莫来石多孔分级纤维质材料的制备及其性能研究
发布时间：2021-07-03 22:09
莫来石多孔纤维质材料（mullite fibers framework materials,MF）作为一种高温结构材料,由莫来石纤维制成,具有密度低、孔隙率高、导热系数低、抗热震性能好等优点,已广泛应用于航空航天和工业领域。但MF的力学性能较低,限制了其进一步的应用。莫来石纤维/晶须分级结构材料（mullite fibers/whiskers hierarchical framework materials,MFW）的出现,在一定程度上改善了MF力学性能较低的缺点,以满足该类材料更广泛的应用需求。本文采用三步法制备三维网络状可调结构的MFW。在分级结构中,莫来石纤维构成的MF作为主要的结构,通过两步热处理在纤维上首先形成莫来石晶粒,再由晶粒生成莫来石晶须次级结构。重点研究三步法制备莫来石晶须的生长机理及不同MFW的组织结构和性能的变化规律,并基于分形理论讨论MFW有效热导率的影响因素。本文的目标是在较低的温度下制备低密度、低导热系数、高孔隙率和较高压缩强度的MFW。在制备过程中,通过加压排液和冷冻注模制备低密度MF,分析了热处理温度对纤维表面形貌和粘结剂的影响。结果表明,经1200℃热...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
典型的MFW微观形貌[9]
在液体内存在自由的Al离子，并产生非晶γ-Al2O3。在由Al2(SO4)3分解后形成的SO3的强烈氧化作用下，SO3与SiC反应形成SiO2，并覆盖在SiC晶粒表面，形成SiO2涂层。在熔盐中，SiO2与非晶γ-Al2O3发生反应生成莫来石晶粒。由于SiO2涂层参与莫来石生成的反应，SiC晶粒再次暴露并继续与SO3反应形成SiO2。通过这种多次的氧化–分解循环，SiC基体被消耗，并不断为莫来石晶须生长提供SiO2源。莫来石晶须的生长一部分来源于自身的连续长大，另一部分来源于被消耗的SiC表面。生成的莫来石晶须直径约100~300nm，长度约10~20μm[30]。图1-4给出了在SiC基体中采用熔盐法制备莫来石晶须的生长及反应机理示意图[29,30]。图1-4熔盐法在SiC基体中莫来石晶须的生长及反应机理示意图[29,30]Fig.1-4SchematicsketchofmullitewhiskersgrowthandreactionmechanismintheSiCsubstrateviamoltensaltmethod[29,30]Cao等[38]以K2SO4、Al2O3和SiO2为原料，采用熔盐法在C/C复合材料表面制备了莫来石晶须层，制备流程如图1-5所示。首先，在C/C复合材料表面铺设SiC层，之后，将K2SO4、Al2O3和SiO2按比例混合后，覆盖于复合材料表面。温度升高，使混合物进入熔融状态，经化学反应后，在SiC中生成了莫来石晶须层。随后，采用原位热浸过程（in-situhotdippingprocess），用新形成的莫来石晶须进一步强化之前的莫来石晶须层，进而在C/C复合材料表面形成具有高致密度的莫来石涂层。结果表明，引入的莫来石晶须层能有效提高莫来石外层的密度，降低涂层热震后的开裂倾向。采用该方法，既克服了复杂和高成本的制备过程，又能降低涂层中的热应力，使C/C复合材料表面涂层的抗
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-7-热震能力得以增强。熔盐法虽然可在较低温度下合成莫来石晶须，但该方法制备的晶须高温性能较差，不具备本研究所需的耐高温要求。图1-5莫来石晶须增强莫来石涂层的制备示意图[38]Fig.1-5Preparationschematicillustrationofthemullitewhiskertoughenedmullitecoating[38]矿物分解法是将具有复杂化学结构的矿物原料经高温化学反应分解后获得所需材料的方法。该方法具有化学原理简单、成本低廉的优点。例如，Peng等[39]采用成本低廉的天然黄玉（naturaltopaz），经1300℃高温分解，获得了具有平均长度~100μm的莫来石晶须。Perera等[40]通过在1400~1600℃下烧结高岭土，制备了长径比为3~8（直径为0.5~5μm）的莫来石晶须。常用于制备莫来石的原料主要包括：黄玉、高岭石、六氟化铝酸铵、氟黄玉（fluorotopaz）、粉煤灰（flyash）、煤矸石（coalgangue）、铝土矿（bauxite）等。这些矿物都含有Al、Si、O、F等原子并具有特殊的晶体结构。比如，黄玉的晶体结构属于斜方晶系，由平行于c轴的AlO4F2正八面体结构以及嵌入其中的具有独立正四面体结构的SiO4构成。这一结构实际上使Al、Si、F等原子在晶体中处于均匀混合状态，对满足纯度较高莫来石形成条件更加有利。Xu等[7,41]通过烧结高岭石和六氟化铝酸铵制备了具有晶须骨架的多孔莫来石材料。这些莫来石晶须之间烧结程度较低，孔隙率可达70%，抗压强度可达4.98MPa。Kim等[31]以高岭土和NH4Al(SO4)2·12H2O粉体为原料，在少量NaH2PO4·2H2O的辅助下，1400℃高温烧结制备出长径比>17（直径~0.5μm）的莫来石晶须。其中，在Al2O3–SiO2体系中，NaH2PO4·2H2O形成低粘度液体，进而实现了莫来石晶须生长形貌的控制。
【参考文献】：
期刊论文
[1]分形理论在材料学中的影响综述[J]. 胡钟元. 化学工程与装备. 2016(01)
[2]碳纤维微孔表面分形维数研究[J]. 闫国民,杨玉蓉,张春光. 黑河学院学报. 2015(06)
[3]石墨纤维表面与孔隙的结构表征及分形性质分析[J]. 郑明飞,张晋,赵家云. 云南大学学报(自然科学版). 2014(01)
[4]纤维过滤介质孔隙率及其分形维数[J]. 李岩,付海明,张健. 建筑热能通风空调. 2012(04)
[5]桉木浆纤维多孔结构的分形分析[J]. 郭文杰,万金泉,马邕文,王艳. 华南理工大学学报(自然科学版). 2009(12)
[6]考虑辐射影响的隔热纤维体的热导率分形模[J]. 夏德宏,陈勇,郭珊珊. 冶金能源. 2008(02)
[7]熔盐法在无机材料粉体制备中的应用[J]. 李雪冬,朱伯铨,汪厚植. 材料导报. 2006(03)
[8]分形多孔介质中的热传导[J]. 张东晖,施明恒. 工程热物理学报. 2004(01)
硕士论文
[1]羽绒纤维集合体的导热分形模型[D]. 付贤文.东华大学 2012
[2]利用分形理论研究纤维集合体的渗透率[D]. 陆振乾.江南大学 2006
本文编号：3263444
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
典型的MFW微观形貌[9]
在液体内存在自由的Al离子，并产生非晶γ-Al2O3。在由Al2(SO4)3分解后形成的SO3的强烈氧化作用下，SO3与SiC反应形成SiO2，并覆盖在SiC晶粒表面，形成SiO2涂层。在熔盐中，SiO2与非晶γ-Al2O3发生反应生成莫来石晶粒。由于SiO2涂层参与莫来石生成的反应，SiC晶粒再次暴露并继续与SO3反应形成SiO2。通过这种多次的氧化–分解循环，SiC基体被消耗，并不断为莫来石晶须生长提供SiO2源。莫来石晶须的生长一部分来源于自身的连续长大，另一部分来源于被消耗的SiC表面。生成的莫来石晶须直径约100~300nm，长度约10~20μm[30]。图1-4给出了在SiC基体中采用熔盐法制备莫来石晶须的生长及反应机理示意图[29,30]。图1-4熔盐法在SiC基体中莫来石晶须的生长及反应机理示意图[29,30]Fig.1-4SchematicsketchofmullitewhiskersgrowthandreactionmechanismintheSiCsubstrateviamoltensaltmethod[29,30]Cao等[38]以K2SO4、Al2O3和SiO2为原料，采用熔盐法在C/C复合材料表面制备了莫来石晶须层，制备流程如图1-5所示。首先，在C/C复合材料表面铺设SiC层，之后，将K2SO4、Al2O3和SiO2按比例混合后，覆盖于复合材料表面。温度升高，使混合物进入熔融状态，经化学反应后，在SiC中生成了莫来石晶须层。随后，采用原位热浸过程（in-situhotdippingprocess），用新形成的莫来石晶须进一步强化之前的莫来石晶须层，进而在C/C复合材料表面形成具有高致密度的莫来石涂层。结果表明，引入的莫来石晶须层能有效提高莫来石外层的密度，降低涂层热震后的开裂倾向。采用该方法，既克服了复杂和高成本的制备过程，又能降低涂层中的热应力，使C/C复合材料表面涂层的抗
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-7-热震能力得以增强。熔盐法虽然可在较低温度下合成莫来石晶须，但该方法制备的晶须高温性能较差，不具备本研究所需的耐高温要求。图1-5莫来石晶须增强莫来石涂层的制备示意图[38]Fig.1-5Preparationschematicillustrationofthemullitewhiskertoughenedmullitecoating[38]矿物分解法是将具有复杂化学结构的矿物原料经高温化学反应分解后获得所需材料的方法。该方法具有化学原理简单、成本低廉的优点。例如，Peng等[39]采用成本低廉的天然黄玉（naturaltopaz），经1300℃高温分解，获得了具有平均长度~100μm的莫来石晶须。Perera等[40]通过在1400~1600℃下烧结高岭土，制备了长径比为3~8（直径为0.5~5μm）的莫来石晶须。常用于制备莫来石的原料主要包括：黄玉、高岭石、六氟化铝酸铵、氟黄玉（fluorotopaz）、粉煤灰（flyash）、煤矸石（coalgangue）、铝土矿（bauxite）等。这些矿物都含有Al、Si、O、F等原子并具有特殊的晶体结构。比如，黄玉的晶体结构属于斜方晶系，由平行于c轴的AlO4F2正八面体结构以及嵌入其中的具有独立正四面体结构的SiO4构成。这一结构实际上使Al、Si、F等原子在晶体中处于均匀混合状态，对满足纯度较高莫来石形成条件更加有利。Xu等[7,41]通过烧结高岭石和六氟化铝酸铵制备了具有晶须骨架的多孔莫来石材料。这些莫来石晶须之间烧结程度较低，孔隙率可达70%，抗压强度可达4.98MPa。Kim等[31]以高岭土和NH4Al(SO4)2·12H2O粉体为原料，在少量NaH2PO4·2H2O的辅助下，1400℃高温烧结制备出长径比>17（直径~0.5μm）的莫来石晶须。其中，在Al2O3–SiO2体系中，NaH2PO4·2H2O形成低粘度液体，进而实现了莫来石晶须生长形貌的控制。
【参考文献】：
期刊论文
[1]分形理论在材料学中的影响综述[J]. 胡钟元. 化学工程与装备. 2016(01)
[2]碳纤维微孔表面分形维数研究[J]. 闫国民,杨玉蓉,张春光. 黑河学院学报. 2015(06)
[3]石墨纤维表面与孔隙的结构表征及分形性质分析[J]. 郑明飞,张晋,赵家云. 云南大学学报(自然科学版). 2014(01)
[4]纤维过滤介质孔隙率及其分形维数[J]. 李岩,付海明,张健. 建筑热能通风空调. 2012(04)
[5]桉木浆纤维多孔结构的分形分析[J]. 郭文杰,万金泉,马邕文,王艳. 华南理工大学学报(自然科学版). 2009(12)
[6]考虑辐射影响的隔热纤维体的热导率分形模[J]. 夏德宏,陈勇,郭珊珊. 冶金能源. 2008(02)
[7]熔盐法在无机材料粉体制备中的应用[J]. 李雪冬,朱伯铨,汪厚植. 材料导报. 2006(03)
[8]分形多孔介质中的热传导[J]. 张东晖,施明恒. 工程热物理学报. 2004(01)
硕士论文
[1]羽绒纤维集合体的导热分形模型[D]. 付贤文.东华大学 2012
[2]利用分形理论研究纤维集合体的渗透率[D]. 陆振乾.江南大学 2006
本文编号：3263444
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