陶瓷纤维在保温材料及耐火材料方面的11种应用

陶瓷纤维在保温隔热方面的应用

陶瓷纤维按组成，分为玻璃态(非晶态)纤维和多晶(晶态)纤维两大类。

1.1玻璃态纤维生产方法

玻璃态陶瓷纤维的生产方法是将原料在电阻炉内熔融，高温熔体流股从出料口流出，流到多辊离心机高速旋转的甩丝辊上，甩丝辊的离心力将高温熔体甩成纤维状材料。高温熔体流股也可以在高速气流喷吹力的作用下骤冷而被吹制成纤维状材料。

1.2多晶态纤维生产方法

多晶陶瓷纤维的生产方法有胶休法和先驱体法两种。

胶体法：将可溶性的铝盐、硅盐等制成一定粘度的胶体溶液，溶液流股经压缩空气喷吹法或离心盘甩丝法成纤，然后进行高温热处理就转变成铝硅氧化物晶体纤维。

先驱体法：将可溶性的铝盐、硅盐制成一定粘度的胶体溶液，用先驱谇(膨化有机纤维)均匀吸收该胶体溶液，再进行热处理而转变成铝硅氧化物晶体纤维。

1.3陶瓷纤维的使用温度

陶瓷纤维的最高使用温度，足指陶瓷纤维短时间内能承受的极限温度，用以表征陶瓷纤维产品的耐热性的指标。陶瓷纤维产品允许长期使用温度一般比最高使用温度低200 ℃左右。如1260 ℃型纤维制品的长期使用温度是1000℃左右。

国际上习惯按温度把陶瓷纤维产品分为4个等级， 即1000℃型、1260℃型、1400℃型和 1600 ℃型。 国内按陶瓷纤维成分和最高使用温度还进行了细分，以满足不同档次的绝热保温选用要求。

表1陶瓷纤维分类温度和使用温度细分表

陶瓷纤维制品具有耐高温，体积密度小，绝热性能好，化学稳定性好，抗热震稳定性好，抗风蚀性能好，施工方便快速等特点，是当今世界上最具发展潜力的节能环保型绝热保温材料。但陶瓷纤维在应用上也存在一些缺点：稳定性较差，抗侵蚀、抗气流冲刷、抗剥落等性能均较差，长期于高温下暴露时，由于玻璃质纤维的结晶和晶粒生长、高温蠕变等因素，造成纤维结构的变化——收缩变形、纤维失弹、脆化折断、纤维强度降低、致密化，直至发生烧结丧失纤维状结构，加上腐蚀性炉气的侵蚀、气流的冲刷等因素的影响，易粉化脱落。

陶瓷纤维产品在不同条件下使用，其长期使用温度有差异。如工业窑炉操作制度(连续或间歇式窑炉)、燃料种类、炉内气氛等工艺条件，都是影响陶瓷纤维使用温度和使用寿命的因素。

目前还没有测定陶瓷纤维耐热性指标的理想方法。一般是将陶瓷纤维产品加热到一定温度，根据试样加热线收缩变化和结晶程度来评定陶瓷纤维产品的耐热性。

2.1温度对陶瓷纤维性能的影响

从热力学的角度看，玻璃态的陶瓷纤维处于一种亚稳定状态。所以只要在一定的温度条件下加热，纤维内部就会产生质点重排，玻璃态就会转化为结晶态，纤维就会析晶。

表2不同温度下陶瓷纤维析晶变化情况

当晶粒尺寸长大到与纤维直径尺寸相接近时，纤维内部的结合力将由分子间的化学键结合为主，变为以晶粒间的晶界结合为主。由于晶界结合力较为脆弱，因此将导致纤维脆性的加强，在外力的作用下纤维极易遭到破坏，并最终失去纤维特性。

2.2使用环境气氛对陶瓷纤维性能的影响

在还原气氛下，纤维中的SiO2易与CO和H2发生下列反应：

SiO2+CO→SiO↑+CO2

SiO2+H2→SiO ↑+H2O

由于SiO2被还原成挥发性物质，纤维结构慢慢发生变化，表面逐渐变得粗糙。当纤维内部有莫来石晶粒生成时，纤维就易断裂，加速了纤维的劣化。

2. 3杂质对陶瓷纤维性能的影响

陶瓷纤维中存在的一些杂质，如Fe2O3、Na2O、K2O等，它们会与陶瓷纤维中的其他成分在一个较低的温度下反应生成共熔物，低共熔物的存在破坏了纤维的网络结构，纤维内部的粘度降低，析晶时离子团重排所需克服的析晶活化能降低，析晶温度降低，同时由于低共熔物的存在加速了晶粒的生长，促进了纤维的粉化。

陶瓷纤维最大特性：

(1)导热系数低，常温下仅为0.03 W/(m·K)，在1000 ℃时为粘土砖的1/5。

(2)制品密度小，一般在64〜500 kg/m3之间。

(3)热容量低，仅为耐火砖的1/72，轻质砖的1/42。

(4)加工性能好，纤维柔软易切割，连续性强，便于缠绕。

(5)吸音性能良好，可作为高温消音材料。

(6)化学稳定性好，除强碱、氟、磷酸盐外，几乎不受化学药品的侵蚀。

(7)耐热震性能好。

(8)绝缘性能良好， 常温下体积电阻率为1×1013Ω·cm，800℃下体积电阻率为6×108Ω·cm。

(9)陶瓷纤维对波长1.8〜6.0 μm 的光波有很高的反射性。

陶瓷纤维原棉通常加工成各种式样的陶瓷纤维制品供各行各业选用。陶瓷纤维制品最重要的用途就是高温环境下的保温隔热，应用范围涵盖冶金、机械、电子、陶瓷、玻璃、化工、汽车、建材、轻工、军工、船舶、航空航天等领域。

目前陶瓷纤维制品有毯、毡、板、纸、布、带、绳、卷管、瓦块、模块、异型件、可塑料、喷涂料、 涂抹料、浇注料等。下面我们讨论陶瓷纤维制品的保温隔热性能和应用。

3.1陶瓷纤维原棉

陶瓷纤维棉通过电阻炉将原材料高温熔融，经喷吹或甩丝成纤工艺生产制成，直径一般为2〜5μm，长度多为30〜250 mm。

陶瓷纤维棉的纤维表面呈光滑的圆柱形，横截面通常是圆形。其结构特点是气孔率高(一般大于90%)，而且气孔孔径和比表面积大。由于气孔中的空气具有良好的隔热作用，因而纤维中气孔孔径的大小及气孔的性质(开气孔或闭气孔)对其导热性能具有决定性的影响实际上，陶瓷纤维的内部组织结构是一种由固态纤维与空气组成的混合结构，其显微结构特点是同相和气相都是以连续相的形式存在。因此，在这种结构中，固态物质以纤维状形式存在，并构成连续相骨架，而气相则连续存在于纤维材料的骨架间隙之中。正是由于陶瓷纤维具有这种结构，使其气孔率较高，气孔孔径和比表面积较大，从而使陶瓷纤维具有优良的隔热性能和较小的体积密度。

陶瓷纤维棉属中性偏酸性材料，除与强酸碱反应外，不被其他弱碱、弱酸及水、油、蒸汽侵蚀，与铅、铝、铜不浸润，具有优良的柔韧性和弹性。陶瓷纤维密度较小，比轻质隔热砖炉衬轻75%以上，比轻质浇注料炉衬轻90%〜95%，导热系数约为轻质粘土砖的1/8，是轻质耐热衬里(浇注料)的1/10， 热容埴仅为轻质隔热衬里和轻质浇注料衬里的1/10 左右，大大降低了能源损耗量，节能蓄热效果显著。同时，陶瓷纤维具有施工简便，无需烘炉，缩短施工周期，安装简便等特点。

陶瓷纤维棉是其佘陶瓷纤维制品的主要原料，也可按分类温度直接用作工业窑炉膨胀缝充填、炉壁隔热、密封材料。

3. 2陶瓷纤维毯

陶瓷纤维毯的制作方法是将散装陶瓷纤维自然沉降在集棉机网带上，使其形成均匀的棉坯，经针刺制毯工艺得到无粘结剂的干法针刺毯。该毯柔软富有弹性，抗拉强度高，加工和施工性能优良，是陶瓷纤维制品应用最为广泛的产品之一。根据其工艺的不同，陶瓷纤维毯可分为甩丝毯和喷吹毯两大类，两种类型的陶瓷纤维毯性能见表3。不同温度下陶瓷纤维毯的导热系数见表4。

表3陶瓷纤维毯甩丝毯和喷吹毯性能与应用对比

表4陶瓷纤维毯导热系数(密度128 kg/m3) W/(m·K)

陶瓷纤维毯适用于各种隔热工业窑炉的炉门密封、炉口幕帘、窑顶隔热：高温烟道、风管衬套、膨胀接头：石油化工设备、容器、管道高温隔热、保温;高温环境下的防护衣、手套、头套、头盔，靴等;汽车发动机隔热罩、重油发动机排气管包裹、 高速赛车复合制动摩擦衬垫、核电、汽轮机隔热;加热件热处理隔热;输送高温液体、气体的泵、压缩机和阀门用的密封填料、垫片：高温电器绝缘： 防火门、防火帘、灭火毯、接火花用垫子和隔热覆盖等防火缝制品;航天、航空工业用的隔热、保温材料、制动摩擦衬垫;深冷设备、容器、管道的隔热、包裹，高档写宇楼中的档案库、金库、保险柜等重要场所的绝热、防火隔层，消防自动防火帘。

3. 3陶瓷纤维毡

陶瓷纤维毡分陶瓷纤维干法毡和陶瓷纤维湿法毡(真空成型毡)，两种陶瓷纤维毡的异热系数如下表所示。

表6典型陶瓷纤维湿法毡导热系数(密度220 kg/m3)

陶浇纤维毡用于工业窑炉、加热装置的壁衬、背衬;高温设备绝热保温;高温垫片;熔融金属隔热;高温膨胀接缝等。

3.4陶瓷纤维板

陶瓷纤维板是由陶瓷纤维和无机粘结剂经湿法真空成型法制得的刚性陶瓷纤维制品，具有优良的力学性能和抗风蚀性能。

表7陶瓷纤维板导热系数(密度285 kg/m3)

陶瓷纤维板性能优异，应用范围广，具体应用场所见表8。

表8陶瓷纤维板的应用

3.5 陶瓷纤维纸

陶瓷纤维纸是将陶瓷纤维棉采用类似传统湿法造纸工艺，经打浆、抄造、施胶、烘干而成。陶瓷纤维纸具有优良的耐高温性能与隖热性能、施工性能、抗熔融渗透性能等，适合深加工(多层复合、冲切等)，适用于建筑、玻璃行业做浇注垫片脱换隔离使用。

表9陶瓷纤维纸导热系数(密度200 kg/m3)

3.6 陶瓷纤维纺织品

陶瓷纤维纺织品包括布、绳、带，纱线等制品， 是用陶瓷纤维棉、无碱玻纤长丝、耐高温不锈钢合

金丝经特殊T艺加工而成，具有优良的高温强度、 电绝缘性能、低热导率绝热性能和抗酸、油、水汽的腐蚀能力。以下是陶瓷纤维纺织品具体应用场合。

陶瓷纤维布：高温筲道、容器的绝热、热辐射屏蔽、劳保服装、耐高温防火帘、电缆或燃料管道保护、耐高温金属补偿器耐火层及其他工业绝热、保温、耐火和防护。

陶瓷纤维绳：高温管道隔热与密封、电缆绝缘包覆、炼焦炉开口密封、裂解炉砖墙膨胀缝、电炉 与烘箱等的炉门密封、锅炉、高温气体密封件密封、柔性膨胀节连接。

陶瓷纤维带：工业用隔热、管道及电缆隔热包覆、排气管道隔热包覆、螺栓法兰连接、热辐射屏蔽、高温炉门幕帘。

陶瓷纤维纱线：缝纫防火布。

3.7陶瓷纤维异型件

陶瓷纤维异型件是采用优质陶瓷纤维棉作原料，用真空成型工艺制成。

能制成拥有优越高温性能的刚性并有自支撑强度的异型制品。所有异形制品在其使用温度范围内都有较低的收缩，并保持有高隔热、轻质和抗冲击的特点。未灼烧的材料很容易被切割成机械加工。 在使用过程中，产品的抗磨损和剥落性能良好，而且不被大多数熔融金属所润湿。

陶瓷纤维异型件包括管形、锥形、圆顶形和方盒型，大多数异型制品是按照客户的要求进行生产， 如有色金属行业用浇铸帽和套管、石化行业用的真空成型看火孔等。

3.8陶瓷纤维组件(模块)

用对应材质的陶瓷纤维针刺毯，按纤维组件结构、尺寸，在专用机械上加工而成。在加工过程中，均保持一定比例的压缩量，以保证陶瓷纤维组件壁衬砌筑完毕后，陶瓷纤维组件在不同方向的膨胀，使陶瓷纤维组件之间相互挤成一个无缝隙的整体。陶瓷纤维组件通过各种形式的锚固件直接固定于工业窑炉炉先钢板上。

陶瓷纤维组件具有优良的化学稳定性及热稳定性、低热导率、低热容量，处在模块背面的多种形式的锚固件使得模块的安装既可采用兵列式排列方式也可采用拼花地板式排列方式。以下为各种组件的应用特点。

折叠毯在解除捆扎后会在不同方向上相互挤紧，不产生缝隙;有弹性的纤维毯可以抵抗机械外力;纤维毯的弹性可以弥补炉壳的变形，使得组件之间不产生缝隙。由于重量轻，作为隔热材料时的吸热很少，低导热性能带来高的节能效果，具有抵抗任何热冲击的能力，衬体无需烘干和养护，所以安装好以后便可立即投入使用。锚固系统远离组件的热面，使得金属锚固件处在相对低的温度下。

3.9陶瓷纤维浇注料

陶瓷纤维浇注料是以陶瓷纤维棉为骨料，加入各种填料、结合剂、添加剂等材料制成。

陶瓷纤维浇注料导热率低，热容量低，抗热震，耐压抗折，故具有优良的抗风蚀、抗磨损、抗冲击性能和一定的承重能力。

陶瓷纤维浇注料的最大优点是具有良好的施工性能和力学性能，特别适用于形状复杂的炉壁，施工容易，炉壁整体性强，炉壁浇注后4〜8 h即可脱模，并具有一定硬度。

表10陶瓷纤维浇注料导热系数(密度200 kg/m3)

陶瓷纤维浇注料的应用包括工业窑炉壁衬或高温工业窑炉背衬隔热、钢包烘烤盖的整体浇注、高温管道壁衬、炉门、看火孔、烧咀砖等普型、异型预制成型件等等。

4. 1可溶陶瓷纤维制品

可溶陶瓷纤维的主要成分是SiO2、CaO、MgO，Al2O3含量小于1%。可溶纤维在人体体液中有足够的溶解度，是一种无污染、无危害、绿色环保的新型节能材料。

可溶陶瓷纤维产品具有低导热率、热损失小、甩丝纤维长、交织性好、化学稳定性优良、吸音性能好、在人体体液中有良好可降解性的特点。

可溶陶瓷纤维产品用于轮船船舱、甲板及烟道的防火吸音;防火门、建筑隔墙领域的防火吸音;窑炉棚体膨胀缝、炉门、顶盖绝热密封;高温窑炉衬里全纤维结构的平铺背衬、热面耐火。

4.2陶瓷纤维复合绝热板

以陶瓷纤维为增强材料的陶瓷纤维复合绝热板具有纳米网孔结构，能有效降低材料的热传导、热对流和热辐射，600 ℃时的导热系数在0.030 W/(m.K)左右，仅为常用绝热保温材料的20%〜50%。陶瓷纤维复合绝热板与其他相关产品的导热系数比较见表 11。

表11陶瓷纤维复合绝热板导热系数与其他相关产品的比较W/(m·K)

4. 2.1陶瓷纤维复合绝热板的特性

(1)优越的隔热性能。常温(25℃)导热系数为0.015 W/(nvK)， 600℃时的导热系数为0.030 W/(m.K)。 该材料与目前常用的绝热保温材料相比绝热效果可提高2〜10倍，可减少绝热层厚度30%〜50%。

(2)耐高温。长期使用温度可达900 ℃，与陶瓷纤维其他制品复合结构可达1700℃。

(3) 使用寿命长。可做绝热体永久层，5〜10 年。

(4) 经济节能。比常规材料节能10%〜30%。

(5) 环保无毒。在火场中和高温下不释放任何有毒物质，不含石棉(全系列)、多溴联苯(阻燃剂)。

(6) 很好的化学稳定性。可长期耐受除氢氟酸、强碱外的大部分酸碱环境，不分解不变质，可长期耐受各种热辐射(紫外光、红外光、可见光)及电磁辐射，性能不退化。

(7) 隔音减震。本材料为多孔材料，并具有相当的弹性，是一种优秀的隔音减震材料，声速在本材料中会下降至在空气中的1/3。

4.2.2陶瓷纤维复合绝热板的应用领域

陶瓷纤维复合绝热板具有优异的隔热效果，可以在以下行业取得广泛的应用。

(1) 钢铁工业：钢包、中间包、电炉、加热炉、退火炉、混铁炉、烧结炉等。

(2) 石油化工业：裂解炉、加热炉、管道等。

(3) 陶瓷业：回转窑、梭式窑、隧道窑等窑体及管道。

(4) 工业炉窑：背衬绝热、炉窑炉衬、炉窑隔热带等系统。

(5) 电力工业：核电绝热系统、蒸汽轮机、锅炉管道系统。

(6) 家用电器：加热器、烤炉、烤箱、电饭煲、微波炉、电磁炉、壁炉等电器仪表的隔热保护。

(7) 航空航天、建筑、建材、高/低温工程防火隔热等领域。

陶瓷纤维制品优良的耐温隔热性能为高温工业领域的隔热保温带來了一场节能上的革命。在全球能源价格不断上涨，中国将节能降耗提升到国家战略的背景下，比传统耐火材料节能10%〜30%的陶瓷纤维制品前景十分看好。但陶瓷纤维具有可吸入性，对环境及人体有一定的危害，国外企业己加强了对非晶质陶瓷纤维的限制使用。

可溶陶瓷纤维属无污染的环境友好型材料。陶瓷纤维产品今后生产趋势，就是朝着无污染、精细化和多功能化方向发展，尤其是利用新工艺、新原料，制备高附加值、高科技含呈的功能性精细陶瓷纤维，其生产几率会越来越大，这将对优化绝热耐火材料具有重大意义。