حالة التطوير وأصناف جديدة من ألياف السيراميك وتطبيقاتها

تناقش هذه المقالة حالة التطوير وتطبيق مجالات الألياف السيرامية محليًا ودوليًا ، وكذلك البحث وتطوير أصناف جديدة. الألياف الخزفية ، كمواد عازلة خفيفة الوزن وفعالة ، لها العديد من المزايا التي لا تضاهى على مواد العزل التقليدية. مع التركيز العالمي على الحفاظ على الطاقة ، من المتوقع أن تكتسب ألياف السيراميك تطبيقات أوسع وتطوير سريع. بالإضافة إلى ذلك ، فإن إمكانات الألياف السيراميكية لاستبدال مواد العزل الأخرى كبيرة ، مما يجعلها تستحق الترويج في صناعة السيراميك.

1. مقدمة

ألياف السيراميك الحرارية هي مادة عزل حرارية خفيفة الوزن وفعالة للغاية. بالمقارنة مع مواد العزل التقليدية ، فإن لديها مزايا الأداء التالية:

1. منخفضة الكثافة بالجملة مثل بطانة الفرن:بطانات الألياف الخزفية تزيد عن 75 ٪ من الطوب الخفيف العازلة و 90-95 ٪ أخف وزنا من العوامل الخفيفة الوزن. استخدام بطانات الألياف يقلل بشكل كبير من حمولة بنية الصلب من الأفران ويمتد عمر خدمتها.
2. السعة الحرارية المنخفضة:تبلغ السعة الحرارية للألياف الخزفية حوالي 1/10 من الخطوط الحرارية الخفيفة والخفيفة. هذه السعة المنخفضة الحرارة تعني أن الأفران تمتص حرارة أقل أثناء التشغيل ، مما يتيح تسخينًا أسرع وتقليل استهلاك الطاقة بشكل كبير أثناء بدء تشغيل الفرن وإغلاقه.
3. مزايا أخرى:مع تحسن تقنيات التطبيق ، تتوسع ألياف السيراميك باستمرار إلى حقول جديدة. بسبب ارتفاع أسعار الطاقة العالمية ، أصبح الحفاظ على الطاقة أولوية. بالمقارنة مع المواد الحرارية التقليدية مثل الطوب العازلة والمواصفات ، يمكن أن توفر ألياف السيراميك 10 ٪ إلى 30 ٪ من الطاقة ، واكتساب تطبيقات أوسع وآفاق واعدة في الصين.

2. التنمية الدولية وتطبيقاتالألياف الخزفية

2.1 تطوير ألياف السيراميك في الخارج

ظهرت ألياف السيراميك لأول مرة في عام 1941 عندما استخدمت شركة Babcock & Wilcox التي تتخذ من الولايات المتحدة مقراً لها كاولين الطبيعي لإنتاج الألياف عبر ذوبان فرن القوس والهب. في أواخر الأربعينيات من القرن الماضي ، بدأت الشركات الأمريكية في إنتاج ألياف الألومنيوسيليكات لصناعة الطيران. بحلول الستينيات من القرن الماضي ، طورت الولايات المتحدة العديد من منتجات الألياف الخزفية لبطانات الأفران الصناعية.

الولايات المتحدة وكندا منتجين رئيسيين ، حيث تمثل حوالي ثلث إنتاج الألياف الحرارية العالمية ، مع إنتاج سنوي يبلغ حوالي 100000 طن. تحتل أوروبا المرتبة الثالثة ، وتنتج حوالي 60،000 طن سنويا. من بين 300000 طن من الألياف السيراميكية التي يتم إنتاجها على مستوى العالم كل عام ، يكون توزيع المنتج كما يلي:

• البطانيات ووحدات الألياف: 45 ٪
• الألواح التي تشكلها الفراغ ، الحصير ، والأشكال الخاصة: 25 ٪
• الألياف السائبة: 15 ٪
• حبال الألياف والمنسوجات: 6 ٪
• مواد الألياف غير المكونة: 6 ٪
• ورقة الألياف: 3 ٪

2.2 حقول التطبيقسUtside من الصين

أصبحت منتجات الألياف الحرارية متنوعة وعملية مع التطورات التكنولوجية. يمكن أن تلبي هذه المنتجات متطلبات درجات الحرارة تتراوح من 600 درجة مئوية إلى 1600 درجة مئوية وتتوفر بأشكال مختلفة ، بما في ذلك القطن التقليدي والبطانيات والحصير ، وكذلك وحدات الألياف والألواح والأشكال المتخصصة والورق والمنسوجات.

في بعض التطبيقات المتقدمة ، يتم تطوير منتجات مثل ألياف الزركونيا متعددة الكريستالات وألياف نيتريد السيليكون وألياف كربيد السيليكون. على سبيل المثال ، تنتج DuPont في الولايات المتحدة ألياف ألومينا متعددة الكريستالات الطويلة التي تحتوي على 99.9 ٪ α-Al2O3 للتطبيقات الفضائية ذات درجة الحرارة العالية.

3. تنمية وتطبيقات الألياف السيرامية في الصين

بدأ إنتاج الصين للألياف السيراميكية في وقت متأخر نسبيًا ، حيث بدأ فقط في أوائل السبعينيات من القرن الماضي مع التنمية الناجحة والإنتاج الضخم للألياف السيراميكية في مصنع المواد الحرارية في بكين ومصنع مواد شنغهاي. لأكثر من عقد من الزمان ، اعتمدت عملية الإنتاج على أساليب قديمة مثل "ذوبان فرن القوس ، وتهب الهواء أحادي الخطوة من أجل الإلحاق ، وإنتاج اليدوي الرطب" ، مما يؤدي إلى تقنية محدودة ومجموعة ضيقة من المنتجات.

في عام 1984 ، قام مصنع المواد الحرارية لشركة Shougang Corporation باستيراد خط إنتاج بطانية محصور بالإبرة باستخدام طريقة غزل المقاومة من شركة CE ومقرها الولايات المتحدة. بحلول عام 1987 ، تم تقديم خطوط إنتاج إضافية وتكنولوجيا تشكيل الفراغ من الشركات الأمريكية BW و Ferro إلى مؤسسات مثل مصنع Henan Shanxian الكهربائي ، ومصنع الألياف الألياف القوانغدونغ ، ومصنع مواد غويانغ للمواد. حولت هذه التطورات عمليات الإنتاج التي عفا عليها الزمن والمعدات وتنوع المنتجات في صناعة الألياف الخزفية في الصين.

ابتداءً من عام 1986 ، هضم الصين وتمتص المعدات والتكنولوجيا المستوردة مع تكييفها مع الظروف المحلية. أدى هذا الجهد إلى تصميم وبناء 82 خطوط إنتاج بطانية جافة من الإبرة باستخدام أساليب غزل المقاومة (أو تهب الهواء) ، والتي تم تثبيتها في 45 مؤسسة. وقد تجاوز الناتج السنوي منذ ذلك الحين 100000 طن ، مما يجعل الصين أكبر منتج في العالم للألياف السيراميكية. إلى جانب تنويع المنتجات ، تنتج الصين الآن العديد من البطانيات التي تُحمل إبرة الألياف الخزفية ، بما في ذلك أنواع درجات الحرارة المنخفضة ، والمعيارية ، وعالية النقاء ، وعالية الأليوم ، بالإضافة إلى شعر راتنجات جاف (لوحات). بالإضافة إلى ذلك ، يتم أيضًا تصنيع بطانيات الألياف المحتوية على الزركونيوم مع محتوى ZRO2 بنسبة 14 ٪ -17 ٪ ودرجات حرارة التشغيل التي تتجاوز 1300 درجة مئوية.

في أواخر الثمانينيات من القرن الماضي ، استثمرت الشركات اليابانية مثل Naoi Machinery و Cariot و Intrex في بكين لإنشاء مؤسسات إنتاج النسيج الألياف السيراميك المتخصصة. بدأت هذه الشركات الإنتاج الضخم للأقمشة الألياف الخزفية والأشرطة والحبال والأكمام والحشيات. تم ترجمة القطن والمعدات الألياف السائبة المطلوبة لإنتاج النسيج بالكامل. في أوائل التسعينيات ، قدمت بكين وشنغهاي وأنشان في ليونينج وشاندونغ وسانمنشيا في هنان تقنية ورش الألياف السيراميك من الولايات المتحدة وفرنسا واليابان. تم تطبيق رش الألياف الخزفية على بطانات الفرن الصناعية في صناعات المعادن والبتروكيماويات ، وتحقيق وفورات كبيرة في الطاقة والفوائد الاقتصادية. منذ ذلك الحين تم تعزيز هذه التكنولوجيا على نطاق واسع وتطبيقها بنجاح في أجهزة التدفئة عبر مختلف الصناعات.

في الوقت الحاضر ، فإن صناعة الألياف السيرامية في الصين في مرحلة من التعديل والتطوير المستمر. وصلت تكنولوجيا الإنتاج والمعدات ، وخاصة بالنسبة للبطانيات الجافة التي تم تصويرها بالإبرة ، إلى مستويات متقدمة عالميًا. تم تطوير منتجات جديدة مثل ألواح الألياف المصنوعة من الكروم المحتوية على الكروم وألياف الألومنيوم ، وألياف موليت الكريستالات ، ومنتجات الألياف المخلوطة بنجاح وتشكيل مجموعة شاملة من المواد الخفيفة الخفيفة.

تتطور مرشحات الألياف الخزفية ، على الرغم من أنها منخفضة بشكل عام في القوة ، نحو تطوير مرشحات الألياف السيراميك ذات التكلفة المنخفضة ذات القوة العالية ذات القوة العالية. من المتوقع أن تلعب هذه المرشحات ، بسبب خصائصها الممتازة ، دورًا متزايدًا الأهمية في ترشيح غاز المداخن العالي درجات الحرارة ، بما في ذلك إزالة الكبريت ، وإخلاص ، وتحويل الحفاز. لم يبدأ ترشيح الألياف السيراميك لتنقية غاز المداخن عالية الحرارة في الصين ، لكن التطبيقات الأخيرة تشير إلى وجود اتجاه نمو مرتفع في الطلب العالمي على مرشحات السيراميك. من المتوقع أن يصبح الترويج وتطبيق تقنية ترشيح السيراميك المرتفعة في درجات الحرارة العالية في الصين حقيقة واقعة ، مما يساهم في الحفاظ على أهداف الحد من الطاقة والحد من الانبعاثات.

تشمل ألياف السيراميك الجديدة ، التي تم تطويرها في السنوات الأخيرة كمواد وظيفية عالية التقنية ، الألياف المقاومة للأشعة فوق البنفسجية ، والألياف المحاكمة للحرارة والعزل ، والألياف المضادة للبكتيريا والمقاومة للرائحة ، والألياف المقاومة للنيوترون ، والألياف الموصلة ، والألياف المغناطيسية. يتوسع تطبيق الأزهار الصغيرة السيراميك في الألياف بشكل كبير.

4. أصناف جديدة وتطبيقات ألياف السيراميك

4.1 مركبات الألياف الخزفية الجديدة

وفقا للتقارير ، في السنوات الأخيرة ، طورت اليابان وأنتجت مركبات الألياف السيراميك الجديدة للمحركات العسكرية. على سبيل المثال ، قامت شركة Mitsubishi Corporation بتصميم مركبات الألياف السيرامية لاستخدامها في محركات المقاتلة النفاثة والمحركات الصاروخية. يتم تصنيع هذه المركبات من خلال نسج 10 ميكرون من الألياف السيرامية في بنية ثلاثية الأبعاد وطلاءها بمواد زجاجية. في حين أن ألياف السيراميك مقاومة للحرارة ولكنها هشة ، فإن تحويلها إلى مركبات يعزز بشكل كبير قوتها.

تُستخدم مركبات ألياف الكربون بشكل شائع في الأجسام الطائرات والصاروخ ولكن نادراً ما يتم تطبيقها على المحركات بسبب قيودها في درجة الحرارة ، حيث لا يمكنها سوى تحمل بيئات تصل إلى حوالي 300 درجة مئوية. وبالتالي ، يتم استخدام السبائك القائمة على النيكل بشكل عام. ومع ذلك ، فإن مركبات الألياف السيراميك الجديدة توفر مقاومة عالية في درجة الحرارة عالية مقارنة بمركبات ألياف الكربون وهي أخف بنسبة 50 ٪ من السبائك القائمة على النيكل. خضعت هذه المواد لتجارب ميدانية على فوهات المحرك النفاثة المقاتلة لوزارة الدفاع اليابانية وقد تم استخدامها بنجاح لتصنيع مكونات النموذج الأولي للمحركات الصاروخية. بحلول عام 2005 ، تم تطبيقها في الهندسة لمحركات الصواريخ.

4.2 وحدات الألياف السيرامية

تعد وحدات الألياف السيرامية نوعًا جديدًا من منتج بطانة الفرن الحراري المصمم لتبسيط بناء الفرن وإسراعه مع تعزيز السلامة الكلية للبطانة. تتميز هذه الوحدات بألوانها البيضاء والأبعاد الموحدة ، مما يسمح لها بتثبيتها مباشرة لترسيخ دبابيس على ألواح الصلب من قذائف الفرن الصناعي. أنها توفر خصائص حرارية وعزل ممتازة ، مما يحسن الأداء العازلة الشاملة للفرن وتطور تقنية البناء الفرن.

يتم ضغط وحدات الألياف الخزفية مسبقًا ، وبعد اكتمال البطانة ، يضمن توسعها بنية سلسة ، وتعويضًا عن انكماش الألياف. هذا يعزز أداء العزل ، والاستقرار الحراري ، ومقاومة الصدمة الحرارية للبطانة. الوحدات النمطية سريعة التثبيت ، وتقع المراسي على الجانب البارد من البطانة ، مما يقلل من متطلبات المواد الخاصة بالمراسي.

مع تقدم مبادرات الحفاظ على الطاقة وخفض الانبعاثات الوطنية ، أصبح تجديد أفران نفق الطوب عاجلاً. تم استقبال وحدات الألياف الخزفية بشكل جيد من أجل أدائها العزل الاستثنائي ، وخاصة في أسقف أفران نفق الطوب. تأتي الوحدات في أشكال مختلفة ، بما في ذلك الكتل المطوية ، والكتل المقطوعة ، وكتل البيرو ، وكتل بتكوين الفراغ.

نظرًا للاختلافات في طرق التصنيع والهياكل البلورية لألياف موليت الكريستالات ، فإن أليافها أقصر وأقل مرونة ، مما يجعل من الصعب إنتاج وحدات كبيرة. وبالتالي ، يتم استخدام الألياف المتعددة الكريستالات بشكل أساسي في شكل البلاط المطبقة على الأسطح الداخلية لجدران وأسقف من الطوب الحراري. تقلل هذه البلاط بشكل فعال من درجة حرارة الجدار الخارجي للأفران مع تقليل فقدان تخزين الحرارة في جدران الفرن.

حاليا ، معظم الشركات المصنعة للوحدات الألياف السيراميك في الصين تنتج كتل مطوية. يتم تصنيع هذه الكتل عن طريق طي البطانيات التي تم تصنيفها على الإبرة وضغطها مسبقًا بالمعدات الميكانيكية أثناء التشكيل. ومع ذلك ، يمكن أن يؤثر السطح غير المتكافئ للكتل المطوية على تطبيق الطلاء المقاوم للتآكل. تعالج الكتل المقطوعة هذه المشكلة عن طريق قطع الحواف المطوية للبطانيات بعد تشكيلها ، مما يؤدي إلى سطح أملس لتحسين أداء.

4.3 أغشية الألياف الخزفية المجوفة

في السنوات الأخيرة ، استحوذت أغشية الألياف السيراميكية المجوفة الجديدة على اهتمام كبير. لا تحتفظ هذه الأغشية فقط بمزايا الأغشية الخزفية التقليدية ولكنها توفر أيضًا فوائد إضافية ، بما في ذلك:

• كثافة التعبئة عالية
• مساحة فصل فعالة كبيرة لكل وحدة حجم
• جدران الغشاء الرقيقة
• تدفق التخلل العالي
• مدخرات المواد
• تسهيل تصغير معدات الفصل

من المتوقع أن يعزز تطبيق هذه الأغشية السيرامية الألياف المجوفة الجديدة بشكل كبير أداء الفصل بين الأغشية السيرامية. نظرًا لخصائصها الفريدة وخصائصها الهيكلية ، يتم استخدام أغشية الألياف الخزفية المجوفة بشكل متزايد في مختلف المجالات ، مثل:

• أغشية فصل غير عضوية لمياه الصرف الصحي ومعالجة الغاز
• خلايا وقود الغشاء السيراميك أكسيد الصلبة
• مفاعلات microchannel
• يدعم المحفز

4.4 التطبيقات الحالية لأصناف الألياف الجديدة

إن تطوير وإنتاج وتطبيق أنواع جديدة من ألياف السيراميك لها تقنيات تطبيقات الألياف السيراميك وأساليب البناء بشكل كبير.

على سبيل المثال ، تعد الألياف المحتوية على الزركونيوم ، التي يتم إنتاجها باستخدام طريقة التدوير الذوبان ، نوعًا فعالًا من حيث التكلفة من ألياف الألومنيوسيليكات مع تطبيقات واسعة. يتم استخدامها على نطاق واسع كبطانات كاملة الألياف للأسطح الساخنة لمختلف الأفران الصناعية. ومع ذلك ، فإن المنتجات المحلية في هذا المجال لا تزال متخلفة في تطوير الجودة وتطوير التطبيقات مقارنة بالمعايير الدولية.

في الخارج ، ظهرت الألياف المحتوية على الكروم كمجموعة جديدة مع نطاق درجة حرارة التشغيل أعلى من الألياف المحتوية على الزركونيوم. حاليًا ، لا توجد تقارير عن إنتاج أو تطبيق الألياف المحتوية على الكروم في الصين.

5. الخلاصة

ألياف السيراميك هي مواد عازلة عالية الأداء وخفيفة الوزن وفعالة تستخدم على نطاق واسع في القطاعات الصناعية والمدنية والدفاعية. مع زيادة التركيز العالمي على الحفاظ على الطاقة ، فإن ألياف السيراميك لديها إمكانات هائلة للتطوير والتطبيق. يتجاوز معدل النمو السنوي المركب المتوقع لإنتاج ألياف السيراميك في الصين 30 ٪ ، مدفوعًا بالبحث المستمر في مواد وظيفية متقدمة.