一种多元复相微纳陶瓷纤维及其制备方法、应用技术

本发明专利技术公开一种多元复相微纳陶瓷纤维及其制备方法、应用，该方法首先制备包含纺丝助剂、催化剂和溶剂的纺丝助剂溶液；再加入硅源；然后根据实际应用中需要的纤维性能对金属源的组分及比例进行设计，将金属源与乙酸混合，再加入到反应液中，得到纺丝先驱体溶胶。金属源在遇水时极易水解、沉淀，难以形成稳定的纺丝溶液；而乙酸可以与金属源发生络合反应，形成稳定的配位结构，避免金属源的水解。水解缩合后的硅源与乙酸稳定的金属源之间也会发生脱水缩合的反应，形成纺丝性好的纺丝先驱体溶胶。之后通过静电纺丝和高温烧成制得多元复相微纳陶瓷纤维。本发明专利技术提供的制备方法所用的原料都为商业化试剂，来源广泛，先驱体溶胶合成路线简单。路线简单。路线简单。

A multi-component multiphase micro nano ceramic fiber and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种多元复相微纳陶瓷纤维及其制备方法、应用


[0001]本专利技术涉及陶瓷纤维
，尤其是一种多元复相微纳陶瓷纤维及其制备方法、应用。

技术介绍

[0002]氧化物微纳陶瓷纤维具有耐高温、抗氧化、强度高和比表面积大等特点，在高温气体过滤、催化、隔热和隔声等领域具有广阔的应用前景。研究表明，将两种或两种以上氧化物陶瓷结合制备多元复相氧化物陶瓷纤维有望发挥氧化物各自的优势，使得多元复合纤维具有更多功能特性和更好的耐高温和抗氧化等性能，近年来引起了研究者的广泛关注。
[0003]但目前多元复相氧化物陶瓷纤维还存在以下几点不足：制备的纤维直径粗、表面积小；多为两种氧化物的复相陶瓷纤维，力学性能和隔热性能不佳。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种多元复相微纳陶瓷纤维及其制备方法、应用，用于克服现有技术中制备的纤维直径粗、比表面积小，力学性能和隔热性能不佳等缺陷。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提出一种多元复相微纳陶瓷纤维的制备方法，包括以下步骤：S1：按质量比(1~10):(0.1~1):(0.5~3.5)称取纺丝助剂、催化剂和溶剂，混合搅拌溶解，得到纺丝助剂溶液；S2：向所述纺丝助剂溶液中加入硅源，搅拌进行水解反应，得到反应液；所述硅源与纺丝助剂溶液的质量比为(0.5:1)~(3:1)；从Zr源、Ti源、Hf源、Al源和Nb源中选取至少两种作为金属源，按质量比(3:1)~(1:2)称取金属源和乙酸，混合搅拌，加入到所述反应液中，搅拌，得到纺丝先驱体溶胶；S3：对所述纺丝先驱体溶胶进行静电纺丝，得到先驱体原纤维；S4：在空气或氧气气氛下，对所述先驱体原纤维进行烧成，得到多元复相微纳陶瓷纤维。
[0006]为实现上述目的，本专利技术还提出一种多元复相微纳陶瓷纤维，由上述所述制备方法制备得到；所述陶瓷纤维为SiO2与金属氧化物的复相微纳陶瓷纤维；所述金属氧化物为ZrO2、TiO2、HfO2、Al2O3和NbO2中的至少两种；所述陶瓷纤维中Si原子和金属原子的摩尔比为(10:1)~(1:10)；所述陶瓷纤维的直径为0.1~5 μm。
[0007]为实现上述目的，本专利技术还提出一种多元复相微纳陶瓷纤维的应用，将上述所述制备方法制备得到的陶瓷纤维或者上述所述的陶瓷纤维应用于隔热领域中。
[0008]与现有技术相比，本专利技术的有益效果有：1、本专利技术提供的多元复相微纳陶瓷纤维的制备方法首先制备包含纺丝助剂、催化剂和溶剂的纺丝助剂溶液；再加入硅源，在酸性催化剂下，硅源的水解速率快于聚合速率，有利于硅源水解缩合形成易于纺丝的稳定反应液。然后根据实际应用中需要的纤维性能对
金属源的组分及比例进行设计，将金属源与乙酸混合，再加入到反应液中，得到纺丝先驱体溶胶。金属源在遇水时极易水解、沉淀，难以形成稳定的纺丝溶液；而乙酸可以与金属源发生络合反应，形成稳定的配位结构，避免金属源的水解，因此选用乙酸作为稳定剂。水解缩合后的硅源与乙酸稳定的金属源之间也会发生脱水缩合的反应，形成纺丝性好、易制得直径细、比表面积较高的纤维的纺丝先驱体溶胶。之后通过静电纺丝和高温烧成制得多元复相微纳陶瓷纤维。本专利技术提供得制备方法所用的原料都为商业化试剂，来源广泛，先驱体溶胶合成路线简单。
[0009]2、本专利技术提供的多元复相微纳陶瓷纤维为SiO2与金属氧化物的复相微纳陶瓷纤维；所述金属氧化物为ZrO2、TiO2、HfO2、Al2O3和NbO2中的至少两种；所述陶瓷纤维中Si原子和金属原子的摩尔比为(10:1)~(1:10)；所述陶瓷纤维的直径为0.1~5 μm。该多元复相微纳陶瓷纤维表面光滑、结构致密、直径分布均匀。本专利技术的多元复相微纳陶瓷纤维是通过先驱体转化法制备得到，先驱体在高温条件下裂解转化为陶瓷，该种方法的特点是原子之间化学键的断裂和重排，本身原子的迁移率不高，难以形成固溶体。即本专利技术的多元复相微纳陶瓷纤维中各相独立存在，因此本专利技术的陶瓷纤维同时具有各项的优势，可根据实际应用中的需要进行组合。SiO2和ZrO2主要是低固体热导率相，HfO2、Al2O3和NbO2高温稳定性好，主要是提高高温稳定性，TiO2红外遮蔽性能好，有助于降低高温条件下辐射热传输。
[0010]此外，本专利技术的多元复相陶瓷纤维由于各相独立存在，因此纤维中存在大量的相界面，声子的传输过程在界面处会发生强烈的声子
‑
界面散射，有助于降低固体热导率。因此，本专利技术的多元复相陶瓷纤维在隔热领域具有很好的应用前景。
附图说明
[0011]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0012]图1为实施例1的SiO2/ZrO2/TiO2复相纤维扫描电子显微镜图；图2为实施例1的SiO2/ZrO2/TiO2复相纤维X射线电子能谱图。
[0013]本专利技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0014]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0015]另外，本专利技术各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本专利技术要求的保护范围之内。
[0016]无特殊说明，所使用的药品/试剂均为市售。
[0017]本专利技术提出一种多元复相微纳陶瓷纤维的制备方法，包括以下步骤：
S1：按质量比(1~10):(0.1~1):(0.5~3.5)称取纺丝助剂、催化剂和溶剂，混合搅拌溶解，得到纺丝助剂溶液。
[0018]溶剂主要是溶解纺丝助剂和调整纺丝溶液的电导率和挥发性等参数。S2：向所述纺丝助剂溶液中加入硅源，搅拌进行水解反应，得到反应液；所述硅源与纺丝助剂溶液的质量比为(0.5:1)~(3:1)；从Zr源、Ti源、Hf源、Al源和Nb源中选取至少两种作为金属源，按质量比(3:1)~(1:2)称取金属源和乙酸，混合搅拌，加入到所述反应液中，搅拌，得到纺丝先驱体溶胶。控制乙酸和金属源的比例主要是确保乙酸充分稳定金属源。乙酸含量过多会影响溶液电导率和纺丝性，含量过少又不能确保充分稳定金属源。
[0019]S3：对所述纺丝先驱体溶胶进行静电纺丝，得到先驱体原纤维。
[0020]S4：在空气或氧气气氛下，对所述先驱体原纤维进行烧成，得到多元复相微纳陶瓷纤维。
[0021]优选地，在步骤S1中，纺丝助剂、催化剂和溶剂的质量比为(3~5):(0.3~0.6):(1~3)。纺丝助本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多元复相微纳陶瓷纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：按质量比(1~10):(0.1~1):(0.5~3.5)称取纺丝助剂、催化剂和溶剂，混合搅拌溶解，得到纺丝助剂溶液；S2：向所述纺丝助剂溶液中加入硅源，搅拌进行水解反应，得到反应液；所述硅源与纺丝助剂溶液的质量比为(0.5:1)~(3:1)；从Zr源、Ti源、Hf源、Al源和Nb源中选取至少两种作为金属源，按质量比(3:1)~(1:2)称取金属源和乙酸，混合搅拌，加入到所述反应液中，搅拌，得到纺丝先驱体溶胶；S3：对所述纺丝先驱体溶胶进行静电纺丝，得到先驱体原纤维；S4：在空气或氧气气氛下，对所述先驱体原纤维进行烧成，得到多元复相微纳陶瓷纤维。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述纺丝助剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚苯乙烯、聚氧化乙烯和聚乙烯醇中的至少一种；所述纺丝助剂的分子量为30000~2000000。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述催化剂为稀硝酸、盐酸和硫酸中的至少一种；所述催化剂的浓度为0.1~10 mol/L。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述溶剂为N
’
N
‑
二甲基甲酰胺、乙醇和去离子水中的至少一种。5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述硅源为含硅有机化合物，包括正硅酸乙酯、甲基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓山，王应德，王兵，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：