烘箱和马弗炉的区别(被严重低估的陶瓷纤维应用)

Posted 2023-06-01

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烘箱和马弗炉的区别(被严重低估的陶瓷纤维应用)

陶瓷纤维是一个“小众”应用的纤维产品，传统的陶瓷纤维主要利用其质轻耐高温、导热率低及比热小的特点，广泛应用于各种窑炉、烘箱、马弗炉制作，还有部分应用于过滤布袋、隔热板、保温材料等用途。目前大家比较熟知的陶瓷纤维：硅酸铝纤维、莫来石纤维及氧化铝纤维等，就是比较传统的陶瓷纤维,但是除了传统的陶瓷纤维外，还有先进陶瓷纤维：石英纤维、碳化硅纤维、氧化锆纤维、氮化物纤维等等，主要用于航空航天、石油、化工等领域。

资料来自：信达证券研发中心

陶瓷纤维毯

陶瓷纤维毡

陶瓷纤维布

陶瓷纤维纱线

一·陶瓷纤维的特点

1·碳化硅纤维：

碳化硅纤维的最高使用温度达1200℃，其耐热性和耐氧化性均优于碳纤维，在最高使用温度下强度保持率在 80%以上，化学稳定性也好。从形态上分有晶须和连续纤维两种。

国内新型连续化SiC纤维产品，纤维平均直径12μm，室温弹性模量280GPa，平均拉伸强度3.3GPa。

碳化硅晶须(β-SiC)

2·氮化硅(Si3N4)纤维：

氮化硅纤维是一种耐高温、高强度陶瓷纤维，其化学式为Si3N4，在氧化性气氛中，其最高使用温度为1300℃；在非氧化性气氛中，其最高使用温度1800℃。拉伸强度和弹性模量分别可达到1000MPa和300GPa，热膨胀系数低，磨损抗力优良，主要用来增强金属和陶瓷。

3·硅碳氮(SiCN)纤维：

硅硼氮碳(Si-B-N-C)陶瓷纤维高耐温、高强度、室温下的强度大于250GPa的弹性模数和0.4～1的蠕变值m(使用标准BSR试验,1小时,1400℃)，是一种兼具耐高温性、抗高温氧化性、抗蠕变性、高强度、吸波等优点于一身的新型结构/功能一体化陶瓷纤维。

4·硅酸铝纤维：

硅酸铝纤维形状和颜色同棉花相似，是一种非晶体陶瓷纤维，主要由氧化铝和二氧化硅组成，有时还含有少量的氧化铁、二氧化钛、氧化钙等物质。根据组成物质及含量的不同，可分为四类：标准(普通)硅酸铝纤维、高纯硅酸铝纤维（莫来石纤维）、高纯含铝硅酸铝纤维和高纯含锆硅酸铝纤维。

具有优良的绝热特性，耐酸、碱腐蚀性好，具有优良化学稳定性。电绝缘体、吸声性好，对500Hz以上中、高度波可吸收80%以上。通常在800℃以上使用。具有优良的绝热特性，耐酸、碱腐蚀性好，电绝缘性、吸音性好，对500Hz以上中、高波可吸收80%以上。

莫来石纤维是一种多晶结构的纤维（纤维中Al2O3含量在72%-75%之间）主晶相为莫来石微晶，作为氧化硅和氧化铝二元体系中唯一的稳定相，其活性低，再结晶能力较差，因此莫来石纤维具有较好的耐高温性能，使用温度在1500—1700℃，但当温度高于1500℃时，其晶粒也会长大，使其丧失高温力学性能，当温度达到1830℃左右时，会迅速分解为氧化铝和液相。

莫来石纤维散棉

5·石英纤维：

石英纤维是指杂质含量低于0.1%，纤维直径在0.7-15μm的高纯度特种二氧化硅玻璃纤维。其具有很高的耐热性，长期稳定的使用温度为1050℃，瞬间耐温高达1700℃，但是在600℃时强度开始下降。

纤维保持了固体石英的部分性能和特点，是一个良好的耐高温材料，也是作为先进复合材料的增强体。石英纤维的纯度＞99.9%，这使得纤维具有抗烧蚀性强、耐温性好、导热率低，而且化学稳定性高，介电性能也非常优良。

6·氧化铝纤维：

氧化铝纤维是一种多晶陶瓷纤维，具有长纤、短纤、晶须等多种形式。它以Al2O3为主要成分，有时会含有一定量的添加剂，如二氧化硅、氮化硼、氧化锆、氧化铁、氧化镁等。氧化铝短纤维主要用于高温绝热材料，长纤维用于增强复合材料，晶须则具有较高的强度和一些特殊的磁学、电学、光学性能，应用于功能材料之中。

氧化铝纤维与金属基体的浸润性好，界面反应较小，其复合材料的力学性能、耐磨性、硬度均有提高，热膨胀系数降低，可用作树脂基纤维增强复合材料制品；耐化学腐蚀好，氧化铝纤维由于其良好的耐化学腐蚀性能可用于环保和再循环技术领域。

氧化铝毯

7·氧化锆纤维：

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（2650℃）和化学惰性。氧化锆纤维具有很好的高温性能，在温度高达2480℃时仍可保持其纤维形态，1400℃左右仍具有可绕性。氧化锆纤维使用温度可达氧化铝的熔点以上，最高可达2200℃，氧化锆纤维材料不仅适用于氧化气氛，而且可在还原气氛和真空下使用。

氧化锆纤维棉采用溶胶-凝胶法制备，纯度（ZrO2+稳定剂）≥ 99.5%，是唯一能满足1600℃以上在超高温氧化气氛下使用的轻质多晶质耐火纤维材料。其熔点2713℃、使用温度高、隔热性能好、高温化学性质稳定、耐腐蚀、抗氧化、抗热震性好、不挥发、无污染等特性。

氧化锆布

氧化锆针刺毡

氧化锆板

二·陶瓷纤维的应用

资料来之：信达证券研发中心

1·中低端陶瓷纤维应用

陶瓷纤维是优质耐火保温材料，符合下游行业“更节能、更环保、更安全”的需求，目前国内陶瓷纤维制品年产量约 70 万吨，占耐火材料比例约为2.9%，基数较小，未来每一细分应用领域的拓展都将带来较高增长。陶瓷纤维制品并非完全标准化产品，应用于不同领域需调整配料、工艺与技术支持，因此非标准方面的应用随着整个工业体系发展而得到拓展。

A 高温绝热保温材料

陶瓷纤维属于高效节能绝热保温材料，材料本身具有一般纤维的特点，同时又拥有普通纤维所没有的耐高温、耐腐蚀和抗氧化性能，更重要的一点是避免了一般耐火材料的脆性，从而在一定程度上取代着传统重质耐火砖被用作工业窑炉壁衬材料。陶瓷纤维作为窑炉炉壁砌筑而成的工业窑炉在使用中最大的优点就是节能。如：多晶莫来石纤维制品可长期用于1600℃以下的高温热工设备中作绝热材料，如碳化硅电炉、硅化钼电炉、各种钢铁加热炉、机械锻造炉等等，可显著提高设备热效率，大幅度节约能源，提高生产率，改进产品质量。可应用于各种高温工业窑炉隔热；陶瓷窑炉；机械及冶金加热炉；热处理炉及其它工业窑炉的热面内衬；高温挡火隔焰；窑门、窑车、膨胀缝等隔热材料；玻璃窑隔热。

B 过滤材料

陶瓷纤维材料凭借其强度高、抗热冲击性好、耐化学腐蚀等特点，在空气净化、高温烟气过滤、柴油机尾气微滤捕集、化工过滤、金属液过滤等方面得到了广泛的应用。陶瓷纤维过滤器可以分为陶瓷纤维复合膜材料、陶瓷纤维纸、陶瓷辖内网（布）、陶瓷纤维过滤体。

C 吸声隔音材料

陶瓷纤维制品是微细纤维多孔的集合体，具有优异的吸声隔音性能。首先因为纤维制品本身在纤维之间就具有许多相连通的微小孔隙，所以当声波入射到纤维材料并在其内部传播时，孔隙中的空气存在的粘滞阻力以及纤维间的摩擦阻力，会将一部分声能转化为热能形成损耗。

D 先进陶瓷纤维材料的应用

先进陶瓷纤维在应用方面不同于传统陶瓷纤维，其重点是根据纤维自身的特点，除了利用其耐高温、隔热及耐火特点以外，还放大发挥其自身的其它功能特点，比如其自身的吸波性、耐腐蚀、耐候性等等。

陶瓷纤维本身即为半导体，是雷达波吸收的重要材料，同时具备轻质、高强、耐高温、抗氧化等理想的结构材料特性。通过制备工艺改变晶体结构，可以调整纤维的电阻率，然后多向多层铺叠从而实现吸波和透波的目的。陶瓷纤维增强复材可以直接制备隐身结构件，相比隐身涂层具有更高的强度和耐高温性能。F-22 在尾喷口附近应用了陶瓷基隐身结构材料；法国的 APTGD 导弹的尾翼由六角形小块陶瓷吸波材料组成，具有较好的吸波效果；美国空军开发出了一种Si3N4宽频透波天线罩。

例如：

（1）氧化铝纤维：可用于环保和再循环技术领域。如焚烧电子废料的设备，历经多年运转，氧化铝纤维仍显示出其优良的抗炉内各种有害物的腐蚀性能，可用于汽车废气设备上作陶瓷整体衬，其特点是结构稳定。

（2）氧化锆纤维：作为超高温隔热复合材料、防护材料、烧蚀材料以及卫星电池隔膜材料等，用于航空航天、军工、原子能等领域；作为1600℃~2000℃的超高温工业电炉、超高温燃气炉，超高温实验室电炉和其它超高温加热装置的炉衬材料；与很多金属、合金、玻璃复合做宽温度范围使用的金属基复合材料；可作为超高温过滤材料、高温反应催化剂载体，超高温液体或气体过滤材料。

（3）石英纤维：可以用于高温烧蚀材料的增强材料，高温绝热密封材料、树脂增强材料、耐高温绝缘、捆扎、包裹材料等，工业隔热、电缆绝缘包覆、排气管道隔热包覆、高温炉门幕帘及机械用高温摩擦增强材料、防火外壳及其它绝缘保护层、船舶设备的绝缘、变压器、互感器、电动机及其它电子产品的增强绝缘绑扎材料等。

（4）碳化硅纤维：作为热屏蔽材料、耐高温输送带、过滤高温气体或熔融金属的滤布；可作为纤维增强陶瓷基复合材料(CMC)的高温结构材料，可应用于发动机的热端部件，包括尾喷管部位、燃烧室、加力燃烧室、涡轮外环、导向叶片、转子叶片等航空航天等领域；碳化硅增强钛基复合材料、碳化硅增强镁基复合材料、碳化硅增强铜基复合材料等。经过碳化硅纤维增强的金属基复合材料，在比强度、比刚度、热膨胀系数、导热性能和耐磨性能等方面具有更优异的性能，并且易于生产出合格的金属基复合材料。

三·陶瓷纤维的编外语

陶瓷纤维是一个比较广泛的概念，例如玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维都能划分为陶瓷纤维系列，但是因为这三种纤维主要应用是聚合物基纤维增强复合材料，而不是依据其耐温性、耐火性以及隔热等特点来使用。本文所介绍的陶瓷纤维是以耐高温、隔热以及耐火特性为主要应用方向。陶瓷纤维在作为耐火材料应用，还有较强的扩展空间，如：作为建筑保温墙板，高温工业炉，高温过滤材料等这些领域随着国家的碳中和目标的提出，其用量将会成指数倍增长。先进陶瓷纤维的应用就更加广泛，先进陶瓷纤维具有质轻、高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、抗冲刷及溅射以及良好的可设计性、可复合性等一系列其他材料所不可替代的优良性能，是火箭、卫星、导弹、战斗机和舰船等尖端武器装备必不可少的战略新兴材料。

如：我国在《中国制造 2025 》绿皮书中也将碳化硅纤维和陶瓷基复合材料列入重点发展项目。绿皮书要求在燃烧室中使用陶瓷基复合材料、在涡轮中使用 CMC，并具体指出使单晶/陶瓷基高压涡轮叶片达到耐温能力>1700K，效率>0.91，二级总膨胀比>4.8。此外，绿皮书在关键战略材料章节中特别提出需重点发展碳化硅纤维、陶瓷基先进复合材料、构件及相关工艺装备。