一种莫来石基复相纤维及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种莫来石基复相纤维及其制备方法，属于无机非金属材料领域。莫来石基复相纤维制备方法包括下列步骤：a、莫来石前驱体的制备；b、莫来石前驱体纺丝液的配置；c、莫来石凝胶纤维的纤维化成型；d、莫来石凝胶纤维在含氨气气氛中氮化；e、氮化纤维的稳定化热处理。本发明专利技术工艺过程简单，成本低廉，适合莫来石基复相纤维的批量生产；引入氮能构建多种晶相，晶相组成可调控，减小高温下莫来石晶粒快速长大问题，有利于纤维的高温力学性能。莫来石基复相纤维可用作金属基复合材料或陶瓷复合材料的增强体，以及高温隔热材料，满足高温长时间服役的需求。

A mullite based composite fiber and its preparation method

The present invention relates to a mullite based complex phase fiber and a preparation method, which belongs to the field of inorganic non-metallic materials. Mullite based composite fiber preparation method comprises the following steps: A, mullite precursor preparation; B, mullite precursor spinning solution configuration; forming C fibrosis and mullite gel fiber; D fiber, mullite gels containing ammonia atmosphere nitriding; E, nitride fiber stabilization heat treatment. The process is simple, and the cost is low, which is suitable for mass production of mullite based multiphase fibers. The introduction of nitrogen energy to build many kinds of crystalline phases can control the crystal phase composition and reduce the rapid growth of mullite grains at high temperature, which is conducive to high temperature mechanical properties of fibers. Mullite based composite fiber can be used as a metal matrix composite or ceramic composite reinforcement, and high temperature insulation materials, to meet the needs of high temperature and long time service.

【技术实现步骤摘要】
一种莫来石基复相纤维及其制备方法
本专利技术涉及一种莫来石基复相纤维及其制备方法，属于无机非金属材料领域。本方法制备出的莫来石基复相纤维具有优良的耐热性和抗高温蠕变性能，可用于增强金属基或陶瓷基复合材料，在航空航天、汽车、能源等领域具有广泛的应用前景。
技术介绍
莫来石纤维属于高性能陶瓷纤维的一种，以Al2O3-SiO2为主成分，有的还含有少量的添加剂如B2O3等。在Al2O3-SiO2体系中，莫来石是唯一的稳定化合物，具有高熔点(1842℃)、低热膨胀系数(3.5～4.4×10-6K-1)、低热导率(3～6W.m-1.K-1)和优良的抗高温蠕变性能等特点。莫来石还具有优良的高温力学性能，在1500℃还能保持90％的室温强度，非常适合用作高温结构陶瓷。莫来石纤维可作为复合材料的增强体，也可用做高温隔热材料。当长期在高温环境(>1000℃)下应用时，莫来石晶粒快速生长导致其力学性能降低，是限制其在高温下应用的最主要因素。以美国明尼苏达矿业制造公司的Nextel440和日本住友化学公司的Altex2K两种莫来石纤维为例，前者的平均晶粒尺寸在纳米范围(～80nm)，强度为2.1GPa；后者晶粒达到亚微米(～115nm)，强度只有1.25GPa。经1400℃热处理后，这两种纤维的强度都下降到1.1GPa，而此时晶粒都长大到～135nm(B.O.Hildmann,H.Schneider,M.Schmiicker.Hightemperaturebehaviourofpolycrystallinealuminosilicatefibreswithmullitebulkcomposition,I.Microstructureandstrengthproperties.J.Eur.Ceram.Soc,1996,16:281-285)。因此，制备细晶莫来石纤维并抑制晶粒过快生长有利于提高其力学性能，提高其长期使用温度。现有的莫来石纤维中，添加剂大多为B2O3，其作用是促进Al2O3-SiO2之间反应生成莫来石。美国专利USPatent3,795,524公开了一种以硼酸为原料制备含B2O3的莫来石纤维，陶瓷纤维中B2O3和Al2O3的摩尔比为2/9～1/2。由于B2O3在晶界处形成玻璃相，降低纤维的抗蠕变性能，同时加速莫来石晶粒长大，强度也因此下降。此外，B2O3在高温下(>1000℃)容易挥发，也会造成纤维收缩和性能恶化。除B2O3外，莫来石其它的添加剂还有P2O5、TiO2等。它们虽然在一定程度上促进了莫来石的形成，但在高温下产生类似B2O3的负面影响，如形成了玻璃液相以及造成莫来石晶粒异常晶粒长大等。因此，抑制莫来石晶粒粗化并避免引入玻璃相，是改善莫来石纤维的高温力学性能的关键。为了解决上述问题，本专利技术提供了一种莫来石基复相纤维及其制备方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于提供一种莫来石基复相纤维的制备方法，莫来石纤维中的晶相组成可调控，减小高温下莫来石晶粒快速长大问题。本专利技术的特征在于：是通过将含有铝、硅元素的莫来石前驱体纤维在含氨气气氛中煅烧，得到莫来石基复相纤维。本专利技术所述的莫来石基复相纤维制备方法包括下列步骤：a、莫来石前驱体的制备；b、莫来石前驱体纺丝液的配置；c、莫来石凝胶纤维的纤维化成型；d、莫来石凝胶纤维在含氨气气氛中氮化；e、氮化纤维的稳定化热处理。a步骤中，所述的莫来石前驱体可以通过分别制备氧化铝溶胶和二氧化硅溶胶，再将两种溶胶混合得到；也可以将含铝和含硅的有机醇盐(酯)混合后水解反应合成。a步骤中，所述的氧化铝溶胶可以用金属铝和氯化铝反应制备，也可以用铝的有机醇盐水解制备。a步骤中，所述的二氧化硅溶胶可以通过水玻璃经阳离子交换技术制备，也可以用有机硅酸酯经水解获得；二氧化硅溶胶与氧化铝溶胶混合前通常需要用酸调节pH值为酸性，以避免絮凝。a步骤中，含铝的有机醇盐包括但不限于乙醇铝、丙醇铝、异丙醇铝、丁醇铝、仲丁醇铝等铝醇盐中的一种或几种；含硅的有机醇酯包括但不限于硅酸甲酯、硅酸乙酯、硅酸丙酯、硅酸丁酯等有机硅酸酯的一种或几种；将有机醇盐和有机硅酸酯混合溶解在低级醇中，加入酸性水溶液水解，得到莫来石前驱体。a步骤中，莫来石前驱体的铝硅质量比满足氧化铝：二氧化硅＝70～85:30～15，优选为72～80:28～20。b步骤中，莫来石前驱体纺丝液的配置是在莫来石前驱体中加入纺丝助剂，经过搅拌均匀化处理，减压浓缩得到一定粘度的纺丝液体；纺丝助剂包括聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或者几种，加入量为莫来石质量分数的0.1～20％。c步骤中，莫来石凝胶纤维的纤维化成型是将一定粘度的莫来石前驱体纺丝液用高压气流喷吹或高速离心甩丝的办法获得凝胶纤维棉，也可以用干法纺丝的办法获得连续凝胶纤维；莫来石前驱体纺丝液的粘度为0.1Pa.s～1000Pa.s，根据成纤方法的要求而调整。d步骤中，氮化气氛采用氨气和氮气/氩气/氢气等不含氧的气氛中的一种或几种混合，混合气体流量0.1～10L/min，氨气的体积分数10％～100％。氮化温度800～1400℃，升温速率1～10℃/min，保温1～5h。加热过程中莫来石前驱体发生热解，脱除水、二氧化碳等气体，并与氨气发生反应，部分氮原子取代Si-O或者Al-O上的氧原子，得到含氮的陶瓷纤维。e步骤中，根据需要，氮化后的陶瓷纤维可在1200～1600℃进行稳定化热处理，升温速率1～100℃/min，保温1min～4h，气氛采用氮气或氩气中的一种或几种混合气氛，得到莫来石基复相纤维。一种莫来石基复相纤维，采用上述方法制备得到，纤维中的氮含量1～15wt％，晶相组成为莫来石、氧化铝以及SiAlON中的两种或多种，晶粒细小，高温下晶粒生长速度低，纤维强度高，可用于金属基复合材料或陶瓷复合材料的增强体，也可以用于高温隔热材料，满足高温长时间服役的需求。本专利技术所涉及莫来石基复相纤维及其制备方法，相比现有技术具有如下有益效果：(1)在莫来石纤维中引入氮，构建多种晶相，抑制莫来石的晶粒生长速度，得到细晶组织，有利于纤维的高温力学性能；(2)通过调整铝、硅以及氮含量，可对纤维的晶相组成和微观结构进行设计，获得所需要的性能，拓宽了纤维的应用范围。(3)成本低廉，工艺过程简单，适合批量生产。附图说明图1是实施例1中氨气气氛煅烧所得莫来石基复相纤维的X射线衍射图；图2是实施例1中空气气氛煅烧所得莫来石复相纤维的X射线衍射图；图3是实施例2中氨气气氛煅烧所得莫来石基复相纤维的X射线衍射图；图4是实施例2中空气气氛煅烧所得莫来石复相纤维的X射线衍射图；图5是实施例3中所得含氮陶瓷纤维的X射线衍射图；图6是实施例4中氮气气氛煅烧所得莫来石复相纤维的X射线衍射图；图7是实施例5中所得莫来石复相纤维的扫描了电子显微镜图。具体实施方式本专利技术莫来石基复相纤维的制备方法，包括以下步骤：a、莫来石前驱体的制备；b、莫来石前驱体纺丝液的配置；c、莫来石凝胶纤维的纤维化成型；d、莫来石凝胶纤维在含氨气气氛中氮化；e、氮化纤维的稳定化热处理。a步骤中，所述的莫来石前驱体可以通过分别制备氧化铝溶胶和二氧化硅溶胶，再将两种溶胶混合得到；也可以将含铝和含硅的有机醇盐(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种莫来石基复相纤维及其制备方法，其特征在于：是通过将含有铝、硅元素的莫来石前驱体纤维在含氨气气氛中煅烧，得到莫来石基复相纤维。

【技术特征摘要】
1.一种莫来石基复相纤维及其制备方法，其特征在于：是通过将含有铝、硅元素的莫来石前驱体纤维在含氨气气氛中煅烧，得到莫来石基复相纤维。2.一种莫来石基复相纤维及其制备方法，其特征在于：包括以下步骤：a、莫来石前驱体的制备；b、莫来石前驱体纺丝液的配置；c、莫来石凝胶纤维的纤维化成型；d、莫来石凝胶纤维在含氨气气氛中氮化；e、氮化纤维的稳定化热处理。3.根据权利要求1或2所述的莫来石基复相纤维的制备方法，其特征在于：a步骤中，所述的莫来石前驱体可以通过分别制备氧化铝溶胶和二氧化硅溶胶，再将两种溶胶混合得到；也可以将含铝和含硅的有机醇盐（酯）混合后水解反应合成。4.根据权利要求1或2所述的莫来石基复相纤维的制备方法，其特征在于：a步骤中，所述的氧化铝溶胶可以用金属铝和氯化铝反应制备，也可以用铝的有机醇盐水解制备。5.根据权利要求1或2所述的莫来石基复相纤维的制备方法，其特征在于a步骤中，所述的二氧化硅溶胶可以通过水玻璃经阳离子交换技术制备，也可以用有机硅酸酯经水解获得；二氧化硅溶胶与氧化铝溶胶混合前通常需要用酸调节pH值为酸性，以避免絮凝。6.根据权利要求1或2所述的莫来石基复相纤维的制备方法，其特征在于：a步骤中，含铝的有机醇盐包括但不限于乙醇铝、丙醇铝、异丙醇铝、丁醇铝、仲丁醇铝等铝醇盐中的一种或几种；含硅的有机醇酯包括但不限于硅酸甲酯、硅酸乙酯、硅酸丙酯、硅酸丁酯等有机硅酸酯的一种或几种；将有机醇盐和有机硅酸酯混合溶解在低级醇中，加入酸性水溶液水解，得到莫来石前驱体。7.根据权利要求1或2所述的莫来石基复相纤维的制备方法，其特征在于：a步骤中，莫来石前驱体的铝硅质量比满足氧化铝：二氧化硅=70~85:30~15，优选为72~80:28~20。8.根据权利要求1或2所述的莫来石基复相纤维的制备方法，其特征在于：b步骤中，莫来石前驱体纺丝液的配置是在...

【专利技术属性】
技术研发人员：张力，金雪，罗欢，周黎南，刘琳，李峻峰，
申请(专利权)人：成都理工大学，
类型：发明
国别省市：四川,51