibras cerâmicas podem ser divididas em duas categorias: fibras cerâmicas não óxido (como fibras De SiC, fibras C) e fibras cerâmicas de óxido (incluindo óxido composto) (como fibras de silicato de alumínio, fibras Al2O3).
Fibra cerâmica não óxido
Fibra de carboneto de silício. Carboneto de silício (SiC), comumente conhecido como carboneto de silício e sílica de carbono, é um composto sintético que é covalentemente ligado. Pode ser preparado por deposição de vapor químico, redução carbothermal, sinterização em pó e conversão precursora. O carboneto de silício puro é incolor e transparente, e o carboneto de silício usado na indústria é muitas vezes verde claro ou preto porque contém ferro livre, silício, carbono e outras impurezas.
Como o carboneto de silício tem boas características de alta temperatura, como resistência à oxidação, alta resistência e estabilidade, boa condutividade térmica, baixa densidade, baixo coeficiente de expansão e baixa trepidação, pode ser usado como câmara de combustão para turbinas a gás de alta temperatura. Bocais de alta temperatura, pás de turbina, etc. Devido à sua alta condutividade térmica e boas propriedades de isolamento, o carboneto de silício pode ser usado como um trocador de calor de alta temperatura em fornos industriais metalúrgicos, bem como substratos e materiais de embalagem para circuitos integrados em larga escala. Com sua alta dureza, resistência ao desgaste e resistência à corrosão álcali, materiais de vedação mecânica, como rolamentos deslizantes, discos de válvula, lâminas de ventilador e tubos resistentes à corrosão podem ser preparados nas indústrias mecânica e química.
O carboneto de silício não tem apenas boas propriedades físicas, mas também excelentes propriedades químicas. Em uma atmosfera sem oxigênio, apenas 5% do silício estava contido na fase gasosa na superfície do carboneto de silício em 2300° c. No entanto, quando o carboneto de silício foi exposto ao oxigênio a 1000° c, a superfície começou a oxidar, mas o carboneto de silício poderia formar uma película protetora SiO2 para evitar que a reação de oxidação continuasse.
Fibra de carbono. A fibra de carbono refere-se a um material de carbono fibroso que é aquecido a 1000°C ou superior por uma fibra orgânica em um gás inerte para formar um material de carbono fibroso com um teor de carbono de 90% ou mais. A fibra de carbono é um novo tipo de material inorgânico com densidade de 1,5-2g/cm3, que é 1/4 da densidade de aço, 1/2 da densidade da liga de alumínio, e 4 vezes a 5 vezes mais forte que o aço. O coeficiente de expansão térmica é pequeno, e a resistência ao choque térmico é boa. De repente cai de uma alta temperatura de vários milhares de graus Celsius para uma temperatura normal e não estoura, e tem boa lubrificação e condutividade elétrica. As fibras de carbono são quimicamente semelhantes ao carbono, são inertes à alcalinidade geral, e não se embriz a temperaturas líquidas de nitrogênio. Em um ambiente sem oxigênio, mesmo a uma alta temperatura de 3000° c, não derrete, mas em uma atmosfera de ar, quando a temperatura é superior a 400° c, ocorre oxidação significativa e CO e CO 2 são gerados. Portanto, a fibra de carbono pode reduzir muito o peso estrutural do componente e melhorar o desempenho técnico, tornando-o amplamente utilizado em veículos aeroespaciais.
Dependendo das matérias-primas utilizadas, as fibras de carbono podem ser classificadas em fibras de carbono à base de poliacrilonitrila, fibras de carbono à base de tom, fibras de carbono à base de celulose e fibras de carbono à base de fenólicos. As fibras de carbono mais comuns utilizadas são a fibra de carbono poliacrilonitrila e a fibra de carbono de campo.
Fibra cerâmica de óxido
Fibra de silicato de alumínio. A forma e a cor da fibra de silicato de alumínio é semelhante à do algodão. É uma fibra cerâmica amorfa composta principalmente de alumina e sílica, e às vezes contém uma pequena quantidade de óxido de ferro, dióxido de titânio, óxido de cálcio e afins. De acordo com a composição da substância e do conteúdo, ela pode ser dividida em quatro categorias: fibra de silicato de alumínio padrão (ordinária), fibra de silicato de alumínio de alta pureza, fibra de silicato de alumínio contendo alta pureza e fibra de aluminosilicato de zircônio de alta pureza. O conteúdo dos componentes é mostrado na Tabela 1-2.
A fibra de silicato de alumínio tem um diâmetro de 1-10μm e um comprimento de 5-25cm. Possui boa resistência à temperatura, isolamento térmico e absorção de som, e possui baixo armazenamento de calor, baixa condutividade térmica e forte resistência à vibração mecânica. A temperatura de serviço pode chegar a 1200°C. A densidade é de apenas 0,096-0,128g/cm3. Após a adição de CrO2, uma vez que o CrO2 evita a precipitação e o crescimento de cristais na porção de contato entre as fibras, a resistência à redução de alta temperatura da fibra pode ser melhorada, e a temperatura de uso chega a 1400 °C. O material composto de fibra de silicato de alumínio pode ser transformado na forma de tapete, feltro, papel e placa. Tem sido amplamente utilizado no isolamento térmico de equipamentos de energia térmica, como indústria química e máquinas, e na camada de isolamento térmico de peças de motores de foguetes.
Fibra de quartzo. A fibra de quartzo refere-se à fibra de vidro de sílica de alta pureza com teor de revista inferior a 0,1% e diâmetro de fibra de 0,7-15 μm. Possui alta resistência ao calor, temperatura de uso estável a longo prazo de 1050 ° C, e resistência à temperatura instantânea até 1700 ° C.In adição, fibra de quartzo tem resistência à corrosão, retenção de alta resistência a alta temperatura, estabilidade dimensional, boa resistência ao choque térmico, alta estabilidade química e excelentes propriedades de isolamento elétrico, constante dielétrica e perda dielétrica. O coeficiente é o melhor entre todas as fibras minerais e é muito mais barato de produzir do que as fibras de carboneto de silício. Portanto, a fibra de quartzo tem um importante uso nas indústrias militar e aeroespacial de defesa e pode ser usada para fabricar sistemas de proteção térmica aeroespacial.
As fibras de quartzo são classificadas em fibras de vidro de quartzo contínuo e lã de vidro de quartzo. A fibra contínua de vidro de quartzo refere-se a uma fibra longa obtida pelo desenho de uma força externa após o vidro de quartzo ser derretido. Geralmente, o diâmetro do monofilamento é de 3-10 μm, e pode ser processado em fios de fibra de vidro de quartzo, pano e afins. A lã de vidro de quartzo refere-se a uma espécie de fibra de vidro de quartzo longa e curta obtida soprando um derretimento de vidro de quartzo por um fluxo de ar de alta pressão, e sua forma é fofa, semelhante à lã de algodão. Geralmente, o algodão ultrafino, que tem um diâmetro de fibra inferior a 3 μm, é chamado de algodão fino com um diâmetro de 3-5 μm.
Fibra mullite. Mullite é o único composto binário que pode estar presente a temperatura normal e pressão no sistema binário de sílica e alumina. A fórmula química é 3Al2O3·2SiO2, e seu diagrama de fase é como mostrado na Figura 1.
Figura 1 Diagrama de fase do material mullite
A fibra de mullita é uma fibra policristalina com uma fase cristalina principal de cristalizatos mullitas. É a única fase estável no sistema binário de sílica e alumina. Sua atividade é baixa e sua capacidade de recristalização é ruim. A fibra de pedra tem boa resistência à temperatura alta e pode ser usada até 1500° c. No entanto, quando a temperatura é superior a 1500° c, o grão crescerá e perderá suas propriedades mecânicas de alta temperatura. Quando a temperatura atinge cerca de 1830° c, irá rapidamente se decompor em alumina e fase líquida. A fibra de mullite se expande uniformemente quando aquecida, tem excelente estabilidade de resistência ao choque térmico, baixa condutividade térmica, não é fácil de rastejar em alta temperatura, e pode não só manter boa elasticidade, mas também tem pequeno encolhimento, e o material em si tem boa estabilidade química. Não é suscetível à corrosão, por isso é amplamente utilizado em vários produtos de alta temperatura e sistemas de proteção térmica como um novo material de fibra resistente ao calor ultraleve de alta temperatura. No entanto, as propriedades mecânicas de temperatura normal da fibra de mullite não são boas, o que se tornou um grande obstáculo para o uso prático do material.
Fibra de alumina. A fibra de alumina é uma espécie de fibra cerâmica policristalina, que possui muitas formas como fibra longa, fibra curta e bigode. Contém principalmente Al2O3, e às vezes contém uma certa quantidade de aditivos como sílica, nitreto de boro, zircônia, óxido de ferro, óxido de magnésio e afins. A fibra de alumina tem um diâmetro de 10-20 μm e uma densidade de 2,7-4,2 g/cm3, e possui altas propriedades mecânicas, resistência à tração de 1,4-2,45 GPa e módulo de tração de 190-385 GPa.
Possui boa resistência química, resistência à oxidação, alta resistência à temperatura, alta estabilidade química e baixo coeficiente de expansão térmica, ponto de fusão de 2050 ° C, pode ser usado a 1500 ° C por muito tempo.
Fibras curtas de alumina são usadas principalmente para materiais de isolamento de alta temperatura, fibras longas são usadas para reforçar materiais compostos, e bigodes têm alta resistência e algumas propriedades magnéticas, elétricas e ópticas especiais, que são usadas em materiais funcionais. A fibra de alumina tem boa atividade superficial e é fácil de ser composta com materiais básicos, como metal e cerâmica. Combinado com sua alta temperatura de uso, tem sido amplamente utilizado em campos industriais e de alta tecnologia em geral. Pode ser usado em fornos de alta temperatura e engenharia térmica. Equipamentos, reatores nucleares e materiais de isolamento térmico para o ônibus espacial. Os Estados Unidos usam fibras de alumina como painéis de isolamento no ônibus espacial Columbia. Quando o ônibus espacial está voando na atmosfera, os painéis de isolamento impedem que o calor entre no escudo térmico através da abertura entre os painéis de isolamento. A fibra de alumina tem importante significado estratégico e grande valor comercial em militares e aeroespaciais, atraindo muitos países para investir muita mão de obra, recursos materiais e recursos financeiros para pesquisa e desenvolvimento e utilização. No entanto, a fibra de alumina tem alta densidade e alta condutividade térmica, o que limita sua aplicação adicional.
