本发明专利技术提供一种α‑Al2O3/莫来石复相陶瓷纤维的制备方法，步骤如下：将铝粉、铝盐、水混合，于110～200℃加热回流至铝粉完全反应得到铝溶胶；取上述方法所得铝溶胶、硅溶胶、纳米颗粒分散液和纺丝助剂混合，所述纳米颗粒分散液为α‑Al2O3分散液、γ‑Al2O3分散液或α‑Fe2O3分散液中的一种或两种以上的组合，经老化浓缩、纺丝、煅烧即得。本发明专利技术通过添加纳米颗粒减小了陶瓷纤维中α‑Al2O3和莫来石晶相的形成温度差，可在较低温度下制得纤维长度长、力学性能优异、高纯度的致密陶瓷纤维。
Preparation of a Al2O3/Mullite Composite Ceramic Fiber
【技术实现步骤摘要】
一种α-Al2O3/莫来石复相陶瓷纤维的制备方法
本专利技术涉及一种α-Al2O3/莫来石复相陶瓷纤维的制备方法，属于无机非金属材料
技术介绍
氧化铝纤维是一种新型陶瓷材料，其主要成分为氧化铝，在氧化环境中的性能明显优于金属纤维、碳纤维和非氧化物纤维。同时氧化铝基陶瓷连续纤维具有超细甚至纳米级的微观结构，由于具有这种纳米级微结构，使其具有良好的强度和柔韧性，在机械、冶金、化工、石油、陶瓷、玻璃、电子等行业得到广泛应用。氧化铝陶瓷纤维具有强度高、硬度高、耐侵蚀、耐磨损的优点，但是高氧化铝含量的陶瓷纤维在高温下晶粒易长大，导致纤维粉化，限制了其在高温环境下的应用。为提高氧化铝陶瓷纤维的性能，可在陶瓷纤维中添加第二相(如莫来石相)，以此提高陶瓷纤维的抗弯强度、耐磨损性和抗疲劳强度，同时降低了纤维密度，且莫来石晶相的热传导和热膨胀系数低、抗蠕变和抗热震性优异、电绝缘性与高温强度优良(参见：无机盐工业,2013,45(5):21)，因而Al2O3-莫来石复相陶瓷纤维弥补了单一晶相氧化铝陶瓷纤维的不足，实用性更强，应用范围更广。美国3M(MinnesotaMiningandManufacturing)公司专利技术的复相莫来石-氧化铝陶瓷纤维(参见文献：CompositeStructures,2018,204:578)，其结晶相为53wt％的富铝莫来石(2Al2O3·SiO2)和47wt％α-Al2O3，但制备过程中无引入添加剂，不能很好的降低Al2O3晶相的形成温度，Al2O3晶相和莫来石晶相形成温度的差异使得在较高温度下莫来石晶粒的生长，从而影响所得复相陶瓷纤维的致密度及力学性能等。张力等通过将含有铝、硅元素的莫来石前驱体纤维在含氨气气氛中煅烧氮化，制得含氮的莫来石陶瓷纤维(参见：CN107473749A)，通过在莫来石纤维中引入氮，构建多种晶相，从而得到复相陶瓷纤维。但此方法在烧结过程中使用氨气，危险性大且易造成环境污染，规模化制备有难度。对于α-Al2O3/莫来石复相陶瓷纤维，由于形成莫来石和α-Al2O3晶相所需温度明显不同，α-Al2O3晶相的形成温度(1400℃)高于莫来石晶相的形成温度(1300℃)，并且采用不同的前驱体溶胶，形成α-Al2O3和莫来石两种晶相的温度差不同，而温度差的存在会使莫来石晶粒生长，影响纤维材料的致密度、力学性能(包括高温下的力学性能)等。为了缩小形成Al2O3晶相和莫来石晶相的温度差，提高纤维的致密度和力学等性能，提出本专利技术。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术提供一种α-Al2O3/莫来石复相陶瓷纤维的制备方法。本专利技术通过添加含有纳米颗粒的分散液到可纺性硅/铝溶胶体系中以降低α-Al2O3晶相的形成温度，从而减小了复相陶瓷纤维中α-Al2O3和莫来石晶相的形成温度差，可在较低温度下制得致密、纤维长度较长、力学性能优异、高纯度的α-Al2O3/莫来石复相陶瓷纤维。本专利技术分散液添加量较少，操作工艺简单可控，易于制备，成本低，易于实现工业化。本专利技术的技术方案如下：一种α-Al2O3/莫来石复相陶瓷纤维的制备方法，包括步骤：(1)将铝粉、铝盐、水混合均匀，制得混合液；于110～200℃加热回流2～20h至铝粉完全反应，过滤得到铝溶胶；(2)将步骤(1)方法制得的铝溶胶、硅溶胶、纳米颗粒分散液和纺丝助剂混合均匀，经老化浓缩制得可纺性硅/铝溶胶；然后经纺丝、煅烧得到α-Al2O3/莫来石复相陶瓷纤维；所述纳米颗粒分散液为α-Al2O3分散液、γ-Al2O3分散液或α-Fe2O3分散液中的一种或两种以上的组合。根据本专利技术优选的，步骤(1)中，所述铝盐为氯化铝、硝酸铝或硫酸铝。根据本专利技术优选的，步骤(1)混合液中，所述铝盐的摩尔浓度为0.3～2mol/L。根据本专利技术优选的，步骤(1)中，所述铝盐与铝粉的摩尔比为1:(1～6)。根据本专利技术优选的，步骤(1)中，于150～180℃加热回流2～14h至铝粉完全反应。根据本专利技术优选的，步骤(1)中所述铝溶胶为含有Al13胶粒([AlO4Al12(OH)24(H2O)12]7+)的氧化铝溶胶，胶粒粒径≤10nm。根据本专利技术，步骤(2)中，硅溶胶、α-Al2O3分散液、γ-Al2O3分散液、α-Fe2O3分散液均可市购获得，分散液内纳米颗粒大小为5-100nm。根据本专利技术优选的，步骤(2)中，所述硅溶胶中二氧化硅的质量浓度为10-45％，α-Al2O3分散液中α-Al2O3的质量浓度为20-40％，γ-Al2O3分散液中γ-Al2O3的质量浓度为20-40％，α-Fe2O3分散液中α-Fe2O3的质量浓度为10-40％。根据本专利技术优选的，步骤(2)中，所述纺丝助剂为聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮或聚氧化乙烯中的一种或两种以上的组合。根据本专利技术优选的，步骤(2)中，铝溶胶和硅溶胶的质量比为(10～15):1。根据本专利技术优选的，步骤(2)中，纳米颗粒分散液的质量是铝溶胶和硅溶胶总质量的0.1～5％；优选的，纳米颗粒分散液的质量是铝溶胶和硅溶胶总质量的1～3％。根据本专利技术优选的，步骤(2)中，纺丝助剂的质量是铝溶胶和硅溶胶总质量的2～15％。根据本专利技术优选的，步骤(2)中，所述老化浓缩是于30～40℃、0.095MPa的真空条件下浓缩4～22h。根据本专利技术优选的，步骤(2)中，所述可纺性硅/铝溶胶的固含量为5～45wt％、25℃时的粘度为5～1000Pa.s。根据本专利技术优选的，步骤(2)中，所述纺丝方法可采用如下任一种方法：i)采用干法纺丝制备凝胶纤维；纺丝温度为30～40℃，相对湿度为10～40％，收丝速率为80～110m/min；ii)以7000～10000转/分的转速进行离心甩丝制备凝胶纤维；优选的，转速为8000～10000转/分；iii)用0.3～0.5MPa的高压气体通过纤维喷吹机将可纺性溶胶喷入30～40℃的空气环境中制备凝胶纤维；优选的，高压气体的压力为0.3～0.4MPa。根据本专利技术优选的，步骤(2)中，所述煅烧条件为：以0.5～3℃/min的速率升温至150～280℃，在此温度保温0.5～2h，然后以1～3℃/min的速率升温至450～600℃，在此温度保温2～4h，再以3～10℃/min的速率升温至900～1400℃，在此温度保温0.5～2h，然后自然降温；上述煅烧过程中，一直以0.1～10L/min的气体流量通入氮气。优选的，所述煅烧条件为：以0.5～2℃/min的速率升温至150～280℃，在此温度保温1～2h，然后以1～3℃/min的速率升温至450～600℃，在此温度保温2～3h，再以5～10℃/min的速率升温至900～1400℃，在此温度保温0.5～1h，然后自然降温；上述煅烧过程中，一直以0.1～5L/min的气体流量通入氮气。本专利技术原理：在原料中引入纳米颗粒和烧结助剂可以降低烧结温度，细化晶粒，并减缓晶粒的异常生长，从而制得致密化的陶瓷。纳米颗粒的引入增加了核化中心，能够使氧化铝晶核加速形成，从而降低了氧化铝的成核势垒，更容易形成目标晶相，使α-Al2O3晶相的形成温度降低，缩小了α-Al2O3与莫来石两晶相的形成温度差，从而减缓了已结晶的莫来石晶相颗粒在高温下的长大，同时也抑制了多孔结构的形成，使凝胶本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种α‑Al2O3/莫来石复相陶瓷纤维的制备方法，包括步骤：(1)将铝粉、铝盐、水混合均匀，得混合液；于110～200℃加热回流2～20h至铝粉完全反应，过滤得到铝溶胶；(2)取步骤(1)方法制得的铝溶胶、硅溶胶、纳米颗粒分散液和纺丝助剂混合均匀，经老化浓缩制得可纺性硅/铝溶胶；然后经纺丝、煅烧得到α‑Al2O3/莫来石复相陶瓷纤维；所述纳米颗粒分散液为α‑Al2O3分散液、γ‑Al2O3分散液或α‑Fe2O3分散液中的一种或两种以上的组合。
【技术特征摘要】
1.一种α-Al2O3/莫来石复相陶瓷纤维的制备方法，包括步骤：(1)将铝粉、铝盐、水混合均匀，得混合液；于110～200℃加热回流2～20h至铝粉完全反应，过滤得到铝溶胶；(2)取步骤(1)方法制得的铝溶胶、硅溶胶、纳米颗粒分散液和纺丝助剂混合均匀，经老化浓缩制得可纺性硅/铝溶胶；然后经纺丝、煅烧得到α-Al2O3/莫来石复相陶瓷纤维；所述纳米颗粒分散液为α-Al2O3分散液、γ-Al2O3分散液或α-Fe2O3分散液中的一种或两种以上的组合。2.根据权利要求1所述的α-Al2O3/莫来石复相陶瓷纤维的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，包括以下条件中的一项或多项：a)所述铝盐为氯化铝、硝酸铝或硫酸铝；b)混合液中，所述铝盐的摩尔浓度为0.3～2mol/L；c)所述铝盐与铝粉的摩尔比为1:(1～6)；d)于150-180℃加热回流2～14h至铝粉完全反应。3.根据权利要求1所述的α-Al2O3/莫来石复相陶瓷纤维的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述铝溶胶为含有Al13胶粒的氧化铝溶胶，胶粒粒径≤10nm。4.根据权利要求1所述的α-Al2O3-莫来石复相陶瓷纤维的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述硅溶胶中二氧化硅的质量浓度为10-45％，α-Al2O3分散液中α-Al2O3的质量浓度为20-40％，γ-Al2O3分散液中γ-Al2O3的质量浓度为20-40％，α-Fe2O3分散液中α-Fe2O3的质量浓度为10-40％。5.根据权利要求1所述的α-Al2O3-莫来石复相陶瓷纤维的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述纺丝助剂为聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮或聚氧化乙烯中的一种或两种以上的组合。6.根据权利要求1所述的α-Al2O3-莫来石复相陶瓷纤维的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，包括以下条件中的一项或多项：a)铝溶胶和硅溶胶的质量比为(10～15):1；b)分散液的质量是铝溶胶和硅溶胶总质量的0.1～5％；优选的，分散液的质量是铝溶胶和硅溶胶总...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈代荣，周欣欣，贾玉娜，焦秀玲，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37
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