1
引言
氧化铝纤维是以Al2O3为主要成分，同时可能含有少量SiO2、B2O3、Fe2O3、ZrO2、MgO等氧化物的一种高性能无机陶瓷纤维[1]。
Al2O3纤维拥有优异的物理化学性能，具有熔点高、抗氧化、耐腐蚀、热稳定性好和隔热性能佳等优点，在化工、机械、医疗、电子等众多应用领域的重要性日益凸显。与其他无机陶瓷纤维相比，Al2O3纤维制备方法简单、成本低、商业价值高、发展潜力大[1]。
2
氧化铝纤维分类
2.1 按长度分类
按照长度不同，氧化铝纤维分为：短纤维、晶须以及连续纤维。
2.2 按成分分类
根据成分含量不同，氧化铝纤维主要分为：72%Al2O3纤维、85%l2O3纤维以及99%Al2O3纤维三种类型[2]。这三种纤维由于其成分含量的不同，在物理性能、化学稳定性和应用领域上也存在显著的区别。
同样是根据成分含量的不同，氧化铝纤维还可分为单组元与多组元2大体系。其中，多组元氧化铝纤维又可以分为多个不同种类，例如：Al2O3-SiO2体系纤维和Al2O3-ZrO2体系纤维[3]。
2.2.1 Al2O3-SiO2体系纤维
SiO2是氧化铝纤维中最常添加的氧化物，自20世纪70年代起，Al2O3-SiO2体系氧化铝纤维已实现工业化生产，典型产品包括：3M公司NextelTM550/720、日本住友Altex以及德国化学纤维及织物研究所CeraFib75等系列纤维[3]。
近年来，中国在Al2O3-SiO2体系纤维方面取得突破性进展，国产SIC550纤维成分与NextelITM550纤维相同，其物相除y-Al2O3与非晶相外，还含有微量Al2Si4O10相。纤维直径13um，室温拉伸强度1.38GPa，其在1200℃热暴露后因非晶晶化现象导致纤维强度急剧衰减至331MPa[3]。国产Morlion735纤维组分同于NextelTM550纤维，亦呈现y-Al2O3与非晶双相结构，直径11um，室温拉伸强度2.2GPa[3]。
2.2.2 Al2O3-ZrO2体系纤维
在多晶氧化铝纤维中引入氧化锆颗粒，可通过钉扎晶界与抑制晶界扩散的双重机制，显著提升其热稳定性与抗蠕变性能[3]。杜邦公司开发的PRD166纤维采用20%四方相ZrO2作为增强相，相较于FP和Almax等单相a-Al2O3纤维展现出更优的热稳定性：其在1100℃条件下仍保留一定拉伸强度，而后者在1000℃时即完全失效[3]。
2.3 按照微观结构分类
按微观结构可分为：实心氧化铝纤维、多孔氧化铝纤维和中空氧化铝纤维三大类[4]。
2.3.1 实心氧化铝纤维
对于传统实心氧化铝纤维，纺丝过程是多种制备方法中的关键步骤，如通过控制纺丝电压、聚合物浓度、溶液黏度等参数都可调控纤维形貌（如纤维直径、长短、形状等）与性能，经实验探究某一参数对纤维形貌的影响，可以得到特定条件下的最优参数组合[4]。
2.3.2 多孔氧化铝纤维
多孔氧化铝纤维相较于实心氧化铝纤维具有独特的孔结构，研究者多采用造孔剂实现多孔纤维的制备[4]。多孔氧化铝纤维具有丰富的孔隙结构和较大的比表面积，能够提供更多的吸附位点，从而实现对污染物的高效吸附和过滤，这也成为当前研究中极热门的方向之一[4]。运用多种方法耦合的手段调控纤维形貌，以满足特定领域的应用需求，亦为一种调控举措。
2.3.3 中空氧化铝纤维
中空氧化铝纤维具有连通的大孔，孔径大小与孔隙率显著影响纤维性能。中空氧化铝纤维具有高孔隙率，为气体和液体的传输提供了高效的通道，高机械强度使得纤维能够承受较大的压力差，指状孔和海绵孔等不对称结构赋予了纤维膜孔径细小、结构紧密的特性，从而使其具备优异的吸附、分离性能，常被用作膜结构[4]。以中空氧化铝纤维作为载体，创新后处理条件或进行复合掺杂等手段可实现膜性能的进一步优化[4]。
3
氧化铝纤维研究现状
自1974年起，美国明尼苏达矿业制造（3M）公司采用溶胶-凝胶法成功制备出NextelTM系列高性能氧化铝连续纤维[3]。其中，NextelTM610纤维由高纯度α-Al2O3（＞99%，质量分数）构成，平均晶粒尺寸约100nm，拉伸强度达3.1GPa，是迄今为止拉伸强度最高的氧化铝基纤维；NextelTM720纤维则通过棒状α-Al2O3晶粒与马赛克状莫来石晶粒的双相结构设计，呈现出优异的抗蠕变性能[3]。
目前，NextelTM系列纤维及其增强复合材料已应用于航天器隔热瓦、航空发动机尾喷构件、燃烧室衬套、国际空间站防护罩、火箭气体管道罩及无人机射流推进器等关键部件，逐步形成完整的工程应用体系[3]。
现如今，Nextel610及Nextel720纤维已成为氧化铝/氧化铝复合材料中应用最多的两种纤维。
除3M公司外，美国杜邦公司、日本三井矿山、住友化学、Nitivy公司及德国化学纤维及织物研究所等机构，均突破氧化铝连续纤维商业化生产技术[3]。
中国在该领域虽起步较晚，但近10年取得显著进展。上海硅酸盐研究所、上海榕融、山东大学、东珩国纤和国装新材等单位已实现部分对标NexteITM牌号纤维的工程化生产[3]。
中南大学、山东大学等研究院所则突破多种类型氧化铝连续纤维的设计制备技术，并初步阐明了高性能氧化铝纤维设计-制备-服役全链条的内在机制[3]。上海榕融新材料科技有限公司借助静电辅助干法纺丝成型技术，实现了百吨级高性能氧化铝连续纤维的稳定高效高质生产，自主研发相关装备与系统集成，突破“卡脖子”难题，实现了氧化铝纤维纸厚度0.3~1mm区间薄型产品量产，标志着我国在高性能氧化铝纤维制备领域达到了国际先进水平[4]。山东东珩国纤新材料有限公司主导的氧化铝纤维超轻质高温绝热，其高性能氧化铝纤维项目打破了国外对我国关键材料的长期垄断与技术封锁，提升了我国在航空航天、国防军工、超高温保温等高精尖领域的行业竞争力[4]。
目前我国具有氧化铝纤维连续化生产能力的企业包括山东东珩国纤新材料有限公司、国装新材料技术（江苏）有限公司和上海榕融新材料技术有限公司等。国内企业目前主要对标3M公司Nextel系列产品进行开发，主要包括NextelTM550、NextelTM610和NextelTM720三个牌号，各公司现均已形成了各自的型号产品[5]。
4
氧化铝纤维制备方法
Al2O3纤维的制备方法包括淤浆法、熔融抽丝法、预聚合法、浸渍法、卜内门法、水热法、溶胶凝胶法等[1]。其中，溶胶-凝胶法、浸渍法等是较为常用方法，静电纺丝法、离心纺丝法等是具备较大发展潜力的方法[1]。
4.1 溶胶凝胶法
溶胶-凝胶法制备氧化铝连续纤维具备纯度高、均一性好、工艺通用性强及重现性优异等特点。不过，从溶胶到成品纤维的转化经历浓缩、纺丝、热分解、烧结多道工序，伴随热分解、相变、致密化及晶粒长大等复杂过程，这些过程直接决定纤维的组织结构与综合性能[3]。
溶胶凝胶法制备氧化铝纤维过程中，原料选择、配比以及各种助剂的使用对纤维性能至关重要。铝源多选用无机铝盐（如硝酸铝、氯化铝）及有机铝盐（如异丙醇铝）等，硝酸铝和氯化铝因成本低、反应条件温和而被广泛应用。催化剂常为有机酸（如醋酸、酒石酸），可促进铝源水解聚合；溶剂则用水或醇（如乙醇）调控溶胶黏度与反应速率；另外，加入少量添加剂如氧化镁（MgO）、二氧化锆（ZrO2）等以优化纤维性能[4]。
4.2 浸渍法
浸渍法是制备Al2O3纤维膜最为常见的方法，由于设备简单，操作快捷，一直沿用至今。浸渍法中，一般以水溶液作为溶剂，用具有较好亲水性的黏胶纤维作为基体纤维，基体纤维经过无机盐溶液浸渍，其中无机盐并不附着在纤维表面，而是以分子状态分散在黏胶纤维中，从而有利于纤维的形成，经过干燥和烧结处理得到具有功能化的Al2O3材料，从而实现材料在吸附性能、催化性能等方面的增强[6]。
4.3 离心纺丝
首先，将一定黏度的纺丝前驱体注入到纺丝盘中；然后，在高速旋转过程中，离心力将纺丝液通过纺丝盘上的小孔甩出；最后，将甩出的凝胶纤维收集起来，经高温煅烧后，得到陶瓷化Al2O3超细纤维[7]。在制备过程中，纺丝前驱体的组成（固含量、水解比、酸度比、黏度等），纺丝参数（离心速度、环境温度及相对湿度等）及煅烧参数（煅烧温度、煅烧时间、升降温速率等）对Al2O3纤维的形貌和性能有着重要影响[7]。
4.4 静电纺丝
相比于离心纺丝，静电纺丝制备的Al2O3超细纤维直径更细，可以达到纳米级。静电纺丝的原理是在纺丝液上施加一个强的电场，在电场力的作用下，纺丝液被拉丝成纳米级的纤维。静电纺丝过程中影响纤维形貌和结构的因素有纺丝液黏度、电场力、进料流量、接收距离及环境温湿度等[7]。静电纺丝法制备Al2O3纤维具有纤维直径小、形貌易于控制等优势。近年来业内提出了多针头和无针头的静电纺丝设备，但产量和成本问题尚未完全解决[7]。
5
氧化铝纤维应用
5.1 隔热材料
Al2O3纤维具有低热容量、低导热系数、低蠕变率、高抗热震性等优良性能，故Al2O3纤维特别适用于工业炉、航空航天和其他需要轻质绝缘材料的领域[8]。目前，氧化铝纤维广泛应用于火箭、飞船、飞机的柔性热防护系统中，能够有效抵御进入大气层时产生的高温。美国3M公司的Nextel系列氧化铝纤维大量使用在充气式再入飞行器[6]。
Su等[10]将氧化铝纤维与Ti2AIC结合，制备出了氧化铝纤维增强MAX相陶瓷基复合材料。这种复合材料具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀、高温自愈等特性，能够很好地适应高温和强氧化的工作环境，主要用于航空发动机和高超声速飞行器的高温结构件。
5.2 储能材料
Al2O3纤维具有耐高温、耐腐蚀、机械强度高等优异性能，因此其在二次储能电池的电极、隔膜及质子交换膜等储能材料领域表现出良好的应用潜力[8]。
5.3 催化材料
Al2O3纤维材料具有比表面积大、化学稳定性好、机械强度高和价格低廉等优点，因此其在催化剂载体方面具有良好的应用前景[8]。Moghaddam等[11]采用溶胶-凝胶法制备了一系列具有不同SiO2/Al2O3摩尔比的纳米介孔Ni/SiO2-Al2O3纤维，并对其进行CO2甲烷化反应的研究。与纯Al2O3纤维相比，这种纳米介孔Ni/SiO2-Al2O3纤维催化效果更好，可以解决颗粒催化剂直接使用后，纤维难以与水体分离，容易造成二次污染的问题。
5.4 环保材料
氧化铝基陶瓷连续纤维是优良的耐化学腐蚀材料，可用于环保和再循环领域，如运行多年的焚烧电子废料设备，对炉内各种有害物的腐蚀性能依然良好[12]。此外，其结构稳定，可用作汽车废气设备上的陶瓷整体衬。氧化铝纤维在温度上升时膨胀较小，比纯合金减少约25%，用于铝合金活塞可使活塞和汽缸之间吻合的更好，从而节省燃料[12]。
5.5 结构增强复合材料
结构增强复合材料领域Al2O3纤维具有耐高温、抗氧化和高强度等优点，并且与金属基体的浸润性良好，界面反应较少，可作为增强材料提高复合材料的性能[1]。程洁洁等[2]以氧化铝（Al2O3）和二氧化硅（SiO2）为原料，采用溶胶-凝胶法制备氧化铝连续纤维，研究氧化铝连续纤维的晶体结构、烧结过程中各基团含量及各反应发生的时间和温度，探究烧结温度对氧化铝连续纤维常/高温拉伸力学的影响规律。结果表明，1100℃烧结的纤维展现出最优的高温力学性能，其拉伸强度为1.7637GPa，且在1200℃处理2h后强度保留率可达94%以上。在此基础上，设计制备由氧化铝编织套管、镍基合金弹簧和氧化铝纤维毯组成的热密封材料，为后续编织热密封材料的热-力学性能研究提供有力支撑。
6
结语
近些年，我国氧化铝纤维制备关键技术开发及产业化方面取得了长足的进步，在氧化铝纤维制造水平方面与国外发达国家的差距正逐渐缩小。但是我国对氧化铝纤维的研究起步晚，持续加大技术创新力度、突破性能瓶颈，弥补应用缺陷，降低生产成本，仍然是高端氧化铝纤维领域研究的重要任务。
（本文来源于网络，版权归原作者。转载仅为分享、学习、交流，不为商用，也不代表本平台赞同其观点或对其真实性负责。如涉及文字或图片侵权，请联系我们删除。）