氧化鋁連續(xù)纖維是一種主要成分為氧化鋁的多晶無機(jī)連續(xù)纖維，具有卓越的熔點(diǎn)（＞2000℃）、低熱導(dǎo)率（1.5-2.0W/m·K）、高拉伸強(qiáng)度及耐化學(xué)腐蝕等特性，可滿足1200℃-1300℃左右高溫環(huán)境中長(zhǎng)期服役的要求，通常作為復(fù)合材料增強(qiáng)體或隔熱材料在航空航天、半導(dǎo)體裝備、高溫爐襯等尖端領(lǐng)域具有很強(qiáng)的不可替代性，是一種高附加值的戰(zhàn)略性材料。不過過去，氧化鋁連續(xù)纖維的商業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)一直掌控在美國(guó)3M公司以及日本住友公司等外國(guó)企業(yè)，而我國(guó)在該領(lǐng)域長(zhǎng)期遭受“卡脖子”困境，導(dǎo)致我國(guó)在高端材料應(yīng)用上受制于人，因此探尋高效、可行的氧化鋁連續(xù)纖維產(chǎn)業(yè)化技術(shù)路線對(duì)于我國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展尤為重要。本文就一起看看哪種氧化鋁連續(xù)纖維的制備方法更具商業(yè)化前景吧！

目前，氧化鋁連續(xù)纖維的制備大致可分為兩條技術(shù)路線，一是物理成型，即直接利用目標(biāo)陶瓷材料的粉料作為起始原料，經(jīng)高溫熔融、拉絲、冷卻固化制得，或添加紡絲助劑經(jīng)紡絲、高溫?zé)Y(jié)制得；二是利用含有目標(biāo)元素且裂解可得到目標(biāo)陶瓷的先驅(qū)體，再經(jīng)紡絲、高溫裂解轉(zhuǎn)化制得。

一、物理成型

1、熔融拉絲法

熔融拉絲法是氧化鋁連續(xù)纖維制備領(lǐng)域的早期典型工藝之一，最初用于玻璃纖維的制備，主要是通過高溫加熱含有Al₂O₃、SiO₂及其他氧化物助劑的粉料得到熔體，再進(jìn)行拉絲、浸泡、干燥、燒結(jié)等工序得到連續(xù)陶瓷纖維。

熔融拉絲法原理及裝置示意（來源：參考文獻(xiàn)1）

該方法具有操作簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高的特點(diǎn)，易于產(chǎn)業(yè)化，但由于制備過程需要在高溫下熔化原材料得到熔體，除了能耗高這一個(gè)明顯缺點(diǎn)外，往往還要求原材料具有較低的熔融溫度，而Al₂O₃熔點(diǎn)高且熔體黏度低，要使其具有良好的成纖性，一般需要加入第三組分調(diào)節(jié)其熔點(diǎn)和黏度來保證其熔體穩(wěn)定性，因此采用這種方式只能制備耐溫低于1200℃的低Al₂O₃含量氧化鋁連續(xù)纖維，而對(duì)于耐溫要求更高的高Al₂O₃含量的陶瓷纖維，目前還無法通過熔融拉絲法制備。

2、超細(xì)微粉擠出法

為了解決熔融拉絲法難以制備高含量氧化鋁連續(xù)纖維的問題，美國(guó)杜邦公司在其基礎(chǔ)上開發(fā)了超細(xì)微粉擠出法，主要是將氧化鋁超細(xì)粉末、黏結(jié)劑、燒結(jié)助劑、分散劑、流變助劑等混合后制備成具有一定粘度的陶瓷漿料，擠出成型后經(jīng)干燥、燒結(jié)等工序后制成。

超細(xì)微粉擠出法工藝流程（來源：參考文獻(xiàn)1）

相比熔融拉絲法，超細(xì)微粉擠出法無需高溫熔融，可以采用結(jié)晶性較好的粉體為原料，制備出抗蠕變性能優(yōu)異、耐高溫性能更好的的高含量氧化鋁連續(xù)纖維，同時(shí)，簡(jiǎn)單的生產(chǎn)流程使其在規(guī)模化生產(chǎn)上也具有一定優(yōu)勢(shì)。不過，該方法盡管采用超細(xì)微粉的氧化鋁粉體作為原料，但在漿料制備過程中，顆粒間仍由于無法完全實(shí)現(xiàn)均勻分散，加上粉體粒徑的粒徑限制，易導(dǎo)致在擠出成型時(shí)形成不平整的表面狀態(tài)。

3、基體纖維浸漬法

基體纖維浸漬法的核心在于利用親水性能良好的有機(jī)粘膠纖維作為犧牲骨架，浸漬于鋁鹽溶液（硝酸鋁或氯化鋁等）中，鋁鹽溶液以分子態(tài)滲透至纖維孔隙，再經(jīng)過干燥、高溫?zé)Y(jié)使有機(jī)纖維去除，從而得到氧化鋁連續(xù)纖維。該方法的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于可利用可編織的黏膠基體，制備形狀復(fù)雜的纖維產(chǎn)品，同時(shí)易于形成含鋁纖維，但由于黏膠纖維消耗量大。成本較高，工藝較為繁瑣，產(chǎn)品性能不易控制，形成的纖維質(zhì)量較差，不適宜規(guī)模化生產(chǎn)。

二、先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法

1、溶膠凝膠法

溶膠凝膠法與靜電紡絲工藝相結(jié)合一直是目前氧化鋁纖維制備最通用的方法，比如美國(guó)3M公司的Nextel系列、日本住友公司的Altel系列等都是采用該方法制備。其工藝流程主要是利用含高化學(xué)活性組分的化合物為前驅(qū)體，在醇/水等液相下將原料均勻混合，并進(jìn)行水解、縮合化學(xué)反應(yīng)，在溶液中形成穩(wěn)定的透明溶膠體系，溶膠經(jīng)陳化膠粒間緩慢聚合，逐漸形成具有一定黏度和可紡性的凝膠，最近再經(jīng)過干法紡絲、熱處理等工序制得。

溶膠凝膠法工藝流程（來源：參考文獻(xiàn)3）

3M公司Nextel系列氧化鋁連續(xù)纖維

溶膠-凝膠法作為一種液相法，所用原料的純度高，溶劑易于去除，燒結(jié)溫度遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)方法，因此所得制品在均勻度、純度、拉伸強(qiáng)度等方面均有明顯優(yōu)勢(shì)，不過，該方法同時(shí)也存在原材料要求高、技術(shù)路線繁雜、工藝控制難度高、陶瓷收率低以及微聚集體分布難以表征和評(píng)估等局限性問題。

2、有機(jī)聚合物先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法

有機(jī)先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法是以金屬有機(jī)試劑原料合成先驅(qū)體聚合物，利用先驅(qū)體的可溶或可熔等特性經(jīng)紡絲成型后，在一定的氣氛和壓力下熱解無機(jī)化處理后獲得目標(biāo)陶瓷纖維的方法。

有機(jī)聚合物先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法（來源：參考文獻(xiàn)2）

一般來說，該方法多用于非氧化物陶瓷纖維（如SiC纖維）的制備上，可通過分子設(shè)計(jì)，控制先驅(qū)體的組成和微觀結(jié)構(gòu)，使之具有潛在的活性基團(tuán)以便交聯(lián)并獲得高陶瓷產(chǎn)率和搞生產(chǎn)效率，同時(shí)產(chǎn)品具有高強(qiáng)、高模、直徑細(xì)等特點(diǎn)。但該方法對(duì)于氧化物的先驅(qū)體聚合物合成較為困難，易引入雜質(zhì)，造成生產(chǎn)成本高，在目前的商業(yè)化制備上并未表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。

4、無機(jī)陶瓷前驅(qū)體轉(zhuǎn)化法

無機(jī)陶瓷前驅(qū)體轉(zhuǎn)化法是莫綸(珠海)新材料科技有限公司為了填補(bǔ)我國(guó)商業(yè)化制備氧化鋁連續(xù)纖維的空白而創(chuàng)新性采用的一種技術(shù)，該技術(shù)采用非石化類原材料經(jīng)水解、誘導(dǎo)聚合等主體同步反應(yīng)，形成目標(biāo)產(chǎn)物的分子化學(xué)鍵（Al-O-Si），再經(jīng)濃縮陳化制得水溶性、穩(wěn)定透明、可紡性好的無機(jī)高分子陶瓷前驅(qū)體，最后通過退火、燒結(jié)等工序?qū)⒛z粒子轉(zhuǎn)化成微晶。

莫綸新材生產(chǎn)的氧化鋁連續(xù)纖維

該技術(shù)由于采用無機(jī)體系，且制得的前驅(qū)體形成了分子化學(xué)鍵，具有膠體穩(wěn)定、固含量高、純度高的特點(diǎn)，不僅規(guī)避了現(xiàn)行有機(jī)型陶瓷前驅(qū)體技術(shù)路線繁雜、陶瓷收率低、生產(chǎn)過程需用有機(jī)溶劑等局限，而且整個(gè)過程原料易得、環(huán)保便捷、易于普及、成本可控，在規(guī)模化制備上具有很大的應(yīng)用前景。目前，莫綸新材已利用該技術(shù)在珠海成功布局年產(chǎn)100萬米高性能連續(xù)氧化鋁纖維縫合線及其制品建設(shè)項(xiàng)目，助力推動(dòng)我國(guó)核心裝備向尖端發(fā)展。

小結(jié)

氧化鋁連續(xù)纖維作為一種新興的戰(zhàn)略性材料，在航空航天等尖端領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。目前其制備主要有物理成型和先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法兩條技術(shù)路線：物理成型的技術(shù)路線普遍工藝簡(jiǎn)單，但所制得的產(chǎn)品質(zhì)量往往較差，導(dǎo)致應(yīng)用受限。而先驅(qū)體轉(zhuǎn)化的技術(shù)路線雖然所得產(chǎn)品質(zhì)量好，但技術(shù)壁壘較高、生產(chǎn)工藝復(fù)雜，導(dǎo)致成本往往較高，而突破性采用無機(jī)陶瓷前驅(qū)體轉(zhuǎn)化法，通過分子鍵設(shè)計(jì)，并簡(jiǎn)化工藝流程，有助于我國(guó)氧化鋁連續(xù)纖維實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化替代。

參考文獻(xiàn)：

1、王雪朋,劉振,齊學(xué)禮,等.連續(xù)氧化鋁纖維的制備方法及研究進(jìn)展[J].陶瓷學(xué)報(bào).

2、吳爽,茍燕子,王永壽,等.先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備含異質(zhì)元素碳化硅纖維的研究進(jìn)展[J].材料工程.

3、劉青銅,梁艷媛,邱海鵬,等.連續(xù)氧化鋁纖維及其復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代技術(shù)陶瓷.

4、莫綸新材：連續(xù)氧化鋁晶體纖維關(guān)鍵技術(shù)

粉體圈Corange整理