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Conocimiento de la clasificación y uso de las fibras cerámicas


 

El material de aislamiento poroso de fibra cerámica puede formar una estructura estable con sólo una pequeña cantidad de material (fibra). En comparación con el material de aislamiento de poros cerámicos, el material de aislamiento de fibra cerámica es ligero, poroso, bajo en conductividad térmica y capacidad de calor específica. Grandes características y pueden soportar cargas muy altas. Este material se ha utilizado en muchos campos como la separación de filtración, aislamiento térmico, biomedicina y materiales compuestos. La estructura de protección térmica reutilizable representada por el material de fibra cerámica es ampliamente utilizada en el sistema de protección térmica de varias aeronaves avanzadas en el país y en el extranjero, y tiene importantes perspectivas de desarrollo y valor de aplicación.

Las fibras cerámicas se pueden dividir en dos categorías: fibras cerámicas sin óxido (como fibras de SiC, fibras C) y óxido (incluido el óxido compuesto) fibras cerámicas (como fibras de silicato de aluminio, fibras Al2O3).

 

  1. Fibra cerámica sin óxido

     

  2. Fibra de carburo de silicio. El carburo de silicio (SiC), comúnmente conocido como carburo de silicio y sílice de carbono, es un compuesto sintético que se une covalentemente. Se puede preparar por deposición de vapor químico, reducción carbotermal, sinterización de polvo y conversión precursora. El carburo de silicio puro es incoloro y transparente, y el carburo de silicio utilizado en la industria es a menudo verde claro o negro porque contiene hierro libre, silicio, carbono y otras impurezas.

     

    Debido a que el carburo de silicio tiene buenas características de alta temperatura, como resistencia a la oxidación, resistencia a altas temperaturas y estabilidad, buena conductividad térmica, baja densidad, bajo coeficiente de expansión y baja fluencia, se puede utilizar como cámara de combustión para turbinas de gas de alta temperatura. Boquillas de alta temperatura, palas de turbina, etc. Debido a su alta conductividad térmica y buenas propiedades de aislamiento, el carburo de silicio se puede utilizar como un intercambiador de calor de alta temperatura en hornos industriales metalúrgicos, así como sustratos y materiales de embalaje para circuitos integrados a gran escala. Con su alta dureza, resistencia al desgaste y resistencia a la corrosión ácida y alcalina, los materiales de sellado mecánicos como rodamientos deslizantes, discos de válvulas, aspas de ventilador y tuberías resistentes a la corrosión se pueden preparar en las industrias mecánica y química.

    El carburo de silicio no sólo tiene buenas propiedades físicas, sino también excelentes propiedades químicas. En una atmósfera sin oxígeno, sólo el 5% del silicio estaba contenido en la fase gaseosa en la superficie de carburo de silicio a 2300. Sin embargo, cuando el carburo de silicio se expuso al oxígeno a 1000, la superficie comenzó a oxidarse, pero el carburo de silicio podría formar una película protectora SiO2 para evitar que la reacción de oxidación continuara.

     

  3. Fibra de carbono. La fibra de carbono se refiere a un material de carbono fibroso que se calienta a 1000°C o superior por una fibra orgánica en un gas inerte para formar un material de carbono fibroso que tiene un contenido de carbono del 90% o más. La fibra de carbono es un nuevo tipo de material inorgánico con una densidad de 1,5-2g/cm3, que es 1/4 de la densidad de acero, 1/2 de la densidad de la aleación de aluminio, y 4 veces a 5 veces más fuerte que el acero. El coeficiente de expansión térmica es pequeño, y la resistencia a los golpes térmicos es buena. De repente desciende de una temperatura alta de varios miles de grados celsius a una temperatura normal y no estalla, y tiene buena lubricidad y conductividad eléctrica. Las fibras de carbono son químicamente similares al carbono, son inertes a la alcalinidad general y no se malcía a temperaturas líquidas de nitrógeno. En un entorno sin oxígeno, incluso a una temperatura alta de 3000, no se derrite, sino en una atmósfera de aire, cuando la temperatura es superior a 400, se produce una oxidación significativa y se generan CO y CO2. Por lo tanto, la fibra de carbono puede reducir en gran medida el peso estructural del componente y mejorar el rendimiento técnico, por lo que es ampliamente utilizado en vehículos aeroespaciales.

     

    Dependiendo de las materias primas utilizadas, las fibras de carbono se pueden clasificar en fibras de carbono basadas en poliacrilonitrilo, fibras de carbono basadas en el tono, fibras de carbono basadas en celulosa y fibras de carbono fenólicas. Las fibras de carbono más comunes utilizadas son la fibra de carbono de poliacrilonitrilo y la fibra de carbono de paso.

     

  4. Fibra cerámica de óxido

     

  5. Fibra de silicato de aluminio. La forma y el color de la fibra de silicato de aluminio es similar al del algodón. Es una fibra cerámica amorfa compuesta principalmente de alúmina y sílice, y a veces contiene una pequeña cantidad de óxido de hierro, dióxido de titanio, óxido de calcio y similares. Según la composición de la sustancia y el contenido, se puede dividir en cuatro categorías: fibra de silicato de aluminio estándar (ordinario), fibra de silicato de aluminio de alta pureza, fibra de silicato de aluminio de alta pureza y fibra de aluminosilicate de aluminosilicate de alto puro de aluminio. El contenido de los componentes se muestra en la Tabla 1-2.

    La fibra de silicato de aluminio tiene un diámetro de 1-10 m y una longitud de 5-25cm. Tiene buena resistencia a la temperatura, aislamiento térmico y absorción de sonido, y tiene bajo almacenamiento de calor, baja conductividad térmica y fuerte resistencia a las vibraciones mecánicas. La temperatura de servicio puede alcanzar los 1200oC. La densidad es sólo 0.096-0.128g/cm3. Después de la adición de CrO2, ya que CrO2 previene la precipitación de cristal y el crecimiento en la porción de contacto entre las fibras, se puede mejorar la resistencia a la contracción a alta temperatura de la fibra, y la temperatura de uso alcanza los 1400 oC. El material compuesto de fibra de silicato de aluminio se puede hacer en forma de alfombra, fieltro, papel y placa. Ha sido ampliamente utilizado en el aislamiento térmico de equipos de energía térmica como la industria química y la maquinaria, y la capa de aislamiento térmico de las piezas del motor del cohete.

     

  6. Fibra de cuarzo. La fibra de cuarzo se refiere a la fibra de vidrio de sílice especial de alta pureza con un contenido de cargador de menos del 0,1% y un diámetro de fibra de 0,7-15 m. Tiene alta resistencia al calor, temperatura de uso estable a largo plazo de 1050 oC, y resistencia instantánea a la temperatura de hasta 1700o C.In adición, fibra de cuarzo tiene resistencia a la corrosión, retención de alta resistencia a alta temperatura, estabilidad dimensional, buena resistencia a golpes térmicos, alta estabilidad química y excelentes propiedades de aislamiento eléctrico, pérdida dieléctrica constante y dieléctrica. El coeficiente es el mejor entre todas las fibras minerales y es mucho más barato de producir que las fibras de carburo de silicio. Por lo tanto, la fibra de cuarzo tiene un uso importante en las industrias militar y aeroespacial de defensa y se puede utilizar para fabricar sistemas de protección térmica aeroespacial.

     

    Las fibras de cuarzo se clasifican en fibras de vidrio de cuarzo continuo y lana de vidrio de cuarzo. La fibra de vidrio de cuarzo continuo se refiere a una fibra larga obtenida al dibujar una fuerza externa después de que el vidrio de cuarzo se derrite. Generalmente, el diámetro del monofilamento es de 3-10 m, y se puede procesar en hilo de fibra de vidrio de cuarzo, tela, y similares. La lana de vidrio de cuarzo se refiere a una especie de fibra de vidrio de cuarzo largo y corto obtenida al soplar un vidrio de cuarzo fundido por un flujo de aire de alta presión, y su forma es esponjosa, similar a la lana de algodón. Por lo general, el algodón ultrafino, que tiene un diámetro de fibra de menos de 3 m, se denomina algodón fino que tiene un diámetro de 3-5 m.

     

  7. Fibra de mullita. Mullita es el único compuesto binario que puede estar establemente presente a temperatura normal y presión en el sistema binario de sílice y alúmina. La fórmula química es 3Al2O3·2SiO2, y su diagrama de fase es como se muestra en la Figura 1.

    Figura 1 Diagrama de fase del material de Mullita

    La fibra de mullita es una fibra policristalina con una fase cristalina principal de los cristalitos de mullita. Es la única fase estable en el sistema binario de sílice y alúmina. Su actividad es baja y su capacidad de recristalización es pobre. La fibra de piedra tiene buena resistencia a altas temperaturas y se puede utilizar hasta 1500. Sin embargo, cuando la temperatura es superior a 1500, el grano crecerá y perderá sus propiedades mecánicas de alta temperatura. Cuando la temperatura alcanza alrededor de 1830, se descomponga rápidamente en alúmina y fase líquida. La fibra de mullita se expande uniformemente cuando se calienta, tiene una excelente estabilidad de resistencia a los golpes térmicos, baja conductividad térmica, no es fácil de arrastrar a alta temperatura, y no sólo puede mantener una buena elasticidad, sino que también tiene una pequeña contracción, y el material en sí tiene buena estabilidad química. No es susceptible a la corrosión, por lo que es ampliamente utilizado en varios productos de alta temperatura y sistemas de protección térmica como un nuevo material de fibra ultraligero de alta temperatura resistente al calor. Sin embargo, las propiedades mecánicas de temperatura normal de la fibra de mullita no son buenas, lo que se ha convertido en un obstáculo importante para el uso práctico del material.

     

  8. Fibra de alúmina. La fibra de alúmina es una especie de fibra cerámica policristalina, que tiene muchas formas como fibra larga, fibra corta y bigote. Contiene principalmente Al2O3, y a veces contiene una cierta cantidad de aditivos como sílice, nitruro de boro, circonio, óxido de hierro, óxido de magnesio y similares. La fibra de alúmina tiene un diámetro de 10-20 m y una densidad de 2,7-4,2 g/cm3, y tiene altas propiedades mecánicas, resistencia a la tracción de 1,4-2,45 GPa y módulo de tracción de 190-385 GPa.

     

    Tiene buena resistencia química, resistencia a la oxidación, alta resistencia a la temperatura, alta estabilidad química y bajo coeficiente de expansión térmica, punto de fusión de 2050 oC, se puede utilizar a 1500 oC durante mucho tiempo.

     

Las fibras cortas de alúmina se utilizan principalmente para materiales de aislamiento de alta temperatura, las fibras largas se utilizan para reforzar materiales compuestos, y los bigotes tienen alta resistencia y algunas propiedades magnéticas, eléctricas y ópticas especiales, que se utilizan en materiales funcionales. La fibra de alúmina tiene una buena actividad superficial y es fácil de componer con materiales base como metal y cerámica. Combinado con su alta temperatura de uso, ha sido ampliamente utilizado en campos industriales y de alta tecnología en general. Se puede utilizar en hornos de alta temperatura e ingeniería térmica. Equipos, reactores nucleares y materiales de aislamiento térmico para el transbordador espacial. Estados Unidos utiliza fibras de alúmina como paneles de aislamiento en el transbordador espacial Columbia. Cuando el transbordador espacial está volando en la atmósfera, los paneles de aislamiento evitan que el calor entre en el escudo térmico a través de la brecha entre los paneles de aislamiento. La fibra de alúmina tiene una importancia estratégica importante y un gran valor comercial en el ejército y el sector aeroespacial, atrayendo a muchos países a invertir una gran cantidad de mano de obra, recursos materiales y recursos financieros para la investigación, el desarrollo y la utilización. Sin embargo, la fibra de alúmina tiene una alta densidad y una alta conductividad térmica, lo que limita su aplicación posterior.

Sep 04, 2020