原料 原料破碎
电弧炉熔融
压缩空气
喷吹成纤
纤维收集（集棉室或集棉器） 玻璃态纤维
电弧法喷吹成纤工艺流程图
典型产品：硅酸铝非晶质纤维
陶瓷纤维的加工成型-电阻法
标准型毯 高纯、高铝、高温型、含锆型毯 焦宝石熟料 氧化铝粉 硅石粉 锆英砂
高纯型、高铝型、含锆型毯 锆英砂 硅石粉 氧化铝粉
配料
配料
破碎
(<15mm自然级配)
混合
混合
料罐
料罐
料罐
低温、标准型毯 焦宝石熟料
破碎
(<10mm自然级配)
料罐
熔融（三流口电阻炉）
氮保护气体
熔融（单流口电阻炉）
成纤（二次喷吹成纤）
工艺润滑剂
成纤（三辊甩丝成纤）
集棉（集棉器）
压缩空气
集棉（集棉器）
陶瓷纤维棉
电阻法喷吹成纤、干法针刺毯工艺
陶瓷纤维棉
电阻法甩丝成纤、干法针刺毯工艺
典型产品：硅酸铝非晶质纤维
纤维棉：15％，
纤维绳、布等：6％
毯和纤维块：45％， 纤维纸：3％
真空成形板、毡：25％ 其它：6％
主要应用于：
热处理工业占40％，
钢铁工业 35％，
其它
25％。
陶瓷纤维毯
定义：散装陶瓷纤维自然沉降于集棉 器网上，并形成均匀的棉胚，经“针刺” 制毯工艺获得无结合剂的干法针刺毯。
陶瓷纤维毯是一种纤维状轻质耐火 材料，一般是由“电阻法喷吹成纤” 制备，所以属于非晶质（玻璃态）纤 维范畴，可直接用作工业窑炉壁衬热 面材料。
称M纤维）。体系同上，模量95 N/mm2
高硅氧玻璃纤维（high silica glass),SiO2 含量大于 96％，可以短期耐温1100℃，长期耐温900℃。
耐碱玻璃（AR玻璃），Na2O－ZrO2－SiO2，耐 碱性能好，作为水泥增强材料。
玻璃纤维用途
• 复合材料的增强材料 玻璃钢，70％产量用于复合材料的增强体， 石油、石化、汽车、船舶、航天航空等。
陶瓷纤维的分类
从微观形态上分：
非晶质（玻璃态）纤维 晶质纤维
从成分上分：
氧化物陶瓷纤维（如氧化铝纤维） 非氧化物陶瓷纤维 （如碳化硅纤维）
从陶瓷纤维制品分： 陶瓷纤维棉 陶瓷纤维毯 陶瓷纤维毡 陶瓷纤维板 陶瓷纤维模块 陶瓷纤维纸 陶瓷纤维纺织品
• 在30万吨的年产量中，各种陶瓷纤维制品 的分布：
陶瓷纤维毡
定义：通过结合剂使陶瓷纤维间保 持结合定型，并获得一定形状和良好 加工性能。施工强度的陶瓷纤维制品。
根据结合剂的品种和生产工艺不同， 陶瓷纤维毡又可分为：
陶瓷纤维湿法湿法毡（真空成型 毡）
用有机结合剂与纤维配制成 一定浓度的棉浆，经真空吸 虑成型和干燥等程序制成定 尺板状纤维毡。它强度和弹
陶瓷纤维纸
陶瓷纤维纸是以散装喷吹陶瓷纤维 为原料，并加入一定比例结合剂、填料 及助剂等添加物，用湿法生产工艺生产 的深加工产品，其工艺是借鉴传统造纸 工艺发展而成的。
它具有表面平整、结构均匀、低热导率、 低密度、高撕拉强度、高柔韧性、电 绝缘性能好等优良性能，被广泛用于高温 绝热、密封、衬垫、电绝缘、吸音及过滤 等方面的功能材料。
《高技术纤维》课程：
无机纤维
王彪
东华大学材料学院
目录
• 材料科学与工程（复习） • 无机纤维的定义和种类 • 玻璃纤维的制备、结构和性能 • 陶瓷纤维的制备、结构和性能 • 其它纤维
一、材料科学和工程
• 材料科学：研究材料结构和性能之间关系 • 材料工程：设计和制备具有某种结构的材料，以获
得相应的性能，并得到应用。
陶瓷等。
陶瓷的结构性能
• 陶瓷是由两种或两种以上的元素组成，大部分陶 瓷是金属和非金属化合物。原子间作用力是由纯 离子键或全共价键或者离子键和共价键的共同组 成。具体有什么价键取决于原子的电负性。虽然 陶瓷材料的原子间作用力主要是来自原子，但晶 体的结构取决于组分原子的电价；
• 金属离子（或者阳离子）显正价，而非金属离子 （阴离子）显负价。 组分正负离子的电荷数和相 对尺寸大小性影响着晶体的结构。由于晶体要保 持电中性，左右所有正离子的电荷数必须与所有 负离子的电荷数相等，
• 特种玻璃纤维
• 无碱玻璃纤维（电绝缘玻璃E玻璃）：
R2O含量小于0.8%的铝硼硅酸盐玻璃，90 ％以上产量。SiO2－Al2O3－CaO三元体 系，以B2O3为熔剂，熔制温度1580℃ 中碱玻璃（耐化学侵蚀玻璃C玻璃）： 含8.5%Na2O和5％的B2O3。国内12％Na2O， 不含B2O3，熔制温度1530℃。 高碱玻璃纤维（A玻璃）：
陶瓷纤维纺织品
陶瓷纤维纺织品的生产工艺是借鉴传 统纺织品生产工艺的基础上开发出来的。 它采用直径大于4.5μm的陶瓷纤维长丝与 15%~20% 的 有 机 纤 维 混 合 ， 经 和 棉 、 梳 棉、纺纱等工序制成陶瓷纤维纺织品生 产所需的陶瓷纤维。有机纤维在使用受 热过程中烧除，
制备方法
陶瓷纤维的加工成型-电弧法
性好，但不能弯曲。
陶瓷纤维干法毡。
以含热固性有机结合剂的纤维 为原料，经集棉、预压、热压 固化定型及后处理等工序制成， 它具有优良的强度，任性和加
工性能。
陶瓷纤维板
陶瓷纤维板采用与陶瓷纤维毡相 同的湿法真空成型加工工艺。根 据纤维板的强度要求，有时还需 加入高温微粉集料。
陶瓷纤维板是一种刚性的低导热 率纤维制品，可应用于同时要求 坚韧、自承重及隔热的领域，如 构筑高温工业窑炉、高温管道的 壁衬热面及有气流冲蚀部位的壁 衬材质。
作为材料学的学生：
既要懂得材料科学的一些基本原理和研究方法，也 要了解材料工程中的生产加工的原理和方法。
一条主线：结构和性能 二种关系：工艺和结构之间的关系
结构和性能之间的关系
Processing
Structure
Performance
Properties
材料学分类
• 金属 • 无机非金属－－无机纤维 • 聚合物（高分子材料）－－有机纤维 • 复合材料 • 先进材料：半导体材料、生物材料、智能材
玻璃纤维产量分布
北美 40%
欧洲 20%
亚洲 35%
其它 5%
2010年，中国的产量将达75万吨，中国台湾达到30万吨， 我国已成为玻璃纤维第三生产大国。
国外厂家大量采用新技术、开发新产品，如：异形 截面、卷曲、复合等特种性能的新产品。我国在高 附加值和高性能的玻璃纤维方面存在较大差距。
池窑法的劳动生产率高，单位能耗低，单机产量高。
• 军工领域：火箭推进器、弹道导弹燃料储 罐、反坦克发射筒、充气鱼雷发射器等。
• 高压气体储罐等。
纤维制备
• 玻璃纤维的生产技术分为： 直接成形纤维－－池窑法
间接成形纤维－－坩锅法
结语
• 玻璃纤维是一种既老又新的材料。 老－－生产方法和使用的普遍性来讲 新－－新产品开发、生产工艺的改进和新 应用领域的拓展
陶瓷纤维的加工成型-胶体法
反应（聚合）
硅溶胶
母液
浓缩
胶体
有机添加物 高分子聚合物
典型产品：多晶氧化铝纤维
纤维化
铺棉 热处理 多晶陶瓷纤维
胶体法制备陶瓷纤维的工艺路线
陶瓷纤维的加工成型-溶胶-凝胶法
锆盐
（混合）
溶液 （醇盐＋醇）
（混合）
溶胶
（放置） 粘性溶液
（纺丝） 凝胶纤维
（热处理） 纤维材料
氧氯化锆
醇
水＋催化剂
干法纺丝 离心甩丝
乙酰丙酮
水解聚合 乙酰丙酮合锆
纺丝 前驱体纤维
热处理 氧化锆纤维
三乙胺
溶胶-凝胶法制备陶瓷纤维工艺路线 典型产品: 多晶氧化锆陶瓷纤维
陶瓷纤维的加工成型-浸渍法
前驱体布
浸渍溶液配制
浸渍
处理
典型产品：多晶氧化锆陶瓷纤维
干燥
热处理 多晶陶瓷纤维
浸渍法制备陶瓷纤维工艺路线
陶瓷纤维模块
陶瓷纤维模块又称陶瓷纤维组 件，这表现在以各种叠堆式模 块和预制模块炉衬取代传统的 层铺式炉衬结构。 它具有以下 有点： 1，施工简单、安装方便、节省 工时； 2，陶瓷纤维模块加工时采取了 预压缩，能补偿在高温下的收 缩； 3，具有优良的抗风蚀性能； 4，纤维模块的锚固件不暴露于 纤维炉衬热面，无需采取昂贵 的材料作为锚固件。
性能
• 直径：3－24um
• 密度：2.5-2.7g/cm3 腈纶1.14, 碳纤维1.4-1.9，铝丝2.7
抗拉强度：
复合材料理想的增强材料 弹性模量：基本属于弹性体，弹性模量很高， 断裂生长只有3％－4％
• 软化温度：550－750℃ 腈纶232－250，醋酸纤维204－230，聚苯 乙烯88－110。特种玻纤到达1000℃
• 稳定的陶瓷晶体结构的配位数跟阳阴离子 的半径比相关
思考题：
当配位数是3时，计算 最小的阳阴离子直径 比？
ra cos
rc ra
求rc/ra
阳离子
陶瓷结构-AX类
A—阳离子 X—阴离子 NaCl（石盐）类结构
阳阴离子半径比介于0.414和0.732之间，配位数为6，晶体结构是面心立方晶系 晶体结构相同的还有MgO，MnS，LiF和FeO
结构和性能
玻璃纤维是有硅酸盐的熔体制成，各种玻璃纤维的 结构组成基本相同，都是由无规SiO2组成。 纯SiO2：共价键联结的晶体，熔点1700度以上。 加CaCO3和Na2CO3可以降低熔融温度，所以玻璃 纤维中含Na2O和CaO等碱金属和碱土金属氧化物。 SiO2的构成了纤维骨架，其它氧化物位于骨架的 空隙中，也有取代SiO2位置。
含Na2O和K2O 14％以上，不耐水，水蒸气 侵蚀后发脆。耐酸。