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邹小姐：13326633089 -
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氧化铝我(wo)们都(dou)再熟悉不过了，它(ta)不仅有较高的(de)熔点（2054℃），而且还有出色的机械强度、硬度、高电阻率和导热性能，因此是世界上用(yong)量最大的特种陶(tao)瓷材料之一。
不过(guo)材料(liao)学家相信氧化铝(lv)还有许多(duo)潜能未能被发掘，因此一直有在研(yan)究它(ta)的新用法(fa)，比如说氧化铝纤(xian)维就(jiu)是近年来一(yi)种比较具备代表性的成(cheng)果。
氧化铝纤维及其(qi)SEM图
氧化铝(lv)纤维是何物？
氧化铝纤维(wei)是一种高(gao)性能的(de)无机纤维(wei)，虽然名字(zi)中没(mei)有体(ti)现，但其实它的(de)成分并(bing)不(bu)限(xian)于(yu)Al2O3，有的还含有SiO2和(he)B2O3等金属氧化物成分(fen)，是一种相(xiang)当高端的耐火材料。
作为(wei)当今世界(jie)最新型的超(chao)轻(qing)质(zhi)高温(wen)耐火纤(xian)维之一，氧化铝纤(xian)维不仅可以在(zai)更高温(wen)度(du)下保(bao)持很好的抗拉强度(du)，长期使用温(wen)度(du)在(zai)1450-1600℃；而且表面活性好，易与树脂、金属、陶瓷基体复合，形成诸多性能优异、应用广泛的复合材料。同时它还具有热导率小、热膨胀系数低等优点，在“防火隔热”这一块也很有一手。此外，与其(qi)它高性(xing)能无机纤维(wei)如(ru)碳(tan)化硅纤维(wei)相比(bi)，氧化铝纤维(wei)原料成本要低，且生(sheng)产(chan)工艺(yi)简(jian)单(dan)，具有较高的(de)性(xing)价比(bi)。
目(mu)前氧化铝纤(xian)维已被广泛应用于航空(kong)航天、核电(dian)核能、军工以及汽车工业(ye)等(deng)领域。在(zai)业(ye)界，它甚至还被认为(wei)是最(zui)具有潜力的(de)高温材料(liao)之一。
氧化(hua)铝纤维的代表产品
经(jing)过多年的发(fa)展，氧化铝(lv)纤(xian)维(wei)已(yi)经(jing)成功实现商业化，主(zhu)要的品种有美国Du Pont公司的FP、PRD-166，美国3M公司生产的Nextel系列产品，英国ICI公司生产的Saffil氧化铝纤维，日本Sumitomo公司生产的Altel氧化铝纤维等。
其中3M的(de)Nextel系列产(chan)品我们可以在网上找到详尽的(de)资(zi)料(liao)。这(zhei)些陶瓷纤维是通过溶胶-凝胶法生产的，其制备方法是：在含有甲酸根离子和乙酸根离子的氧化铝溶胶中，加入作为硅组分的硅溶胶和作为氧化硼组分的硼酸，得到混合溶胶，浓缩成纺丝液进行挤出纺丝，然后在1000℃以上带有张力条件下烧结，得到连续氧化铝纤维。以下是它的两种主要型号，分别为Nextel610和Nextel720的性能参数对比。
可以发现，两者的性能存在较大差异(yi)，它们的主要区(qu)别在于SiO2的含量。其中Nextel610几乎完全是由α氧化铝的单相成分组成的，它在室温下比Nextel720有着更高的强度。而Nextel720的组成中添加了比较大量的SiO2，虽(sui)然拉(la)伸强度(du)、弹性模量等(deng)性能上(shang)都略逊于Nextel610，但是在应变性能上却(que)有着更突出的表(biao)现(xian)，这是(shi)为什么呢？
Nextel720结构粗(cu)纱(sha)
二(er)氧化硅对氧化铝纤维(wei)的(de)影响
查看3M公布的产品资料，会发现对于720的描述是这样的：Nextel陶瓷结构纤维720是由添加了SiO2的α氧化铝制成，由于减少了晶界滑动，因此在更高的温度下具有更好的强度保留。而莫来石相的存在，也使得Nextel720比Nextel610具有更高的蠕变阻力。
这里面提到了几(ji)个关键点，如晶(jing)界滑(hua)动、莫来(lai)石(shi)(shi)相(xiang)以(yi)及蠕变阻(zu)力等。其实这些(xie)都是可以(yi)结合(he)起来(lai)讨(tao)论的。我们(men)就(jiu)先从莫来(lai)石(shi)(shi)相(xiang)开始。
①莫来石
首先要(yao)知道，莫来(lai)石陶瓷是主相为(wei)莫来(lai)石（3Al2O3·2SiO2）的(de)一类陶瓷(ci)(ci)的(de)总称。可(ke)(ke)简单分(fen)为(wei)普(pu)通莫来(lai)石瓷(ci)(ci)和高纯莫来(lai)石瓷(ci)(ci)两大类，这里就先不讨(tao)论(lun)普(pu)通莫来(lai)石瓷(ci)(ci)，感兴趣的(de)可(ke)(ke)以阅读这篇文(wen)章做进一步(bu)了解——《除(chu)了耐火材(cai)料(liao)，莫来石陶瓷还能(neng)做些(xie)什么？》
高(gao)纯莫来(lai)石陶(tao)瓷(ci)采(cai)用(yong)人工合成(cheng)(cheng)的超细(xi)高(gao)纯莫来(lai)石粉末(mo)制(zhi)备而(er)成(cheng)(cheng)，它具有膨胀均匀、热(re)震稳(wen)定性极好(hao)、荷重软化(hua)点高(gao)、高(gao)温蠕变(bian)值小、硬度大、抗化(hua)学腐蚀(shi)性好(hao)等特点。虽(sui)然(ran)莫来(lai)石陶(tao)瓷(ci)的室(shi)(shi)温强(qiang)度较低，限(xian)制(zhi)了其(qi)室(shi)(shi)温应(ying)用(yong)（就像上面的610在室温下会比720具备更高的强度一样）。
但莫来石有(you)个特点，它在高(gao)温下强度(du)衰(shuai)减较小，在1300℃时抗弯强度可达570MPa，断裂韧性KIC达5.7MPa，均比常温时高1.6倍，这种随温度升高、强度和韧性不仅不衰减反而大幅度提高，是高纯莫来石陶瓷作为高温材料极佳的特性，因此(ci)它在(zai)电子封装材(cai)料、汽车领域等有着重要的应(ying)用。
莫(mo)来石(shi)在电子(zi)封装材料中的应用(yong)
②晶界滑动
接着我们来讲讲莫来石的(de)高(gao)温(wen)性能为什么会这(zhei)么突出，这(zhei)里涉及到一个概念就是(shi)晶(jing)界(jie)滑(hua)动。对(dui)于(yu)(yu)(yu)(yu)陶瓷材料来说，在(zai)较(jiao)高(gao)温(wen)度(du)条件下(xia)，由于(yu)(yu)(yu)(yu)晶(jing)界(jie)上的(de)原子易(yi)于(yu)(yu)(yu)(yu)扩(kuo)散，受力后(hou)易(yi)产生滑(hua)动，就会促(cu)进蠕(ru)变进行(xing)。随着温(wen)度(du)的(de)升高(gao)，应力降(jiang)低，晶(jing)粒度(du)减小(xiao)，晶(jing)界(jie)滑(hua)动对(dui)蠕(ru)变的(de)作用越来越大。晶(jing)界(jie)的(de)滑(hua)动易(yi)于(yu)(yu)(yu)(yu)在(zai)晶(jing)界(jie)上形(xing)成裂(lie)(lie)纹，当裂(lie)(lie)纹迅速扩(kuo)展(zhan)达到临(lin)界(jie)尺寸(cun)后(hou)便产生蠕(ru)变断裂(lie)(lie)。
③高温蠕变
不过上(shang)面也提到了(le)，莫来(lai)石有个特点就(jiu)是(shi)高温蠕变值小，越高(gao)温越强。这是因(yin)为在(zai)高温下(xia)，铝硅酸盐会形成细长的莫来(lai)石晶(jing)体，它们会形成高强(qiang)的互锁网络，减少晶(jing)界滑动(dong)。因(yin)此Nextel720在高温下就能消(xiao)耗SiO2和Al2O3来形(xing)成莫来石(shi)使抵抗形(xing)变(bian)的性能发生(sheng)变(bian)化，这(zhei)就是它比Nextel610有着更好的抗蠕变性能的主要原因，非常适合作为填充或加固材料改善复合材料的机械和热学性能（高抗热震等）。
总(zong)结
最初(chu)构(gou)思这(zhei)篇文章，是(shi)在(zai)了(le)解3M产品时发(fa)现一系列的产品在(zai)性能上(shang)的差(cha)异很(hen)有(you)趣，因此(ci)(ci)想要以(yi)这(zhei)个为(wei)题(ti)写一个小(xiao)(xiao)科普。在(zai)此(ci)(ci)之(zhi)前很(hen)多人（甚至包括小(xiao)(xiao)编）或许会(hui)对莫来石有(you)误解，觉(jue)得它不够“纯(chun)”是(shi)否意味着(zhe)不够高(gao)级，却忽略了(le)正是(shi)这(zhei)样的组分才让它在(zai)高(gao)温领域有(you)着(zhe)如此(ci)(ci)优秀表现的事实。
总(zong)而言之，材料没有(you)高低优劣之分(fen)，只要(yao)能够得到合适(shi)的(de)(de)应用，谁(shei)都能成为(wei)那个领域的(de)(de)种(zhong)子选手。
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