莫來(lái)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(lái)愈廣泛，纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料是提高陶瓷材料強(qiáng)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(dāng)前高溫陶瓷發(fā)展的一個(gè)重要方面。莫來(lái)石由于具有高熔點(diǎn)、低密度、低的熱傳導(dǎo)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(lái)愈多的重視。本文在詳細(xì)綜述國(guó)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(lái)石連續(xù)纖維的課題。 純莫來(lái)石熔點(diǎn)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(lái)石連續(xù)纖維，無(wú)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(duì)在Al<,2>O<,3>—SiO<,2>體系中加入調(diào)節(jié)其熔點(diǎn)和粘度的第三組分制備莫來(lái)石連續(xù)纖維的研究進(jìn)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(guò)高溫熔融工藝，制備出了莫來(lái)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(cè)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(lái)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(lái)石加一定量的玻璃相；SEM—EDS結(jié)果進(jìn)一步證明了纖維中的主晶相為莫來(lái)石，同時(shí)顯示莫來(lái)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?yàn)楣杷徜X纖維的莫

4、來(lái)石析晶溫度為980℃左右，而該纖維的莫來(lái)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(jìn)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(guò)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(diǎn)的成分范圍。在這些體系中制備莫來(lái)石纖維時(shí)，要保證纖維凝固點(diǎn)在莫來(lái)石轉(zhuǎn)熔點(diǎn)溫度附近，

5、否則莫來(lái)石發(fā)生轉(zhuǎn)熔反應(yīng)，致使纖維中莫來(lái)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(lái)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(lái)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(lái)石晶粒細(xì) 小，在20[％]的氫氟酸水溶液中浸泡后，莫來(lái)石晶粒連貫性強(qiáng)，纖維中莫來(lái)

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(lái)石晶 粒粗大，在20[％]的氫氟酸水溶液中浸泡后，纖維中莫來(lái)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(lái)石連續(xù)纖維。 運(yùn)用熱分析方法、根據(jù)Johnson-Mehl-Avramic方程，研究了莫來(lái)石形核動(dòng)力 學(xué)，獲得的反應(yīng)析晶機(jī)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(lái)石高溫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，得到了表示流 量的線性方程和反映莫來(lái)石生長(zhǎng)速率的拋物線型方程，以及莫來(lái)石形成反應(yīng)速率 由擴(kuò)散慢的Si<'4+>離子的平均擴(kuò)散系數(shù)確定的結(jié)論。 為了更好地獲得莫來(lái)石連續(xù)纖維，研究了拉伸變形的一些規(guī)律。從流變學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，熔體在漏嘴中的流動(dòng)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(guò)泊肅葉(Poiseu

8、ille)公式進(jìn)行估算。根據(jù)紡絲過(guò)程的主要因素和邊界條件，建立了纖維成形過(guò)程的連續(xù)方程、運(yùn)動(dòng)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(xué)的穩(wěn)定性和外部條件的波動(dòng)等因素，它們?nèi)菀自斐衫w維成形過(guò)程的不穩(wěn)定性，從而影響了莫來(lái)石連續(xù)纖維的制備。 通過(guò)調(diào)整初始配料點(diǎn)的成分體系，使其熔點(diǎn)、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(lái)石轉(zhuǎn)熔溫度點(diǎn)附近；同時(shí)通過(guò)控制漏板下面纖維