我国金属纤维及制品的应用研究状况

稀有金属快报2008年27卷第9期 稀有金属快报 1 前 言 金属纤维的生产始于美国,最早用集束拉丝 法[1]生产。20世纪 70年代后期,由于有机和无机 纤维性能无法满足工业和科技迅速发展的需要, 发达国家开始高投入对金属纤维制造法及其应用进 行研究。由于技术难度大、工艺复杂,目前只有美 国、比利时、日本、俄罗斯和中国掌握了金属纤维 的生产技术。随后的几年里,这几个国家便利用金 属纤维制成金属纤维多孔材料,金属纤维的应用领 域又展开了崭新的一页[2]。纤维化过程使其内部结 构、磁性、电阻率及面性能都发生了显著变化, 从而使其身价倍增。在材料朝着复合化、微细化方 向发展的背景下,金属纤维以其具有良好的导电 性、导热性、耐蚀性以及强度高、弹性模量高等优 点,在过滤、吸声、表面燃烧、电极、织物、电磁 屏蔽、增强复合等领域有广泛的应用[3,4]。 2 应用领域 2.1 过 滤 随着全球工业化的迅速发展,环境污染日趋势 严重,一般的过滤材料已经不能满足更高的环保标 准,污染控制亟待开发新的过滤材料,金属纤维毡 过滤材料应运而生。金属纤维毡作为过滤材料具有 通常过滤材料所没有的优良性能,如孔隙度高、孔 隙均匀、容尘量高。金属纤维毡[3]的制备过程是把 许多金属丝合成束后,同时拉伸至微米级,然后采 用同重量和直径的成束纤维,切断,用合适的 方法(目前多采用气流法)制成无纺制品———纤维 毡,然后把几种不同丝径的蓬松毡依次排列组合 在一起,形成一定厚度的纤维堆积,纤维之间互相 交叉形成孔隙,然后再经过压实烧结,碾压成形, 从而制得金属烧结毡。由于金属纤维毡是由纤维丝 以三维迷宫方式铺在一起压实烧结制成,具有许多 交接点,从而对微细物具有很高的阻挡能力。用至 少两层不同直径纤维丝制成的纤维毡作为过滤材 料,可以获得两级以上的过滤精度,并且过滤效率 比多孔粉末过滤材料高 2～5倍[1]。 金属纤维毡具有非常高的孔隙率(最高可达 90%)和非常好的透气性。用该材料制成的过滤器流 量阻力很小,且由于其独特的立体深度过滤结构, 对污染物的纳污量比粉末烧结滤材高 1.5～5倍,可 我国金属纤维及制品的应用研究状况 许佩敏 1,2,张 健 1,孙旭东 1,2 (1.西北有色金属研究院 金属多孔材料国家重点实验室,陕西 西安 710016) (2.西安建筑科技大学,陕西 西安 710055) 摘 要:由于金属纤维材料及制品具有良好的导电性、导热性、耐蚀性以及强度高、弹性模量高等独特的物理性 能,在许多领域都有广泛应用。本文详细介绍了金属纤维及制品在过滤、吸声材料、表面燃烧器、纺织、电极材 料、增强复合材料、导电材料等领域的应用研究状况,并对其应用前景做出了展望。 关键词:金属纤维;物理性能;应用 中图法分类号:TG146.4 文献标识码:A 文章编号:1008-5939(2008)09-011-06 收稿日期:2008-07-21 作者简介:许佩敏,男,1983年生,硕士研究生,西北有色金属研究院粉末冶金研究所,陕西 西安 710016, 电话:029-86231095,E-mail:xpm1983@126.com 11 Vol.27,No.9,2008 以延长过滤器的使用寿命。用做过滤器的金属纤维 毡多为不锈钢纤维毡,在高温下具有较高的强度和 韧性,在酸碱等腐蚀环境中连续工作,可以经受 400～900℃的强热震[5]。如果选 FeCrAl纤维毡作为 过滤器材料,还可使工作温度提高到600℃。基于 金属纤维毡优异的过滤性能,在汽车尾气净化、高 温除尘、空气过滤、液体过滤、催化剂回收等领域 有良好的应用前景。 张健等[6]对金属纤维多孔材料在机动车尾气净 化中应用进行了分析,认为汽车尾气净化器采用金 属纤维毡作为过滤材料,可以有效解决陶瓷颗粒载 体热容量大、加热升温慢、热导率低、机械强度相 对低的不足,还可以解决蜂窝状金属载体材料制备 工艺复杂的难题。另外,金属纤维载体可以达到欧 5标准对汽车尾气中颗粒含量排放要求。 朱能等[7]对金属纤维毡用于锅炉烟气高温除尘 进行的研究表明,用金属纤维毡制成的过滤器能够 在烟气温度达500℃以上的环境长期工作;经该过 滤器处理过的烟气完全满足国家规定的锅炉大气污 染物排放标准,证明这种过滤器对小颗粒粉尘有很 好的去除作用[8,9]。 2.2 吸 声 金属纤维用做吸声材料是近年来开发出的一 种新型吸声材料,具有良好的吸声性能,以厚度 0.05mm的1Cr18Ni9不锈钢纤维材料为例,当频率 在500Hz以上时吸声系数可达0.7。另外,与传统 的吸声材料相比,具有强度高、耐腐蚀、使用寿命 长、透气性好、比表面积大以及耐高温等特点。 航空发动机的噪声污染是一项亟待解决的难 题。高温声衬技术是改善发动机噪声问题最有发展 前景的技术。为了找到一种能适应 600℃左右的环 境温度,且能很好吸收 500～4000Hz噪声的吸声 材料,西北有色金属研究院对 FeCrAl纤维多孔材 料的声学性质进行了研究。结果表明,在 600℃ 下,1500～6400Hz范围内,2～3层FeCrAl纤维组 合结构表现出平稳的吸声特性,吸声系数均高于 0.90;组合结构越厚吸声性能越好,其中组合排列 规律按孔隙递减排列。 李献伟等[10]利用驻波管法测试了多孔的碳钢、 黄铜、铝纤维等吸声材料的垂直入射吸声系数,频 率范围为100～4000Hz。试验证明,松散的金属纤 维材料吸收系数峰值高达0.98以上;金属纤维材料 具有良好的宽频吸声特性,并且在低频吸声方面金 属纤维比其他非金属纤维更优越些。 张燕等[11]对AX100型摩托车排气消声器进行了 改进研究。在原始消声器的第二腔腔壁上加金属纤 维材料。研究表明,这种结构改进能够有效地降低 噪声。增加的金属纤维容重为 400kg/m3时,总降 噪量比原始消声器多2.0dB。因此这种结构改进可 以在摩托车排气消声器上推广使用。 马建敏[12]等对金属纤维吸声特性进行了研究。 认为金属纤维是一种吸声性能优良的吸声材料,特 别是在中高频环境吸声性能更优。因而是水汽、火 花、油污、高温、高气流等高频噪声环境中理想的 吸声材料[13]。本文作者把不锈钢纤维用于轧钢厂大型 冷锯机锯罩内的吸声处理,取得了理想的降噪效果。 2.3 表面燃烧器 金属纤维表面燃烧的工作原理[14]是:预混好的 空气与煤气,进入燃烧器头部空腔,通过分流板, 均匀渗透到金属纤维表面,火焰在金属纤维表面燃 烧,以辐射和对流的形式向外传热。金属纤维燃烧 器特点[14,15]是:热强度高,调节范围大,燃烧物中 CO和 NOX含量很低,在高热强度下(900kW/m2), CO含量低于 0.04%,NOX含量低于 0.012%;金属 纤维载体与多孔陶瓷板结合牢固,不怕冷水冲击, 并可加工成任何形状;热惰性小,能很快加热,很 快冷却;噪声低;在一次空气预混的条件下,不需 要冷头部的装置。另外,金属纤维燃烧器技术符合 节能与环保要求,是燃气燃烧的重要应用技术。 黄志甲等[16]研制出一种高效、节能、环保的金 属纤维燃烧器。该燃烧器选用耐高温、抗氧化、机 械强度高的 FeAl纤维,通过调节风量,实现空气 和燃气按合理比例混燃,保证了燃气充分燃烧,热 效率提高了1倍多,主要污染物排放减少了90%以 上,同时燃烧无噪声,具有明显的节能与环保效果。 傅忠诚等[17]对金属纤维燃烧器 CO和 NOX排放 综 合 评 述 12 稀有金属快报2008年27卷第9期 稀有金属快报 特性进行了研究,结果表明,与其他燃烧器相比, 金属纤维燃烧器的 CO,NOX等有害气体排放含量 低,具有低污染排放特点,环境效益较好。 仇中柱等[18]为热水锅炉研制了一种新型金属纤 维燃气红外线燃烧器。金属纤维燃烧器的多孔介质 由直径大约为20μm超细金属纤维加工而成,该金 属纤维是一种FeCr的合金丝,能在1100℃的高温 下长期工作。这种纤维燃烧器具有污染物低、燃烧 效率高、抗腐蚀性强、抗热冲击性能高、燃烧功率 调节范围宽等优点,凡具有这种金属纤维燃烧器的 热水锅炉,烟气中 NOX排放浓度小于 0.003%,CO 排放浓度小于0.005%,热效率提高5%,具有很好 的经济效益和环境效益。 2.4 纺 织 随着电子、电控机械、通讯、高压输电等工业 及军事电子对抗技术的高度发展,为克服电磁感 应、静电起爆和静电干扰引起的一系列危害及达到 电磁屏蔽的要求,急需开发特种的纺织品,以满足 其需要。另外,多数的工服面料根据穿着要求采用 了毛涤混纺产品,而这类服装在穿着过程中,发生 接触、摩擦的机率较大,静电现象也表现得更为突 出[19,20]。在织物中加入导电材料———金属纤维就是 为解决这类危害所开发的产品[21]。 段亚峰等[22]在花式线结构时,用不锈钢金 属长丝和涤纶 DTY有色长丝为蕊纱,外面包裹长 不锈钢金属纤维与涤纶混纺的纤维和染色纱线,通 过改变不锈钢纤维的含量,得到满足抗电磁辐射要 求,抗皱性能和断裂性能优良的特种纺线。 柳中笑等[23]选用不锈钢金属纤维与羊毛和涤纶 纤维混纱,开发出羊毛含量为50%的持久抗静电混 纱产品。在产品开发中,由于不锈钢纤维有较大比 重,进一步提高了织物的悬垂性,提高了国产毛产 品的档次和科技含量。 张志光等[24]对金属纤维抗菌作用进行了初步研 究。通过研究发现,金属纤维对常见的细菌(如大肠 杆菌、白色葡萄球菌)和真菌(如黄曲霉、白色念珠 菌)的生长繁殖有强烈的抑制作用。因此,可以用 金属纤维与天然纤维或化学纤维混合纺织得到新型 保健纺织品,进一步拓展了保健纤维纺织品的领域。 2.5 电极材料 NH-Ni电池被誉为绿色蓄电池,是近 20多年 发展起来的一种新型碱性蓄电池。NH-Ni电池阳极 材料活性物质骨架材料的性能对电池的充放电, 电池容量及使用寿命起着重要作用。NH-Ni电池 阳极板目前主要使用泡沫镍,但泡沫镍存在比表面 积小、电容量高、强度低、充放电次数少(小于500 次)、循环使用寿命短等问题,制约着NH-Ni电池 的发展,同时又面临着锂离子二次电池的挑战。为 解决泡沫镍电极存在的问题,研究人员开始使用镍 纤维毡作为 NH-Ni电池阳极极板基体。经研究发 现,镍纤维毡阳极板可使 NH-Ni电池的充放电次 数提高到几千次,可耐大电流冲击,具有电压稳 定、电容量大、活性物质填充量大、利用率高、内 阻低、极板强度高等特点,因此,用镍纤维毡取代 泡沫镍在 NH-Ni阳极材料中的应用是 NH-Ni电池 的重要发展方向[25]。 奚正平等[26]检测了镍纤维毡的性能指标。纤 维丝径为10~40μm、单位质量为300~600g/m2的镍 纤维毡,其性能指标的测试结果为:孔径为100~ 700μm;孔隙度为 95%~98%,比表面积为(0.5~ 2.0)×105cm2/cm3,厚度1.0~3.0μm,抗拉强度5~8 MPa,延伸变形≥8%,镍纤维毡在孔径尺寸、孔隙 度、单位质量厚度等性能指标上和泡末镍相近, 但在比表面积、抗拉强度、延伸率等方面具有明显 优势。 原彩霞等[27]通过纤维镍电极与泡沫镍比较发 现:纤维镍基底不如泡沫镍基底更容易填充活性物 质,但纤维镍电极在高倍率下的充电电压较低,放 电电压较高,电极中活性物质的利用率较高,因而 电极的体积比容量也比较高;刮浆式纤维镍电极的 大电流放电性能比刮浆式泡沫镍电极好。 葛建生等[28]用直径为 2～10μm,长度为1mm 左右的镍纤维,将镍纤维均匀地铺复在镀镍穿孔钢 带或其它基网上,在氢还原气氛中烧成多孔镍基 板。镍纤维经 1000℃烧结后基板的孔隙率高达 95%,活性物质填充量为 1.79g/cm3,比传统的羰 13 Vol.27,No.9,2008 基镍粉烧结式基板高出20%左右,并且这种方法制 备的镍正极板具有良好的卷绕性和电化学性能。 2.6 增强复合材料 自从美国开发了用钨丝增强铜合金作复合材料 以来,许多国家,特别是美国、日本、英国,在碳 纤维、碳化硅纤维、硼纤维增强复合材料方面进行 了大量的研究,并取得了一些卓有成效的成果。后 来,为了满足高韧性场合的要求,研究者开始对金 属纤维增强复合材料展开研究。国内对金属纤维 增强复合材料的研究起步比较晚,但也取得了不少 成果。 梁昂珠[29]等用冶金工艺制成具有一定孔隙度的 多孔金属纤维网络骨架材料基体,然后将固体润滑 剂与多孔金属纤维网格骨架材料基体进行复合,制 得具有较高承载能力和优越耐磨性能的金属基复合 自润滑材料。金属基复合自润滑材料比粉基自润滑 材料的断裂极限、冲击韧性都有明显提高。另外, 金属纤维网格骨架材料作为复合自润滑材料的基 体,具有良好的蜂窝结构,孔形复杂,通孔多,固 体润滑剂比较容易地复合到骨架的孔洞里,在纤维 骨架里贮存大量的润滑剂,保证材料具有良好的自 润滑性能。 刘英华[30]等对金属纤维增强作用与固体润滑材 料性能的关系做了深入研究。研究表明,金属纤维 基体有很高的强度和塑性及良好的渗透性(纤维基 体的断裂极限和冲击韧性分别为粉末冶金同类产品 的 2~15倍和 5~17倍);金属纤维与固体润滑剂复 合而成的材料,不仅机械性能好,还由于纤维体通 孔多和具有蜂窝结构,有利于润滑剂渗透、贮存和 分泌。并且还为材料提供理想的润滑源,同时明显 改善材料的耐磨性、磨合效果及加工性能,是一种 有发展前途的新型材料。 杨生荣[31]等研究了钢纤维、铜纤维及二者混合 增强聚四氟乙烯(PTFE)复合材料的摩擦性能。结果 显示,两种金属纤维增强都能大幅度降低 PTFE磨 损,而且钢纤维的增强效果比铜纤维好,两种纤维 混杂增强效果更好。 李智钢等[32]研究了一种新型齿科复合材料——— 金属纤维增强树脂基托材料[33]。研究表明,金属纤 维的加入,使该材料的机械性能明显优于其它国产 基托材料,并且金属纤维适当比重加入时,可得到 合适的色泽。 2.7 导电材料 由聚合物基体加工制成的电子仪器外壳具有良 好的外观、质轻、易加工成型等优点,但这种不导 电聚合物外壳对电磁干扰无屏蔽作用,为了防止电 磁波辐射造成的干扰与泄露,通常在塑料壳体上 涂覆导电涂料或直接在树脂中掺合导电填料制成 导电复合材料,国内对金属纤维作导电填料的研究 较多。 谭宋庭等[34]以不锈钢纤维(SSF)作填料,分别 与丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)和聚丙烯(PP) 两种聚合物复合得到了电磁屏蔽用导电性高分子合 成材料。当聚合物中加入适量的不锈钢纤维时,金 属纤维形成导电网络,导电网络一旦形成,复合材 料的电阻率突然下降几个数量级。导电网络形成以 后,材料对电磁波产生屏蔽作用,且随频率升高而 增加。对于 SSF/PP复合材料,当不锈钢纤维体积 含量为 3%时,在 1400Hz可以达到 30dB的屏蔽 效果;而对于SSF/ABS复合材料,当纤维体积含量 达到7%时,屏蔽效果还不到30dB。因此,相同不 锈钢纤维含量条件下,结晶性 PP基复合材料的电 导率和屏蔽效果均优于无定形ABS基复合材料。 3 结束语 金属纤维因具有某些特殊性能,自问世以来, 得到了迅速发展。金属纤维及制品在过滤领域中的 应用取得了良好效果,但是由于纤维过滤材料比较 昂贵,还不能完全取代其它过滤材料,因此廉价金 属维的开发应该成为研究的方向。金属纤维燃烧器 是节能、环保的重要途径,随着人们节能、环保意 识的增强,该产品将有更广阔的应用前景。随着 金属纤维制备技术的发展,将生产出更细微的金 属纤维,例如法国、比利时和中国台湾地区生产的 不锈钢纤维最细达到 2μm,一般为 8~22μm,比 棉花还柔软,比蚕丝手感还好,穿着这种超细金属 综 合 评 述 14 稀有金属快报2008年27卷第9期 稀有金属快报 纤维混纺制作的具有屏蔽能力的服饰,可以在电器 包围的环境里轻松生活和工作,因此金属纤维在纺 织领域的应用前景很广阔。Ni纤维毡作为 NH-Ni 电池阳极活性物质骨架材料,解决了泡沫 Ni比表 面积小、电容量高、强度低、放电次数少、循环使 用寿命短等问题,因此纤维毡取代泡沫 Ni是必然 趋势。金属纤维与此其它材料复合,得到高性能纤 维增强复合材料是材料发展的一个重要方向。国内 关于金属纤维在吸声和导电材料领域的应用报道还 很少,但有关材料工作者正在进行深入的研究,金 属纤维在吸声和导电材料领域的应用有望很快实现 突破。 参考文献 References [1]LiuHaiyang(刘海洋),LiuHuiying(刘慧英),WanWeixing (王伟霞),etal.金属纤维的发展现状及前景展望[J].Technical Textiles(产业用纺织品),2005(10):1～4 [2]HuaTao(华 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Keywords:metalfibre;physicalproperty;application Biography:XuPeimin,CandidateforMaster,PowderMetallurgyResearchCenter,NorthwestInstituteforNonferrousMetalResearch, Xi’an710016,P.R.China,Tel:0086-29-86231095,E-mail:xpm1983@126.com 综 合 评 述 料[J].FibreInspectionofChinese(中国纤检),2007(3):55 [22]DuanYafeng(段亚峰).金属纤维特种花式线及其电磁波 屏蔽织物开发.In:SuzhouScience&TechnologyInformation Centre(苏州科技信息中心)ed.ProceedingofConference for13thWholeNationalPatternSpinningandFabricTech- nologicalDevelopment(第13届全国花式纺线及其织物 技术进步研讨会文集)[C].Suzhou:SuzhouScienceand TechnolagyPress,2005:93~15 [23]LiuZhongxiao(柳中笑),LiBo(李 波).利用不锈钢金 属纤维开发毛精纺抗静电面料[J].WoolTextileJournal (毛纺科技),2006(8):45 [24]ZhangZhiguang(张志光),HuDecai(胡德才),WangLei (王 磊),etal.金属纤维抗菌作用的初步研究[J].Journal ofNaturalScienceofHunanNormalUniversity(湖南师范大 学自然科学学报),1995,18(4):62～64 [25]XiZhengping(奚正平),ZhangJian(张 健),WuLujian (毋录建),etal.MH-Ni电池用新型镍纤维阳极材料的 制备及性能[J].RareMetalMaterialsandEngineering(稀 有金属材料与工程),1999,28(6):371~373 [26]XiZhengping(奚正平),ZhangJian(张 健),WuLujian (毋录建),etal.高容量 MH-Ni电池用镍纤维毡阳极材 料研究[J].ChineseJournalofPowerSousces(电源技术), 2000,24(5):274~276 [27]YuanCaixia(原鲜霞).纤维镍电极与泡沫镍电极的比较 [J].Battery(电池),2000,30(4):166～168 [28]GeJiansheng(葛建生),LuLixing(陆力行),WandYa- zhen(王亚珍),etal.超细镍纤维及其电极基板[J].Battery (电池),1996,26(5):216～217 [29]LiangAnghu(梁昂珠).金属纤维基自润滑复合材料试验 研究[J].MiningandMetallurgicalEngineering(矿冶工 程),2000,20(1):62~63 [30]LiuYinghua(刘英华).金属纤维增强作用对固体润滑材料 性能的影响[J].PowderMetallurgyTechnology(粉末冶金技 术),1989,7(4):203 [31]YangShengrong(杨生荣).金属纤维增强 PTFE基复合材 料的摩擦学性能[J].Tribology(摩擦学学报),1998,18(1): 66～68 [32]LiZhigang(李智刚),ZhuFakun(朱发坤),YangYuxiang (杨玉祥),etal.金属纤维增强树脂基托材料的研制[J]. 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