氧化鋯多孔膜和涂層的制備、表征及性能研究.pdf

1、情士論文 氧化鋯多孔膜和涂層的制各、表征及性能研究摘 要本論文主要研究了氧化鋯多孔膜的制備方法和氧化鋁、氧化鋯涂層在碳纖維，環(huán)氧基復(fù)合材料中的應(yīng)用。對所制多孔膜( 氧化鋯、釔穩(wěn)定氧化鋯和氧化鋁．氧化鋯) 的物相組成、熱穩(wěn)定性、微觀結(jié)構(gòu)以及孔性能進(jìn)行了表征：分析了涂層對復(fù)合材料的界面性能、力學(xué)性能和耐熱性能的影響。全文的主要內(nèi)容如下：采用硬脂酸溶膠凝膠法制各了氧化鋯( z r 0 2 ) 、釔穩(wěn)定氧化鋯( Y S Z ) 納米晶，對反應(yīng)歷

2、程、不同溫度下z r 0 2 、Y S Z 的物相組成和晶粒粒徑進(jìn)行分析?？疾斐?xì)氧化鋯粉體在水相中的分散行為，得到較適宜的分散條件，并采用固態(tài)粒子澆結(jié)法制各了管式擔(dān)載Y S Z 膜。所制的Y S Z 膜最可幾孔直徑為8 7 r i m ，孔徑主要集中在2 0 ～1 0 0 n m 。首次以氧氯化鋯( 及硝酸釔) 為原料采用離子交換法制備了穩(wěn)定的氫氧化鋯( 及Y S z ) 溶膠。并在管式支撐體上獲得了完整、無缺陷的Y S Z 膜。氮氣

3、吸附實驗表明，7 0 0 ℃熱處理后Y S Z 膜的最可幾孔徑小于3 r i m ，經(jīng)9 0 0 ℃熱處理后其最可幾孔徑增大為3 ．8 n m 。通過差熱分析( D T A ) 、傅立葉紅外光譜( F T - I R ) 和X 射線粉末衍射( ) ( R D ) 研究發(fā)現(xiàn)，此方法得到的氧化鋯膜4 0 0 ℃～6 0 0 ℃之間晶型為四方相．7 0 0 ℃時開始有少量的單斜相氧化鋯出現(xiàn)，到9 0 0 ℃時己全部轉(zhuǎn)變成單斜相。3 m 0 1

4、 ％的Y 2 0 3 穩(wěn)定的Y S Z 膜到9 0 0 ℃時仍為四方相。以異丙醇鋁和氧氯化鋯為原料。用溶膠．凝膠法在氧化鋁管式支撐體和中空纖維支撐體上成功地制備了無缺陷的A 1 2 0 3 ／Z r 0 2 復(fù)合膜。詳細(xì)研究了A 1 2 0 3 ／Z f 0 2的摩爾比對復(fù)合膜晶化溫度、晶形及孔結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，由A h 0 3 和z 曲2制成的復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性比單一氧化鋁或氧化鋯膜的熱穩(wěn)定性有顯著的提高。在A 1 2 0 d Z

5、r 0 2 的摩爾比大于O 。l 小于等于1 的范圍內(nèi)，1 1 0 0 ℃之前復(fù)合膜只以t —Z r e l 2存在，1 2 0 0 ℃時復(fù)合膜的主晶相為t ．z r 0 2 ，并出現(xiàn)少量的m - Z r 0 2 或m ．z 內(nèi)2 和Q—A h 0 3 相。氮氣吸附結(jié)果顯示，配比不同的各復(fù)合膜經(jīng)7 0 0 ℃燒結(jié)后，其最可幾孔徑集中分布在4 ～5 n r n 之間。但隨著氧化鋯比例的增大，復(fù)合膜的比表面積、孔體積即孔隙率呈明顯下降的趨勢

6、。發(fā)現(xiàn)m 2 0 3 ／Z r 0 2 的摩爾比為1 的復(fù)合膜。當(dāng)熱處理溫度由7 0 0 ℃升高j l o o ℃時，其最可幾孔徑保持在4 ．3 n m 左右。而復(fù)合膜的比表面積和孔體積相應(yīng)地下降。但復(fù)合膜孔結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性要好于本論文中制備和文獻(xiàn)報道Y S Z 膜。氣體滲透實驗表明，所制的復(fù)合膜具有一定的氣體選擇性。但隨著氧化鋯比例的增大，復(fù)合膜的比表面積、孔體積即孔隙率呈明顯下降的趨勢。發(fā)現(xiàn)A 1 2 0 3 ／Z r 0 2 的摩爾

7、比為1 的復(fù)合膜，當(dāng)熱處理溫度由7 0 0 ℃升高1 1 0 0博士論文 氧化鋯多孔膜和涂層的制各、表征及性能研究A b s t r a c tT h e p r e p a r a t i o nm e t h o d so fp o r o u s z i r c o n i am e m b r a n ea n dt h e a p p l i c a t i o n o fa l u m i n aa n dz i r c o

8、 n i ac o a t i n g si nc a r b o nf i b e rs t r e n g t h e n i n ge p o x y r e s i nc o m p o s i t e sw e r e i n v e s t i g a t e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n ．T h e p h a s e c o m p o n e n t s ，t h e r

9、 m a l s t a b i l i t y ,m i c r o s t r u c t u r e a n d p o r ep r o p e r t i e so f p o r o u sm e m b r a n e ( Z r 0 2 ，Y S Z a n d A 1 2 0 3 - Z r 0 2 )w e r e c h a r a c t e r i z e d ．T h e e f f e c t so f c

10、 o a t i n g so n t h e i n t e r r a c i a lp e r f o r m a n c e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t y , t h e r m a lr e s i s t a n tp r o p e r t yo f c o m p o s i t e sw e r e s t u d i e d ．T h ed i s s e r t a t i

11、 o nw a sm a i n l y d i s c u s s e d a sf o l l o w s ：T h e n a n o c r y s t a l l i n eo f z i r c o n i aa n d y t t r i a ·s t a b i l i z e dz i r c o n i a ( Y S z lw e r ep r e p a r e db ys t e a r i ca c

12、 i dm e t h o d ．T h er e a c t i o np r o c e s s ，c r y s t a l l i n ep h a s ea n dp a r t i c l e s i z eo fZ r 0 2a n dY S Z p a r t i c l e st r e a t e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s w e r e i n v e

13、 s t i g a t e d ．T h ei d e a ld i s p e r s i o nc o n d i t i o n so f Z r 0 2 p o w d e r s p r e p a r e di nw a t e rw e r eo b t a i n e db yt h es t u d yo f d i s p e r s i o n b e h a v i o r ．T h e n ，t h es u

14、 p p o r t e d Y S Z m e m b r a n e w h o s e m o s t c o n c e n t r a t i v ep o r ed i a m e t e ri sa b o u t8 7r ／r n w a sp r e p a r e da n di t sp o r ed i a m e t e r sc o n c e n t r a t ei n t o2 0 ～1 0 0 n m

15、 ．T h e s t a b l eY S Z s o la n d d e f e c t - f r e eY S Z m e m b r a n e ss u p p o r t e d b y t u b ew e r e f i r s t l yp r e p a r e db y a n i o n i c e x c h a n g e m e t h o d u s i n g z i r c o n y l c h

16、 l o r i d e a sr a wm a t e r i a l s ．R e s u l t s o f n i t r o g e n i s o t h e r m a l a b s o r p t i o n m e a s u r e m e n t s h o w t h a t t h e m o s tc o n c e n t r a t i v ep o r ed i a m e t e ro f Y S

17、Z m e m b r a n ec a l c i n e da t7 0 0 ℃i sl e s st h a n3n ．r na n di s 3 ．8 n ma t9 0 0 “ C ．I ti s f o u n d t h a tt h ec r y s t a lp h a s e so f Z r 0 2m e m b r a n e sf r o m4 0 0 。C t o 6 0 0 “ Ca r e t e t r

18、 a g o n a l ，m o n o c l i n i cZ r 0 2a p p e a ra t 7 0 0 * ( 2 a n dt h ec r y s t a lp h a s e s o f 3 m 0 1 ％Y S Z m e m b r a n e s a r es t i l lt e t r a g o n a la t9 0 0 “ C b y d i f f e r e n t i a lt h e r

19、m a la n a l y s i s ( D T A ) ，X —r a yd i f f r a c t i o n ( X R D ) a n d f o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r o s c o p y( F T - t R ) ．T h ed e f e c t - f l e eA 1 2 0 3 - Z r 0 2c o m p o s i

20、t em e m b r a n e ss u p p o r t e db y h o l l o wf i b e ra n dc e r a m i ct u b ew e r ep r e p a r e db ys o l - g e lp r o c e s sf r o ma l u m i n i u mi s o - p r o p o x i d ea n dz i r c o n y lc h l o r i d

21、ea st h e i rp r e c u r s o r s ．T h ee f f e c t so f m o l e r a t i oo f a l u m i n a a n d z i r c o n i ai nc o m p o s i t e m e m b r a n e s o n c r y s t a lt e m p e r a t u r e ，c r y s t a lp h a s ea n d p

22、 o r e s t r u c t u r ew e r ei n v e s t i g a t e d i n d e t a i l ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e t h e r m a l s t a b i l i t y o fc o m p o s i t em e m b r a n e si s g r e a t l yi m p r o v e dc o m