二硼化鋯陶瓷纖維前驅(qū)體的連續(xù)化紡絲探索及其燒結(jié)制度研究.pdf

1、硼化鋯（ZrB2）具有高熔點，高硬度，高的熱導(dǎo)率以及電導(dǎo)率，優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性能，擁有極強的化學(xué)鍵以及穩(wěn)定性，可應(yīng)用于2000℃以上的超高溫極端環(huán)境下。目前，國內(nèi)外對于其陶瓷粉末及塊體有很多的研究，但對于陶瓷纖維研究甚少。開展 ZrB2陶瓷纖維的研究，可以為纖維增強復(fù)合材料在超高溫環(huán)境中的應(yīng)用提供幫助，并可以解決目前陶瓷在該領(lǐng)域抗熱震性差的問題，滿足國防的需要。本論文以制備連續(xù)ZrB2陶瓷纖維為目標(biāo)，探索了ZrB2陶瓷纖維的前驅(qū)體連續(xù)化

2、紡絲及其燒結(jié)制度。
　　本論文以 ZrB2陶瓷制備中的液相前驅(qū)體轉(zhuǎn)化技術(shù)為依據(jù)，采用八水合氧氯化鋯、硼酸、蔗糖和檸檬酸為原材料，聚乙烯醇為紡絲助劑，首先制得 ZrB2前驅(qū)體紡絲液，然后利用干法紡絲技術(shù)制得前驅(qū)體纖維，并通過高溫?zé)Y(jié)制得 ZrB2陶瓷纖維。采用傅里葉紅外光譜儀（FTIR）、差示掃描量熱儀（DSC）、轉(zhuǎn)矩流變儀、熱失重分析（TGA、TG-DSC）、單絲拉伸儀、固體密度儀、掃描電鏡（SEM）、元素分析（EA）、X射線衍射

3、儀(XRD)等一系列表征手段，對ZrB2前驅(qū)體紡絲液、前驅(qū)體纖維及 ZrB2陶瓷纖維的結(jié)構(gòu)與性能進行了研究。主要研究結(jié)果如下：
　　PVA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35％，鋯元素與檸檬酸中羧基基團的摩爾比為1:6時，前驅(qū)體紡絲液具有良好的可紡性，且燒結(jié)后得到的 ZrB2陶瓷纖維晶型較純凈。前驅(qū)體紡絲液中化合物之間反應(yīng)程度與紡絲助劑PVA的分子量和醇解度有關(guān)，均隨PVA分子量和醇解度的增加而有所下降。流變測試表明，前驅(qū)體紡絲液為典型的非牛頓流體，

4、溶液的復(fù)數(shù)粘度隨 PVA分子量和醇解度的增加而上升。前驅(qū)體纖維的力學(xué)性能隨聚乙烯醇醇解度的增加而下降，隨其分子量的增加而上升。
　　連續(xù)化紡絲工藝研究表明，紡絲溫度約為40℃，溶液粘度約為200Pa·s，此條件下前驅(qū)體紡絲液具有良好的可紡性。甬道溫度設(shè)置趨勢為由低升高，保持一段時間后再逐步下降。隨著噴頭拉伸比增加，紡絲穩(wěn)定性提高。當(dāng)紡絲壓力為0.5MPa，噴頭拉伸比為3.3時，可連續(xù)化紡絲，得到的前驅(qū)體纖維直徑約為30μm，強度約

5、為750MPa。
　　燒結(jié)過程的研究表明，前驅(qū)體纖維在1200℃以上發(fā)生碳熱還原反應(yīng)生成 ZrB2。隨著燒結(jié)溫度的升高，保溫時間的延長和升溫速率的減小，陶瓷纖維的晶粒尺寸逐漸增加，強度呈先上升后下降的趨勢。當(dāng)燒結(jié)溫度為1500℃，升溫速率為4℃/min，保溫時間為2h時，可得強度約為405MPa的 ZrB2陶瓷纖維。通過在前驅(qū)體溶液中添加TEOS，經(jīng)燒結(jié)后可得到ZrB2-SiC復(fù)合陶瓷纖維，其晶粒尺寸較制得的 ZrB2纖維有所下降