纺丝液参数对静电纺丝制备镁铝尖晶石纤维的影响

以无水氯化镁和无水氯化铝为原料,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为助纺剂,无水乙醇和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂,采用非水解溶胶-凝胶法制备纺丝前驱体溶液,利用静电纺丝技术获得镁铝尖晶石凝胶/PVP前驱体纤维,经900℃煅烧合成出镁铝尖晶石纤维。借助XRD,FTIR,SEM和TEM研究了凝胶化温度、凝胶用量和PVP用量等纺丝液参数对镁铝尖晶石纤维相组成及结构的影响。结果表明,直接添加混合溶液时,虽能合成出物相为镁铝尖晶石的纤维,但纤维交联严重,还出现了较多念珠状颗粒;当凝胶化温度为120℃时,纤维则出现了明显的断裂;纤维直径随凝胶用量和PVP用量的增加而增大。当凝胶化温度为100℃、凝胶用量为0.068 mol/L、PVP用量为0.045 g/m L时,纤维为镁铝尖晶石相,表面光滑、连续,直径均匀且细小,平均直径为121 nm,经1600℃煅烧后仍保持良好的纤维形貌。     

干法纺丝制备二硼化锆陶瓷纤维及其表征

二硼化锆是一种很具潜力的超高温陶瓷材料。通过干法纺丝手段可以得到具有一定优良性能的二硼化锆纤维:以二硼化锆陶瓷制备中的液相前驱体转化技术为依据,采用八水合氧氯化锆、硼酸、蔗糖和柠檬酸为原料,并利用聚乙烯醇为纺丝助剂,制得二硼化锆前驱体纺丝液,然后利用干法纺丝制得前驱体纤维,通过高温烧结制得二硼化锆陶瓷纤维。仪器分析结果如下:通过同步热分析仪(TG-DSC)分析前驱体纤维在100℃~1400℃的失重情况,发现二硼化锆纤维在1200℃左右生成;采用X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱分析(XPS),发现陶瓷纤维中二硼化锆晶形完整且含量较高;通过陶瓷纤维的X射线能谱分析(EDS)及元素分析(EA),发现纤维产物的纯度也较高;另外,扫描电镜(SEM)、单丝强度测试和热失重(TG)分析结果表明:干法纺丝制得的陶瓷纤维表面光滑,强度较好,具有一定的耐高温性。     

锌铌酸铅-锆钛酸铅(PZN-PZT)压电陶瓷和陶瓷纤维的制备

以乙酸铅、丙酸锌、五乙氧基铌、四丙氧基锆和四正丁氧基钛为原料,用溶胶-凝胶法制备了锌铌酸铅-锆钛酸铅(PZN-PZT)凝胶纤维.该纤维经热解、烧结后成为直径约25μm的陶瓷纤维.陶瓷纤维的表面和断面形貌的电子扫描图像显示:该陶瓷纤维均匀致密,呈圆柱形.X射线分析表明:烧结温度影响陶瓷的晶相纯度.当烧结温度高于1250℃时,该陶瓷及陶瓷纤维呈现纯净的钙钛矿晶相.阿基米德法测得陶瓷和陶瓷纤维的密度分别为7.70×10³kg/m³和7.80×10³kg/m³.对陶瓷含量为63%的PZN-PZT陶瓷纤维/环氧树脂1-3复合材料压电片,测得其机电转换常数kt、压电常数d₃₃和相对介电常数ε分别为:0.65、403pC/N和1300.以溶胶-凝胶法制备的超细粉体为原料烧结成的PZN-PZT陶瓷,其k_t、d₃₃和ε分别为0.48、600pC/N和2627.     

无机酸铝体系氧化铝连续纤维的制备技术研究

作为一种性能优异的耐高温结构增强材料,氧化铝连续纤维应用广泛,但其规模化制备流程长,技术难度大。本研究以自制的铝溶胶和市售硅溶胶为前驱体,研究了铝溶胶的微观结构和组成,探讨了溶胶具有优异可纺性的原因。通过溶胶-凝胶结合干法纺丝技术制备了氧化铝基凝胶连续纤维,纤维长度可达1500 m以上,进一步高温陶瓷化后形成了直径约为10μm、主晶相为γ-Al₂O₃和无定型SiO₂的氧化铝陶瓷连续纤维,其中在1100℃下煅烧30min所制备的纤维单丝平均拉伸强度达到2.0GPa。微观结构分析表明陶瓷纤维结构致密,其中粒度仅为10～20nm的γ-Al₂O₃晶粒均匀分布于无定型SiO₂中,使纤维表现出优异的力学性能。该制备过程绿色简单可控,具有产业化应用前景。进一步对氧化铝连续纤维的耐高温性能进行了分析,结果表明氧化铝连续纤维可在1000℃长时间使用,短时使用温度可达1300℃。     

静电纺丝制备二氧化钛纳米纤维及其物性研究

以钛酸四丁酯(TBT)、无水乙醇和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为原料,配置适宜纺丝的前驱体溶液。该溶液在合适的工作条件下以静电纺丝方法纺丝得到前驱体纤维,再经真空高温退火得到TiO_2纳米纤维;对得到的纳米纤维进行物性测试,测试退火后样品的XRD图像发现样品在550℃的温度退火下形成了锐钛矿相的TiO_2,测试比较退火前后样品的扫描电镜(SEM)图像发现样品在退火前后均是网格状纳米纤维结构,测试退火前后样品的红外吸收光谱发现样品经退火后形成了Ti-O化学键,测试TiO_2纳米纤维与TiO_2粉末的发射光谱比较其不同之处。     

利用工业废弃微硅粉制备多孔莫来石陶瓷

以微硅粉和氧化铝粉为主要原料,采用凝胶注模工艺和无压烧结法制备了多孔莫来石陶瓷材料。研究了原料配比和烧结温度对莫来石形成、多孔莫来石陶瓷显微结构和性能的影响。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和力学性能测定等手段表征了制备的多孔莫来石陶瓷。结果表明:烧结温度和Al2O3/SiO2配比是影响莫来石合成的主要因素;从1300℃开始,微硅粉中的SiO2就与Al2O3发生反应,生成莫来石晶相,到1450℃时样品中莫来石含量达到最高;微硅粉适当过量有利于提高莫来石相的纯度,当Al2O3/SiO2物质的量比为3∶2.5时,合成的莫来石纯度高达90%,密度为2.51g/cm3,气孔率为20.56%,抗压强度为260.93MPa。     

Al2O3-SiO2-B2O3连续纤维的制备及力学性能

本实验采用溶胶-凝胶法结合干法纺丝制备了氧化铝基凝胶连续纤维,煅烧后得到含12.92％B2O3、24.56％SiO2和62.50％(均为质量分数)Al2O3的氧化铝基陶瓷连续纤维.通过TG-DSC、SEM、TEM、XRD和强度拉伸仪等分析手段研究了前驱体溶胶的微观结构、纤维晶相组成以及纤维表面和内部结构.结果表明,通过溶胶-凝胶法制备的前驱体溶胶可纺性优良,性质稳定.采用干法纺丝得到的氧化铝基凝胶连续纤维长度可达上千米,将凝胶纤维进行陶瓷化后形成的含硼氧化铝基陶瓷连续纤维直径均匀,为14～15 μm,经1 000℃煅烧后纤维主晶相为莫来石相,拉伸强度最高可达1.35 GPa.本实验所制备的氧化铝基陶瓷连续纤维具有优良的力学性能,在热防护领域具有广阔的应用前景.     

气氛烧结对溶胶-凝胶法制备Al2O3-3Y-TZP纤维微观结构的影响

以ZrOCl2·8H2O和蔗糖为主要原料,通过溶胶-凝胶电解法制备了Al2O3-3Y-TZP凝胶纤维,采用SEM、XRD、BET吸附等考察了N2气氛预烧结后Al2O3-3Y-TZP陶瓷纤维的微观结构变化。结果表明,经过N2气氛预烧结处理后,纤维致密度明显提高,在1400℃高温烧结30min后,组成纤维的晶粒粒径约为200nm。     

莫来石纤维增强SiO2气凝胶复合材料的制备及性能研究

以正硅酸乙酯为硅源,采用溶胶-凝胶及超临界干燥技术制备了掺杂莫来石纤维的SiO2气凝胶复合材料,并对材料的热学性能和力学性能进行了测试,结果表明:SiO2气凝胶复合材料的热导率与其密度、温度和纤维添加量有关;添加莫来石纤维可以明显提高SiO2气凝胶的弹性模量和机械强度,改善材料的力学性能;莫来石纤维添加量控制在3%左右可以使SiO2气凝胶材料保持较低的热导率和较高的机械强度.     

溶胶-凝胶法制备多晶莫来石纤维

以廉价的铝粉、工业盐酸和酸性硅溶胶为主要原料, 通过溶胶凝胶法制备了多晶莫来石纤维. 采用²⁷Al NMR测试了聚合氯化铝溶胶中Al³⁺的聚集状态, 采用XRD、FT-IR、SEM和TG-DTA等手段表征了不同热处理温度下莫来石纤维的物相组成、纤维形貌以及纤维的热分解特性. ²⁷Al NMR结果表明, Al³⁺主要以Keggin结构的Al₁₃形态存在于聚合氯化铝溶胶中. 具有24个活性Al-OH键的Al₁₃聚阳离子易与硅溶胶中的Si-OH发生失水缩聚反应, 生成具有长链结构的纺丝溶液. XRD、FT-IR和TG-DTA结果表明, 纤维热处理到950℃时开始结晶, 到1000℃可获得单一的莫来石晶相, 整个过程的纤维失重在48.24％. 经1250℃热处理, 获得的莫来石纤维的直径为3～5μm, 晶粒尺寸约为240 nm, 拉伸强度为1.1GPa.     

Sol-gel dry spinning of mullite fibers from AN/TEOS/AIP system

Continuous mullite ceramic fibers were fabricated by a sol-gel dry-spinning technique. The sol was prepared from an aqueous solution of aluminum nitrate, aluminum isopropoxide and tetraethylorthosilicate. The sol-gel transition was investigated by measuring the volume, the solid content, the viscosity and the rheological properties of the solution. Shear viscosity η of the mullite sol varied dynamically with concentrating time and temperature of the sol. Combined with size analysis of sol particles and TEM analysis, the growth characteristics of sol particle agglomeration and its structural evolution were examined. By adjusting the temperature, the gelation degree could be stabilized at a certain value, and the sol-gel transition could be transferred to the spinning line. Continuous fibers were obtained from such sols using a laboratory dry-spinning apparatus. Sintering of the precursor fibers at 1100 °C yielded crack-free mullite ceramic fibers when the solid content of spinnable sol was above 50%.     

莫来石溶胶的制备及对钛酸铝粉体的包裹

以硝酸铝和正硅酸乙酯为主要原料制备稳定莫来石溶胶, 用浸渍包膜的工艺方法对钛酸铝(Al₂TiO₅, AT) 粉体进行包裹, 研究了溶胶性能及含量对钛酸铝粉体包裹效果及性能改善的影响。结果表明: 溶胶的浓度为0.18~0.30mol/L、 黏度在56~93mPa · s之间、 pH=3.0、 包膜厚为0.15~0.20μm时, 可得到包裹效果良好的莫来石-钛酸铝粉体, 制备出性能优良的莫来石-钛酸铝复合材料。复合材料的抗折强度为36~50MPa, 为钛酸铝材料强度的10~15倍, 复合材料的热膨胀系数为1.89~2.25×10-6/℃(室温至1000℃), 复合材料中的钛酸铝在1100℃/300h的热处理未发生分解。应用TG-DSC、 XRD、 SEM、 EPMA等对包膜前后莫来石粉体和复合材料粉体的热学行为、 形貌和成分进行研究, 探讨了性能与结构之间的关系。      

Activation energy for mullitization of gel fibres obtained from aluminum isopropoxide

Gel fibres of mullite precursor were prepared from an aqueous solution of aluminum nitrate (AN), aluminum isopropoxide (AIP) and tetraethylorthosilicate (TEOS). A 4:1 molar ratio of aluminum isopropoxide and aluminum nitrate was optimized to obtain spinnable precursor sol for synthesis of fibres. Thermogravimetry?Cdifferential scanning calorimetry (TG?CDSC), Fourier transform infrared (FTIR) spectra and X-ray diffraction (XRD) analyses were used to characterize properties of the gel and ceramic fibres. The precursor gel completely transformed to mullite at 1200 °C. The activation energy of mullite crystallization was 993·5?kJ/mol by the Kissinger equation.     

烧结温度对3D打印硅基陶瓷型芯表面形貌及粗糙度的影响

单晶高温合金空心叶片是航空发动机的重要部件, 其内腔结构是采用陶瓷型芯制备的。随着航空发动机推重比提高, 型芯结构越来越复杂, 传统制备工艺受限, 光固化3D打印陶瓷型芯技术为复杂结构型芯的制备提供了一种可行方案。为了改善光固化3D打印陶瓷型芯因台阶效应导致的表面粗糙度较大的问题, 本研究利用固含量体积分数63%的硅基型芯浆料进行光固化3D打印型芯, 并在1100~1300 ℃对型芯素坯进行烧结, 对烧成的硅基陶瓷型芯的微观结构、元素分布、相组成、型芯打印面和打印堆积方向的表面形貌和粗糙度进行分析。研究发现型芯打印面平整, 无明显表面缺陷, 1100、1200和1300 ℃烧结型芯的打印面粗糙度分别为1.83、1.24和1.44 μm; 片层堆积方向的表面有片层结构特征, 片层间出现微裂纹, 1200 ℃以上烧结的型芯表面粗糙度达到空心叶片使用要求(R_a≤2.0 μm)。结果表明不同烧结温度会改变型芯烧结过程中的液相含量、莫来石生成量、莫来石生成形态和颗粒间玻璃相的分布, 从而对光固化3D打印硅基陶瓷型芯的表面粗糙度产生明显影响。光固化3D打印陶瓷型芯技术结合烧结工艺能制备出满足先进空心叶片用硅基陶瓷型芯表面要求的粗糙度。     

基于离心纺丝技术制备稳定的碳化锆纤维

本研究提出了一种利用离心纺丝技术制备稳定碳化锆(ZrC)纤维的有效方法。此方法使用醋酸锆和蔗糖作为锆源和碳源, 聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为纺丝助剂, 经过1600 ℃的裂解与碳热还原热处理后, 所纺原丝转化成由均匀纳米ZrC晶体组成的ZrC纤维。研究结果表明, 纤维中残留的少量碳可助力ZrC纤维在2000 ℃的超高温环境下仍保持较好的结构稳定性。     

Preparation of continuous alumina gel fibres by aqueous sol–gel process

Continuous alumina gel fibres were prepared by sol–gel method. The spinning sol was prepared by mixing aluminum nitrate, lactic acid and polyvinylpyrrolidone with a mass ratio of 10:3:1· 5. Thermogravimetry–differential scanning calorimetry (TG–DSC), Fourier transform infrared (FTIR) spectra, X-ray diffraction (XRD), and scanning electron microscopy (SEM) were used to characterize the properties of the gel and ceramic fibres. The Al₂O₃ fibres with a uniform diameter can be obtained by sintering gel fibres at 1200 °C.     

温度对爆轰法合成纳米氧化铝晶型及晶粒度的影响

用爆轰法合成了纳米γ氧化铝粉体。对粉体分别进行从室温加热到600℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃和1300℃的煅烧处理,对煅烧样品进行了X射线衍射分析,研究了不同煅烧温度下,纳米氧化铝的晶粒度。结果表明,随煅烧温度的升高,纳米氧化铝经历了从γ型转变成δ型,再转变成θ型,最后完全转变成α型纳米氧化铝的过程。随着加热温度的升高,纳米氧化铝出现了晶粒细化现象,且晶粒细化有两个过程,细化程度最大的温度区间为800~1000℃。     

Synthesis of ferroelectric PZT fibers using sol-gel technique

We report the synthesis technique for fabrication of fine Pb(Zr,Ti)O₃ (PZT) fibers via combination of sol-gel route and pulling method. It was found that spinning characteristics of PZT gel fibers were dependent upon the hydrolysis and molarity of the solution. Long gel fibers (meter scale) were drawn by hand-pulling method from the spinnable PZT sol. The fibers were sintered at 950 °C in air atmosphere and found to exhibit dense microstructure with electrical properties similar to that of bulk. High aspect ratio and homogeneous microstructure resulted in increased mechanical flexibility of sintered fibers.     

干法纺丝法制备低氧含量SiC纤维

通过粘度、凝胶含量和XRD等手段研究了聚碳硅烷(PCS)纺丝原液的干法纺丝性能和干纺PCS纤维的自交联过程, 并对所制得的低氧含量SiC纤维的组成、结构和性能进行了表征. 结果表明, PCS/二甲苯纺丝原液的最佳纺丝粘度范围在18.0～22.0Pa·s; 干纺PCS纤维在烧成温度超过250℃后开始发生自交联反应, 在烧成温度超过550℃后, 干纺PCS纤维完全交联形成了“不熔不溶”的网状结构; 干法纺丝法制备得到的SiC纤维与空气不熔化法制得的SiC纤维相比, 氧含量大幅降低, 仅在3.6wt%左右, 结晶度较高, 其耐高温抗氧化性也有明显的改善.