溶胶-凝胶法制备钇铝石榴石纤维.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年3 期 3 9 D O I 1 0 ．3 9 6 9 ／J ．i s s n ．1 0 0 7 - - 7 5 4 5 ．2 0 1 1 ．0 3 ．0 1 1 溶胶一凝胶法制备钇铝石榴石纤维 谭宏斌，张伟，郭从盛 陕西理工学院材料学院，汉中7 2 3 0 0 3 摘要以氯化铝、金属铝粉、氧化钇、冰醋酸为原料。采用溶胶一凝胶法制备了钇铝石榴石纤维。研究氯 化铝和金属铝粉比例以及醋酸的加入，对前驱体溶胶纺丝性能的影响。结果表明，加入醋酸可得到纺丝 性能良好的前驱胶体溶胶。凝胶纤维在10 0 0 ℃煅烧2h ，全部结晶为钇铝石榴石，纤维直径l o ～4 0 扯m o 关键词钇铝石榴石；纤维；溶胶一凝胶 中图分类号T F 8 1 1文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 1 0 3 0 0 3 9 0 3 P r e p a r a t i o no fY t t r i u mA l u m i n u mG a r n e tF i b e r sb yS o l G e lM e t h o d T A NH o n g b i n ，Z H A N GW e i ，G U OC o n g - s h e n g S c h o o lo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，S h a a n x iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，H a n z h o n g7 2 3 0 0 3 。C h i n a A b s t r a c t T h ey t t r i u ma l u m i n u mg a r n e tf i b e r sw e r ep r e p a r e db ys o l g e lm e t h o du s i n ga l u m i n u mc h l o r i d e ，a - l u m i n u mp o w d e r ，y t t r i u mo x i d e ，a c e t i ca c i da sr a wm a t e r i a l s ．T h ee f f e c to ft h er a t i oo fa l u m i n u ma n da l u m i n u mc h l o r i d e ，t h ea d d i t i o no fa c e t i ca c i do ns o ls p i n n i n gw e r es t u d i e d ．T h er e s u l ti n d i c a t e dt h es p i n n i n g p r e c u r s o rs o lw a so b t a i n e dw h e na d d i n ga c e t i ca c i dt ot h ep r e c u r s o r ．Y t t r i u ma l u m i n u mg a r n e tf i b e r sw e r e o b t a i n e du n d e rs i n t e r i n ga t10 0 0 ℃f o r2h o u r s ，w i t h1 0 ～4 0 “mi nd i a m e t e r ． K e y w o r d s Y t t r i u ma l u m i n u mg a r n e t ；F i b e r ；S o l G e lm e t h o d 钇铝石榴石 Y A G 的化学式为Y 。A 1 。0 ，。，是 Y 0 。一A l O 。体系中的一种晶态化合物‘卜2 | 。Y A G 纤维是2 0 世纪7 0 年代发展起来的新型无机陶瓷纤 维，不仅具有高强度、高模量、耐高温等优良性能，而 且还具有优异的抗高温蠕变性，是目前抗高温蠕变 最好的氧化物纤维[ 3 ] ，在试验室制备的Y A G 短纤 维的强度可达7 0 0M P a ，其使用温度较氧化铝纤维 N e x t e l7 2 0 高5 0 ℃。Y A G 纤维在16 0 0 ℃有较 好的蠕变抗力，用其增强的N i 基复合材料的使用温 度可达11 7 5 ℃，可作为高温金属基和陶瓷基复合 材料的增强材料H - 6 ] 。 1试验 本试验用溶胶一凝胶法制备钇铝石榴石纤维。 基金项目陕西省自然科学基金资助项目 2 0 1 0 K 1 0 - - 2 1 作者简介谭宏斌 1 9 7 7 - - ，男，I 舀J l 武胜人，讲师，硕士． 在平底烧瓶中加入氯化铝和蒸馏水，在磁力搅拌器 上搅拌至氯化铝溶解；加入氧化钇，在恒温加热 8 0 ℃ 冷凝条件下，使其溶解后，加入金属铝粉，在 恒温加热 8 0 ℃ 冷凝条件下，使其溶解后，得到钇铝 石榴石前驱体溶胶 前驱体溶胶中的Y A 1 3 5 ，摩尔比 ，用P H S - 2 5 型p H 计对溶胶的p H 进行 测试。将透明的前躯体溶胶在6 0 ℃水浴中进行浓 缩，得到可纺的溶胶。将玻璃棒浸入溶胶中，缓慢向 上提起，拉制出凝胶纤维，将凝胶纤维在6 0 ℃烘箱 中干燥2 4h 后，在箱式炉中进行煅烧，在设定温度 保温2h 升温速度均为2 ℃／m i n 。用D X 一2 5 0 0 型 X 射线衍射仪检测煅烧纤维的物相，用S - 2 7 0 0 型扫 描电镜观察其微观形貌。 万方数据 4 0 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年3 期 2 结果与讨论 纂羹瓣耋鎏蓁鋈鬈黧鬟星i 墨瓮套 试验中氯化铝和金属铝粉比例、醋酸对前驱体粉在酸性条件下，反应分别生成氯化钇和氯化铝，其 溶胶制备的影响示于表1 。从表1 可以看出，试样 主要反应如下式所示。 1 、 9 的溶胶在加热搅拌条件下反应4h ，溶胶的2 A I C I s n H 。O A 1 O H n C 1 。一。 n H C l 颜色为浅灰色。原因是氯化铝或醋酸的加入量较 n ≤6 1 少，前驱体的p H 较高，铝粉没有完全溶解所致。试 Y 0 。 6 H C l - - - 2 Y C l 。 3 H O 2 样 2 ～ 8 得到的前驱体溶胶均为透明的溶胶。氧2 A l 6 H C I - ．- 2 A 1 C 1 。 3 H 。十 3 表1氯化铝与铝粉比例对溶胶的影响 T a b l e1T h ee f f e c to fa l u m i n u mc h l o r i d ea n da l u m i n u mp o w d e rr a t i oo ns o l 序号 氯化铝与铝粉 摩尔比 试剂加入量 氯化铝／g Y 2 0 3 ／g醋酸／m L p H 篇h 溶胶颜色 2 ．2 4 2 2 ．8 0 2 3 ．3 6 7 3 ．9 3 0 4 ．4 9 3 3 ．3 6 7 2 ．2 4 2 I ．6 8 1 1 ．1 2 3 浅灰色 透明 透明 透明 透明 透明 透明 透明 浅灰色 注；蒸馏水／J , A 量均为5 0m L ，铝粉0 ．2 2 4g ，5 ％硼酸为稳定剂。 当金属铝盐溶于水后，在p H 3 时，金属离子的氢氧化物[ M O H 。 H 。O 。一。] 。h H 开始生成 M 为金属离子，n 为配 为数，z 为离子电价 。单个分子只能在稀溶液中存 在，当溶液浓度增加时，单个分子间通过氢键和桥氧 形成M O H M 和M O M 链[ 7 ] 。随着铝粉加 入量增加，溶液p H 增加，当溶胶被浓缩时，A 1 0 H A l 和A l 一0 一A 1 链生成，得到可纺溶胶。但试 样 2 ～ 5 得到的透明溶胶在浓缩时，溶胶变为白 色，使溶胶无可纺性。原因可能是溶胶在浓缩时， 生成了钇的氢氧化物沉淀。 从表1 可看出，在制备溶胶时加入醋酸 醋酸的 加入量与钇的摩尔质量比为3 1 ，醋酸的加入量不 能太多，否则可能生成难溶的醋酸铝沉淀 ，减少氯 化铝的加入量也可得到透明的溶液，主要因为醋酸 参与氧化钇的溶解反应得到相应的醋酸盐。试样 6 ～ 8 在浓缩时，均能得到透明的溶胶，溶胶具 有可纺性。前驱体纤维中的C l 一挥发温度较高，直 到7 0 0 ℃才完全挥发，高温下C l 一挥发可能影响纤 维的性能[ 8 ] 。本试验选择试样 8 的配比制备钇铝 石榴石前驱体溶胶。 钇铝石榴石前驱体凝胶纤维在不同温度下煅烧 2h 后的X R D 谱见图1 。从图1 可看出，随着煅烧 温度的升高，凝胶纤维由无定型逐渐过渡到晶态。 当煅烧温度为6 0 0 ℃时，纤维为无定形态，没有明显 衍射峰。8 0 0 ℃时已经可以明显看到Y A G 的衍射 峰，说明此时凝胶纤维已经开始石榴石化。当煅烧 温度为10 0 0 ℃时，凝胶纤维已经全部石榴石化。 6 0 0 ℃ l O2 03 04 0 ．5 06 0 7 0 2 叭o 图1凝胶纤维在不同温度下煅烧2h 的X R D 图谱 F i g ．1 X R D p a t t e r n so ft h eg e lf i b e r sh e a t e da t d i f f e r e n tt e m p e r a t u r ef o r2h 凝胶纤维在10 0 0 ℃煅烧后的S E M 照片示于 图2 。由图2 可看出，纤维直径为1 0 ～4 0 “m ，纤维呈明 显的多晶结构，晶粒为颗粒状，尺寸0 ．0 8 ～O ．5 舯。 一 一 一 一 一 叭挑 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年3 期 3结论 图2 凝胶纤维在10 0 0 ℃煅烧后的S E M 照片 F i g ．2S E Mp a t t e r no fg e lf i b e r sr o a s t e da t10 0 0 ℃ 以结晶氯化铝、铝粉、氧化钇和醋酸为原料，采 用溶胶一凝胶法，在不加醋酸时不能够得到具有良 好纺丝性能的前驱胶体。当氯化铝与铝粉的比例为 2 1 ，并且加入醋酸制备了具有良好纺丝性能的纤 维前驱胶体。对溶胶进行纺丝、干燥，在10 0 0 ℃煅 烧烧可以制备出直径为1 0 ～4 0 弘m 的钇铝石榴石 纤维。 参考文献 [ 1 ] A g u i l a rEA ，D r e wRAL ．M e l te x t r a c t i o np r o c e s s i n g o fs t r u c t u r a lY 20 3 一A 1 20 3f i b e r s [ J - ] ．J o u r n a lo ft h eE u r o p e a nC e r a m i cS o c i e t y ，2 0 0 0 ，2 0 1 0 9 1 1 0 9 8 ． [ 2 ] B r o w nKR ，B o n n e l lDA ．C a t i o ns e g r e g a t i o nt oy t t r i u m a l u m i n u mg a r n e t 1 1 1 s u r f a c e s [ J ] ．S u r f a c eS c i e n c e ， 1 9 9 8 ，4 1 4 3 4 1 3 5 2 ． [ 3 ] 李呈顺，张玉军，张景德，等．钇铝石榴石纤维的制备和 应用研究进展[ J ] ．硅酸盐通报，2 0 0 9 ，2 8 1 1 3 2 1 3 7 ． [ 4 ] W i l s o nDM ，V i s s e rLR ．H i g hp e r f o r m a n c eo x i d ef i b e r s f o rm e t a la n dc e r a m i cc o m p o s i t e s [ J ] ．C o m p o s i t e s P a r t A ，2 0 0 1 ，3 2 1 1 4 3 1 1 5 3 ． [ 5 3M i l e i k oST ．S i n g l ec r y s t a l l i n eo x i d ef i b r e sf o rh e a t r e s i s t a n tc o m p o s i t e s [ J ] ．C o m p o s i t e sS c i e n c ea n dT e c h n o l - o g y ，2 0 0 5 ，6 5 2 5 0 0 2 5 1 3 ． [ 6 3M i l e i k oST ，K i i k oVM ，K o l c h i nAA ，e ta 1 ．O x i d e - f i b r e ／n i c k e l b a s e dm a t r i xc o m p o s i t e s p a r tI f a b r i c a t i o n a n dm i c r o s t r u c t u r e [ J ] ．C o m p o s i t e sS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，2 0 0 2 ，6 2 1 6 7 1 7 9 ． [ 7 ] S h o j a i e - B a h a a b a dM ，T a h e r i N a s s a jE ，N a g h i z a d e hR ． A na l u m i n a Y A Gn a n o s t r u c t u r e df i b e rp r e p a r e df r o ma n a q u e o u ss o l g e lp r e c u r s o r P r e p a r a t i o n ，r h e o l o g i c a lb e h a v i o ra n ds p i n n a b i l i t y [ J ] ．C e r a m i c sI n t e r n a t i o n a l ， 2 0 0 8 ，3 4 8 1 8 9 3 1 9 0 2 ． [ 8 ] O k a d aK ，Y a s o h a m aS ，H a y a s h iS ，e ta 1 ．S o l G e lS y n t h e s i so fM u l l i t eL o n gF i b r e sf r o mW a t e rS o l v e n tS y s t e n s [ J ] ．J o u r n a lo ft h eE u r o p e a nC e r a m i cS o c i e t y ， 1 9 9 8 ，1 8 1 3 1 8 7 9 1 8 8 4 ． 万方数据