الیاف سرامیکی یکی از انواع الیاف مصنوعی است که برای ساخت عایق‌های حرارتی به کار می‌روند. مهمترین کاربرد محصولات الیاف سرامیک فایبر حفظ حرارت و عایق حرارتی در محیط های با دمای بالا می باشد. این الیاف‌ها شبیه به الیاف شیشه‌ای، کربنی و فلزی هستند و با روش‌های مختلف به اشکال مختلف در می‌آیند. این محصولات در دسته بندی‌های متنوع شامل پتوی نسوز، نمد، تخته (برد)، کاغذ، پارچه، تسمه، طناب، مدول، قطعات با اشکال خاص (فرول‌های سرامیک فایبر) و … می باشند.
لازم به ذکر است که محدوده کاربرد انواع الیاف سرامیک فایبر در صنایع متالورژی، ماشین‌آلات، الکترونیک، سرامیک، شیشه، مواد شیمیایی، خودرو، مصالح ساختمانی، صنایع سبک، صنایع نظامی، کشتی‌سازی، هوافضا و سایر زمینه‌ها است. در ادامه به توضیح این الیاف و بررسی مزایا و کاربردهای آن می‌پردازیم.
الیاف سرامیکی چیست؟
الیاف سرامیکی یا همان پشم سرامیکی (پشم نسوز)، متشکل از رشته‌هایی با طول کم و زیاد و سطوح مقطع بسیار کوچک هستند که می‌توانند به شکل‌های مختلفی تولید شوند. این الیاف ممکن است به صورت فله‌ای یا به شکل‌های هندسی خاص در بازار یافت شوند؛ اما جالب است بدانید که الیاف سرامیکی با فرم‌های مختلف، خواص متفاوتی خواهند داشت.
این الیاف بسیار مستحکم بوده و در برابر حرارت و مواد شیمیایی مقاومت بسیاری دارند. کاربردهای آنها شامل پارچه‌های الیافی و رشته‌های کوتاه و بلند است. مقاومت در برابر دمای بالا، یکی از ویژگی‌های مهم این نوع عایق پشم معدنی است که باعث شده کاربردهای صنعتی گسترده‌ای داشته باشد.
برای سهولت در حمل و نقل و بهتر شدن کیفیت پشم سرامیک، رشته‌های مختلف پشم سرامیک را در کنار یکدیگر در ردیف‌هایی انعطاف‌پذیر قرار می‌دهند. این ردیف‌ها از انعطاف بالایی برخوردار بوده و این امکان را فراهم می‌کنند که اشکال مختلف فیبری تولید شوند.
الیاف سرامیکی چیست؟
ویژگی های عایق الیاف سرامیکی
الیاف سرامیکی از طریق فرایندهای با درجه حرارت بالا به وجود آمده‌اند و برای کاربردهای متنوع در صنایع مواد و متالورژی طراحی شده‌اند. این الیاف ویژگی‌های منحصر به فردی دارند که شامل موارد زیر می‌شود:
- ثبات در درجه حرارت بالا
- هدایت حرارتی کم
- ذخیره‌سازی کم حرارت
- مقاومت در برابر شوک حرارتی عالی
- وزن سبک
- غیر قابل انعطاف
- انعطاف پذیری خوب
- مقاومت به مواد شیمیایی
- ظرفیت حرارتی کم
- بافت آنها نرم و برش آنها آسان است.
- جاذب صدا و امواج
- پایداری شیمیایی خوبی دارد و به سختی توسط مواد شیمیایی خورده می شود به جز محیط‌های قلیایی و اسیدی قوی، فلوئور و فسفات
با توجه به این ویژگی‌های بی‌نظیر الیاف سرامیکی به عنوان یکی از ابزارهای مهم و نوآورانه در صنایع فناوری شناخته می‌شوند و در بسیاری از برنامه‌های کاربردی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
کاربردهای الیاف سرامیکی
الیاف سرامیکی نسوز به دلیل خصوصیات منحصر به فردشان، در موارد زیر به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند:
- کوره‌های صنعتی و حرارتی: برای عایق سازی مفاصل گسترش کوره، درب،کف و سقف کوره.
- عایق‌کاری لوله با دمای بالا: برای پوشش لوله‌های بخاری، خشک‌کن‌ها، و پوشش‌های تجاری.
- عایق‌کاری پاتیل ذوب: برای عایق‌سازی دیگ‌ها پاتیل‌های حرارتی
- عایق‌کاری توربین‌ها
- صرفه جویی در انرژی و افزایش بهره‌وری: الیاف سرامیکی نسوز منجر به صرفه‌جویی حدود ۱۵٪ انرژی در کوره‌های گرمای مداوم و 30% در کوره‌های حرارت متناوب صنعتی می‌شود.
با توجه به ویژگی‌های فوق، الیاف سرامیکی نسوز به عنوان یک جایگزین کارآمد و پرکاربرد در صنایع مختلف شناخته می‌شوند و در بهبود عملکرد، صرفه‌جویی در انرژی و افزایش بهره‌وری تأثیرگذار هستند.
انواع اشکال الیاف سرامیکی
انواع الیاف سرامیکی
در یک تقسیم‌بندی کلی الیاف سرامیکی را می‌توان به دو گروه اصلی تقسیم کرد:
- الیاف سرامیکی اکسیدی
- الیاف سرامیکی غیر اکسیدی
هر یک از این دسته‌ها شامل زیرمجموعه‌هایی است که در زمینه‌های مختلف کاربردی مورد استفاده قرار می‌گیرند و نقش مهمی را ایفا می‌کنند.
الیاف سرامیکی اکسیدی
الیاف سرامیکی اکسیدی به‌صورت رشته‌های کوتاه و بلند تولید می‌شوند. در فرایند ساخت این الیاف، اصولاً از موادی مانند اکسیدهای آلومینا و آلومینا سیلیکات استفاده می‌شود به دلیل مقاومت فوق‌العاده آنها در برابر دماهای بسیار بالا، این نوع الیاف سرامیکی به عنوان عایق و همچنین به عنوان ماده تقویت‌کننده عایق‌های مختلف استفاده می‌شوند. در زیرمجموعه الیاف اکسید سرامیکی، موادی مانند سیلیس، مولایت، آلومینا و زیرکونیا قرار می‌گیرند. هریک از این مواد دارای خواص ویژه‌ای هستند که در تولید انواع الیاف سرامیکی به کار می‌روند.
اشکال مختلف الیاف سرامیکی اکسیدی
در ادامه به معرفی اشکال مختلف این نوع از الیاف نسوز پرداخته ایم:
- بالک (پنبه) سرامیک فایبر:
بالک الیاف نسوز از ذوب مواد خام در دمای بالا از طریق کوره مقاومتی ساخته می شود و با دمیدن یا ریسندگی تولید می شود. قطر به طور کلی 2 تا 5 میکرومتر و طول آن بیشتر 30 تا 250 میلی متر است. بالک فیبر سرامیکی یک ماده خنثی و کمی اسیدی است. دارای انعطاف پذیری و خاصیت ارتجاعی عالی است. الیاف سرامیکی دارای چگالی و رسانایی حرارتی کم است. این پنبه نسوز مصرف انرژی را تا حد زیادی کاهش می دهد و اثرات قابل توجهی در صرفه جویی در انرژی و ذخیره گرما دارد.
بالک فیبر سرامیکی ماده اولیه اصلی سایر محصولات الیاف سرامیکی است و همچنین می تواند به طور مستقیم به عنوان پرکننده درزهای انبساط کوره های صنعتی، عایق حرارتی دیواره کوره و مواد آب بندی با توجه به درجه حرارت طبقه بندی استفاده شود.
- پتوی سرامیک فایبر:
روش ساخت پتوی نسوز به این صورت است که به طور طبیعی بالک سرامیک فایبر را روی تسمه ای مشبک قرار می دهند تا یک لایه خالی یکنواخت ایجاد شود و سپس از طریق فرآیند سوراخ کردن سوزن، یک پتوی مستحکم و بدون چسب به دست می آید. این پتو نرم و الاستیک است، استحکام کششی بالایی دارد و خواص پردازش و ساخت عالی دارد. یکی از پرمصرف ترین محصولات الیاف سرامیکی است. با توجه به فرآیندهای مختلف، پتوهای الیاف سرامیکی را می توان به دو دسته تقسیم کرد:
- Spinning blankets
- Blowing blankets
خواص دو نوع پتو الیاف سرامیکی در جدول 1 نشان داده شده است. هدایت حرارتی پتوهای الیاف سرامیکی در دماهای مختلف در جدول 2 نشان داده شده است.
جدول 1- مقایسه پتوهای سرامیک فایبر با دو روش متفاوت تولید (spinning & blowing)
جدول 2- مقایسه هدایت حرارتی پتوهای سرامیک فایبر با دانسیته 128 کیلوگرم بر مترمکعب
پتو سرامیک فایبر برای عایق درب، حفاظت حرارتی دهانه کوره و عایق سقف انواع کوره ها، اتصالات، تجهیزات پتروشیمی، خطوط لوله، برخی لباس محافظ، دستکش، کلاه، کلاه ایمنی، چکمه و غیره مناسب است. در محیط های با دمای بالا؛ حفاظت حرارتی موتور خودرو، لوله اگزوز، لنت های ماشین‌های مسابقه ای، قطعات با حرارت بالا نیروگاه‌های هسته‌ای، عایق حرارتی توربین بخار، عایق عملیات حرارتی برای قطعات گرمایشی؛ آب بندی فیلرها و واشرهای پمپ ها، کمپرسورها و شیرهایی که سیال با دمای بالا را منتقل می کنند.
عایق الکتریکی در دمای بالا؛ اتصالات ضد حریق مانند درب های ضد حریق، پرده های آتش نشانی، پتوهای آتش نشانی، پوشش های عایق؛ مواد عایق حرارتی، لنت های اصطکاک ترمز برای صنعت حمل و نقل هوایی؛ عایق حرارتی و بسته بندی تجهیزات برودتی، ظروف، خطوط لوله؛ عایق حرارتی و حفاظت در برابر آتش در مکان‌های مهم مانند بایگانی‌ها و محفظه‌های گاوصندوق .
- نمد سرامیک فایبر:
نمد الیاف سرامیکی به دو دسته نمد خشک الیاف سرامیکی و نمد مرطوب الیاف سرامیکی (نمد با خلاء) تقسیم می شود. ضریب حرارت دو نوع نمد الیاف سرامیکی در جدول 3 نشان داده شده است.
جدول 3- ضریب هدایت حرارتی ceramic fiber dry felt (چگالی 80 کیلوگرم بر مترمکعب)
جدول 4- ضریب هدایت حرارتی ceramic fiber wet felt (چگالی 220 کیلوگرم بر مترمکعب)
نمد الیاف سرامیکی برای پوشش دیوار و پشتی کوره های صنعتی و دستگاه های گرمایش استفاده می شود. عایق حرارتی تجهیزات با دمای بالا؛ واشرهای با دمای بالا؛ عایق فلز مذاب؛ اتصالات انبساط با دمای بالا و غیره.
- تخته سرامیک فایبر:
برد سرامیکی نسوز یک محصول الیاف سرامیکی سفت و سخت است که از الیاف سرامیکی فله و چسب غیر ارگانیک به روش شکل دهی خلاء مرطوب ساخته شده است. دارای خواص مکانیکی عالی است.
جدول 5- ضریب هدایت حرارتی برد سرامیک فایبر (280 کیلوگرم بر مترمکعب)
تخته فیبر سرامیکی عملکرد عالی و طیف وسیعی از کاربردها دارد. برای کاربردهای خاص به جدول 6 مراجعه کنید.
جدول 6- کاربردهای خاص تخته های سرامیک فایبر
- کاغذ سرامیک فایبر:
کاغذ سرامیکی از کوبیدن، نازک کردن و اندازه زدن و خشک کردن بالک سرامیک فایبر که شبیه به فرآیند سنتی کاغذسازی مرطوب است، ساخته می‌شود. کاغذ الیاف سرامیکی دارای مقاومت عالی در برابر دمای بالا و عملکرد حرارتی، عملکرد ساخت و ساز، مقاومت در برابر ذوب و نفوذ حرارتی و غیره است.
جدول 7- ضریب هدایت حرارتی کاغذ سرامیک فایبر (200 کیلوگرم بر مترمکعب)
الیاف سرامیکی غیر اکسیدی
الیاف سرامیکی غیر اکسیدی به نقطه ذوب بالا و مقاومت بسیار بالایی در برابر چگالش شهرت دارند که سبب می‌شود تولید این نوع الیاف چالش‌برانگیز باشد. از طرفی اصلی‌ترین نقطه ضعف در تولید این الیاف، مقاومت نسبی آنها در برابر اکسیداسیون است. الیاف سرامیکی غیر اکسیدی با سطح مقطع‌های مختلف، بزرگ یا کوچک، ساخته می‌شوند. تاکنون تحقیقات زیادی در زمینه پایداری مکانیکی، ریزساختار و فرایندهای تولید الیاف نسوز غیر اکسیدی انجام شده است. در ادامه به چند نمونه از این انواع الیاف سرامیکی اشاره خواهیم کرد.
- الیاف سرامیکی غیر اکسیدی بر پایه کاربید سیلیکون
از ویژگی‌های برجسته پشم سرامیکی مبتنی بر کاربید سیلیکون، خواص مکانیکی فشاری و کششی فوق‌العاده آن است. به همین دلیل این الیاف برای استفاده در قسمت‌های داغ موتورهایی که برای تولید نیرو به کار می‌روند، بسیار مناسب هستند.
- الیاف سرامیکی غیر اکسیدی بر پایه بور
الیاف سرامیکی بر پایه بور بر روی یک بستر ریزتنگستن یا کربن پوشش داده می‌شوند. این نوع از پشم سرامیکی دارای قطری حدود ۱۰۰ میکرومتر و چگالی ۲.۶ گرم بر سانتی‌متر مکعب است. استحکام کششی الیاف سرامیکی ساخته شده از بور حدود ۳ تا ۴ گیگاپاسکال است و مدول یانگ آن به مقدار ۳۸۰ تا ۴۰۰ گیگاپاسکال است. این الیاف با نقطه جوش بالایی که دارند برای کاربردهای با دمای بالا بسیار مناسب هستند. برخی از کاربردهای مهم پشم نسوز غیر اکسیدی مبتنی بر بور عبارت‌اند از:
- صنایع هوایی نظامی
- ساخت شاتل‌های فضایی
- طراحی و ساخت تجهیزات ورزشی نظیر راکت تنیس، شفت، گلف و قاب دوچرخه
- الیاف سرامیکی غیر اکسیدی دیگر
در این گروه از الیاف نسوز غیر اکسیدی، الیاف سرامیکی مصنوعی سیلیکون اکسی‌نیترید و الیافی که بر پایه Si-Al-O-N هستند نیز قرار می‌گیرند.
مزایا و معایب الیاف سرامیکی
الیاف سرامیکی مزایا و معایب مختلفی دارند که به طور خلاصه می‌توان به آنها اشاره کرد:
مزایا:
- مقاومت حرارتی بالا
- مقاومت مکانیکی
- سبکی
- مقاومت شیمیایی نسبی
معایب:
- شکنندگی
- هزینه تولید بالا
با توجه به مزایا و معایب مطرح شده انتخاب و قیمت الیاف نسوز باید با در نظر گرفتن نیازها و شرایط خاص کاربرد موردنظر انجام شود.
پرکاربردترین عایق‌های الیاف سرامیکی
عایق‌هایی که از الیاف سرامیکی ساخته می‌شوند به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فردی مانند وزن سبک، مقاومت در برابر شوک‌های حرارتی و مقاومت کششی بالا، برای عایق‌سازی دیگ‌های حرارتی به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند. این نوع عایق علاوه بر استفاده در صنایع مختلف مانند صنایع متالوژی، برق، مکانیکی، و شیمیایی، برای مهروموم کردن در این صنایع نیز استفاده می‌شود. همچنین عایق الیاف سرامیکی می‌تواند بهبود دهنده‌ی بهره‌وری انرژی در صنایع باشد؛ زیرا قادر است تا حدود 15 درصد از انرژی تولیدی در کوره‌های گرمای مداوم و 30 درصد در کوره‌های حرارت متناوب صنعتی را کاهش دهد. پتو، برد، کاغذ و … از شمار این الیاف‌های سرامیکی پرکاربرد است.
پرکاربردترین عایق‌های الیاف سرامیکی
جمع بندی
در این مقاله الیاف سرامیکی به عنوان عایق‌های حرارتی با ویژگی‌های منحصربه‌فرد مورد بررسی قرار گرفت. این الیاف به دلیل ویژگی‌هایی همچون وزن سبک، مقاومت در برابر شوک‌های حرارتی، و مقاومت کششی بالا، به طور گسترده در صنایع مختلف شامل متالوژی، برق، مکانیکی، و شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرند. علاوه بر این، این الیاف می‌توانند بهبود دهنده‌ی بهره‌وری انرژی در صنایع باشند و با کاهش تلف انرژی در کوره‌های گرمای مداوم و حرارت متناوب صنعتی، به بهبود عملکرد و کاهش هزینه‌ها کمک کنند.
شرکت ساپرا ویسمن
