钇铝石榴石陶瓷纤维制备及晶粒生长特性研究
钇铝石榴石(YAG)纤维具有优异的抗高温蠕变性能和强度，稳定的热和化学性能及低的热膨胀系数，可作为陶瓷、金属和树脂的增强纤维，在航天航空和机械制造等方面有着广泛的应用前景。YAG纤维还具有优异的光学特性，在激光和荧光领域也有着广阔的应用前景。目前国内外还没见高性能YAG陶瓷纤维的报道，制备性能稳定连续可纺前驱体溶胶、在高温条件下晶粒尺寸稳定、细化纤维直径还需进一步研究。 本研究以溶胶．凝胶法制备YAG纤维，以氯化铝溶胶体系制备YAG前驱体溶胶，探讨了溶胶的可纺机理和稳定机制，研究了烧结制度对YAG晶粒生长的影响。分别制备了Cr2O3/YAG和MgO/YAG纤维，揭示了阻碍晶粒生长的机制。以硝酸铝溶胶体系制备YAG前驱体溶胶，揭示了胶粒结构，阐明了溶胶的成纤机理。研究了纺丝电压对凝胶纤维直径的影响，利用Flunt软件模拟了溶胶在电场中的运动轨迹。主要研究成果如下： (1)以氯化铝/铝粉为铝源、氧化钇为钇源，制备YAG前驱体溶胶，研究了原料配比、稳定剂、纺丝助剂对溶胶纺丝性能的影响。当溶胶浓缩时，线性胶粒生成使溶胶具有可纺性，氯化铝与铝粉的最佳摩尔比为3∶1。原料中加入适量的醋酸，醋酸吸附在胶粒表面通过位阻效应，改善溶胶的稳定性和可纺性。纺丝助剂PVP与溶胶中的离子和胶粒配位，形成有机-无机的杂化分子链，使溶胶纺丝性能增加。研究了不同干燥湿度和温度对凝胶纤维结构的影响，最佳的干燥湿度为50%、温度为60℃。凝胶纤维在1000℃煅烧2h后，全部晶化为YAG石榴石相。提高烧结温度，纤维致密化程度增加。采用Kissinger方程，计算得到凝胶纤维的晶化活化能Ea=582.6KJ/mol。保温不同时间，纤维晶粒长大，属晶界扩散机制。YAG纤维的晶粒生长符合Arrhenius公式的动力学模型为：K=9.08×1O-10exp(-22.3×103/RT)。 (2)在制备YAG前驱体溶胶过程中加入三氧化铬(CrO3)，制备了氧化铬/钇铝石榴石(Cr2O3/YAG)纤维。溶胶中加入CrO3后，YAG溶胶的纺丝性能也有所下降。PVP力加入量为22wt%、溶胶的固含量为16.2wt%时，溶胶纺丝性能较好，凝胶纤维的长度为350mm，粘度为1.73Pa?s(剪切速度为60r/min)。溶胶在不同的温度下，均呈现出非牛顿流变特性。在溶胶制备过程中，Cr6+被铝还原为Cr3+。凝胶纤维在1OOO℃煅烧2h后，全部石榴石化；根据Kissinger方程，计算得纤维品化活化能Ea=436.6KJ/mol。Cr原子固溶于YAG中形成(Y3(Al1-xCrx)5O12固溶体，并阻碍了纤维晶粒生长。纤维晶粒生长机制属于Cr原子固溶拖拽机制。其晶粒生长动力学模型为：K=4.47×10-7exp(29.4×10-3/RT)。 (3)在制备YAG前驱体溶胶过程中加入氧化镁(MgO)，制备了氧化镁/钇铝石榴石(MgO/YAG)纤维。溶胶中加入MgO后，YAG溶胶的纺丝性能也有所下降。纺丝助剂PVP加入量为22wt%时，纤维的长度为300mm。溶胶在不同的温度下均呈现出非牛顿流变特性，溶胶的固含量为19.5wt%时，溶胶的纺丝性能较好，溶胶的粘度为0.43Pa?s（剪切速率为60r/min）。MgO的加入阻碍了凝胶纤维的石榴石化，凝胶纤维在1400℃煅烧2h后，才得到YAG相，同时有少量的镁铝尖晶石(MgAl2O4)相存在。Mg原子可固溶于YAG相中，但随着保温时间延长，Mg在YAG相中的固溶度下降。纤维晶粒长大主要受第二相对晶界钉扎作用，属于阻滞控制机制。 (4)以硝酸铝为铝源、硝酸钇为钇源，研究溶剂（异丙醇、乙醇）、络合剂（柠檬酸、酒石酸、乳酸）、纺丝助剂(聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯缩丁醛(PVB))的种类和加入量,对YAG前驱体溶胶制备影响。研究发现乙醇为溶剂、20wt%的柠檬酸为络合剂、5wt%的PVB为纺丝助剂，可得到纺丝性能较好的溶胶，用其制备凝胶纤维的长度为200mm。随着溶胶固含量增加，溶胶由牛顿流体变为非牛顿流体。溶胶中的胶粒形成了有机-无机杂化的线性链（直径约为4nm），使溶胶具有可纺性。凝胶纤维在800℃煅烧2h后，得到了YAG相，并且随着温度的升高，晶粒趋向完整，凝胶纤维晶化活化能Ea=118.9KJ/mol。 (5)以硝酸铝为铝源的前驱体溶胶体系为研究对象，通过静电纺丝法制备了纳米YAG纤维。纺丝电压为20-26kV时，随着电压增加，纤维平均直径先变小后增大。有机物加入量增加有利于静电纺丝，最佳纺丝电压为24kV，纤维直径主要分布在68nm-300nm。纤维中的每个晶粒为单晶，纤维由单个晶粒首尾相连而成。利用Flunt软件模拟了溶胶在电场中的运动轨迹，溶胶在电场中的运动分为稳定段和不稳定段。在不稳定段，运动轨迹呈螺旋状，切向力增大，产生射流的数量增多，射流弯曲螺旋运动的幅度增大、射流细化明显、溶剂快速挥发、纤维干燥充分，得到的纳米纤维质量较好。
陶瓷纤维;钇铝石榴石;制备工艺;晶粒生长
西安理工大学
博士
材料科学与工程;材料加工工程
吕振林
2018
中文
TQ174.758.21
2019-09-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）