Connaissance de la classification et de l'utilisation des fibres céramiques


Le matériau isolant poreux en fibre céramique peut former une structure stable avec seulement une petite quantité de matériau (fibre). Comparé au matériau isolant à pores en céramique, le matériau isolant en fibre céramique est léger, poreux, à faible conductivité thermique et à capacité thermique spécifique. De grandes caractéristiques et peut supporter des charges très élevées. Ce matériau a été utilisé dans de nombreux domaines tels que la séparation par filtration, l'isolation thermique, la biomédecine et les matériaux composites. La structure de protection thermique réutilisable représentée par un matériau en fibre céramique est largement utilisée dans le système de protection thermique de divers avions avancés au pays et à l'étranger, et présente une valeur d'application et des perspectives de développement importantes.

Les fibres céramiques peuvent être divisées en deux catégories: les fibres céramiques non oxydées (telles que les fibres SiC, les fibres C) et les fibres céramiques oxydées (y compris l'oxyde composite) (telles que les fibres de silicate d'aluminium, les fibres Al2O3).

  1. Fibre céramique sans oxyde

  2. Fibre de carbure de silicium. Le carbure de silicium (SiC), communément appelé carbure de silicium et silice de carbone, est un composé synthétique lié de manière covalente. Il peut être préparé par dépôt chimique en phase vapeur, réduction carbothermique, frittage de poudre et conversion de précurseur. Le carbure de silicium pur est incolore et transparent, et le carbure de silicium utilisé dans l'industrie est souvent vert clair ou noir car il contient du fer libre, du silicium, du carbone et d'autres impuretés.

    Parce que le carbure de silicium a de bonnes caractéristiques à haute température, telles que la résistance à l'oxydation, la résistance et la stabilité à haute température, une bonne conductivité thermique, une faible densité, un faible coefficient de dilatation et un faible fluage, il peut être utilisé comme chambre de combustion pour les turbines à gaz à haute température. Buses haute température, aubes de turbine, etc. En raison de sa conductivité thermique élevée et de ses bonnes propriétés d'isolation, le carbure de silicium peut être utilisé comme échangeur de chaleur haute température dans les fours industriels métallurgiques, ainsi que comme substrats et matériaux d'emballage pour circuits intégrés à grande échelle . Grâce à sa dureté élevée, sa résistance à l'usure et sa résistance à la corrosion acide et alcaline, des matériaux d'étanchéité mécaniques tels que des paliers lisses, des disques de soupape, des pales de ventilateur et des tuyaux résistants à la corrosion peuvent être préparés dans les industries mécaniques et chimiques.

    Le carbure de silicium a non seulement de bonnes propriétés physiques, mais également d'excellentes propriétés chimiques. Dans une atmosphère sans oxygène, seulement 5% de silicium était contenu dans la phase gazeuse à la surface du carbure de silicium à 2300. Cependant, lorsque le carbure de silicium a été exposé à l'oxygène à 1000, la surface a commencé à s'oxyder, mais le carbure de silicium pourrait former un film protecteur de SiO2 pour empêcher la réaction d'oxydation de se poursuivre.

  3. Fibre de carbone. La fibre de carbone fait référence à un matériau de carbone fibreux qui est chauffé à 1000°C ou plus par une fibre organique dans un gaz inerte pour former un matériau de carbone fibreux ayant une teneur en carbone de 90% ou plus. La fibre de carbone est un nouveau type de matériau inorganique avec une densité de 1,5 à 2 g / cm3, soit 1/4 de la densité de l'acier, 1/2 de la densité de l'alliage d'aluminium et 4 à 5 fois plus résistante que l'acier. Le coefficient de dilatation thermique est petit et la résistance aux chocs thermiques est bonne. Il tombe soudainement d'une température élevée de plusieurs milliers de degrés Celsius à une température normale et n'éclate pas, et a un bon pouvoir lubrifiant et une bonne conductivité électrique. Les fibres de carbone sont chimiquement similaires au carbone, sont inertes à l'alcalinité générale et ne fragilisent pas aux températures de l'azote liquide. Dans un environnement sans oxygène, même à une température élevée de 3000, il ne fond pas, mais dans une atmosphère d'air, lorsque la température est supérieure à 400, une oxydation importante se produit et du CO et du CO 2 sont générés. Par conséquent, la fibre de carbone peut réduire considérablement le poids structurel du composant et améliorer les performances techniques, ce qui le rend largement utilisé dans les véhicules aérospatiaux.

    Selon les matières premières utilisées, les fibres de carbone peuvent être classées en fibres de carbone à base de polyacrylonitrile, fibres de carbone à base de brai, fibres de carbone à base de cellulose et fibres de carbone à base phénolique. Les fibres de carbone les plus couramment utilisées sont la fibre de carbone polyacrylonitrile et la fibre de carbone brai.

  4. Fibre céramique oxyde

  5. Fibre de silicate d'aluminium. La forme et la couleur de la fibre de silicate d'aluminium sont similaires à celles du coton. Il s'agit d'une fibre céramique amorphe principalement composée d'alumine et de silice, et contient parfois une petite quantité d'oxyde de fer, de dioxyde de titane, d'oxyde de calcium et similaires. Selon la composition de la substance et le contenu, elle peut être divisée en quatre catégories: fibre de silicate d'aluminium standard (ordinaire), fibre de silicate d'aluminium de haute pureté, fibre de silicate d'aluminium de haute pureté contenant de l'aluminium et fibre d'aluminosilicate de zirconium de haute pureté . Le contenu des composants est indiqué dans le tableau 1-2.

    La fibre de silicate d'aluminium a un diamètre de 1 à 10 μm et une longueur de 5 à 25 cm. Il a une bonne résistance à la température, une isolation thermique et une absorption acoustique, et un faible stockage de chaleur, une faible conductivité thermique et une forte résistance aux vibrations mécaniques. La température de service peut atteindre 1200 ° C. La densité n'est que de 0,096 à 0,128 g / cm3. Après l'ajout de CrO2, puisque CrO2 empêche la précipitation et la croissance des cristaux au niveau de la partie de contact entre les fibres, la résistance au retrait à haute température de la fibre peut être améliorée et la température d'utilisation atteint 1400 ° C. Le matériau composite en fibre de silicate d'aluminium peut être transformé en tapis, feutre, papier et assiette. Il a été largement utilisé dans l'isolation thermique des équipements d'énergie thermique tels que l'industrie chimique et les machines, et la couche d'isolation thermique des pièces de moteur de fusée.

  6. Fibre de quartz. La fibre de quartz fait référence à une fibre de verre de silice spéciale de haute pureté avec une teneur en magasin inférieure à 0,1% et un diamètre de fibre de 0,7 à 15 μm. Il a une résistance thermique élevée, une température d'utilisation stable à long terme de 1050 ° C et une résistance à la température instantanée jusqu'à 1700 ° C. , stabilité chimique élevée et excellentes propriétés d'isolation électrique, constante diélectrique et perte diélectrique. Le coefficient est le meilleur parmi toutes les fibres minérales et est beaucoup moins cher à produire que les fibres de carbure de silicium. Par conséquent, la fibre de quartz a une utilisation importante dans les industries de défense militaire et aérospatiale et peut être utilisée pour fabriquer des systèmes de protection thermique aérospatiale.

    Les fibres de quartz sont classées en fibres de verre de quartz continues et en laine de verre de quartz. La fibre de verre de quartz continue fait référence à une fibre longue obtenue en attirant une force externe après la fusion du verre de quartz. Généralement, le diamètre du monofilament est de 3 à 10 um, et il peut être transformé en un fil de fibre de verre de quartz, un tissu, etc. La laine de verre de quartz fait référence à une sorte de fibre de verre de quartz longue et courte obtenue en soufflant un verre de quartz fondu par un flux d'air à haute pression, et sa forme est duveteuse, similaire à celle du coton. Généralement, le coton ultrafin, qui a un diamètre de fibre inférieur à 3 µm, est appelé coton fin ayant un diamètre de 3-5 µm.

  7. Fibre de mullite. La mullite est le seul composé binaire qui peut être présent de manière stable à température et pression normales dans le système binaire de silice et d'alumine. La formule chimique est 3Al2O3·2SiO2, et son diagramme de phase est illustré à la figure 1.

    Figure 1 Diagramme de phase du matériau Mullite

    La fibre de mullite est une fibre polycristalline avec une phase cristalline principale de cristallites de mullite. C'est la seule phase stable du système binaire de la silice et de l'alumine. Son activité est faible et sa capacité de recristallisation est médiocre. La fibre de pierre a une bonne résistance à haute température et peut être utilisée jusqu'à 1500. Cependant, lorsque la température est supérieure à 1500, le grain grandira et perdra ses propriétés mécaniques à haute température. Lorsque la température atteint environ 1830, Se décompose rapidement en alumine et en phase liquide. La fibre de mullite se dilate uniformément lorsqu'elle est chauffée, a une excellente stabilité de résistance aux chocs thermiques, une faible conductivité thermique, n'est pas facile à fluage à haute température et peut non seulement maintenir une bonne élasticité, mais a également un petit retrait, et le matériau lui-même a une bonne stabilité chimique . Il n'est pas sensible à la corrosion, il est donc largement utilisé dans divers produits à haute température et systèmes de protection thermique en tant que nouveau matériau en fibre ultra-léger résistant à la chaleur et résistant à la chaleur. Cependant, les propriétés mécaniques à température normale de la fibre de mullite ne sont pas bonnes, ce qui est devenu un obstacle majeur à l'utilisation pratique du matériau.

  8. Fibre d'alumine. La fibre d'alumine est une sorte de fibre céramique polycristalline, qui a de nombreuses formes telles que fibre longue, fibre courte et moustache. Il contient principalement Al2O3, et contient parfois une certaine quantité d'additifs tels que la silice, le nitrure de bore, la zircone, l'oxyde de fer, l'oxyde de magnésium, etc. La fibre d'alumine a un diamètre de 10 à 20 um et une densité de 2,7 à 4,2 g / cm3, et possède des propriétés mécaniques élevées, une résistance à la traction de 1,4 à 2,45 GPa et un module de traction de 190 à 385 GPa.

    Il a une bonne résistance chimique, une résistance à l'oxydation, une résistance à haute température, une stabilité chimique élevée et un faible coefficient de dilatation thermique, un point de fusion de 2050 ° C, peut être utilisé à 1500 ° C pendant une longue période.

Les fibres courtes d'alumine sont principalement utilisées pour les matériaux d'isolation à haute température, les fibres longues sont utilisées pour renforcer les matériaux composites et les moustaches ont une résistance élevée et certaines propriétés magnétiques, électriques et optiques spéciales, qui sont utilisées dans les matériaux fonctionnels. La fibre d'alumine a une bonne activité de surface et est facile à combiner avec des matériaux de base tels que le métal et la céramique. Combiné à sa température d'utilisation élevée, il a été largement utilisé dans les domaines industriels et de haute technologie en général. Il peut être utilisé dans les fours à haute température et l'ingénierie thermique. Équipements, réacteurs nucléaires et matériaux d'isolation thermique pour la navette spatiale. Les États-Unis utilisent des fibres d'alumine comme panneaux isolants sur la navette spatiale Columbia. Lorsque la navette spatiale vole dans l'atmosphère, les panneaux isolants empêchent la chaleur de pénétrer dans l'écran thermique à travers l'espace entre les panneaux isolants. La fibre d'alumine a une importance stratégique importante et une grande valeur commerciale dans l'armée et l'aérospatiale, attirant de nombreux pays à investir beaucoup de main-d'œuvre, de ressources matérielles et financières pour la recherche et le développement et l'utilisation. Cependant, la fibre d'alumine a une densité et une conductivité thermique élevées, ce qui limite son application ultérieure.

Sep 04, 2020