本发明专利技术公开了一种多元复合氧化铝基连续纤维的制备工艺，在蒸馏水中加入一种铝的无机盐，铝盐溶解后加入金属铝粉、晶粒抑止剂和烧结助剂。混合物在４０－１００℃、连续搅拌和冷凝回流条件下反应，得到前驱体铝溶液。在前驱体溶液中加入高聚物纺丝助剂，将溶液浓缩，得到可纺的前驱体溶胶。浓缩的溶胶放入到带纺丝漏板的储液槽中，采用干法或湿法纺丝得到含有有机物的氧化铝基连续纤维原丝，最后将原丝干燥、烧结得到氧化铝基纤维。本发明专利技术氧化铝基纤维可用于航空航天、汽车、文体用品等领域，作为复合材料中的增强体。
【技术实现步骤摘要】
本 专利技术涉及一种可以用作缠绕、叠层或其他二维三维编织的连续氧化铝基纤维的 制备工艺。
技术介绍
氧化铝基纤维一般为多晶陶瓷纤维，以Al2O3为主要成分，并含Si02、B203、&02、Y203 或MgO等成分。氧化铝基纤维具有高的弹性模量和高温强度、抗蠕变性和抗热冲击性能，在 高温氧化条件下具有良好的稳定性和力学性能，还具有较低的热导率和优良的电绝缘性， 氧化铝基纤维可应用于高温材料、复合材料领域。在国内，氧化铝基短纤维的生产工艺比较成熟(生产厂家有山东鲁阳，浙江德 清，洛阳耐火材料等公司)。在国外，氧化铝基短纤维、连续纤维的制备技术也已工业化生 产(生产厂家如美国3M，英国ICI，日本Simitomo等公司)。但全世界的研究者继续对纤 维的制备进行更深入的研究，以期简化纤维制备工艺、降低成本、提高质量。溶胶-凝胶法 制备氧化铝基纤维设备简单、制备成本低，烧结温度低(比淤浆法低400 500°C )，前驱体 混合均勻(其化学均勻性可达分子水平)，制备过程中的反应温和，反应过程易于控制。因 此，用溶胶_凝胶法制备氧化铝基纤维的研究较多。由于金属醇盐具有较高的化学反应活性，以溶胶-凝胶法制备氧化铝基纤维时， 胃用 Μ酉享4k为原 Chandradass 入用异丙醇铝为原料、稀硝酸为催化剂、甲基纤维素为纺丝助剂，通 过溶胶-凝胶法制备了氧化铝纤维。研究发现0^1203相变温度为11001，增加纺丝助 剂的量，纤维的强度降低。甲基纤维素掺量为10wt%的纤维，在1600°C煅烧2h后的强度 为最大(128ΜΡει) 。 ΜειηθθΓει ειηει ·入以仲丁醇铝为原料、二乙二醇单乙基醚为溶剂(两者摩尔比为2 1)制备了可 纺的溶胶，用IOkV的电压、溶胶流量为6. 35cm7h、电极间的距离为15cm、纺丝孔(针头孔 径)0. 712mm时，通过电纺制备了连续的中空氧化铝纤维，纤维的直径为20 μ m。Towata等 人用异丙醇铝、异丙醇钇为原料，异丙醇为 溶剂，加入HCl溶液使其水解，制备了钇铝石榴石(YAG)纤维，研究发现YAG晶种的加入有 利于纤维的石榴石化，当其加入量大于2. 4vol%时，石榴石化温度由原来的1500°C降低到 1300°C, P拳{氏了 200DGo Chandradass 等人用异丙醇铝、氯氧锆为原料用溶胶-凝胶法制备了氧化铝、氧化 铝-氧化锆(IOwt.纤维，研究了 MgO对纤维烧结性能和晶粒大小的影响，研究发现 MgO使氧化铝纤维向α -Al2O3相转变的温度推迟，但对氧化铝_氧化锆的物相转变温度不 影响(纤维物相为α -Al2O3和t-&02，MgO能促进&02稳定)，MgO能减小纤维中晶粒的尺 寸，使纤维的强度增加(Al2O3纤维强度为128MPa，掺2wt% MgO氧化铝纤维强度为183MPa ； Al2O3-IO% ZrO2纤维强度为846MPa，掺2wt% MgO的复合纤维强度为1057MPa)。由于铝醇盐的成本较高，用溶胶_凝胶法制备氧化铝基纤维时，常用金属铝粉和氯化铝为原料制备前驱体溶胶(即聚氯氧铝溶胶，也称聚合氯化铝溶胶)。傅顺德等人 以结晶氯化铝、铝粉和硅溶胶为原料制备出不同粘度 的溶胶，研究甩丝盘转速、热风温度对纤维直径和单丝拉伸强度的影响，研究发现胶体粘 度为20Pa · s、甩丝盘转速为6000r · mirT1、热风温度为80°C时，单丝拉伸强度较高，超过 IOOOMPa,纤维的平均直径为3. 8 μ m。黄前军等人以铝粉和六 水氯化铝为原料、水为溶剂，采用溶胶-凝胶法制备了稳定的多晶氧化铝纤维，研究氯化镁 的加入对纤维形貌的影响。研究发现氯化镁随铝粉同时加入AlCl3 · 6H20水溶液中能显著 改善纤维的显微形貌，减少裂纹的产生；其原因是Mg2+在加热回流过程中与铝氧高分子中 的氧以化学键连接，成为铝氧高分子的一部分，在烧结过程中凝胶失去H、Cl以及部分氧元 素后，纤维的化学组成包括Al2O3及少量Mg0，Mg0在纤维中均勻分布，促进了纤维的烧结，阻 止Al2O3晶粒的异常长大，最终使 纤维具有光洁的表面形貌。而直接将氯化镁加到前驱体溶 胶中则无法得到光洁的纤维形貌，原因为MgO在纤维表面聚集所致。目前的研究结果表明，现制备的氧化铝纤维的长度较短，不能得到连续的纤维。氧 化铝纤维的强度较低，可加入晶粒抑止剂，细化晶粒，提高其强度。为降低纤维的烧结温度， 可加入低熔点的物质，促进烧结。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供了一种低成本的溶胶凝胶法制备多元复合氧化铝基连续纤 维的新工艺。为达到以上目的，本专利技术是采取如下技术方案予以实现的一种多元复合氧化铝基连续纤维的制备工艺，其特征在于，包括下述步骤(1)在蒸馏水中加入铝的无机盐，铝的无机盐溶解后加入金属铝粉，并选择加入晶 粒抑止剂和烧结助剂，其中金属铝粉与铝的无机盐的摩尔比例为1 0.1-1，金属铝粉与 蒸馏水的摩尔比例为1 10-30，晶粒抑止剂和烧结助剂的加入量分别为金属铝粉摩尔数 的0 30%;所得混合物溶液在40-100°C、连续搅拌和冷凝回流条件下，反应2-8小时制备 出铝溶液；(2)在步骤(1)的铝溶液中按金属铝粉的质量加入0-30%的高聚物纺丝助剂；(3)将步骤(2)加入高聚物纺丝助剂的溶液在40-100°C条件下浓缩；(4)将步骤(3)浓缩得到的溶胶放入到带纺丝漏板的储液槽中，采用干法或湿法 纺丝得到含有有机物的氧化铝基连续纤维原丝；(5)将步骤(4)得到的纤维原丝在40-100°C下干燥，然后以0. 5-5°C /min的升温 速率加热至600°C脱去有机物，接着以5-10°C /min的升温速率加热至1000_1600°C烧成，并 在烧成温度下保温0. 5-2小时，最终获得多晶氧化铝基连续纤维。上述方案中，所述步骤(1)中的铝的无机盐为硝酸铝、氯化铝、氟化铝、溴化铝、硫 酸铝中的一种。所述步骤(1)中的晶粒抑止剂为硅溶胶、氯氧锆、硝酸锆、氧化镁、氯化钛中的一 种。所述烧结助剂为氧化硼、硼酸、磷酸中的一种。所述步骤(2)中的高聚物纺丝助剂为聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯二醇、聚丙烯酸中的一种。本专利技术优点是，利用低成本的铝的无机盐、金属铝粉为原料，在一定温度和时间条件下制备铝的溶胶。在制备铝溶胶时，选择加入晶粒抑止剂，可抑止氧化铝晶粒在煅烧时长 大，改善纤维的力学性能。在制备铝溶胶时，选择加入烧结助剂，可降低纤维的烧结温度。按照本专利技术的方法，通过调整配方组成，得到的多元复合氧化铝基纤维含有氧化 铝相、晶粒抑止剂相和烧结助剂相，各相的比例随晶粒抑止剂和烧结助剂相加入量的比例 变化。制备所得到的多元复合连续氧化铝基纤维直径为5-50 μ m，具有很好的强度，最大为 890MPa ；并且能够缠绕在导向辊上，纤维断面致密，可以满足特殊的使用要求，例如复合材 料的纤维预制体或其他结构材料。具体实施例方式以下结合具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明。表1列出了编号为1-8的8个实施例第一步工艺中的配方组成。根据表1不同的 实施例确定铝粉、水、铝的无机盐、晶粒抑止剂和烧结助剂的种类和加入量。表1.原料的配方权利要求1.一种多元复合氧化铝本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种多元复合氧化铝基连续纤维的制备工艺，其特征在于，包括下述步骤：（１）在蒸馏水中加入铝的无机盐，铝的无机盐溶解后加入金属铝粉，并选择加入晶粒抑止剂和烧结助剂，其中：金属铝粉与铝的无机盐的摩尔比例为１∶０．１－１，金属铝粉与蒸馏水的摩尔比例为１∶１０－３０，晶粒抑止剂和烧结助剂的加入量分别为金属铝粉摩尔数的０～３０％；所得混合物溶液在４０－１００℃、连续搅拌和冷凝回流条件下，反应２－８小时制备出铝溶液；（２）在步骤（１）的铝溶液中按金属铝粉的质量加入０－３０％的高聚物纺丝助剂；（３）将步骤（２）加入高聚物纺丝助剂的溶液在４０－１００℃条件下浓缩；（４）将步骤（３）浓缩得到的溶胶放入到带纺丝漏板的储液槽中，采用干法或湿法纺丝得到含有有机物的氧化铝基连续纤维原丝；（５）将步骤（４）得到的纤维原丝在４０－１００℃下干燥，然后以０．５－５℃／ｍｉｎ的升温速率加热至６００℃脱去有机物，接着以５－１０℃／ｍｉｎ的升温速率加热至１０００－１６００℃烧成，并在烧成温度下保温０．５－２小时，最终获得多晶氧化铝基连续纤维。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：杨建锋，谭宏斌，林光，张海鸿，丁亚平，乔冠军，鲍崇高，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[]
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