氧化硅/氧化铝前驱体结晶结构演变及其在氧化铝纤维制备中的应用研究

摘要

氧化铝纤维作为高性能新型无机陶瓷纤维的一种，兼具优异的电学、热学和高温力学性能，不仅拥有高强度、低密度、低导热率等特点，还具有高达1000℃以上的高温稳定性、耐腐蚀性和电绝缘性，且其表面活性好，可作为树脂、金属和陶瓷基体的增强体，形成多种性能优异的复合材料，广泛应用在冶金和化工等领域中，近年来尤其在航空航天领域受到高度的关注。 Al2O3具有十多种结晶形态，其在高温下极易发生晶相改变，最终转变为唯一的热力学稳定相α-Al2O3，α相粒子一旦长大并超过临界尺寸dpα（≈50nm）就会发生爆发式的生长，形成典型的蠕虫状多孔结构，使氧化铝纤维丧失力学性能，脆性增加。而SiO2作为相变抑制剂能够对高温下Al2O3的结晶结构演变过程产生非常大的影响，使氧化铝纤维的性能得到改善，故研究SiO2/Al2O3前驱体结晶结构演变对制备高性能氧化铝纤维具有十分重要的意义。 本文采用溶胶凝胶法制备了一系列不同SiO2含量的氧化铝溶胶前驱体，通过FT-IR、TG-DTA、XRD、SEM、热膨胀仪等表征手段分析了SiO2对氧化铝前驱体的热失重和结晶热变化、化学结构、结晶结构、微观结构、致密特性、α-Al2O3的相变温度等的影响，研究了SiO2/Al2O3前驱体的结晶结构演变过程；采用干法纺丝技术使氧化铝溶胶前驱体成纤，通过SEM、纤维细度分析仪、纤维强力测试仪等分析了添加10wt%TEOS-SiO2和10wt%NS30-SiO2两种氧化铝纤维的质量损失、直径分布、力学性能、微观结构和宏观形貌，讨论了SiO2/Al2O3前驱体结晶结构演变规律在制备高性能氧化铝纤维中的应用。 研究结果表明，在热处理的过程中，Al2O3的结晶结构演变遵循无定型态→γ-Al2O3→δ-Al2O3→θ-Al2O3→α-Al2O3的规律，随着SiO2的加入，SiO2与Al2O3发生水解缩聚反应生成Al-O-Si键，当SiO2较多时与Al2O3高温下结合成少量莫来石相，氧化铝的相变过程逐渐被延迟，Al2O3晶粒的生长受到抑制；当SiO2含量增至10wt%时，对α-Al2O3的相变抑制效果最明显，与纯氧化铝相比，可以使α-Al2O3的相变温度由1000℃提高到1300℃以上，并将α-Al2O3晶粒控制在临界尺寸范围内，显著降低氧化铝前驱体的热收缩率，改善前驱体的致密性。 对于添加10wt%TEOS-SiO2和10wt%NS30-SiO2的两种氧化铝纤维，在900℃-1200℃的Al2O3相变过程中，纤维质量损失率变化不大。当温度达到1200℃的高温时，微观上纤维的结构致密性显著提高，宏观上纤维的韧性得到改善；添加10wt%TEOS-SiO2的纤维力学强度快速增加到1.022GPa，较添加10wt%NS30-SiO2的氧化铝纤维略高0.01GPa，在力学强度相近的情况下使用温度较商品化纤维Saffil提高了200℃。尽管TEOS和NS30两种硅源对纤维的性能影响差异不大，但从纤维的制备工艺和生产成本来说，添加NS30较TEOS的实验操作更加简单易行，利于进行工业化生产，原料价格较TEOS低很多。 综上所述，SiO2是一种优异的相变抑制剂，能够通过与Al2O3化学或物理作用来延迟Al2O3的结晶结构演变过程，提高α-Al2O3的晶相转变温度，抑制α-Al2O3晶粒的快速生长，从而改善氧化铝纤维的力学性能等，使氧化铝纤维的使用温度提高到1200℃。

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郭美秀 论文修改---