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氧化鋁我們都再熟悉不過了，它不僅有較高的熔點（2054℃），而且還有出色的機械強度、硬度、高電阻率和導熱性能，因此是世界上用量最大的特種陶瓷材料之一。

不過材料學家相信氧化鋁還有許多潛能未能被發掘，因此一直有在研究它的新用法，比如說氧化鋁纖維就是近年來一種比較具備代表性的成果。

氧化鋁纖維及其SEM圖

氧化鋁纖維是何物？

氧化鋁纖維是一種高性能的無機纖維，雖然名字中沒有體現，但其實它的成分并不限于Al₂O₃，有的還含有SiO₂和B₂O₃等金屬氧化物成分，是一種相當高端的耐火材料。

作為當今世界最新型的超輕質高溫耐火纖維之一，氧化鋁纖維不僅可以在更高溫度下保持很好的抗拉強度，長期使用溫度在1450-1600℃；而且表面活性好，易與樹脂、金屬、陶瓷基體復合，形成諸多性能優異、應用廣泛的復合材料。同時它還具有熱導率小、熱膨脹系數低等優點，在“防火隔熱”這一塊也很有一手。此外，與其它高性能無機纖維如碳化硅纖維相比，氧化鋁纖維原料成本要低，且生產工藝簡單，具有較高的性價比。

目前氧化鋁纖維已被廣泛應用于航空航天、核電核能、軍工以及汽車工業等領域。在業界，它甚至還被認為是最具有潛力的高溫材料之一。

氧化鋁纖維的代表產品

經過多年的發展，氧化鋁纖維已經成功實現商業化，主要的品種有美國Du Pont公司的FP、PRD-166，美國3M公司生產的Nextel系列產品，英國ICI公司生產的Saffil氧化鋁纖維，日本Sumitomo公司生產的Altel氧化鋁纖維等。

其中3M的Nextel系列產品我們可以在網上找到詳盡的資料。這些陶瓷纖維是通過溶膠-凝膠法生產的，其制備方法是：在含有甲酸根離子和乙酸根離子的氧化鋁溶膠中，加入作為硅組分的硅溶膠和作為氧化硼組分的硼酸，得到混合溶膠，濃縮成紡絲液進行擠出紡絲，然后在1000℃以上帶有張力條件下燒結，得到連續氧化鋁纖維。以下是它的兩種主要型號，分別為Nextel610和Nextel720的性能參數對比。

可以發現，兩者的性能存在較大差異，它們的主要區別在于SiO₂的含量。其中Nextel610幾乎完全是由α氧化鋁的單相成分組成的，它在室溫下比Nextel720有著更高的強度。而Nextel720的組成中添加了比較大量的SiO₂，雖然拉伸強度、彈性模量等性能上都略遜于Nextel610，但是在應變性能上卻有著更突出的表現，這是為什么呢？

Nextel720結構粗紗

二氧化硅對氧化鋁纖維的影響

查看3M公布的產品資料，會發現對于720的描述是這樣的：Nextel陶瓷結構纖維720是由添加了SiO₂的α氧化鋁制成，由于減少了晶界滑動，因此在更高的溫度下具有更好的強度保留。而莫來石相的存在，也使得Nextel720比Nextel610具有更高的蠕變阻力。

這里面提到了幾個關鍵點，如晶界滑動、莫來石相以及蠕變阻力等。其實這些都是可以結合起來討論的。我們就先從莫來石相開始。

①莫來石

首先要知道，莫來石陶瓷是主相為莫來石（3Al₂O₃·2SiO₂）的一類陶瓷的總稱。可簡單分為普通莫來石瓷和高純莫來石瓷兩大類，這里就先不討論普通莫來石瓷，感興趣的可以閱讀這篇文章做進一步了解——《除了耐火材料，莫來石陶瓷還能做些什么？》

高純莫來石陶瓷采用人工合成的超細高純莫來石粉末制備而成，它具有膨脹均勻、熱震穩定性極好、荷重軟化點高、高溫蠕變值小、硬度大、抗化學腐蝕性好等特點。雖然莫來石陶瓷的室溫強度較低，限制了其室溫應用（就像上面的610在室溫下會比720具備更高的強度一樣）。

但莫來石有個特點，它在高溫下強度衰減較小，在1300℃時抗彎強度可達570MPa，斷裂韌性KIC達5.7MPa，均比常溫時高1.6倍，這種隨溫度升高、強度和韌性不僅不衰減反而大幅度提高，是高純莫來石陶瓷作為高溫材料極佳的特性，因此它在電子封裝材料、汽車領域等有著重要的應用。

莫來石在電子封裝材料中的應用

②晶界滑動

接著我們來講講莫來石的高溫性能為什么會這么突出，這里涉及到一個概念就是晶界滑動。對于陶瓷材料來說，在較高溫度條件下，由于晶界上的原子易于擴散，受力后易產生滑動，就會促進蠕變進行。隨著溫度的升高，應力降低，晶粒度減小，晶界滑動對蠕變的作用越來越大。晶界的滑動易于在晶界上形成裂紋，當裂紋迅速擴展達到臨界尺寸后便產生蠕變斷裂。

③高溫蠕變

不過上面也提到了，莫來石有個特點就是高溫蠕變值小，越高溫越強。這是因為在高溫下，鋁硅酸鹽會形成細長的莫來石晶體，它們會形成高強的互鎖網絡，減少晶界滑動。因此Nextel720在高溫下就能消耗SiO₂和Al₂O₃來形成莫來石使抵抗形變的性能發生變化，這就是它比Nextel610有著更好的抗蠕變性能的主要原因，非常適合作為填充或加固材料改善復合材料的機械和熱學性能（高抗熱震等）。

總結

最初構思這篇文章，是在了解3M產品時發現一系列的產品在性能上的差異很有趣，因此想要以這個為題寫一個小科普。在此之前很多人（甚至包括小編）或許會對莫來石有誤解，覺得它不夠“純”是否意味著不夠高級，卻忽略了正是這樣的組分才讓它在高溫領域有著如此優秀表現的事實。

總而言之，材料沒有高低優劣之分，只要能夠得到合適的應用，誰都能成為那個領域的種子選手。

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