不锈钢纤维烧结毡表面缺陷分析

任海涛,高晓军,郭 亮,呼 伟,翟 俊

(西安菲尔特金属过滤材料股份有限公司,陕西 西安 710016)

不锈钢纤维烧结毡是近年来国内外广泛关注的一种新型多孔功能材料,其具有渗透性能好、强度高、耐腐蚀、耐高温、易加工、使用寿命长等特点，是适合于高温、高压及腐蚀环境中使用的新一代的高效金属过滤材料，广泛应用于高分子聚合物过滤、汽车尾气净化、微生物燃料电池、水过滤、高温烟气除尘等方面[1-4]。

不锈钢纤维烧结毡是由微米级的不锈钢纤维经无纺铺制、多层叠配及高温烧结而成。 在不锈钢纤维烧结毡的生产过程中，往往存在成品率较低这样的一个技术难题，而纤维毡的表面缺陷是影响成品率的最主要因素。纤维毡的表面缺陷通常包括黑点、锈点、局部不均匀、金属夹杂、非金属夹杂、溶洞、粘连外来纤维、表面发黄金属光泽度低等。本研究采用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)对不锈钢纤维烧结毡在制备过程中通常产生的表面缺陷进行了系统分析。根据不锈钢纤维烧结毡表面缺陷产生的原因，针对性地提出了改善不锈钢纤维毡表面缺陷的策略。本文对制备高质量的不锈钢纤维烧结毡具有重要的指导意义。

1 实验部分

1.1 实验材料与方法

以集束拉拔法制备的不锈钢纤维为原材料,其化学成分和微观形貌分别如表1和图1所示,可以看出纤维呈均匀的长条圆棒状,表面有条纹沟痕和析出物小颗粒。 将微米级的不锈钢纤维经气流无纺铺制、多层叠配后高温真空烧结成具有一定强度的不锈钢纤维毡。将不锈钢纤维烧结毡平整到一定的厚度，然后经过灯检表面观察，宏观上确定不锈钢纤维毡的表面缺陷。针对有缺陷的部位进行取样，通过日立高新冷场发射扫描电镜(SEM) SU8200,在加速电压20 kV下测试了缺陷部位不锈钢纤维烧结毡的形貌和成分。

表1 316L不锈钢纤维的化学成分[5]Table 1 Chemical composition of 316L stainless steel fiber (wt.%)[5]

图1 (a)和(b)分别是集束拉拔法制备得到的316L 6 μm不锈钢纤维不同放大倍数的SEM照片

2 实验结果与分析

2.1 不锈钢纤维毡表面缺陷分析

不锈钢纤维烧结毡表面缺陷通常主要有以下几种表现形式：小锈点、小黑点、局部不均匀、金属夹杂、非金属夹杂、溶洞、粘连外来纤维等缺陷。采用SEM和EDS对不锈钢纤维烧结毡的制备过程中通常产生的表面缺陷进行了系统分析。 图2和表2分别展现了不锈钢纤维毡表面缺陷小黑点的SEM照片和EDS成分，图2(a)可以看出纤维毡表面有一个小黑点。图2(b)是对图2(a)小黑点区域放大的SEM照片，可以看出纤维毡里面存在宽度约为300 μm的一个夹杂物，夹杂物并没有与不锈钢纤维发生反应，只是夹杂在不锈钢纤维毡中。图2(c)和表2是夹杂物的成分分析，可以看出夹杂物主要由Fe、C、O组成，是一种含Fe的非金属氧化物夹杂。该夹杂的存在使纤维毡在高温烟气除尘、化纤过滤等领域使用时，在该区域容易发生腐蚀产生漏洞，造成纤维毡过滤性能和使用寿命降低。

(a)不锈钢纤维毡表面黑点的宏观照片；(b)黑点位置的SEM照片；(c)黑点位置的能谱图

表2 不锈钢纤维烧结毡表面黑点化学成分Table 2 Chemical composition of black spots on the surface of stainless steel fiber sintered felt

不锈钢纤维毡在潮湿环境中遇到无机盐离子，特别是Cl-会对不锈钢纤维毡产生缓慢腐蚀。图3和表3分别展现了不锈钢纤维毡表面缺陷小锈点的SEM照片和EDS成分，图3(a)可以看出纤维毡表面有一个黄色的小锈点。图3(b)是对图3(a)小锈点区域放大的SEM照片，可以看出纤维表面粘附了一层白色的结晶物质，纤维是完整的并没有发生断裂。图3(c)和表3是锈点区域纤维的成分分析，通过与正常316L不锈钢纤维的成分对比发现，图3(b)中1和2区域除了不锈钢纤维的成分外，还有NaCl存在；3区域纤维表面没有粘附物，成分与1和2区域相比没有NaCl。进一步说明，不锈钢纤维毡表面小锈点的产生是由于表面粘附NaCl造成的[6]。

(a)不锈钢纤维毡表面锈点的宏观照片；(b)锈点位置的SEM照片；(c)锈点位置的能谱图图3 不锈钢纤维烧结毡表面小锈点微观形貌和成分分析 Fig.3 Micromorphology and composition analysis of small rust spots on the surface of stainless steel fiber sintered felt

表3 不锈钢纤维烧结毡表面锈点化学成分Table 3 Chemical composition of rust spots on the surface of stainless steel fiber sintered felt

(a)不锈钢纤维毡表面粘附外来纤维的宏观照片；(b)外来纤维的SEM照片；(c)外来纤维的能谱图

表4 不锈钢纤维烧结毡表面粘附外来纤维化学成分Table 4 Chemical composition of foreign fibers adhered to the surface of stainless steel fiber sintered felt

图4和表4分别展现了不锈钢纤维毡表面粘附其他外来纤维的SEM照片和EDS成分，图4(a)可以看出纤维毡表面粘附了一些黑色的纤维。图4(b)是对图4(a)黑纤维区域放大的SEM照片，可以看出明显存在丝径约为22 μm的外来纤维，其微观形貌与正常的316L不锈钢纤维明显不同。图4(c)和表4是外来纤维的成分分析，可以其主要成分是Ta，其很有可能是Ta纤维粘附在不锈钢纤维毡表面。

图5和表5分别展现了不锈钢纤维毡表面缺陷溶洞的SEM照片和EDS成分，图5(a)可以看出纤维毡表面有一个小溶洞，没有夹杂物存在，几根纤维发生了断裂，纤维断口光滑。图5(b)是对图5(a)溶洞区域放大的SEM照片，更清晰地看到纤维有溶化的趋势。图5(c)和表5是溶洞区域的成分分析，与正常的316L不锈钢纤维成分对比可以看出该溶洞区域没有杂质元素。说明该溶洞的产生不是由于夹杂产生的，另外断裂的纤维断口光滑，没有折断刺伤的痕迹，进一步说明溶洞的产生不是由于机械损伤造成的。经过分析溶洞的产生很可能是由不锈钢纤维毡烧结温度过高导致细丝径的纤维发现了部分溶断。

(a)和(b)是不锈钢纤维毡表面溶洞不同放大倍数的SEM照片；(c)溶洞位置的能谱图图5 不锈钢纤维烧结毡表面溶洞微观形貌和成分分析Fig.5 Microscopic morphology and composition analysis of molten caves on the surface of stainless steel fiber sintered felt

表5 不锈钢纤维烧结毡表面溶洞区域化学成分Table 5 Chemical composition ofmolten caves on the surface of stainless steel fiber sintered felt

表6 不锈钢纤维烧结毡表面夹杂化学成分Table 6 Chemical composition of inclusions on the surface of stainless steel fiber sintered felt

图6和表6分别展现了不锈钢纤维毡表面夹杂物的SEM照片和EDS成分，图6(a)可以清晰地看出纤维毡表面存在夹杂物。图6(b)是对图6(a)夹杂物区域放大的SEM照片，可以看出夹杂物是由小颗粒聚集在一起，夹杂物区域的纤维发生了断裂，并且纤维表面粘附了白色的小颗粒。图6(c)和表6是夹杂物的成分分析，经过与正常316L不锈钢纤维的成分对比发现，该夹杂物区域的异常元素是Al、O、S、Mn，是一种含Al和Mn的金属夹杂物和非金属夹杂物的混合物[7]。夹杂物区域的纤维发生了断裂，说明夹杂物与不锈钢纤维在高温下烧结时发现了化学反应[8]。该夹杂的存在对不锈钢纤维毡的使用是不利的，该区域容易发生腐蚀产生漏洞，造成纤维毡在高温烟气除尘、化纤过滤等领域使用时过滤性能和使用寿命降低。

3 结论

(1)小黑点的形成主要是非金属夹杂粘附在纤维毡中、宏观看起来纤维毡表面有小黑点缺陷。该区域纤维是完整的，但会堵塞纤维毡的孔道；

(2)金属夹杂多大与不锈钢纤维发生反应，造成纤维断裂，堵塞纤维毡的孔道；

(3)溶洞是由于烧结温度过高导致细丝径的不锈钢纤维在烧结过程中发生溶断、导致局部不均匀；

(4)小锈点是由于潮湿环境中的无机盐离子，特别是Cl-1对不锈钢纤维腐蚀产生的。同时，针对性地提出了改善不锈钢纤维毡表面缺陷的策略。