陶瓷纖維是一個“小眾”應(yīng)用的纖維產(chǎn)品，傳統(tǒng)的陶瓷纖維主要利用其質(zhì)輕耐高溫、導(dǎo)熱率低及比熱小的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種窯爐、烘箱、馬弗爐制作，還有部分應(yīng)用于過濾布袋、隔熱板、保溫材料等用途。目前大家比較熟知的陶瓷纖維：硅酸鋁纖維、莫來石纖維及氧化鋁纖維等，就是比較傳統(tǒng)的陶瓷纖維,但是除了傳統(tǒng)的陶瓷纖維外，還有先進(jìn)陶瓷纖維：石英纖維、碳化硅纖維、氧化鋯纖維、氮化物纖維等等，主要用于航空航天、石油、化工等領(lǐng)域。
一·陶瓷纖維的特點(diǎn)
1·碳化硅纖維：
碳化硅纖維的最高使用溫度達(dá)1200℃，其耐熱性和耐氧化性均優(yōu)于碳纖維，在最高使用溫度下強(qiáng)度保持率在 80%以上，化學(xué)穩(wěn)定性也好。從形態(tài)上分有晶須和連續(xù)纖維兩種。
國內(nèi)新型連續(xù)化SiC纖維產(chǎn)品，纖維平均直徑12μm，室溫彈性模量280GPa，平均拉伸強(qiáng)度3.3GPa。
碳化硅晶須(β-SiC)
2·氮化硅(Si3N4)纖維：
氮化硅纖維是一種耐高溫、高強(qiáng)度陶瓷纖維，其化學(xué)式為Si3N4，在氧化性氣氛中，其最高使用溫度為1300℃；在非氧化性氣氛中，其最高使用溫度1800℃。拉伸強(qiáng)度和彈性模量分別可達(dá)到1000MPa和300GPa，熱膨脹系數(shù)低，磨損抗力優(yōu)良，主要用來增強(qiáng)金屬和陶瓷。
3·硅碳氮(SiCN)纖維：
硅硼氮碳(Si-B-N-C)陶瓷纖維高耐溫、高強(qiáng)度、室溫下的強(qiáng)度大于250GPa的彈性模數(shù)和0.4～1的蠕變值m(使用標(biāo)準(zhǔn)BSR試驗(yàn),1小時(shí),1400℃)，是一種兼具耐高溫性、抗高溫氧化性、抗蠕變性、高強(qiáng)度、吸波等優(yōu)點(diǎn)于一身的新型結(jié)構(gòu)/功能一體化陶瓷纖維。
4·硅酸鋁纖維：
硅酸鋁纖維形狀和顏色同棉花相似，是一種非晶體陶瓷纖維，主要由氧化鋁和二氧化硅組成，有時(shí)還含有少量的氧化鐵、二氧化鈦、氧化鈣等物質(zhì)。根據(jù)組成物質(zhì)及含量的不同，可分為四類：標(biāo)準(zhǔn)(普通)硅酸鋁纖維、高純硅酸鋁纖維（莫來石纖維）、高純含鋁硅酸鋁纖維和高純含鋯硅酸鋁纖維。
具有優(yōu)良的絕熱特性，耐酸、堿腐蝕性好，具有優(yōu)良化學(xué)穩(wěn)定性。電絕緣體、吸聲性好，對500Hz以上中、高度波可吸收80%以上。通常在800℃以上使用。具有優(yōu)良的絕熱特性，耐酸、堿腐蝕性好，電絕緣性、吸音性好，對500Hz以上中、高波可吸收80%以上。
莫來石纖維是一種多晶結(jié)構(gòu)的纖維（纖維中Al2O3含量在72%-75%之間）主晶相為莫來石微晶，作為氧化硅和氧化鋁二元體系中唯一的穩(wěn)定相，其活性低，再結(jié)晶能力較差，因此莫來石纖維具有較好的耐高溫性能，使用溫度在1500—1700℃，但當(dāng)溫度高于1500℃時(shí)，其晶粒也會長大，使其喪失高溫力學(xué)性能，當(dāng)溫度達(dá)到1830℃左右時(shí)，會迅速分解為氧化鋁和液相。
5·石英纖維：
石英纖維是指雜質(zhì)含量低于0.1%，纖維直徑在0.7-15μm的高純度特種二氧化硅玻璃纖維。其具有很高的耐熱性，長期穩(wěn)定的使用溫度為1050℃，瞬間耐溫高達(dá)1700℃，但是在600℃時(shí)強(qiáng)度開始下降。
纖維保持了固體石英的部分性能和特點(diǎn)，是一個良好的耐高溫材料，也是作為先進(jìn)復(fù)合材料的增強(qiáng)體。石英纖維的純度＞99.9%，這使得纖維具有抗燒蝕性強(qiáng)、耐溫性好、導(dǎo)熱率低，而且化學(xué)穩(wěn)定性高，介電性能也非常優(yōu)良。
6·氧化鋁纖維：
氧化鋁纖維是一種多晶陶瓷纖維，具有長纖、短纖、晶須等多種形式。它以Al2O3為主要成分，有時(shí)會含有一定量的添加劑，如二氧化硅、氮化硼、氧化鋯、氧化鐵、氧化鎂等。氧化鋁短纖維主要用于高溫絕熱材料，長纖維用于增強(qiáng)復(fù)合材料，晶須則具有較高的強(qiáng)度和一些特殊的磁學(xué)、電學(xué)、光學(xué)性能，應(yīng)用于功能材料之中。
氧化鋁纖維與金屬基體的浸潤性好，界面反應(yīng)較小，其復(fù)合材料的力學(xué)性能、耐磨性、硬度均有提高，熱膨脹系數(shù)降低，可用作樹脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制品；耐化學(xué)腐蝕好，氧化鋁纖維由于其良好的耐化學(xué)腐蝕性能可用于環(huán)保和再循環(huán)技術(shù)領(lǐng)域。
7·氧化鋯纖維：
氧化鋯（ZrO2）是高熔點(diǎn)的金屬氧化物，相對分子量為123.22，具有很高的熔點(diǎn)（2650℃）和化學(xué)惰性。氧化鋯纖維具有很好的高溫性能，在溫度高達(dá)2480℃時(shí)仍可保持其纖維形態(tài)，1400℃左右仍具有可繞性。氧化鋯纖維使用溫度可達(dá)氧化鋁的熔點(diǎn)以上，最高可達(dá)2200℃，氧化鋯纖維材料不僅適用于氧化氣氛，而且可在還原氣氛和真空下使用。
氧化鋯纖維棉采用溶膠-凝膠法制備，純度（ZrO2+穩(wěn)定劑）≥ 99.5%，是唯一能滿足1600℃以上在超高溫氧化氣氛下使用的輕質(zhì)多晶質(zhì)耐火纖維材料。其熔點(diǎn)2713℃、使用溫度高、隔熱性能好、高溫化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕、抗氧化、抗熱震性好、不揮發(fā)、無污染等特性。
二·陶瓷纖維的應(yīng)用
1·中低端陶瓷纖維應(yīng)用
陶瓷纖維是優(yōu)質(zhì)耐火保溫材料，符合下游行業(yè)“更節(jié)能、更環(huán)保、更安全”的需求，目前國內(nèi)陶瓷纖維制品年產(chǎn)量約 70 萬噸，占耐火材料比例約為2.9%，基數(shù)較小，未來每一細(xì)分應(yīng)用領(lǐng)域的拓展都將帶來較高增長。陶瓷纖維制品并非完全標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，應(yīng)用于不同領(lǐng)域需調(diào)整配料、工藝與技術(shù)支持，因此非標(biāo)準(zhǔn)方面的應(yīng)用隨著整個工業(yè)體系發(fā)展而得到拓展。
A 高溫絕熱保溫材料
陶瓷纖維屬于高效節(jié)能絕熱保溫材料，材料本身具有一般纖維的特點(diǎn)，同時(shí)又擁有普通纖維所沒有的耐高溫、耐腐蝕和抗氧化性能，更重要的一點(diǎn)是避免了一般耐火材料的脆性，從而在一定程度上取代著傳統(tǒng)重質(zhì)耐火磚被用作工業(yè)窯爐壁襯材料。陶瓷纖維作為窯爐爐壁砌筑而成的工業(yè)窯爐在使用中最大的優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)能。如：多晶莫來石纖維制品可長期用于1600℃以下的高溫?zé)峁ぴO(shè)備中作絕熱材料，如碳化硅電爐、硅化鉬電爐、各種鋼鐵加熱爐、機(jī)械鍛造爐等等，可顯著提高設(shè)備熱效率，大幅度節(jié)約能源，提高生產(chǎn)率，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量。可應(yīng)用于各種高溫工業(yè)窯爐隔熱；陶瓷窯爐；機(jī)械及冶金加熱爐；熱處理爐及其它工業(yè)窯爐的熱面內(nèi)襯；高溫?fù)趸鸶粞?；窯門、窯車、膨脹縫等隔熱材料；玻璃窯隔熱。
B 過濾材料
陶瓷纖維材料憑借其強(qiáng)度高、抗熱沖擊性好、耐化學(xué)腐蝕等特點(diǎn)，在空氣凈化、高溫?zé)煔膺^濾、柴油機(jī)尾氣微濾捕集、化工過濾、金屬液過濾等方面得到了廣泛的應(yīng)用。陶瓷纖維過濾器可以分為陶瓷纖維復(fù)合膜材料、陶瓷纖維紙、陶瓷轄內(nèi)網(wǎng)（布）、陶瓷纖維過濾體。
C 吸聲隔音材料
陶瓷纖維制品是微細(xì)纖維多孔的集合體，具有優(yōu)異的吸聲隔音性能。首先因?yàn)槔w維制品本身在纖維之間就具有許多相連通的微小孔隙，所以當(dāng)聲波入射到纖維材料并在其內(nèi)部傳播時(shí)，孔隙中的空氣存在的粘滯阻力以及纖維間的摩擦阻力，會將一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能形成損耗。
D 先進(jìn)陶瓷纖維材料的應(yīng)用
先進(jìn)陶瓷纖維在應(yīng)用方面不同于傳統(tǒng)陶瓷纖維，其重點(diǎn)是根據(jù)纖維自身的特點(diǎn)，除了利用其耐高溫、隔熱及耐火特點(diǎn)以外，還放大發(fā)揮其自身的其它功能特點(diǎn)，比如其自身的吸波性、耐腐蝕、耐候性等等。
陶瓷纖維本身即為半導(dǎo)體，是雷達(dá)波吸收的重要材料，同時(shí)具備輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫、抗氧化等理想的結(jié)構(gòu)材料特性。通過制備工藝改變晶體結(jié)構(gòu)，可以調(diào)整纖維的電阻率，然后多向多層鋪疊從而實(shí)現(xiàn)吸波和透波的目的。陶瓷纖維增強(qiáng)復(fù)材可以直接制備隱身結(jié)構(gòu)件，相比隱身涂層具有更高的強(qiáng)度和耐高溫性能。F-22 在尾噴口附近應(yīng)用了陶瓷基隱身結(jié)構(gòu)材料；法國的 APTGD 導(dǎo)彈的尾翼由六角形小塊陶瓷吸波材料組成，具有較好的吸波效果；美國空軍開發(fā)出了一種Si3N4寬頻透波天線罩。
例如：
（1）氧化鋁纖維：可用于環(huán)保和再循環(huán)技術(shù)領(lǐng)域。如焚燒電子廢料的設(shè)備，歷經(jīng)多年運(yùn)轉(zhuǎn)，氧化鋁纖維仍顯示出其優(yōu)良的抗?fàn)t內(nèi)各種有害物的腐蝕性能，可用于汽車廢氣設(shè)備上作陶瓷整體襯，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
（2）氧化鋯纖維：作為超高溫隔熱復(fù)合材料、防護(hù)材料、燒蝕材料以及衛(wèi)星電池隔膜材料等，用于航空航天、軍工、原子能等領(lǐng)域；作為1600℃~2000℃的超高溫工業(yè)電爐、超高溫燃?xì)鉅t，超高溫實(shí)驗(yàn)室電爐和其它超高溫加熱裝置的爐襯材料；與很多金屬、合金、玻璃復(fù)合做寬溫度范圍使用的金屬基復(fù)合材料；可作為超高溫過濾材料、高溫反應(yīng)催化劑載體，超高溫液體或氣體過濾材料。
（3）石英纖維：可以用于高溫?zé)g材料的增強(qiáng)材料，高溫絕熱密封材料、樹脂增強(qiáng)材料、耐高溫絕緣、捆扎、包裹材料等，工業(yè)隔熱、電纜絕緣包覆、排氣管道隔熱包覆、高溫爐門幕簾及機(jī)械用高溫摩擦增強(qiáng)材料、防火外殼及其它絕緣保護(hù)層、船舶設(shè)備的絕緣、變壓器、互感器、電動機(jī)及其它電子產(chǎn)品的增強(qiáng)絕緣綁扎材料等。
（4）碳化硅纖維：作為熱屏蔽材料、耐高溫輸送帶、過濾高溫氣體或熔融金屬的濾布；可作為纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料(CMC)的高溫結(jié)構(gòu)材料，可應(yīng)用于發(fā)動機(jī)的熱端部件，包括尾噴管部位、燃燒室、加力燃燒室、渦輪外環(huán)、導(dǎo)向葉片、轉(zhuǎn)子葉片等航空航天等領(lǐng)域；碳化硅增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料、碳化硅增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料、碳化硅增強(qiáng)銅基復(fù)合材料等。經(jīng)過碳化硅纖維增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料，在比強(qiáng)度、比剛度、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱性能和耐磨性能等方面具有更優(yōu)異的性能，并且易于生產(chǎn)出合格的金屬基復(fù)合材料。
三·陶瓷纖維的編外語
陶瓷纖維是一個比較廣泛的概念，例如玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維都能劃分為陶瓷纖維系列，但是因?yàn)檫@三種纖維主要應(yīng)用是聚合物基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，而不是依據(jù)其耐溫性、耐火性以及隔熱等特點(diǎn)來使用。本文所介紹的陶瓷纖維是以耐高溫、隔熱以及耐火特性為主要應(yīng)用方向。陶瓷纖維在作為耐火材料應(yīng)用，還有較強(qiáng)的擴(kuò)展空間，如：作為建筑保溫墻板，高溫工業(yè)爐，高溫過濾材料等這些領(lǐng)域隨著國家的碳中和目標(biāo)的提出，其用量將會成指數(shù)倍增長。先進(jìn)陶瓷纖維的應(yīng)用就更加廣泛，先進(jìn)陶瓷纖維具有質(zhì)輕、高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、抗沖刷及濺射以及良好的可設(shè)計(jì)性、可復(fù)合性等一系列其他材料所不可替代的優(yōu)良性能，是火箭、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機(jī)和艦船等尖端武器裝備必不可少的戰(zhàn)略新興材料。
如：我國在《中國制造 2025 》綠皮書中也將碳化硅纖維和陶瓷基復(fù)合材料列入重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目。綠皮書要求在燃燒室中使用陶瓷基復(fù)合材料、在渦輪中使用 CMC，并具體指出使單晶/陶瓷基高壓渦輪葉片達(dá)到耐溫能力>1700K，效率>0.91，二級總膨脹比>4.8。此外，綠皮書在關(guān)鍵戰(zhàn)略材料章節(jié)中特別提出需重點(diǎn)發(fā)展碳化硅纖維、陶瓷基先進(jìn)復(fù)合材料、構(gòu)件及相關(guān)工藝裝備。
