[发明专利]二氧化硅表面改性的阿尔法氧化铝晶须及其用途

说明书

发明领域

本发明涉及用于复合材料的填料领域，特别是改性的α-Al₂O₃晶须、制备它们的方法及其用途。

背景技术

在复合材料的形成中，人们对填料的使用兴趣大增，因为小部分的填料(0.5～30wt％)足以赋予复合材料以优异的机械、热、电或光学性质。人们一致认为，该组分的纵横比(表面积与体积比)对这样的改进起着关键的作用。

在填料中，氧化铝由于其重量轻、强度高以及即使在非常高的温度下也具有耐热性而受到了格外关注，用于具有不同应用领域的聚合物、金属和陶瓷复合材料(分别是PMC、MMC和CMC的复合材料)，例如建筑、航空航天、电力公用事业、汽车和军工等行业。氧化铝填料可有利地与非氧化物填料(例如碳化硅)进行竞争，非氧化物填料会通过在高温下与基体的氧化或反应失去了它们的性能。

虽然氧化铝颗粒和纤维都用作复合材料中的填料，但相比于那些颗粒增强且具有更多各向同性性能的材料时，纤维增强复合材料具有更卓越的机械性能。例如，已对含有具备非常高性能的氧化铝纤维的聚合物复合材料进行了描述(Noordin等(2010).Ashok Kumar(Ed.),ISBN:978-953-7619-86-2,InTech)。然而，已经观察到纤维聚集在一起并因此使复合材料的整体性质恶化的趋势。这在聚合物复合材料中尤其频繁。类似于其它的无机颗粒，氧化铝难以在聚合物基体中分散，因为其与聚合物材料的相容性差。因此，纤维倾向于聚集在一起并使相应复合材料的性能恶化。由于纤维和聚合物基体(Sun等人；Composites Sci.Techn.2009,69,2392)之间的相互作用差，已经观察到对整体性能相同的影响。

文献US4,036,599描述了使用多晶氧化铝纤维作为镁基的增强材料，其中所述氧化铝纤维涂覆有二氧化硅膜，以赋予它们更高的强度。二氧化硅膜机械地增强了氧化铝纤维，并因此强化了该复合材料的机械性能，但是它没有改性该纤维的化学活性，相应地，该二氧化硅涂层不会有助于改善在纤维和基体之间的相互作用。

纤维增强复合材料的效率取决于基体界面和从基体向纤维传递应力的能力。换句话说，材料对所施加应力的响应强烈地依赖于化学键的性质。例如在复合材料中纤维与基体之间的弱的连接引入了人工缺陷，其因此对该复合材料的机械性能和热性能产生了有害的影响。因此，纤维与基体之间的界面相互作用在确定复合材料的质量和性能方面起到了至关重要的作用。

改善氧化铝填料和基体之间的相容性和相互作用的尝试涉及氧化铝颗粒的表面功能化。已经描述过在树脂基复合材料中具有有机-无机混合酸(US2007/0049659A1)或铝氧烷羧酸盐(carboxylate-alumoxane)(Shahid等；Compos.Sci.Techn.2005,65,2250-2258)的化学功能化氧化铝颗粒。然而，据观察，虽然功能化的氧化铝在基体中更易混合，但由于脆性增加，氧化铝性能显著的降低。据推测，这是由于树脂和氧化铝纤维之间的相互作用弱所致。Guo等(J.Mater.Chem.2006,16,2800-2808)描述了利用三甲氧基硅烷衍生物(MPS)作为偶联剂的氧化铝颗粒的表面功能化。使用处理过的颗粒所得到的聚合物复合材料表现出了强的粒子/基体界面粘结作用，弹性模量和强度显著增加，但观察到对热性能没有影响。

鉴于上述情况，有必要获得表面处理过的氧化铝纤维作为用于具有良好的相容性和在基体纤维界面相互作用强的复合材料的增强材料，以产生兼具优异的机械性能和热性能的复合材料。

α-氧化铝晶须是用作金属复合材料的填料特别好的候选者(Corrochano等；Mater.Lett.2008,62,103)，并具有无晶粒生长的优点，该晶粒生长在高温下出现在多晶纤维中。α-氧化铝晶须是无缺陷的，是非常细的纤维，其实际上是已知的最耐磨的材料，即使在高温下。氧化铝纤维的生产通常使用各种氧化铝前体的水热处理(Ma等；Mater.Lett.2009,63,881)和溶胶-凝胶技术(Teoh等人；J.Sol-Gel Sci.Technol.2007,44(3),177)。可煅烧这些由纤维状勃姆石构成的氧化铝纤维得到α-氧化铝纤维。汽-液-固沉积法(VLS)，包括在高温下将铝与二氧化硅颗粒一起燃烧(Cerecedo-Fernández等；EP1975125A1)，允许获得纯单晶氧化铝纤维(氧化铝晶须)。然而，现有技术中还没有描述过α-氧化铝晶须的表面功能化和它们作为复合材料中的增强材料的用途。

发明简述