二氧化硅对氧化铝凝胶高温相变的影响机理及在氧化铝纤维中的应用

摘要

本论文以铝溶胶和二氧化硅溶胶为原料，采用离心甩丝技术制备了氧化铝陶瓷纤维。铝溶胶采用金属铝粉和氯化铝反应合成，二氧化硅溶胶为市售的利用水玻璃通过离子交换生产的SW30，或者以硅酸乙酯(S40)为原料，以氨水、盐酸或者尿素为催化剂通过水解聚合实验室合成。采用29SiNMR、27AlNMR、FTIR、TG-DTA、XRD、SEM、TEM等技术系统地研究了不同二氧化硅溶胶的化学结构及其对氧化铝凝胶高温相变的影响规律和机理。
　　研究发现，SW30二氧化硅溶胶粒子为球型，平均粒径约22nm;硅酸乙酯(S40)经碱性水解(NH4OH)得到的二氧化硅溶胶也为球型，平均粒径约12nm，稳定性好;酸性水解(HCl)得到的二氧化硅溶胶具有线型结构，平均粒径约1～2nm，稳定性差，容易凝胶化;中性水解(Urea)得到含有大量活性单硅酸的二氧化硅溶胶，溶胶粒径大约5～7nm，稳定性较好。将铝溶胶和二氧化硅溶胶混合后得到的铝硅溶胶，它们并不是简单的物理混合，而是发生了化学反应。酸性(HCl)水解和中性(Urea)的二氧化硅溶胶粒子尺度小，比表面积大，对氧化铝溶胶具有较好的包覆作用，并且二氧化硅溶胶表面大量的Si-OH与铝溶胶表面的Al-OH相互作用形成Si-O-Al化学连接。在后续热处理过程中，Si-O-Al转化成无定型的界面层，有效阻止了过渡相氧化铝微晶的聚集，从而阻止了α-Al2O3成核与长大，抑制了α-Al2O3相变的发生。相比之下，市售的SW30和硅酸乙酯碱性水解形成的球型二氧化硅溶胶粒子尺度大，比表面积低，对铝溶胶粒子的包覆能力较弱，形成的Si-O-Al含量低，无法有效地阻止氧化铝凝胶粒子之间聚集，因此对α-Al2O3相交抑制效果较差。
　　以尿素为催化剂的二氧化硅溶胶对氧化铝高温相变抑制效果好，并且溶胶稳定性较高，因此适合用于氧化铝纤维的制备。本研究以该二氧化硅溶胶与铝溶胶混合制备了具有良好稳定性的硅铝溶胶，探讨了甩丝工艺对氧化铝纤维棉质量的影响。研究发现，当硅铝溶胶粘度为1.5～3.5Pa·s，甩丝热风温度为45～50℃，甩丝盘转速为12000rpm时，可以获得平均直径为5～7μm的凝胶纤维，通过高温热处理后可以获得平均直径～3μm、渣球含量低的氧化铝纤维棉。

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第一章 绪论

1．1 氧化铝纤维的研究背景

1．2 氧化铝纤维的制备方法

1．2．1 淤浆法

1．2．2 预聚合法

1．2．3 卜内门法

1．2．4 浸渍法

1．2．5 溶胶凝胶法

1．3 氧化铝纤维研究现状

1．3．1 国外现状

1．3．2 国内现状

1．3．3 氧化铝纤维的研究进展

1．4 氧化铝凝胶纤维的高温相变及控制

1．4．1 氧化铝的相变

1．4．2 二氧化硅对氧化铝相变的影响

1．5 论文拟解决的主要科学问题

第二章 实验部分

2．1 实验材料及设备

2．1．1 实验原材料及试剂

2．1．2 实验设备及仪器

2．2 氧化铝纤维的制备

2．2．1 铝溶胶的制备

2．2．2 二氧化硅溶胶的制备

2．2．3 氧化铝凝胶纤维的制备

2．2．4 氧化铝凝胶纤维的干燥和热处理

2．3 分析表征

2．3．1 傅立叶变换红外光谱分析(FTIR)

2．3．2 核磁共振分析(27Al NMR，29Si NMR)

2．3．3 X射线衍射分析(XRD)

2．3．4 pH值

2．3．5 粘度

2．3．6 溶胶粒径

2．3．7 综合热分析(TG-DTA)

2．3．8 扫描电镜(SEM)

2．3．9 透射电镜(TEM)

第三章 铝硅溶胶的制备及其表征

3．1 铝溶胶

3．1．1 铝溶胶的化学结构表征

3．1．2 铝溶胶形貌

3．2 二氧化硅溶胶

3．2．1 二氧化硅溶胶的稳定性

3．2．2 二氧化硅溶胶化学结构

3．2．3 二氧化硅溶胶的微观形貌

3．3 氧化铝-二氧化硅溶胶表征

3．4 二氧化硅溶胶对氧化铝高温相变的影响

3．4．1 TG-DTA分析

3．4．2 XRD分析

3．4．3 SEM分析

3．4．4 TEM分析

3．5 SiO2对氧化铝高温相变的影响机理

3．6 本章小结

第四章 氧化铝纤维的制备与表征

4．1 甩丝工艺条件对纤维棉质量的影响

4．1．1 溶胶粘度

4．1．2 热风温度

4．2 氧化铝凝胶纤维干燥与热处理

4．2．1 凝胶纤维的干燥

4．2．2 凝胶纤维的热处理

4．2．3 与Saffil纤维比较

4．3 本章小结

第五章 结论、创新点和展望

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

攻读硕士期间论文发表情况

致谢