Mullitová vlákna
Mullitová vlákna jsou keramický textilní materiál ze směsi korundu a křemíku (hlinitokřemičitany).
Označení je odvozeno od (poměrně vzácného) minerálu mullitu (Al6Si2O13) nalezeného na skotském ostrově Mull a poprvé popsaného v roce 1924.[1]
Výroba mullitových vláken
[editovat | editovat zdroj]Mullitová vlákna jsou známá jen jako syntetické výrobky. Podle jedné ze zjednodušených definicí jsou syntetické mullity (Al4+2xSi2–2xO10-x) oxidové keramické materiály s krystalickou strukturou, která sestává z řetězců osmistěnů AlO6 vzájemně propojených čtyřstěnnými dvouřetězci TO4 (AlO4/SiO4).[2] [3]
Vlákna se začala vyrábět průmyslově v USA v 70. letech 20. století, od 90. let jako vysoce výkonná (např. s použitím při teplotách nad 1200°C).[4] V prvních 20 letech 21. století bylo ve světě registrováno 6300 patentů na výrobu syntetických mullitů.[5] V roce 2017 se odhadovala celosvětová hodnota výroby na 8,5 miliard USD. Mullitová vlákna se na ní podílejí menší (veřejně neznámou) částí.[6] Nejznámější z nich je několik variant značky Nextel (3M), dále k nim patří (japonský) Altex, FB (DuPont).[7]
Výrobní technologie
[editovat | editovat zdroj]Výroba vláken se provádí v několika variantách podle schématu:
Příprava prekurzoru – zvlákňování (výroba „zelených vláken“) - zahřívání (thermal treatment) zelených vláken – navíjení filamentu nebo sekání (chopping) na krátká vlákna[8] [7]
Prekurzory
[editovat | editovat zdroj]se připravují
a) přímo z amorfního stavu při teplotách pod 1000°C
b) z přechodného korundového typu alumina a silikátu křemíku při teplotách nad 1200 °C
Techniky:
Surovina:
Pro syntézu je možné použít: alumina, silikáty, z aluminosilikátů obzvlášť silimanity, kyanidy, andalusity, bauxit, laminované silikáty bohaté na korund a jíl.[5]
Zvlákňování
[editovat | editovat zdroj]Běžně se používá suché zvlákňování, např. s tryskami s max. 500. otvory, rychlost do 300 m/min,[10] pro některé varianty mullitových vláken se osvědčilo také mokré a gelové zvlákňování.[11]
Zahřívání
[editovat | editovat zdroj]Vypalováním (calcination) k odstraněné organických příměsí a spékáním (sintering) k přeměně přechodné fáze alumina a silikátu na mullit. Např. 3Al2O3.2SiO2: vypalování při 700–1100 °C, spékání 1 hod při 1100 až 1350°C. Zahřívací zařízení je zpravidla napojeno na zvlákňování.[12]
Průmyslová výroba vláken a textilií z mullitu
[editovat | editovat zdroj]Vlastnosti nejznámějších výrobků ve 3. dekádě 21. století:
| Nextel | 312 | 440 | 610 | 720 |
|---|---|---|---|---|
| Chemické složení (%): | ||||
| Al2O3 | 62,5 | 70 | >99 | 85 |
| SiO2 | 24,5 | 28 | - | 15 |
| B2O3 | 13 | 2 | - | - |
| Fyzikální vlastnosti: | ||||
| Bod tání (°C) | 1800 | 1800 | 2000 | 1800 |
| Max. teplota použití (°C) | 1200 | 1300 | 1000 | 1150 |
| Krystal. fáze | zdeform. mullit + amorfní |
γ Al2O3 + amorfní |
α Al2O3 | α Al2O3 + mullit |
| Spec. hmotnost (g/cm3) | 2,8 | 3,0 | 3,9 | 3,4 |
| Tažná pevnost (GPa) | 150 | 190 | 370 | 250 |
| Ø vlákna (µm) | 8-12 | 10-12 | 11-13 | 12-14 |
| Jemnost příze (tex) / počet filamentů | 67/400 až 400/1375 |
111/400 až 222/750 |
167/400 až 2222/5100 |
167/400 až 1111/2550 |
| Délka sekaných (chopped) vláken (mm) | 3,2-12,7 | 3,2-12,7 | 3,2-25,4 | 3,2-25,4 |
| Cena v €/kg (2008)[13] | 260 | 500 | 440-790 | 600-700 |
| Tkaniny | ||||
| Šířka (cm) | 97-160 | 91-160 | 91 | 64-91 |
| Hmotnost (g/m2) | 110-980 | 510-680 | 250-610 | 370-750 |
| Použití | ||||
| Vesmírné letectví | x | x | - | - |
| Strojírenství | x | x | - | - |
| Kompozity s keram. matricí | x | x | x | -x |
| Kompozity s kovovou matricí | - | - | x | x |
| Kompozity s polymerní matricí | x | x | x | x |
Další vývoj
[editovat | editovat zdroj]V říjnu 2022 zveřejnili čínští výzkumníci podrobnosti o svém vynálezu vlákna AMH. Vlákno je keramický výrobek, jeho název je zkratka ze spojení počátečních písmen komponent Aluminium oxide – Mullite - Hafnium oxide.
Laboratorně vyrobené vlákno AMH předčí některými vlastnostmi vlákna typu nextel, zejména jemností 8-9 µm, velikostí krystalů pod 50 nm a pevností nad 2 GPa. Laboratorně bylo vyrobeno několik set metrů multifilamentu (200 jednotlivých vláken), příze byla snadno zpracovatelná na tkaninu.[15]
Odkazy
[editovat | editovat zdroj]Související články
[editovat | editovat zdroj]Literatura
[editovat | editovat zdroj]- Krenkel: Keramische Verbundwerkstoffe, Wiley-VCH Verlag 2003, ISBN 3-527-30529-7
- Krenkel: Ceramic Matrix Composites, Wiley-VCH 2008, ISBN 978-3-527-31361-7
- Veit: Fibers, Springer Nature 2022, ISBN 978-3-031-15309-9, str. 928-929
Reference
[editovat | editovat zdroj]- ↑ Mullite [online]. Mineral Data Publishing, 2001 [cit. 2023-06-27]. Dostupné online. (anglicky)
- ↑ Mullite and mullite-type crystal structures [online]. Walter De Gruyter, 2013-06-11 [cit. 2023-06-29]. Dostupné online. (anglicky)
- ↑ The Influence of Boron [online]. Universität Bremen, 2013 [cit. 2023-06-29]. Dostupné online. (anglicky)
- ↑ OPTIMALIZACE ROZHRANÍ VLÁKNO MATRICE [online]. VUT Brno, 2011 [cit. 2023-07-03]. Dostupné online.
- ↑ a b Microstructural characteristics [online]. Associação Brasileira de Cerâmica, 2022 [cit. 2023-06-29]. Dostupné online. (anglicky)
- ↑ Global Fused Mullite Market [online]. Data Intelo, 2023 [cit. 2023-06-29]. Dostupné online. (anglicky)
- ↑ a b Continuous aluminum oxide-mullite-hafnium oxide composite ceramic fibers [online]. Science Direct, 2022-10-13 [cit. 2023-07-09]. Dostupné online. (anglicky)
- ↑ Fibers for Ceramic Matrix Composites [online]. Wiley Online Library, 2008-05-21 [cit. 2023-07-03]. Dostupné online. (anglicky)
- ↑ Schneider/Kamameni: Mullite, Willey-VCH Verlag 2005, ISBN 3-527-30974-8, str. 377-393 a 397-466
- ↑ Oxide ceramic fibers via dry spinning process [online]. Fraunhofer Instiute for Silicate Reseaarch, 2020-03-13 [cit. 2023-07-03]. Dostupné online. (anglicky)
- ↑ α-Alumina Fiber with Platelet Morphology [online]. Journal of the American Ceramic Society, 2011-12-23 [cit. 2023-07-03]. Dostupné v archivu pořízeném dne 2023-07-09. (anglicky)
- ↑ Oxide ceramic fibers via dry spinning process [online]. The Americal Ceramic Society, 2020-03-13 [cit. 2023-07-07]. Dostupné online. (anglicky)[nedostupný zdroj]
- ↑ Fibers for Ceramic Matrix Composites [online]. Research Gate, 2008 [cit. 2023-07-09]. Dostupné online. (anglicky)
- ↑ 3M™ Nextel™ Ceramic Fibers and Textiles [online]. 3M, 2021 [cit. 2023-06-27]. Dostupné online. (anglicky)
- ↑ Continuous aluminum oxide-mullite-hafnium oxide [online]. Chinese Academy of Science Beijing, 2022-10-31 [cit. 2023-09-07]. Dostupné online. (anglicky)