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金属纤维材料的性能与应用 1 金属纤维的应用 金属纤维的生产始于美国，最初通过收集和拉伸法进行生产。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。纤维化过程使其内部结构、磁性、电阻率及表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。 2 应用 2.1 金属纤维毡材料 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,然后采用同重量和标准直径的成束纤维,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。 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。如果选Fe Cr Al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。 2.2 多孔材料的吸收剂 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0.05 mm的1Cr18Ni9不锈钢纤维材料为例,当频率在500 Hz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500~4 000 Hz噪声的吸声材料,西北有色金属研究院对Fe Cr Al纤维多孔材料的声学性质进行了研究。结果表明,在600℃下,1 500~6 400 Hz范围内,2~3层Fe Cr Al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100~4 000 Hz。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400 kg/m3时,总降噪量比原始消声器多2.0 d B。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