本文介紹了陶瓷纖維的分類以及溫度、環境氣氛和雜質對陶瓷纖維制品性能的影響，詳細介紹了陶瓷纖維原棉，陶瓷纖維毯、氈、板、紙，紡織品、異型件、組件、澆注料和其他高性能陶瓷纖維制品在保溫隔熱方面的應用情況。
關鍵詞：陶瓷纖維、保溫材料、保溫隔熱、應用、性能
陶瓷纖維在保溫隔熱方面的應用
1、陶瓷纖維生產方法
陶瓷纖維按組成，分為玻璃態(非晶態)纖維和多晶(晶態)纖維兩大類。
1.1玻璃態纖維生產方法
玻璃態陶瓷纖維的生產方法是將原料在電阻爐內熔融，高溫熔體流股從出料口流出，流到多輥離心機高速旋轉的甩絲輥上，甩絲輥的離心力將高溫熔體甩成纖維狀材料。高溫熔體流股也可以在高速氣流噴吹力的作用下驟冷而被吹制成纖維狀材料。
1.2多晶態纖維生產方法
多晶陶瓷纖維的生產方法有膠休法和先驅體法兩種。
膠體法：將可溶性的鋁鹽、硅鹽等制成一定粘度的膠體溶液，溶液流股經壓縮空氣噴吹法或離心盤甩絲法成纖，然后進行高溫熱處理就轉變成鋁硅氧化物晶體纖維。
先驅體法：將可溶性的鋁鹽、硅鹽制成一定粘度的膠體溶液，用先驅誶(膨化有機纖維)均勻吸收該膠體溶液，再進行熱處理而轉變成鋁硅氧化物晶體纖維。
1.3陶瓷纖維的使用溫度
陶瓷纖維的最高使用溫度，足指陶瓷纖維短時間內能承受的極限溫度，用以表征陶瓷纖維產品的耐熱性的指標。陶瓷纖維產品允許長期使用溫度一般比最高使用溫度低200 ℃左右。如1260 ℃型纖維制品的長期使用溫度是1000℃左右。
國際上習慣按溫度把陶瓷纖維產品分為4個等級， 即1000℃型、1260℃型、1400℃型和 1600 ℃型。 國內按陶瓷纖維成分和最高使用溫度還進行了細分，以滿足不同檔次的絕熱保溫選用要求。
表1陶瓷纖維分類溫度和使用溫度細分表
2、影響陶瓷纖維制品使用性能的因素分析
陶瓷纖維制品具有耐高溫，體積密度小，絕熱性能好，化學穩定性好，抗熱震穩定性好，抗風蝕性能好，施工方便快速等特點，是當今世界上最具發展潛力的節能環保型絕熱保溫材料。但陶瓷纖維在應用上也存在一些缺點：穩定性較差，抗侵蝕、抗氣流沖刷、抗剝落等性能均較差，長期于高溫下暴露時，由于玻璃質纖維的結晶和晶粒生長、高溫蠕變等因素，造成纖維結構的變化——收縮變形、纖維失彈、脆化折斷、纖維強度降低、致密化，直至發生燒結喪失纖維狀結構，加上腐蝕性爐氣的侵蝕、氣流的沖刷等因素的影響，易粉化脫落。
陶瓷纖維產品在不同條件下使用，其長期使用溫度有差異。如工業窯爐操作制度(連續或間歇式窯爐)、燃料種類、爐內氣氛等工藝條件，都是影響陶瓷纖維使用溫度和使用壽命的因素。
目前還沒有測定陶瓷纖維耐熱性指標的理想方法。一般是將陶瓷纖維產品加熱到一定溫度，根據試樣加熱線收縮變化和結晶程度來評定陶瓷纖維產品的耐熱性。
2.1溫度對陶瓷纖維性能的影響
從熱力學的角度看，玻璃態的陶瓷纖維處于一種亞穩定狀態。所以只要在一定的溫度條件下加熱，纖維內部就會產生質點重排，玻璃態就會轉化為結晶態，纖維就會析晶。
表2不同溫度下陶瓷纖維析晶變化情況
當晶粒尺寸長大到與纖維直徑尺寸相接近時，纖維內部的結合力將由分子間的化學鍵結合為主，變為以晶粒間的晶界結合為主。由于晶界結合力較為脆弱，因此將導致纖維脆性的加強，在外力的作用下纖維極易遭到破壞，并最終失去纖維特性。
2.2使用環境氣氛對陶瓷纖維性能的影響
在還原氣氛下，纖維中的SiO2易與CO和H2發生下列反應：
SiO2+CO→SiO↑+CO2
SiO2+H2→SiO ↑+H2O
由于SiO2被還原成揮發性物質，纖維結構慢慢發生變化，表面逐漸變得粗糙。當纖維內部有莫來石晶粒生成時，纖維就易斷裂，加速了纖維的劣化。
2. 3雜質對陶瓷纖維性能的影響
陶瓷纖維中存在的一些雜質，如Fe2O3、Na2O、K2O等，它們會與陶瓷纖維中的其他成分在一個較低的溫度下反應生成共熔物，低共熔物的存在破壞了纖維的網絡結構，纖維內部的粘度降低，析晶時離子團重排所需克服的析晶活化能降低，析晶溫度降低，同時由于低共熔物的存在加速了晶粒的生長，促進了纖維的粉化。
3、陶瓷纖維制品的應用
陶瓷纖維最大特性：
(1)導熱系數低，常溫下僅為0.03 W/(m·K)，在1000 ℃時為粘土磚的1/5。
(2)制品密度小，一般在64?500 kg/m3之間。
(3)熱容量低，僅為耐火磚的1/72，輕質磚的1/42。
(4)加工性能好，纖維柔軟易切割，連續性強，便于纏繞。
(5)吸音性能良好，可作為高溫消音材料。
(6)化學穩定性好，除強堿、氟、磷酸鹽外，幾乎不受化學藥品的侵蝕。
(7)耐熱震性能好。
(8)絕緣性能良好， 常溫下體積電阻率為1×1013Ω·cm，800℃下體積電阻率為6×108Ω·cm。
(9)陶瓷纖維對波長1.8?6.0 μm 的光波有很高的反射性。
陶瓷纖維原棉通常加工成各種式樣的陶瓷纖維制品供各行各業選用。陶瓷纖維制品最重要的用途就是高溫環境下的保溫隔熱，應用范圍涵蓋冶金、機械、電子、陶瓷、玻璃、化工、汽車、建材、輕工、軍工、船舶、航空航天等領域。
目前陶瓷纖維制品有毯、氈、板、紙、布、帶、繩、卷管、瓦塊、模塊、異型件、可塑料、噴涂料、 涂抹料、澆注料等。下面我們討論陶瓷纖維制品的保溫隔熱性能和應用。
3.1陶瓷纖維原棉
陶瓷纖維棉通過電阻爐將原材料高溫熔融，經噴吹或甩絲成纖工藝生產制成，直徑一般為2?5μm，長度多為30?250 mm。
陶瓷纖維棉的纖維表面呈光滑的圓柱形，橫截面通常是圓形。其結構特點是氣孔率高(一般大于90%)，而且氣孔孔徑和比表面積大。由于氣孔中的空氣具有良好的隔熱作用，因而纖維中氣孔孔徑的大小及氣孔的性質(開氣孔或閉氣孔)對其導熱性能具有決定性的影響實際上，陶瓷纖維的內部組織結構是一種由固態纖維與空氣組成的混合結構，其顯微結構特點是同相和氣相都是以連續相的形式存在。因此，在這種結構中，固態物質以纖維狀形式存在，并構成連續相骨架，而氣相則連續存在于纖維材料的骨架間隙之中。正是由于陶瓷纖維具有這種結構，使其氣孔率較高，氣孔孔徑和比表面積較大，從而使陶瓷纖維具有優良的隔熱性能和較小的體積密度。
陶瓷纖維棉屬中性偏酸性材料，除與強酸堿反應外，不被其他弱堿、弱酸及水、油、蒸汽侵蝕，與鉛、鋁、銅不浸潤，具有優良的柔韌性和彈性。陶瓷纖維密度較小，比輕質隔熱磚爐襯輕75%以上，比輕質澆注料爐襯輕90%?95%，導熱系數約為輕質粘土磚的1/8，是輕質耐熱襯里(澆注料)的1/10， 熱容埴僅為輕質隔熱襯里和輕質澆注料襯里的1/10 左右，大大降低了能源損耗量，節能蓄熱效果顯著。同時，陶瓷纖維具有施工簡便，無需烘爐，縮短施工周期，安裝簡便等特點。
陶瓷纖維棉是其佘陶瓷纖維制品的主要原料，也可按分類溫度直接用作工業窯爐膨脹縫充填、爐壁隔熱、密封材料。
3. 2陶瓷纖維毯
陶瓷纖維毯的制作方法是將散裝陶瓷纖維自然沉降在集棉機網帶上，使其形成均勻的棉坯，經針刺制毯工藝得到無粘結劑的干法針刺毯。該毯柔軟富有彈性，抗拉強度高，加工和施工性能優良，是陶瓷纖維制品應用最為廣泛的產品之一。根據其工藝的不同，陶瓷纖維毯可分為甩絲毯和噴吹毯兩大類，兩種類型的陶瓷纖維毯性能見表3。不同溫度下陶瓷纖維毯的導熱系數見表4。
表3陶瓷纖維毯甩絲毯和噴吹毯性能與應用對比
表4陶瓷纖維毯導熱系數(密度128 kg/m3) W/(m·K)
陶瓷纖維毯適用于各種隔熱工業窯爐的爐門密封、爐口幕簾、窯頂隔熱：高溫煙道、風管襯套、膨脹接頭：石油化工設備、容器、管道高溫隔熱、保溫;高溫環境下的防護衣、手套、頭套、頭盔，靴等;汽車發動機隔熱罩、重油發動機排氣管包裹、 高速賽車復合制動摩擦襯墊、核電、汽輪機隔熱;加熱件熱處理隔熱;輸送高溫液體、氣體的泵、壓縮機和閥門用的密封填料、墊片：高溫電器絕緣： 防火門、防火簾、滅火毯、接火花用墊子和隔熱覆蓋等防火縫制品;航天、航空工業用的隔熱、保溫材料、制動摩擦襯墊;深冷設備、容器、管道的隔熱、包裹，高檔寫宇樓中的檔案庫、金庫、保險柜等重要場所的絕熱、防火隔層，消防自動防火簾。
3. 3陶瓷纖維氈
陶瓷纖維氈分陶瓷纖維干法氈和陶瓷纖維濕法氈(真空成型氈)，兩種陶瓷纖維氈的異熱系數如下表所示。
表6典型陶瓷纖維濕法氈導熱系數(密度220 kg/m3)
陶澆纖維氈用于工業窯爐、加熱裝置的壁襯、背襯;高溫設備絕熱保溫;高溫墊片;熔融金屬隔熱;高溫膨脹接縫等。
3.4陶瓷纖維板
陶瓷纖維板是由陶瓷纖維和無機粘結劑經濕法真空成型法制得的剛性陶瓷纖維制品，具有優良的力學性能和抗風蝕性能。
表7陶瓷纖維板導熱系數(密度285 kg/m3)
陶瓷纖維板性能優異，應用范圍廣，具體應用場所見表8。
表8陶瓷纖維板的應用
3.5 陶瓷纖維紙
陶瓷纖維紙是將陶瓷纖維棉采用類似傳統濕法造紙工藝，經打漿、抄造、施膠、烘干而成。陶瓷纖維紙具有優良的耐高溫性能與隖熱性能、施工性能、抗熔融滲透性能等，適合深加工(多層復合、沖切等)，適用于建筑、玻璃行業做澆注墊片脫換隔離使用。
表9陶瓷纖維紙導熱系數(密度200 kg/m3)
3.6 陶瓷纖維紡織品
陶瓷纖維紡織品包括布、繩、帶，紗線等制品， 是用陶瓷纖維棉、無堿玻纖長絲、耐高溫不銹鋼合
金絲經特殊T藝加工而成，具有優良的高溫強度、 電絕緣性能、低熱導率絕熱性能和抗酸、油、水汽的腐蝕能力。以下是陶瓷纖維紡織品具體應用場合。
陶瓷纖維布：高溫筲道、容器的絕熱、熱輻射屏蔽、勞保服裝、耐高溫防火簾、電纜或燃料管道保護、耐高溫金屬補償器耐火層及其他工業絕熱、保溫、耐火和防護。
陶瓷纖維繩：高溫管道隔熱與密封、電纜絕緣包覆、煉焦爐開口密封、裂解爐磚墻膨脹縫、電爐 與烘箱等的爐門密封、鍋爐、高溫氣體密封件密封、柔性膨脹節連接。
陶瓷纖維帶：工業用隔熱、管道及電纜隔熱包覆、排氣管道隔熱包覆、螺栓法蘭連接、熱輻射屏蔽、高溫爐門幕簾。
陶瓷纖維紗線：縫紉防火布。
3.7陶瓷纖維異型件
陶瓷纖維異型件是采用優質陶瓷纖維棉作原料，用真空成型工藝制成。
能制成擁有優越高溫性能的剛性并有自支撐強度的異型制品。所有異形制品在其使用溫度范圍內都有較低的收縮，并保持有高隔熱、輕質和抗沖擊的特點。未灼燒的材料很容易被切割成機械加工。 在使用過程中，產品的抗磨損和剝落性能良好，而且不被大多數熔融金屬所潤濕。
陶瓷纖維異型件包括管形、錐形、圓頂形和方盒型，大多數異型制品是按照客戶的要求進行生產， 如有色金屬行業用澆鑄帽和套管、石化行業用的真空成型看火孔等。
3.8陶瓷纖維組件(模塊)
用對應材質的陶瓷纖維針刺毯，按纖維組件結構、尺寸，在專用機械上加工而成。在加工過程中，均保持一定比例的壓縮量，以保證陶瓷纖維組件壁襯砌筑完畢后，陶瓷纖維組件在不同方向的膨脹，使陶瓷纖維組件之間相互擠成一個無縫隙的整體。陶瓷纖維組件通過各種形式的錨固件直接固定于工業窯爐爐先鋼板上。
陶瓷纖維組件具有優良的化學穩定性及熱穩定性、低熱導率、低熱容量，處在模塊背面的多種形式的錨固件使得模塊的安裝既可采用兵列式排列方式也可采用拼花地板式排列方式。以下為各種組件的應用特點。
折疊毯在解除捆扎后會在不同方向上相互擠緊，不產生縫隙;有彈性的纖維毯可以抵抗機械外力;纖維毯的彈性可以彌補爐殼的變形，使得組件之間不產生縫隙。由于重量輕，作為隔熱材料時的吸熱很少，低導熱性能帶來高的節能效果，具有抵抗任何熱沖擊的能力，襯體無需烘干和養護，所以安裝好以后便可立即投入使用。錨固系統遠離組件的熱面，使得金屬錨固件處在相對低的溫度下。
3.9陶瓷纖維澆注料
陶瓷纖維澆注料是以陶瓷纖維棉為骨料，加入各種填料、結合劑、添加劑等材料制成。
陶瓷纖維澆注料導熱率低，熱容量低，抗熱震，耐壓抗折，故具有優良的抗風蝕、抗磨損、抗沖擊性能和一定的承重能力。
陶瓷纖維澆注料的最大優點是具有良好的施工性能和力學性能，特別適用于形狀復雜的爐壁，施工容易，爐壁整體性強，爐壁澆注后4?8 h即可脫模，并具有一定硬度。
表10陶瓷纖維澆注料導熱系數(密度200 kg/m3)
陶瓷纖維澆注料的應用包括工業窯爐壁襯或高溫工業窯爐背襯隔熱、鋼包烘烤蓋的整體澆注、高溫管道壁襯、爐門、看火孔、燒咀磚等普型、異型預制成型件等等。
4、其他高性能陶瓷纖維制品
4. 1可溶陶瓷纖維制品
可溶陶瓷纖維的主要成分是SiO2、CaO、MgO，Al2O3含量小于1%?？扇芾w維在人體體液中有足夠的溶解度，是一種無污染、無危害、綠色環保的新型節能材料。
可溶陶瓷纖維產品具有低導熱率、熱損失小、甩絲纖維長、交織性好、化學穩定性優良、吸音性能好、在人體體液中有良好可降解性的特點。
可溶陶瓷纖維產品用于輪船船艙、甲板及煙道的防火吸音;防火門、建筑隔墻領域的防火吸音;窯爐棚體膨脹縫、爐門、頂蓋絕熱密封;高溫窯爐襯里全纖維結構的平鋪背襯、熱面耐火。
4.2陶瓷纖維復合絕熱板
以陶瓷纖維為增強材料的陶瓷纖維復合絕熱板具有納米網孔結構，能有效降低材料的熱傳導、熱對流和熱輻射，600 ℃時的導熱系數在0.030 W/(m.K)左右，僅為常用絕熱保溫材料的20%?50%。陶瓷纖維復合絕熱板與其他相關產品的導熱系數比較見表 11。
表11陶瓷纖維復合絕熱板導熱系數與其他相關產品的比較W/(m·K)
4. 2.1陶瓷纖維復合絕熱板的特性
(1)優越的隔熱性能。常溫(25℃)導熱系數為0.015 W/(nvK)， 600℃時的導熱系數為0.030 W/(m.K)。 該材料與目前常用的絕熱保溫材料相比絕熱效果可提高2?10倍，可減少絕熱層厚度30%?50%。
(2)耐高溫。長期使用溫度可達900 ℃，與陶瓷纖維其他制品復合結構可達1700℃。
(3) 使用壽命長?？勺鼋^熱體永久層，5?10 年。
(4) 經濟節能。比常規材料節能10%?30%。
(5) 環保無毒。在火場中和高溫下不釋放任何有毒物質，不含石棉(全系列)、多溴聯苯(阻燃劑)。
(6) 很好的化學穩定性?？砷L期耐受除氫氟酸、強堿外的大部分酸堿環境，不分解不變質，可長期耐受各種熱輻射(紫外光、紅外光、可見光)及電磁輻射，性能不退化。
(7) 隔音減震。本材料為多孔材料，并具有相當的彈性，是一種優秀的隔音減震材料，聲速在本材料中會下降至在空氣中的1/3。
4.2.2陶瓷纖維復合絕熱板的應用領域
陶瓷纖維復合絕熱板具有優異的隔熱效果，可以在以下行業取得廣泛的應用。
(1) 鋼鐵工業：鋼包、中間包、電爐、加熱爐、退火爐、混鐵爐、燒結爐等。
(2) 石油化工業：裂解爐、加熱爐、管道等。
(3) 陶瓷業：回轉窯、梭式窯、隧道窯等窯體及管道。
(4) 工業爐窯：背襯絕熱、爐窯爐襯、爐窯隔熱帶等系統。
(5) 電力工業：核電絕熱系統、蒸汽輪機、鍋爐管道系統。
(6) 家用電器：加熱器、烤爐、烤箱、電飯煲、微波爐、電磁爐、壁爐等電器儀表的隔熱保護。
(7) 航空航天、建筑、建材、高/低溫工程防火隔熱等領域。
5、結語
陶瓷纖維制品優良的耐溫隔熱性能為高溫工業領域的隔熱保溫帶來了一場節能上的革命。在全球能源價格不斷上漲，中國將節能降耗提升到國家戰略的背景下，比傳統耐火材料節能10%?30%的陶瓷纖維制品前景十分看好。但陶瓷纖維具有可吸入性，對環境及人體有一定的危害，國外企業己加強了對非晶質陶瓷纖維的限制使用。
可溶陶瓷纖維屬無污染的環境友好型材料。陶瓷纖維產品今后生產趨勢，就是朝著無污染、精細化和多功能化方向發展，尤其是利用新工藝、新原料，制備高附加值、高科技含呈的功能性精細陶瓷纖維，其生產幾率會越來越大，這將對優化絕熱耐火材料具有重大意義。
標簽： 保溫材料
