氧化铝纤维发展现状及应用前景

汪家铭

（川化集团有限责任公司，四川 成都 610301）

氧化铝纤维发展现状及应用前景

汪家铭

（川化集团有限责任公司，四川 成都 610301）

氧化铝纤维是高性能的新型无机陶瓷纤维，与碳纤维、碳化硅纤维等非氧化物纤维相比，不仅具有高强度、高模量、耐高温等优良性能，还有很好的高温抗氧化性、耐腐蚀性和电绝缘性，且表面活性好，易与树脂、金属、陶瓷基体复合，形成诸多性能优异的复合材料。在工业高温炉窑、航空航天、交通运输及高新科技领域中，氧化铝纤维都有广泛的应用。笔者介绍氧化铝纤维的制取工艺、生产现状、技术进展及应用前景，并对国内今后氧化铝纤维的发展提出了一些建议。

氧化铝纤维；制取；生产现状；进展；应用；发展建议

氧化铝纤维，英文名alumina fiber，又称多晶氧化铝纤维，属于高性能无机纤维，是一种多晶陶瓷纤维，具有长纤、短纤、晶须等多种形式。氧化铝纤维直径10～20 μm，密度2.7～4.2 g／cm3，强度1.4～2.45 GPa，模量190～385 GPa，最高使用温度为1 100～1 400℃，以Al2O3为主要成分，并含有少量的SiO2、B2O3、Zr2O3、MgO等。

氧化铝纤维除具有一般陶瓷纤维的高强度、高模量、热导率小、热膨胀系数低、抗化学侵蚀能力、超常的耐热性和耐高温氧化性等优点外，还具有原料成本较低、生产工艺简单等特点，具有较高的性价比和商业价值，广泛应用于工业、军事、民用复合材料领域。控制氧化铝纤维生产的不同工艺过程，可得到性质不同、适用于不同应用领域的高性能纤维产品。在使用中通常把氧化铝纤维和普通硅酸铝纤维按不同比例混合，制成板、毡、砖、标异预制件等，成为以适应不同用途和强度需要的氧化铝纤维制品。目前国内外巨大的市场需求，使氧化铝纤维产品面临着不断增长的市场发展机遇。

1 制取工艺

氧化铝纤维制法不同，其Al2O3的结晶态和含量各异，制取工艺比较简单，对生产设备和生产条件要求不高。与碳纤维相比，氧化铝纤维的成本要低很多，且原料易得，这为氧化铝纤维的大量应用提供了有利的条件［1］。由于氧化铝熔点高达2 323℃，其熔体粘度低、成纤性差，故无法用熔融法制取氧化铝纤维，目前主要有以下几种制取工艺。

1.1 淤浆法

以α-Al2O3粉、Al（OH）2Cl·2H2O及少量MgCl2·6H2O为主要原料，加入分散剂、流变助剂、烧结助剂等辅料，在一定条件下制成淤浆干纺混合物，挤出纺丝成纤、干燥，在1 000～1 500℃的空气中烧结，再在1 500℃气体火焰中处理数秒钟，得到连续的氧化铝纤维。淤浆法生产中的浆料含水分及挥发物较多，在烧结前必须进行干燥处理，并要选择适当的升温速率，以防止气体挥发时体积收缩过快导致纤维破裂。

1.2 溶胶－凝胶法

以金属铝的无机盐或醇盐为主要原料，加入醋酸、酒石酸等酸催化剂和水等，在一定条件下配成溶液并使其分散均匀，发生水解和聚合反应后得到一定浓度的溶胶，再经过浓缩处理使其粘度达到220～250 Pa·s，成为可纺凝胶，经过纺丝、干燥后于1 500℃烧结，可得到微晶聚集态氧化铝纤维。该法生产氧化铝纤维工艺简单，易于控制早期结晶以及材料的显微结构，产品纯度高，均匀性好，其均匀程度可以达到分子或原子水平，溶液在生产中容易被除去，烧结温度比传统方法低400～500℃，所得到的氧化铝纤维的拉伸性能好、可设计性强、产品多样，已成为制取氧化铝纤维的主要方法。

1.3 预聚合法

用烷基铝和其他添加剂在一定条件下聚合，形成一种铝氧烷聚合物，将该聚合物溶解在有机溶剂中，加入硅酸酯或有机硅化合物，再对该混合物进行浓缩处理成可纺粘稠液。经过干法纺丝成先驱纤维，然后分别在600℃和1 000℃进行热处理，得到微晶聚集态连续氧化铝纤维。该法易于得到连续的氧化铝长纤维。

1.4 卜内门法

将有机铝盐和其他添加剂在一定条件下混合，使之成为一定粘度的粘稠溶液，然后再与一定量的水溶性有机高分子、含硅氧化聚合物等混合均匀，形成可纺粘液，经过纺丝、干燥、烧结等处理，即得到氧化铝纤维。卜内门法难以得到连续长纤维，其产品多为短纤维形式。

1.5 浸渍法

采用无机铝盐作为浸渍液，亲水性能良好的粘胶纤维作为浸渍物基体纤维。在一定条件下将其混合均匀，无机铝盐以分子状态分散于基体纤维中，经过浸渍、干燥、烧结、编织等步骤可以得到形状复杂的氧化铝纤维。浸渍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。

1.6 熔融抽丝法

美国TYCO研究所于1971年开发了熔融抽丝法来制备单晶α-Al2O3纤维，即在高温下向氧化铝熔体插入钼制细管，利用毛细现象，熔融液刚好升到毛细管的顶端，然后由顶端缓慢向上拉伸就得到α-Al2O3连续纤维［2］。该法制取氧化铝纤维存在和浸渍法同样的不足之处。

2 生产现状

2.1 国外情况

自20世纪70年代以来，世界许多发达国家投入大量精力研制开发多晶氧化铝纤维。1974年英国ICI公司采用卜内门法生产氧化铝纤维，生产的多晶纤维使用温度可达1 600℃。1979年，美国Du Pont公司最早采用淤浆法生产氧化铝纤维，所得α-Al2O3多晶纤维的氧化铝含量为99.9%，其商品牌号为FP。该氧化铝纤维的断裂伸长率低，仅为0.29%，其应用受到限制。日本MitsuiMining公司采用淤浆法生产氧化铝纤维，得到表面光滑的氧化铝纤维。

目前国外已有很多公司生产各种型号的高性能氧化铝纤维。但多晶氧化铝纤维的世界总产量还比较低，远远小于普通硅酸铝纤维，其中西欧国家的产量约占总产量的50%，日本占39%左右，有40%的多晶耐火纤维用于各种工业炉窑及相关行业热加工过程，其中25%左右用于冶金行业。目前世界上可工业化生产氧化铝短纤维的生产厂家只有英国的Saffil公司、日本的三菱公司等。世界氧化铝纤维的年需求量以10%左右的速度增加。

世界一些实力较强的陶瓷纤维生产企业为了加强研发实力，提高市场占有率，寻求产品的规模经济，增强企业盈利能力，通过频繁的兼并收购活动，形成了一些规模较大的企业集团，进一步巩固了其在该领域内的领先和垄断地位，行业趋于集中化。目前，市场上主要的氧化铝纤维品种有美国Du Pont公司生产的FP和PRD166，美国3M公司生产的Nextel系列，英国ICI公司生产的Saffil氧化铝纤维以及日本Sumitomo公司生产的Altel氧化铝纤维，见表1所示。

表1 国外已商品化生产的氧化铝纤维品种

2.2 国内情况

国内于20世纪70年代末开始工业化生产陶瓷纤维，80年代陶瓷纤维的应用得到了迅速推广，但主要都在1 000℃以下的温度范围内使用，应用技术简单落后。氧化铝纤维的研究和开发起步较晚，进入90年代，随着技术开发和创新的不断深入及多晶氧化铝纤维的应用推广，氧化铝纤维的使用温度逐步提高到1 000～1 400℃，但由于装备技术水平相对落后和产品质量存在的一些缺陷，应用领域受到了一定限制。多晶氧化铝纤维不能制成纤维毯，产品规格单一，以散棉、混合纤维或纤维块为主，虽然产品的使用温度有所提高，但强度较差，限制了应用范围，也缩短了使用寿命。

20世纪90年代以后，我国经济增长呈现以重工业的发展为主导的格局，电力、钢铁、机械、汽车、造船、化工、电子、建材等行业的迅速发展及节能降耗的需要，带动了陶瓷纤维行业开始快速发展，一些陶瓷纤维生产企业投入批量生产。陶瓷纤维产品的品种增加，从普通陶瓷纤维、高纯硅酸铝纤维、高铝纤维、含锆硅酸铝纤维逐步发展到多晶氧化铝纤维、多晶莫来石纤维，技术含量越来越高，使用温度极限提高。行业保持年均40%以上的高速增长，进入了快速发展期。国内氧化铝纤维生产厂家在多晶氧化铝纤维的胶体法成纤工艺及煅烧、加工工艺上已趋于成熟，产品应用于众多相关领域，见表2所示。

表2 国内部分氧化铝纤维生产厂家的基本情况

3 技术进展

氧化铝纤维，特别是氧化铝含量在95%以上，由长纤维短切获得的无渣球的高档氧化铝短切纤维棉科技含量高、技术难度大、门槛高，具有较强的持久竞争力，各国都在独立研究开发，并采取了严格的技术保密措施，对氧化铝纤维产业化技术实施封锁。目前国外进行的新的溶胶－凝胶原料的开发方面的研究，主要是朝着有利于环境保护、降低生产成本和提高纤维先驱体的可加工性能方向发展。与此同时也开展了新的凝胶、纤维先驱体及纤维制备工艺的研究。为了制备相同化学成分的纤维，研究了原料的不同混合方法、加入顺序及反应环境，还研究了纤维先驱体的不同控制或烘干、锻烧工艺对纤维性能及制备成本的影响，以希望找出最佳的合成途径。未来10年在产值中占重要地位的将是用于材料增强的氧化铝纤维。对于耐火使用的传统纤维，其生产方法也将向着溶胶－凝胶法发展。

近年来国内氧化铝纤维的开发和研究十分活跃，最早中试成功的是浙江欧诗漫晶体纤维有限公司，并建成了国内第一套氧化铝纤维连续生产装置，是目前国内最具代表性的生产型企业，公司现已建成国内最具规模的多晶莫来石（氧化铝）纤维生产基地。

20世纪90年代中期厦门大学就开始氧化铝纤维的研究，探索采用有机酸直接和金属铝粉反应制备氧化铝溶胶的路线，并制得相应的纤维产品。厦门大学高性能陶瓷纤维教育部重点实验室经过多年攻关和工程化研发，已突破干法连续纺丝的难题，掌握了纤维热解和烧结过程中的变化机制，解决了原丝开裂、直径大等一系列关键技术问题，使氧化铝纤维制备关键技术获得突破，进入中试研究阶段。目前在氧化铝短切纤维制备方面已取得重大技术突破，正在自主研发包括溶胶批量制备技术与设备、纤维棉批量制备技术与设备、氧化铝纤维棉的批量烧结技术与设备等产业化技术装备。氧化铝短纤项目实施后，将形成可观的上下游产业链，以推进氧化铝纤维棉项目工程化。

中国科学院山西煤炭化学研究所现已开发成功具有优良的高温力学性能和抗化学侵蚀能力的新型无机材料氧化铝纤维。以该材料为主要原料可生产出建材、汽车配件等。如生产的氧化铝纤维增强铝基复合材料活塞具有高强度和耐磨、耐热冲击及低热膨胀系数，可提高汽车发动机使用效率，减少废气排散。生产的纤维氧化铝催化剂有机废气处理器可应用于烘烤、烘干领域，能明显提高燃烧效率，改善产品烘干效果。此外，其成型产品还有纤维氧化铝燃气催化燃烧辐射器、耐火隔热纤维砌块等，都具有广阔的市场前景和推广应用价值。

此外，江苏大学材料学院、南京玻璃纤维研究设计院、中钢集团洛阳耐火材料研究院等也开展了凝胶法制氧化铝纤维的研究。南京玻璃纤维研究设计院采用氯化铝、铝粉、水等为原材料，在一定条件下制成聚合氯化铝。经过滤后将滤液与适量的硅溶胶和其他添加剂混合，在一定温度和压力下脱水浓缩得到具有一定粘度的成纤胶体。采用离心成纤和平吹成纤形成纤维，再经过烘干、烧结等热处理得到多晶氧化铝纤维。采用该法制备出的多晶氧化铝纤维外观洁白柔软，其长期使用温度达到1 500℃以上［3］。中钢集团洛阳耐火材料研究院以氯化铝水溶液和金属铝为原料，研制生产的Al2O3为80%～95%的多晶氧化铝纤维，可用作1 500～1 600℃的工业高温炉窑的耐火材料，年产量约为80 t。

4 应用前景

氧化铝短纤维主要用于高温绝热材料，长纤维用作增强复合耐火材料，可以编织成无纺布、编织带、绳索等各种形状的纤维制品。作为一种重要的绝热节能材料，其应用技术在近10年来得到迅速发展。随着应用技术的提高，氧化铝纤维及其制品不断拓展了新的应用领域，具有良好的发展前景。

4.1 工业高温炉窑

氧化铝短纤维具有突出的质量轻、耐高温、热稳定性好、热导率低、热容小及耐机械振动等优点，导热系数和容重分别只有传统耐火材料的1／10和1／15，综合性能好，是理想的节能增效耐火材料，用于工作温度高于1 400℃的钢铁工业各种热处理炉、陶瓷烧成窑、石油化工中的裂解炉、燃烧炉等的隔热炉衬材料，不仅可以减轻炉体质量，而且可以提高控温精度，减少炉壁散热，保温性能好，蓄热量少，热惰性小，具有良好的热辐射能力和红外加热效应，比一般的耐火砖或高温涂料节能效果显著。生产实践证明，应用于连续加热工业炉可节能15%以上，用在间歇式工业加热炉可节能30%以上，同时可提高生产率和改善产品质量，实现炉体结构轻型化、大型化。多晶氧化铝纤维在高温工业炉、加热装置及高温管道的应用将替代部分其他耐火绝热材料，具有优异的性价比和实际应用价值。

4.2 航空航天

美国“哥伦比亚”号航天飞机隔热板衬垫用的是Saffil氧化铝纤维，能经受1 600℃的高温，当航天飞机由太空返回大气层时，这种衬垫会防止热通过隔热板之间的间隙进入防热罩内［4］。Saffil氧化铝纤维还可用于铝合金活塞，优点是当温度上升时膨胀较小，比纯合金减少约25%，使活塞和汽缸之间磨合接触良好，可节省燃料。氧化铝纤维增强复合材料制成的空射导弹用固体发动机壳体，其爆破压强和钢材相同，质量则比铝合金还减轻11%。氧化铝长纤维增强金属基复合材料主要应用于直升飞机的传动装置等承受高负荷的机械零件和高温高速旋转零件，以及有轻量化要求的航空航天高功能构件。此外，还可应用于固体火箭发动机喷管，使喷管设计大大简化，部件数量减少50%，质量减轻50%。多晶耐火氧化铝纤维也应用于宇航导弹和原子能领域，用作核反应堆及航天飞机的隔热材料、轻合金的增强材料等。

4.3 交通运输

氧化铝纤维增强的金属基复合材料具有高强度和耐磨、耐热冲击能力及低的热膨胀系数等优良性能，已在汽车活塞槽部件和旋转气体压缩机叶片中得到应用，有利于改善汽车发动机性能，提高发动机使用效率和燃烧速率，减少废气排放量。氧化铝纤维材料可用于汽车废气设备上作陶瓷整体衬，其特点是结构稳定。目前，全国汽车保有量超过7 000万辆，汽车尾气排放已经成为一些大城市的头号空气污染源，占总污染源的50%以上。近年来，由于环保要求的不断提高，汽车发动机必须达到欧Ⅲ甚至欧Ⅳ的尾气排放标准，因此尾气温度需要提高到1 100℃左右，而传统的可膨胀型陶瓷蛭石衬垫最高使用温度约900℃，很难满足低排放要求。采用氧化铝短切纤维来制成的密封衬垫，具有小直径、无渣球、良好的耐热性和高温抗蠕变性能，能达到最高使用温度的要求，符合国内汽车低排放的发展要求［5］。

4.4 新型复合材料

由于氧化铝纤维与金属基体的浸润性良好，界面反应较小，其复合材料的力学性能、耐磨性、硬度均有所提高，热膨胀系数降低。氧化铝纤维增强铝基复合材料成为装甲车、坦克发动机活塞的理想材料。美国陆军采用氧化铝纤维增强复合材料制造坦克履带板，使质量从铸钢的544 kg下降到272～363 kg。采用高强度、高弹性的氧化铝纤维与陶瓷基体复合技术，能得到韧性优良的纤维增强陶瓷基复合材料，可明显提高陶瓷产业的技术水平，带动高技术陶瓷产业的迅速发展。氧化铝纤维与树脂基体结合良好，比玻璃纤维的弹性大，比碳纤维的压缩强度高，所以氧化铝树脂复合材料正逐步在一些领域取代玻璃纤维和碳纤维。特别是在文体用品方面，氧化铝纤维复合材料可制成色彩鲜艳的高强度钓鱼杆、高尔夫球、滑雪板、网球拍等。

4.5 其他领域

氧化铝纤维由于良好的耐化学腐蚀性能，可用于环保和再循环技术领域。如处理电子废料的焚烧炉设备，历经多年运转，炉内氧化铝纤维仍能显示出其优良的抗各种有害物腐蚀的性能［6］。利用氧化铝纤维抗硫化氧化腐蚀、抗热震、长寿命的特点生产的高温过滤管，应用在800～900℃煤气或烟气环境中，可满足增压流化床燃烧联合循环（PFBCCC）和整体式煤气化联合循环（IGCC）发电技术中的高温气体过滤要求。氧化铝纤维柔软、弹性好，还是理想的密封材料，由于具有绝缘、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、消防、家电、汽车、船舶、军工、机械等领域应用广泛，在一些高尖端科技领域的应用也取得了突破性进展。最近，也有研究人员开始将氧化铝长纤维用于热核反应堆冷却换热装置的衬里。目前使用氧化铝纤维为主要原料的成型产品有氧化铝纤维增强铝基复合材料活塞、氧化铝纤维催化剂有机废气处理器、氧化铝纤维燃气催化燃烧辐射器、耐火隔热纤维砌块等，可应用于铝基复合材料增强剂、隔热隔音材料等领域。

5 发展建议

5.1 加快氧化铝纤维工程化研发

由于氧化铝纤维材料科技含量高，技术难度大，门槛高，因此具有较强的持久竞争力。同时市场容量大，产品附加值高，各国各企业都是在独立研究开发，并实行非常严格的技术保密，希望从国外引进相关技术的可能性不大。而国内的研发力量相对薄弱，加上资金短缺，导致研发较落后。因此国内应加大这方面的研发力度，进行产学研多部门的技术合作，增强研发单位与生产企业之间的衔接，解决氧化铝纤维制备过程中的技术难题，研发出适合每一步产品开发的技术和设备，自主研发并尽快实现氧化铝纤维工程化生产，并及时制定新开发产品的技术标准，产品标准的技术性能指标、测定方法和测定条件应与国际标准一致，从而带动国内高技术陶瓷纤维产业迅速发展。

5.2 改进完善氧化铝纤维生产工艺

在氧化铝纤维生产过程中，以凝胶浓缩物或晶体的形式存在的可纺产物，在需要纺丝时，可用水或其他溶剂溶解到一定的粘度，经过纺丝机可以纺出连续纤维，以实现氧化铝纤维连续化生产，这样既可生产短纤维，也可以生产长纤维，有利于扩大氧化铝纤维的应用范围和适应性。单纯的氧化铝纤维尤其是α-Al2O3纤维的力学强度还不够理想，因此一方面要进一步提高纤维强度，需要在研制开发中引入一定的其他元素，以提高其力学性能。另一方面还要提高氧化铝纤维的纯度和产品质量，减少杂质，可以减少纤维缺陷，从而提高其强度。同时还要改进制备工艺，加强对氧化铝纤维增强金属基复合材料性能优化的研究。

5.3 提高氧化铝纤维应用技术水平

氧化铝纤维应具有明确的应用领域和市场定位，并形成相关的上下游产业链，带动相关行业的技术进步，从而形成一个稳定的产业群和新的经济增长点。生产厂家应与设计部门、使用单位结合，开发生产适合不同类型、不同温度范围及不同使用条件的氧化铝纤维组件。在组件结构、材质及尺寸上应逐步实现定型化、规范化，系列化，以满足不同领域应用的需求。氧化铝纤维应用技术水平直接关系到其使用效果，即使纤维制品质量稍有不足，也可通过应用技术和方法的优化获得理想的使用效果。为此，建议必须使其应用技术与生产技术同步发展，重视应用技术开发队伍的建设，自主设计产品应用解决方案，形成一套完整的市场推广体系，才能开拓氧化铝纤维生产和应用的新局面。

1 白木，顾利霞.氧化铝纤维的生产和应用［J］.轻金属，2004，（10）：77～78

2 任春华，叶亚莉，周国成，等.氧化铝纤维的发展现状及前景［J］.新材料产业，2010，（4）：38～42

3 任春华，林朝阳.氧化铝纤维的研发现状及应用前景［EB／OL］. http：／／www.618.gov.cn／618Expo／Main.aspx？ BelongDate ＝06＆Belong，2010－06－19

4 景茂祥，沈湘黔.氧化铝纤维的研究现状与发展趋势［J］.矿冶工程，2004，24（2）：69～71

5 苏文土.氧化铝纤维棉可带动高技术陶瓷产业迅速发展［EB／OL］.http：／／www.618.gov.cn／／618Expo／Main.aspx？BelongDate＝06＆BelongYear，2010－06－19

6 顾利霞，顾莉琴.氧化铝纤维性能优应用广阔［N］.中国化工报，2002－12－17

Development present situation and application prospect of alumina fiber

Wang Jiaming

（Sichuan Chemical Works Group Ltd.，Chengdu Sichuan 610301，China）

Aluminum fiber is the high performance new inorganic ceramic fiber，with the carbon fiber，the silicon carbide textile fiber and so on non-oxide compound textile fiber compares，it not only has the high module high strength，thermostable and so on fine performance，but also has the very good high temperature oxidation resistance，the inoxidizability and the electric insulation.Because the surface activity is good，aluminum fiber can forms many performance outstanding compound materials easily with resin，metal，ceramic substrate compound.In the industry high temperature dry kiln，aerospace，transportation and high new technology domain，aluminum fiber has the widespread application.This article introduced the system takes the craft，the production status，the technical progress and the application prospect of aluminum fiber，and put forward some proposals to the domestic next development for aluminum fiber.

aluminum fiber；preparing；production status；progress；application；development suggestion

TQ342.7；TQ343.41

：A

：1006-334X（2010）04-0031-06

2010－07－12

汪家铭（1949－），男，江苏苏州人，工程师，发表论文210余篇。