柔性陶瓷纤维制备方法优劣对比

1陶瓷纤维应用场景

由于陶瓷纤维材料具有密度低、耐高温、导热系数低、化学稳定性好、有更大的比表面积和更小的孔径等特点，在热绝缘、电池隔板、催化等领域具有很大的应用前景。

 

根据化学成分，陶瓷纤维可分为氧化物纤维、碳化物纤维、氮化物纤维和其他陶瓷纤维。氧化物纤维通常具有较高的机械强度、较低的热导率、良好的电绝缘性和化学稳定性，并能在氧气气氛中保持稳定。例如SiO2、Al2O3、ZrO2、BN、SiC等等都可以处理成柔性陶瓷纤维。

 

表1 应用领域

种类	应用领域
热绝缘	航空航天		电池隔膜		轻质隔热材料
过滤	空气过滤器	高温颗粒过滤		石油泄漏处理		工业有机溶剂过滤
污染	降噪	机器设备		工程建设		电磁波吸收
催化	工业		生物		催化剂载体
其他	可穿戴电子设备	纳米发电机		传感器		响应式电气设备

 

2不同制备方法的比较

柔性陶瓷纤维的制造通常采用这些典型方法中的一种：离心纺丝、静电纺丝、溶液喷吹纺丝、自组装、化学气相沉积、原子层沉积、聚合物转化等。

 

离心纺丝的一个重要优点是其高产量，比实验室规模的静电纺丝设备高两个数量级。更重要的是，通过合理的设计配置装置，可以获得具有取向结构的陶瓷纤维。当施加离心力时，陶瓷纤维可以相对于纺丝头沿切线方向取向，形成的具有均匀尺寸和所需机械性能的柔性陶瓷纤维。其不足之处在于没有像静电纺丝那么高的灵活性。

 

表2 制备方法

方法	材料类型	优势	不足之处	纤维直径	产业化前景
离心纺丝	熔化	高效率	相对较差的灵活性	> 1μm	高的
	溶液	效率高；广泛的材料选择	聚合物的去除	几十纳米到几微米	相对较高
	溶胶	效率高；产量高；不含聚合物	不均匀直径	几百纳米到几十微米	相对较高
静电纺丝	溶液	直径小且均匀；多样的成分和形态	效率低；高电压；聚合物的去除	几十纳米到几微米	相对较低
	溶胶	产量高；不含聚合物	直径不均匀；高电压	几十纳米到几微米	相对较低
溶液喷吹纺丝	溶液	工艺简单安全；效率高；多样的成分和结构	聚合物的去除	几十纳米到几微米	相对较高
自组装法	溶液	带状结构	材料选择有限；效率低；有机物的去除	宽度:几百纳米到几微米 厚度:几纳米	低的
原子层沉积	溶液	中空结构；可控直径	工艺复杂；效率低；有限的材料选择	几十纳米到几微米	低的
化学汽相淀积	气体	直径小且均匀；非氧化物成分	效率低；有限的材料选择	几十到几百纳米	低的
聚合物转化	溶液	非氧化物成分	效率低；惰性气氛中煅烧	几十纳米到几微米	相对较低

 

3静电纺丝法制备的陶瓷纤维

静电纺丝是制造陶瓷纤维最常用的方法之一，其典型步骤：(1)制备含有聚合物和陶瓷前体的纺丝溶液；(2)在电场下将溶液纺成陶瓷前驱体纤维；(3)高温煅烧，以去除静电纺丝中的有机成分和残留物。此外，陶瓷前驱体溶胶无需额外的聚合物，静电纺丝后可显著降低了陶瓷纤维在煅烧过程中的体积收缩，降低了生产成本。

图1 静电纺丝制备柔性陶瓷纤维。a典型静电纺丝设备示意图。b显示带电纺丝溶液射流的数字图像，曝光时间为1/250s。c数字图像显示了带电纺丝溶液射流在不稳定区域的轨迹。曝光时间为18 ns。d静电纺丝制备柔性陶瓷纤维的方法。

 

静电纺丝的主要优点是柔性陶瓷纤维的结构和形态可以通过调节前体溶液的组成或者改变纺丝和煅烧条件来控制。

 

通过静电纺丝法结合聚合物前体转化法制备了氮掺杂的中空SiC纤维垫，该纤维垫显示出良好的隔热性能，并且使用该方法开发出具有排列SiC纳米纤维的复合材料的电磁波吸收性能优于随机排列SiC纳米复合材料。

 

通过同轴静电纺丝、热或电子束辐照固化过程和热解过程从聚合物前体制备的纤维，其中空结构的空腔壁的厚度约为1.5μm。在氮气气氛下在超过1300℃的热解之后获得结晶图案。这些易于制造的氮掺杂中空SiC纤维垫具有良好的柔韧性、不燃性、高热稳定性、耐腐蚀性、重量轻(0.218g/cm−3）。(0.026±0.039 W·m−1·K−1)的超低导热系数使这种垫能够满足高温绝热材料、高温催化剂支撑材料或柴油颗粒过滤器等重要应用的要求。

图2 高温下NHSiC-1500和NHSiC-EBI纤维的导热率和热扩散率。

 

与其他方法相比，静电纺丝生产的陶瓷纤维显示出更小和更均匀的直径，众所周知，纤维直径对过滤性能有显著影响，这一定程度提高了陶瓷纤维材料的过滤性能。

 

引用文献:

1.Jia, C., Xu, Z., Luo, D. et al. Flexible Ceramic Fibers: Recent Development in Preparation and Application. Adv. Fiber Mater. 4, 573–603 (2022).

2.Yan J, Zhao Y, Wang X, Xia S, Zhang Y, Han Y, Yu J, Ding B. Polymer template synthesis of soft, light, and robust oxide ceramic flms. Science 2019;15:185–95.