Al2O3/SiO2长丝前驱体的制备和干法纺丝及干燥烧结的研究

论文摘要

Al2O3/SiO2长丝属于氧化铝基纤维一种。氧化铝基纤维是以Al2O3为主要成分（有的含有ZrO2、SiO2和B2O3等）的多晶或单晶纤维,是近年来倍受重视的一种无机纤维。氧化铝基纤维的突出优点是具有良好的热机械性能、良好的抗腐蚀及抗氧化性能、低的蠕变性能、耐极高温度,与碳纤维、碳化硅纤维等非氧化物纤维相比,耐氧化性更好,可以在更高的使用温度下保持很好的机械强度,广泛应用于航空航天、军工及高科技民用领域。因此,如何制备出性能良好的陶瓷纤维,成为许多研究者关注的课题之一。本文采用溶胶-凝胶法制备出了铝/硅可纺溶胶,用实验室自行设计的干法纺丝机进行纺丝,初步实现了凝胶纤维的连续化,将凝胶纤维在一定条件下干燥烧结后得到Al2O3/SiO2纤维。铝/硅可纺溶胶的性质直接影响纺丝成型过程。将硝酸铝、异丙醇铝、正硅酸己酯按先后顺序加入蒸馏水中并不断搅拌可得到澄请透明的铝/硅溶胶。合成溶胶分水解和聚合两步,加入异丙醇铝后体系中PH值迅速上升,而在加入正硅酸乙酯后PH下降而后缓慢上升直到一个恒定值,水解过程中,体系中的颗粒不断变小,数量不断变少,水解24小时变为澄清溶液。聚合阶段胶体粒子不断增大,纺丝助剂的加入也使胶体粒子增大。溶胶的粘度随着环境温度的升高而减小。通过对铝/硅溶胶的红外光谱分析,可知体系中存在Al-O四面体、Al-O八面体和Si-O四面体结构。通过温度对溶胶纺丝性能的分析,初步确定了溶胶在50℃-60℃之间的纺丝性能最好。利用干法纺丝制备出连续莫莱石凝胶纤维,纺丝甬道的温度不宜过高,最后一段甬道温度应最低。凝胶纤维在高温度下会出现裂纹等缺陷,在较低温度下裂纹减小,有利于提高凝胶纤维的性能。在不同温度下对溶胶进行了干燥动力学研究,在低温下凝胶出现的裂纹少,而在较高温度下出现了较多缺陷。通过对添加了不同控制干燥的化学添加剂（DCCA）的溶胶的干燥过程的分析,DDCA一方面降低了溶剂的挥发速率,另一方面DCCA与胶体粒子形成了氢键,取代了一部分与水之间的氢键,大大降低了干燥过程中的表面张力,减少了凝胶的开裂,70℃下添加DMF的凝胶未出现裂纹。通过对莫来石凝胶的热分析可知莫来石相在993.3℃左右结晶,烧结的关键区域在985℃-1002℃。对不同烧结温度下凝胶纤维的红外光谱分析,有机物的特征峰在高温消失。通过对不同烧结温度下的纤维的XRD分析,莫来石凝胶纤维在900℃开始结晶,1100℃完全结晶。通过对烧结过程的结晶动力学分析,结晶活化能为797.79KJ·mol-1,k0为8.447×1033s-1,Avrami指数的平均值为2.04,表明莫来石纤维的结晶过程由成核阶段决定。对添加不同烧结助剂的莫来石纤维的热性能分析,红外分析和XRD分析,烧结助剂能够降低结晶温度。烧结后的纤维没有裂纹、孔洞等缺陷,在10O0℃基本上达到致密化。

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摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 引言

1.2 氧化铝基陶瓷纤维发展现状

1.3 莫来石概况及其发展现状

1.3.1 莫来石概况

1.3.2 莫来石纤维国内外研究进展

1.4 连续莫来石纤维（氧化铝基纤维）制备方法

1.4.1 卜内门法

1.4.2 淤浆纺丝法

1.4.3 预聚合法

1.4.4 熔融抽丝法

1.4.5 浸渍法

1.4.6 溶胶-凝胶法

1.5 莫来石凝胶纤维的干燥和烧结

1.5.1 凝胶的干燥

1.5.2 凝胶纤维的烧结

1.6 莫来石纤维的应用

1.6.1 绝热耐火材料

1.6.2 金属基复合材料增强剂

1.6.3 树脂基复合材料

1.6.4 陶瓷基复合材料

1.7 本论文研究的目的和内容

第二章莫来石前驱体溶胶的制备和溶胶性质的研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 药品及试剂

2.2.2 测试方法及仪器

2.2.3 莫来石可纺前驱溶胶的制备

2.3 结果与讨论

2.3.1 莫来石溶胶体系的水解反应过程

2.3.2 缩聚反应过程中溶胶粒径变化

2.3.3 聚乙烯吡咯烷酮（PVP）对溶胶粒径的影响

2.3.4 温度对莫来石溶胶粘度的影响

2.3.5 莫来石凝胶的结构分析

本章小结

第三章莫来石凝胶纤维的干法纺丝过程研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 药品及试剂

3.2.2 莫来石纺丝液的制备

3.2.3 测试方法及仪器

3.3 结果与讨论

3.3.1 干法纺丝机装置示意图

3.3.2 纺丝工艺条件对凝胶纤维成型的影响

3.3.3 干法纺丝过程中的溶胶-凝胶转变

3.3.4 凝胶纤维的表面形态

本章小结

第四章莫来石凝胶薄膜干燥过程的研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 药品及试剂

4.2.2 样品的制备

4.2.3 测试方法及仪器

4.3 结果与讨论

4.3.1 干燥过程的热质传递

4.3.2 温度对溶剂挥发的影响

4.3.3 聚乙烯吡咯烷酮（PVP）对溶剂挥发的影响

4.3.4 控制干燥的化学添加剂（DCCA）对溶剂挥发的影响

4.3.5 样品厚度对溶剂挥发的影响

本章小结

第五章莫来石凝胶纤维烧结过程的研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.2.1 药品及试剂

5.2.2 莫来石纤维的制备

5.2.3 测试方法及仪器

5.3 结果与讨论轮

5.3.1 莫来石凝胶纤维的热性能分析

5.3.2 烧结温度对莫来石纤维结构的影响

5.3.3 莫来石烧结过程中的结晶动力学研究

5.3.4 莫来石纤维的形貌分析

5.3.5 烧结助剂对莫来石凝胶烧结性能的影响

本章小结

第六章结论

参考文献

致谢

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