莫來石連續(xù)纖維制備工藝的研究.pdf

1、高溫陶瓷材料的應(yīng)用領(lǐng)域愈來愈廣泛，纖維增強陶瓷復(fù)合材料是提高陶瓷材料強度和韌性的最重要的方法之一，用陶瓷纖維做成高溫復(fù)合材料，這是當前高溫陶瓷發(fā)展的一個重要方面。莫來石由于具有高熔點、低密度、低的熱傳導率和熱膨脹系數(shù)、優(yōu)良的高溫抗蠕變性和抗熱震穩(wěn)定性、耐氧化等性能，在耐高溫材料中受到愈來愈多的重視。本文在詳細綜述國內(nèi)外陶瓷纖維制備工藝發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了采用熔融拉絲工藝制備莫來石連續(xù)纖維的課題。 純莫來石熔點高、粘度低，成纖

2、性差，工業(yè)上采用高溫熔融工藝生產(chǎn)莫來石連續(xù)纖維，無論設(shè)備上還是技術(shù)上都存在較大的難度，因此本論文對在Al<,2>O<,3>—SiO<,2>體系中加入調(diào)節(jié)其熔點和粘度的第三組分制備莫來石連續(xù)纖維的研究進行探討。 在Al<,2>O<,3>—SiO<,2>體系中分別加入FeO、Na<,2>O、MgO等組分后，通過高溫熔融工藝，制備出了莫來石纖維；采用x射線粉末衍射(XRD)、X射線電子能譜(EDS)、差示掃描量熱法(DSC)和掃描電子

3、顯微鏡(SEM)等測試技術(shù)手段，論文全面、深入、多因素和系統(tǒng)地研究了上述三種體系中制備莫來石連續(xù)纖維的行為，取得了具有一定創(chuàng)新性的研究成果。 從Al<,2>O<,3>—SiO<,2>—Na<,2>O(FeO／MgO)體系中均制備出了連續(xù)纖維，XRD結(jié)果表明纖維的主晶相為莫來石加一定量的玻璃相；SEM—EDS結(jié)果進一步證明了纖維中的主晶相為莫來石，同時顯示莫來石的形態(tài)為針狀或棒狀組織。該纖維不同于普通硅酸鋁纖維，因為硅酸鋁纖維的莫

4、來石析晶溫度為980℃左右，而該纖維的莫來石析晶溫度在1350—1500℃范圍內(nèi)，即該纖維的耐火性明顯高于普通硅酸鋁纖維。進一步提高該纖維耐火性的方法是將其放入20％濃度的氫氟酸溶液中浸泡，瀝濾出其中的玻璃相，燒結(jié)使其致密化。 通過研究，獲得了在Al<,2>O<,3>—SiO<,2>體系中分別添加FeO、Na<,2>O或MgO組份后的最佳初始配料點的成分范圍。在這些體系中制備莫來石纖維時，要保證纖維凝固點在莫來石轉(zhuǎn)熔點溫度附近，

5、否則莫來石發(fā)生轉(zhuǎn)熔反應(yīng)，致使纖維中莫來石含量減少，降低了纖維的耐火性。 A1<,2>O<,3>—SiO<,2>—Feo體系熔體的可拉絲性能差，莫來石晶粒較大，纖維在20[％] 的氫氟酸溶液浸泡后，雖然大部分莫來石纖維的骨架是連續(xù)的，但部分纖維出現(xiàn) 了破碎現(xiàn)象；A1<,2>O<,3>—SiO<,2>—Na<,2>O體系熔體的纖維成形性能良好，莫來石晶粒細 小，在20[％]的氫氟酸水溶液中浸泡后，莫來石晶粒連貫性強，纖維中莫來

6、石骨架 依然是連續(xù)的；A1<,2>O<,3>—siO<,2>—MgO體系熔體具有良好的拉絲性能，但莫來石晶 粒粗大，在20[％]的氫氟酸水溶液中浸泡后，纖維中莫來石骨架的連續(xù)性差。因此 在A1<,2>O<,3>—SiO<,2>體系中加入Na<,2>O組分最適合制備莫來石連續(xù)纖維。 運用熱分析方法、根據(jù)Johnson-Mehl-Avramic方程，研究了莫來石形核動力 學，獲得的反應(yīng)析晶機理的Avrami指數(shù)n是放熱峰溫度

7、T<,p>、激活能E、放熱峰 半高寬處的溫差△T的函數(shù)。分析了莫來石高溫反應(yīng)動力學機理，得到了表示流 量的線性方程和反映莫來石生長速率的拋物線型方程，以及莫來石形成反應(yīng)速率 由擴散慢的Si<'4+>離子的平均擴散系數(shù)確定的結(jié)論。 為了更好地獲得莫來石連續(xù)纖維，研究了拉伸變形的一些規(guī)律。從流變學觀點出發(fā)，熔體在漏嘴中的流動是粘性流體的剪切變形；絲根被拉成纖維，是粘性流股的單軸向拉伸變形；漏嘴的流量可以通過泊肅葉(Poiseu

8、ille)公式進行估算。根據(jù)紡絲過程的主要因素和邊界條件，建立了纖維成形過程的連續(xù)方程、運動方程和能量方程。生產(chǎn)中應(yīng)控制熔體的可紡性、流體力學的穩(wěn)定性和外部條件的波動等因素，它們?nèi)菀自斐衫w維成形過程的不穩(wěn)定性，從而影響了莫來石連續(xù)纖維的制備。 通過調(diào)整初始配料點的成分體系，使其熔點、粘度等參數(shù)與玻璃纖維的參數(shù)接近,則可借用玻璃纖維的坩堝拉絲工藝，漏嘴采用多孔的鉑金漏板，使漏板的溫度在莫來石轉(zhuǎn)熔溫度點附近；同時通過控制漏板下面纖維