一、氧化锆纤维
氧化锆纤维是耐火纤维的一种。耐火纤维具有耐高温、热稳定性好、热导率低、热容小和耐机械震动等优点。根据纤维的微观结构形态,耐火纤维可以分为非晶质纤维和晶质纤维。非晶质类陶瓷纤维主要是由玻璃态物质构成,如玻璃纤维和硅酸铝纤维,而晶质陶瓷纤维一般为多晶态微观结构,如氧化铝纤维,莫来石纤维和氧化锆纤维。人们早期关注的是莫来石纤维和氧化铝纤维,后来发现氧化锆纤维具有比硅铝质耐火纤维更为优越的性能熔点高(2700℃)、抗氧化、耐腐蚀、热传导率低,在大气中,2200℃时仍保持完整的纤维形态,因此,氧化锆纤维及制品也被认为是极好的耐火纤维材料。硅酸铝纤维质优价廉,因此硅酸铝纤维广泛应用于连续加热的高温炉,可实现炉体结构轻型化、大型化,有效节约能源,是理想的节能增效材料。此外硅酸铝纤维还具有绝缘、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、航天等领域应用广泛。
二、氧化锆的基本性质及晶型转变
氧化锆(ZrO2)是高熔点的金属氧化物,相对分子量为123.22,具有很高的熔点(2700℃)和化学惰性,氧化锆不溶于水、硫酸、盐酸和硝酸,加热时微溶于氢氟酸和浓硫酸。因此可以用作为耐火材料。
纯氧化锆有三种同质异形体:单斜相氧化锆(m-ZrO2)、四方相氧化锆(t-ZrO2)、立方相氧化锆(c-ZrO2)。三种晶型的氧化锆密度分别为5.65g/cm3,6.10g/cm3和6.27g/cm3。这三种晶型在一定条件下,可以发生相互转变。四方相ZrO2与单斜相ZrO2之间的相变称为马氏体相变,相变过程中发生的体积变化使得氧化锆具有增韧效果。氧化锆的三种晶型及转变如下所示:
氧化锆的三种晶型及转变
三、氧化锆纤维的制备
氧化锆纤维具有非常优良的耐高温性能,世界各国都对氧化锆纤维的研究与开发给予了极大的热情,并研究出各种制备方法。但是由于氧化锆的高熔点和熔体的低粘度特性,不能采用像硅酸铝及高铝陶瓷纤维那样的熔融制丝法,而只能采用前驱体法来制造,主要有载体法、无机盐法和溶胶凝胶法。
(一)载体法
载体法是将含锆的无机盐(如硝酸锆、氧氯化锆)水溶液通过浸渍进入人造丝等有机纤维或炭纤维等无机纤维之后,将这种“荷重前驱体纤维”置于特定的气氛中进行热解,待至碳化氢、碳部分分解后再进行热处理(烧成),使载体纤维充分氧化,锆盐转化成氧化锆,获得保持原纤维微观结构的氧化锆纤维。