[发明专利]一种钇铝石榴石连续纤维的制备方法

说明书

本发明涉及一种钇铝石榴石连续纤维的制备方法，该方法利用含Al₁₃胶粒的氧化铝溶胶、γ‑AlOOH纳米分散液、氧化钇溶胶、冰醋酸和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)制备可纺性前驱体溶胶，采用干法纺丝技术制备凝胶连续纤维，再经过热处理得到直径6‑12μm的钇铝石榴石连续纤维。本发明采用溶胶‑凝胶法制备的前驱体溶胶均匀稳定，可长时间存放。采用干法纺丝制备的凝胶连续纤维长度可达3000米，热处理后的纤维表面光滑，内部结构紧密，强度高，且有很好的柔韧性，在高温使用过程中，高温蠕变小，可广泛用于航空航天等工业的复合材料及热防护材料。本发明工艺简单，生产周期短，易于实现工业化。

技术领域

本发明涉及一种钇铝石榴石(YAG)连续纤维的制备方法，属于无机非金属材料领域。

背景技术

氧化铝纤维是高性能无机陶瓷纤维的一种，其主要成分为氧化铝，有的还添加有氧化硅、氧化硼、氧化锆等非金属氧化物和金属氧化物组分。按形态可分为短纤维、连续纤维、晶须等不同类型，其中连续纤维的直径一般在10μm左右，长度可达几千米。钇铝石榴石连续纤维属于氧化铝纤维中的一种，是Al₂O₃和Y₂O₃的复合氧化物，其熔点高达1970℃，化学性质稳定。钇铝石榴石纤维不仅具有高强度、高模量、耐高温等优良性能，还具有优异的抗高温蠕变性能，可广泛用作绝热耐火材料和结构增强材料。

目前制备钇铝石榴石纤维的方法有熔融法和化学法，熔融法一般采用铝和钇的氧化物为主要原料，通过高温加热获取熔融液，再将熔融液纺丝成纤(参见：硅酸盐通报2009,28,132)；Mileiko等按化学计量比混合Al₂O₃和Y₂O₃熔融液，将熔融液浸润到具有连续圆柱状通道的钼基模具中，熔融液在通道内冷却结晶后形成纤维，将纤维和模具分离后即可获得钇铝石榴石纤维，该纤维的弯曲强度最高可达1GPa，在1100℃下抗蠕变强度为169MPa(参见：J.Eur.Ceram.Soc.2002,22,1831)；Maston等按比例混合Al₂O₃和Y₂O₃后熔融，然后从特制的设备中直接拉制出Al₂O₃/YAG共晶纤维(参见：J.Eur.Ceram.Soc.1999,19,2487)。然而，由于YAG熔点较高，采用熔融法制备YAG纤维需要耐高温设备，且生产工艺难度大，成本高，这限制了YAG纤维的发展和应用。

化学法主要是采用溶胶-凝胶法，溶胶-凝胶法就是将含高化学活性组分的化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而成的氧化物或其它化合物固体的方法。Towata等以异丙醇铝和异丙醇钇为前驱体原料，辅助加入水、盐酸、纳米氧化铝粉、粘度调节剂合成了YAG纺丝原液，凝胶纤维高温烧结获得钇铝石榴石晶体纤维和YAG/Al₂O₃共晶纤维(参见：Composites Part A 2001,32,1127)，由于金属醇盐的价格比较昂贵，成本太高，限制了利用金属醇盐制备YAG材料的发展；Pullar等采用Al(NO₃)₃、YCl₃或Y(NO₃)₃为主要原料，氨水为沉淀剂，硝酸为胶溶剂，通过溶胶-凝胶法制备出YAG纤维，该方法采用喷吹纺丝技术，得到的是短纤维(参见：Mater.Lett.1999,39,173)；Shojaie-Bahaabad等采用铝粉、氯化铝、盐酸和氧化钇为原料，通过溶胶-凝胶法制备了YAG/Al₂O₃复合纤维，经1400℃热处理后纤维的晶粒尺寸在100-200nm，该方法只对前驱体凝胶的流变性能和纺丝性能进行了详细的分析，但没有探讨纤维的强度等其它性能(参见：Ceram.Int.2007,7,32)；US005217933A公开了一种钇铝石榴石纤维的制备方法，采用氯化铝、铝粉、甲酸、乙酸、乳酸，硝酸等原料，按氧化钇和与氧化铝不同的摩尔比例制备出钇铝石榴石陶瓷纤维，该方法加入了大量有机酸，导致溶胶合成反应较为复杂。