钇铝石榴石/金属氧化物复合纳米纤维的静电纺丝法制备及其性能研究

摘要

复合纳米纤维是由两种或两种以上性质不同的材料是通过各种工艺手段以纳米级别耦合在一起的一种新型功能纤维体。复合纳米纤维由于具有极大的比表面积、质量轻及良好的力学性能等优点，是当前新材料研究领域的研究热点之一，在服装、生物医学、航天航空、增强材料、光电材料等领域广泛应用。
　　复合纳米纤维因其优越性能，常作为增强相应用于金属基体或陶瓷基体材料中以改善其强度、断裂韧性、抗冲击力等力学性能。目前用于增强增韧的纤维材料主要有硼纤维、碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝基纤维、硅酸盐纳米纤维等，但氧化铝基纤维因其优越特性在增强高温合金方面有着无可比拟的优势，且单一组分的纳米纤维有表面特异性匮乏、力学性能差、降解速率难以保持等缺点，已难以满足应用需求，为了克服以上缺点，作为增强体的钇铝石榴石/金属氧化物复合纳米纤维的研究引起了广泛的关注。目前所用钇铝石榴石/金属氧化物复合材料的增强体基本是复合粉末颗粒，用其增强的复合材料存在强度、断裂韧性和抗冲击力等力学性能不够理想，容易产生裂纹等缺陷。与粉末材料相比，钇铝石榴石/金属氧化物纳米纤维因具有极高的长径比、线状结构、粘结力大、质量轻和良好的力学性能等特性，故其作为增强材料在金属基复合材料和陶瓷基复合材料中有着良好的应用前景。
　　钇铝石榴石（Yttrium Aluminium Garnet，化学式为Y3Al5O12，简称YAG）纤维具有高弹性模量、耐高温和抗高温蠕变性等特性。纳米氧化铝（Al2O3）纤维因其高强度、高模量、耐热等优良性能，在高温下有较高的拉伸强度。而且还有很好的高温抗氧化性、耐腐蚀性，与金属基体的浸润性良好，界面反应较小，是良好的增强相。纳米氧化锆（ZrO2）纤维具有耐高温、高强度、韧性好和耐腐蚀等特性，在一些领域如空间飞行器动力系统的高温部件可作为纤维增强材料。由于YAG、Al2O3和ZrO2具有很好的化学相容性、相似的热膨胀系数、高熔点、抗氧化性强，所以YAG/Al2O3(ZrO2)和Al2O3/YAG/ZrO2复合纳米纤维是令人期待、很有希望的耐高温增强增韧材料。
　　YAG、Al2O3和 ZrO2均是良好的增强体，其复合而成的纤维作为增强材料，有着可观的潜在应用价值。将复纳米合纳米纤维并入到金属基体中，研究纤维对金属基体的硬度等力学性能的影响。因而本论文利用静电纺丝法制备YAG/Al2O3(ZrO2)二元和 Al2O3/YAG/ZrO2三元复合纳米纤维具有十分重要的意义。利用 X射线衍射仪、红外光谱、扫描电子显微镜及红外光谱对复合纤维的物相、形貌结构进行了分析和表征，得出以下结论:
　　1.本文采用静电纺丝法成功的制备了 YAG/Al2O3复合纳米纤维。通过 SEM分析纤维的直径大小及均匀程度，得出了最佳的PVA含量为10％，纺丝电压为25kV，接受距离为16cm。由 XRD图谱分析得知，当温度为1000℃时，获得了只含有YAG和Al2O3两相得到的YAG/Al2O3复合纳米纤维并且其结晶度良好。前驱体纤维经过1000℃煅烧2h后其直径均匀，大约为300 nm，长径比为80:1，纤维表面较为光滑。TEM分析可知分析可知YAG/Al2O3纤维含有两套衍射斑点，它是相YAG相和相Al2O3两相衍射花样的迭加。
　　2.采用静电纺丝法成功制备了YAG/ZrO2复合纳米纤维。通过分析可知，前驱体纤维的直径均匀，大约为0.95μm，得出了最佳的PVA含量为11%，纺丝电压为20kV，接受距离为16cm。由XRD图谱分析可知，当焙烧温度高于1100℃后，复合纤维开始结晶，形成YAG/ZrO2微晶；当温度达到1200℃时，获得了只含有YAG和ZrO2两相的YAG/ZrO2复合纳米纤维，其结晶度良好，衍射峰强度高。同时，PVA含量的多少对复合纤维的物相形成并无影响。前驱体纤维经过1200℃煅烧5h后其直径较均匀，平均直径大约为500 nm，长径比为50:1，纤维表面较为光滑。TEM测试发现YAG/ZrO2复合纤维含有衍射斑点和衍射环两种衍射花样，衍射圆环不明锐，有弥散和宽化现象，说明晶粒细小，该纤维材料中有多晶ZrO2和单晶YAG两种晶态存在。
　　3.本文采用静电纺丝法制备了 Al2O3/YAG/ZrO2复合纳米纤维，通过改变纺丝参数：PVA含量、纺丝电压和固化距离等获得不同形貌的复合纤维，确定最佳的纺丝工艺条件。由SEM分析可知，前驱体纤维的直径均匀，大约为0.8μm。并且得到三元复合纳米纤维的最佳纺丝工艺如下：PVA含量为10%，纺丝电压为25kV，接受距离为18cm。由 XRD图谱分析表明，当焙烧温度高于1200℃后，复合纤维开始结晶，形成 Al2O3/YAG/ZrO2共晶；当温度达到1350℃时，复合纳米纤维的物相中仅含有YAG相、α-Al2O3相和ZrO2相的Al2O3/YAG/ZrO2三元复合纳米纤维，其结晶度良好。同时，PVA含量的变化对复合纤维的物相形成没有影响。Al2O3/YAG/ZrO2前驱体纤维经过1350℃煅烧5h后获得了直径均匀，表面较为光滑的复合纳米纤维，其平均直径大约为250nm，长径比为70:1。TEM分析得知 Al2O3/YAG/ZrO2三相复合纤维的晶格条纹分布，其晶面间距分别为0.25m、0.24nm和0.23nm，分别对应于Al2O3相的(110)晶面，ZrO2相的(002)晶面和YAG相的(420)晶面。从选区电子衍射照片可以看到三元复合纳米纤维中含有三套衍射斑点，存在Al2O3、YAG和ZrO2三种晶体结构。
　　4.与纯高铝青铜粉末烧结体相比，YAG/Al2O3、YAG/ZrO2和Al2O3/YAG/ZrO2三种复合纳米纤维的添加有利于高铝青铜基复合材料硬度的提高，起到硬质颗粒增强金属基体的作用，其中 YAG/Al2O3纤维的增强效果最好。添加不同种类的纤维后，纤维/高铝青铜材料具有较小且稳定的摩擦系数，磨损率较小。YAG/Al2O3纳米纤维与高铝青铜复合材料的烧结体在摩擦过程中磨损区域表面有少且浅的划痕出现，磨削少；当添加 YAG/ZrO2纤维时，复合材料烧结体有犁沟现象，划痕清晰，磨削较多；Al2O3/YAG/ZrO2添加后的复合材料磨损区域有大量划痕和犁沟，甚至出现轻微的粘着磨损；纯高铝青铜烧结体的磨损区域，发生了明显的塑形变形，主要为严重的粘着磨损形式。

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第一章 绪论

1.1纳米纤维

1.2钇铝石榴石纳米纤维

1.3氧化物纳米纤维的研究进展

1.4 氧化铝基复合材料

1.5静电纺丝法

1.6氧化铝基复合纤维增强的金属基复合材料

1.7本课题的提出以及主要研究内容

第二章 实验及表征方法

2.1实验试剂和仪器

2.2 样品的制备

2.3 样品的测试与表征

第三章 YAG/Al2O3二元复合纳米纤维的制备与表征

3.1 引言

3.2 实验

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 YAG/ZrO2二元复合纳米纤维的制备及其表征

4.1 引言

4.2 实验过程

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 Al2O3/YAG/ZrO2三元复合纳米纤维的制备与表征

5.1 引言

5.2 实验过程

5.3 结果与讨论

5.4 静电纺丝法制备的氧化铝基复合纳米纤维的生长机理

5.5 本章小结

第六章 氧化铝基复合纳米纤维增强的金属基复合材料的性能研究

6.1 引言

6.2 试样的制备

6.3 结果与讨论

6.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

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