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荆桂花等;多晶莫来石纤维的制备研究
文章编号:1001-9731(2015)增刊(I)-0161-03
多晶莫来石纤维的制备研究
荆桂花2,张玉军1,龚红宇,许妹华2,霍少丽
(1.山东大学材料液固结构演变与加工教育部重点实验室,济南250061
2.山东鲁阳股份有限公司,山东淄博256100
摘要:以水为溶剂,采用铝粉、AlCl2?H2O、酸性剂,在50~60C条件下真空浓缩,脱去部分自由水,得
硅溶胶为原料,通过溶胶-凝胶法制备了多晶莫来石纤到粘度为4000~6000mPa?s的前驱体溶胶。溶胶
维。借助X射线小角散射(SAXS)测试了A13-的聚集经甩丝法制得前驱体纤维,获得的前驱体纤维经60~
形态,采用XRD、SEM、 ARTEM等测试手段分析不同80C干燥4~6h,在800~1300℃热处理2h后最终
热处理温度下纤维的物相组成,纤维形貌,晶型结构制得多晶莫来石纤维
等。Ⅹ射线小角散射的结果表明,Al+主要以A132.2样品的性能及表征
(OH)2sCls的形态存在于聚合氯化铝溶胶中。纤维前
采用X射线小角散射( Anton Paar, SAXSESS
驱体经1050℃热处理后主晶相为莫来石,随着温度mc2)分析了Al-的存在形态。借助X射线衍射仪
升高至1200C,晶相结构趋于完整, HRTEM分析结(X' Pert Pro MPD),测定前驱体纤维在不同热处理温
果说明了纤维的多晶结构。
度下的物相组成。扫描电子显微镜( Rigaku S-4800)
关键词:溶胶一凝胶;莫来石;多晶纤维
和高分辨透射电子显微镜( Philips Tecnai_20U-
中图分类号:TQ343
文献标识码: A TWN)观察了纤维的微观形貌和晶型结构
DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2015.增刊(I).036
3结果与讨论
1引言
3.1碱式聚合氯化铝溶胶形态
多晶莫来石纤维属于高性能无机纤维,由莫来石
图1为依据SAXS测量的散射因子(g)数值,根据
微晶体构成,具有耐高温强度、抗蠕变性、热化学稳定关系式
性、热膨胀系数低、热导率小和高模量等特性,广泛用
于治金、机械、陶瓷、电子、建材、石化、航天航空等领
域。另外,多晶莫来石纤维还具有良好的红外辐
式中,=0.1542nm,计算出的2角与散射强度
射、绝缘、消音、抗氧化、耐油性能。
的关系图
溶胶一凝胶法是制备多晶莫来石纤维的主要方法
之
目前,采用溶胶凝胶法制备多晶莫来石纤
维的主要原料大多是价格昂贵的金属醇盐115.。用金
属醇盐作为主要原料的工艺,生产成本高,对设备要求
严,过程控制困难,难以实现规模化工业生产。本文采
用铝粉-氯化铝硅溶胶体系铏备了莫来石前驱体纺丝
液,经甩丝成纤、干燥、热处理等工艺制备了多晶的莫
来石纤维,利用XRD、SFM和 HRTEM等测试手段对
样品的物相、结构、形貌进行了分析。
图1聚合氧化铝的SAXS图
Fig I The SAXS diagram of poly aluminium chloride
2实验
从图1可以看出,样品在7.49,8.34,10.19,10.60,
2.1莫来石纤维的制备
2.71和13.72°出现明显的特征峰,对照 I CPDS卡片
以水为溶剂,铝粉、AICl3?H2O为原料在90~数值,这些峰是Als(OH)aCl·7.5H12O的特征峰。
100℃条件下回流5~8h,得到无色透明的聚合氯化
说明本文所用的聚合氯化铝溶胶中的Al主要以具有
铝(PAC)溶胶。按照物质的量m(AI):m(Si)=3:1
Keggin分子结构的A13(OH)xC1s形式存在?,其结
加人酸性硅溶胶,质量分数为3%聚乙烯醇作为助纺构中心为[AIO]四面体,外围是12个[AI(OH)]八
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51472146);山东省自然科学基金资助项目(51072099)
收到初稿日期:2014-12-28
收到修改稿日期:2015-03-25
通讯作者:荆桂花,E-mail:Jingming656@163.com
作者简介:判桂花(1979一),女,山东平度人,博士,师承张玉军教授,从事无机非金属研究。
2015年增刊1(46)卷
面体。Al13(OH)xCls是一种活性离子团,具有24个46.5和663~67.5°处出现2个宽峰,对应6-Al2O2的
活性AI-OH键,带有高的正电荷和较强的架桥能主峰。从850~950C,6Al2O3的特征峰强度逐渐增
强。当温度升至1050C时,6Al2O。的特征峰强度被
3.2XRD分析
弱,而在20为16.4,25.9和42.5°出现了莫来石的特征
图2为前驱体纤维在不同温度下处理2h的XRD衍射峰,这说明6A2O。与溶胶中的SiO2反应生成了
图谱。
莫来石物相。当温度升到至1200C,6-Al2O3的特征
1300℃
莫来石
峰消失,莫来石衍射峰强度增加,峰宽变窄,莫来石的
o 6-AL2O
晶相结构趋于完整。温度的继续升高至1300C时,
1200℃
衍射峰与1200C时的一致,峰强更高,莫来石晶粒长
1050℃
3.3SEM分析
图3为莫来石凝胶纤维在不同温度下热处理后的
C
扫描电子显微照片。图3(a)为凝胶纤维的扫描电镜
照片,可以看出,纤维直径比较均匀,在5~8pm的范
围内,纤维表面光滑,没有渣球等缺陷。1050℃热处
800℃
理纤维试样表面光滑,观察不到晶粒形状和大小(图3
2wy°0
(b)),1200C热处理后的试样表面可见到模糊的晶粒
轮廓,显示出小的凸起(图3(c)),此时纤维直径在3
图2前驱体纤维在不同温度下烧2h的XRD图6pm,品粒尺寸均一,结合紧密,未见异常长大,没有
Fig2 XRD patterns of mullite sols healed at different空洞缺陷。温度继绫升高至1300℃,见图3(d),纤维
temperature for 2 h
表面粗糙,出现了晶间间隙及部分空洞缺陷,莫来石晶
由图2可看出,煅烷温度在800C时,基本没有晶粒的形状和大小变得清晰可见,这是由于温度升高,晶
相生成,为无定形状态。850C时,分别在20为45.0~粒长大造成的
(a) Precuror
(b)1050℃
c)1200℃
d)1300℃
图3莫来石纤维的SEM照片
Fig 3 SEM images of mullite fiber
3.4 HRTEM分析
(b)可以看到有不同的晶格取向,边界处有明显的晶格
图4为1200℃热处理后的高分辨率透射电镜照错排区,结合该区的电子衍射花样,可以确定该区域应
片。由图4(a)可以看到清晰的点阵定向规则排列,区为多晶的晶界区。
域内晶粒发育良好,晶体结构呈典型的二维晶格像,结
合该区域的电子衍射图像,电子衍射花样具有典型的
单晶衍射阵列,因此,该区域为典型的单晶图谱。图4