無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維

1、無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 無(wú)機(jī)納米晶須及其應(yīng)用無(wú)機(jī)納米晶須及其應(yīng)用 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 無(wú)機(jī)納米晶須的發(fā)展歷史無(wú)機(jī)納米晶須的發(fā)展歷史 無(wú)機(jī)無(wú)機(jī)納米納米晶須的合成機(jī)理晶須的合成機(jī)理 無(wú)機(jī)納米晶須在復(fù)合材料中的作用機(jī)理及用無(wú)機(jī)納米晶須在復(fù)合材料中的作用機(jī)理及用 途途 無(wú)機(jī)無(wú)機(jī)納米納米晶須種類晶須種類 無(wú)機(jī)納米晶須應(yīng)用展望無(wú)機(jī)納米晶須應(yīng)用展望 主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 晶須（晶須（ Whisker ）是一種纖維狀單晶，橫斷面）是一種纖維狀單晶，橫斷面 近乎一致，內(nèi)外結(jié)構(gòu)高度完整，長(zhǎng)徑比一般在近乎一致，內(nèi)外結(jié)構(gòu)高度完整，長(zhǎng)徑比一般在 51000以上，直徑通常在以上，直徑通常在2

2、0nm 100m之間，之間， 但具有特殊性質(zhì)的晶須直徑通常在但具有特殊性質(zhì)的晶須直徑通常在1 10m之之 間間1。 1無(wú)機(jī)晶須，化學(xué)工業(yè)出版社，無(wú)機(jī)晶須，化學(xué)工業(yè)出版社，2005年年6月，第一版月，第一版 什么是晶須？什么是晶須？ 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 1661年，年，Robert Boyle 在在 ”The Sceptical Chemist” 中首次認(rèn)識(shí)銀晶須自發(fā)生長(zhǎng)的現(xiàn)象。中首次認(rèn)識(shí)銀晶須自發(fā)生長(zhǎng)的現(xiàn)象。 20世紀(jì)世紀(jì)60年代初開(kāi)發(fā)了可以產(chǎn)業(yè)化的金屬氧化物、碳年代初開(kāi)發(fā)了可以產(chǎn)業(yè)化的金屬氧化物、碳 化物、氮化物、鹵化物等晶須實(shí)驗(yàn)品?；?、氮化物、鹵化物等晶須實(shí)驗(yàn)品。 1965年，開(kāi)發(fā)出

3、強(qiáng)度比年，開(kāi)發(fā)出強(qiáng)度比Al高高6倍的倍的Al2O3(w)/Al復(fù)合材復(fù)合材 料，強(qiáng)度比塑料高料，強(qiáng)度比塑料高10倍的倍的Al2O3 (w)/塑料復(fù)合材料。塑料復(fù)合材料。 1992年，中科院鹽湖所由高世揚(yáng)院士領(lǐng)導(dǎo)的課題組年，中科院鹽湖所由高世揚(yáng)院士領(lǐng)導(dǎo)的課題組 開(kāi)始從事開(kāi)始從事 晶須合成條件和機(jī)理的研究。晶須合成條件和機(jī)理的研究。2000年，完成了年，完成了 “年產(chǎn)年產(chǎn)100噸硼酸鋁晶須工業(yè)性實(shí)驗(yàn)噸硼酸鋁晶須工業(yè)性實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目。項(xiàng)目。 無(wú)機(jī)無(wú)機(jī)納米納米晶須的發(fā)展歷史晶須的發(fā)展歷史 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 晶晶 須須 的的 生生 長(zhǎng)長(zhǎng) 機(jī)機(jī) 理理 螺旋位錯(cuò)生長(zhǎng)機(jī)理螺旋位錯(cuò)生長(zhǎng)機(jī)理 1958年，由年，

4、由 F.C.Frank提出。該機(jī)理適宜于解釋液相及氣相提出。該機(jī)理適宜于解釋液相及氣相 中晶須的生長(zhǎng)過(guò)程。中晶須的生長(zhǎng)過(guò)程。 VLS生長(zhǎng)機(jī)生長(zhǎng)機(jī)理理 20世紀(jì)世紀(jì)60年代，由年代，由Shyne和和Milewski提出。該機(jī)理適宜于提出。該機(jī)理適宜于 解釋氣相中晶須的生長(zhǎng)過(guò)程，許多有價(jià)值的晶須如解釋氣相中晶須的生長(zhǎng)過(guò)程，許多有價(jià)值的晶須如-Al2O3 、 B 、GaAs、 Ge、 GaP、 MgO、 NiBr2、 NiO、 Se、 Si 和和SiC等皆以等皆以VLS機(jī)理生長(zhǎng)。機(jī)理生長(zhǎng)。 其它生長(zhǎng)機(jī)理其它生長(zhǎng)機(jī)理 晶須毒化誘導(dǎo)生長(zhǎng)機(jī)理；晶須結(jié)構(gòu)各向異性誘導(dǎo)生長(zhǎng)機(jī)理；晶須毒化誘導(dǎo)生長(zhǎng)機(jī)理；晶須結(jié)構(gòu)各

5、向異性誘導(dǎo)生長(zhǎng)機(jī)理； 晶須開(kāi)裂生長(zhǎng)機(jī)理；擴(kuò)散控制生長(zhǎng)機(jī)理等。晶須開(kāi)裂生長(zhǎng)機(jī)理；擴(kuò)散控制生長(zhǎng)機(jī)理等。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 反應(yīng)體系中存在的催化劑液滴是氣體原料和固體產(chǎn)物的媒介。反應(yīng)體系中存在的催化劑液滴是氣體原料和固體產(chǎn)物的媒介。 氣相原料分子在低于二維成核臨界過(guò)飽和點(diǎn)（氣相原料分子在低于二維成核臨界過(guò)飽和點(diǎn)（P/Pe)crit的條件下的條件下 通過(guò)氣通過(guò)氣-液界面輸入到小液滴中，使小液滴成為含有晶須氣體原液界面輸入到小液滴中，使小液滴成為含有晶須氣體原 料的熔體，當(dāng)熔體達(dá)到一定的過(guò)飽和度時(shí)析出晶體并沉積在液料的熔體，當(dāng)熔體達(dá)到一定的過(guò)飽和度時(shí)析出晶體并沉積在液 滴與基體的界面上。隨著氣源的

6、連續(xù)供給，晶須連續(xù)長(zhǎng)出，而滴與基體的界面上。隨著氣源的連續(xù)供給，晶須連續(xù)長(zhǎng)出，而 將小液滴抬起，直到生長(zhǎng)停止，最后小液滴殘留在晶須頂端。將小液滴抬起，直到生長(zhǎng)停止，最后小液滴殘留在晶須頂端。 基體基體 液相液相 氣相氣相 氣相氣相 VLS生長(zhǎng)機(jī)理生長(zhǎng)機(jī)理 晶晶 須須 的的 生生 長(zhǎng)長(zhǎng) 機(jī)機(jī) 理理 晶須晶須 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 1 2 3 4 5 在界面處生長(zhǎng)成固態(tài)晶須在界面處生長(zhǎng)成固態(tài)晶須 蒸氣蒸氣 界面界面 液相液相 晶須晶須 VLS生長(zhǎng)機(jī)理生長(zhǎng)機(jī)理 氣相分子向液滴擴(kuò)散氣相分子向液滴擴(kuò)散 氣相分子在催化劑液滴上發(fā)生多相氣相分子在催化劑液滴上發(fā)生多相 化學(xué)反應(yīng)生成晶須新相化學(xué)反應(yīng)生成晶須新

7、相 反應(yīng)副產(chǎn)物由液滴擴(kuò)散進(jìn)入氣相反應(yīng)副產(chǎn)物由液滴擴(kuò)散進(jìn)入氣相 氣相分子或新相通過(guò)液滴輸送到界面氣相分子或新相通過(guò)液滴輸送到界面 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 晶須生長(zhǎng)途徑晶須生長(zhǎng)途徑 固相中生長(zhǎng)固相中生長(zhǎng) 有壓力誘導(dǎo)生長(zhǎng)，沉積生長(zhǎng)和固相解理生長(zhǎng)方式。有壓力誘導(dǎo)生長(zhǎng)，沉積生長(zhǎng)和固相解理生長(zhǎng)方式。 硬質(zhì)基體硬質(zhì)基體 擠壓擠壓 應(yīng)力誘導(dǎo)生長(zhǎng)晶須應(yīng)力誘導(dǎo)生長(zhǎng)晶須 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 液相中生長(zhǎng)液相中生長(zhǎng) 有蒸發(fā)有蒸發(fā)- -冷凝，冷凝， 毒化毒化- -誘導(dǎo)，電解，晶化，誘導(dǎo)，電解，晶化， 化化 學(xué)解理，學(xué)解理， 從凝膠中生長(zhǎng)和熔融等生長(zhǎng)方式。從凝膠中生長(zhǎng)和熔融等生長(zhǎng)方式。 晶須生長(zhǎng)途徑晶須生長(zhǎng)途徑 - +

8、 - + 電解液中晶須的生長(zhǎng)電解液中晶須的生長(zhǎng) 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 氣相中生長(zhǎng)氣相中生長(zhǎng) 有蒸發(fā)有蒸發(fā)凝結(jié)，氣相輸送凝結(jié)，氣相輸送+ +化學(xué)反應(yīng)生長(zhǎng)方式。化學(xué)反應(yīng)生長(zhǎng)方式。 晶須生長(zhǎng)途徑晶須生長(zhǎng)途徑 硅源 Si+SiO2 SiO +N2+H2 Si3N4+H2O 晶須晶須 CO 碳源晶須生長(zhǎng)區(qū) 氮化硅晶須氣相反應(yīng)生長(zhǎng)原理氮化硅晶須氣相反應(yīng)生長(zhǎng)原理 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 硅系晶須硅系晶須 碳化硅晶須、氮化硅晶須碳化硅晶須、氮化硅晶須 SiC1250SSiC1300S 2 Zhuxian Yang, Chem. Mater. 2004, 16, 3877.University Peking,

9、 surface area :119 m2/gsurface area :145 m2/g 晶晶 須須 種種 類類 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 SEM micrograph of as-extruded SiCw/ZK60 SiC whiskers in SiCw/ZK60 composite aligned with the tensile 3 Yan Feng.Scripta Materialia 2005, 53 , 361.Harbin Institute of Technology 硅系晶須硅系晶須 碳化硅晶須碳化硅晶須 晶晶 須須 種種 類類 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 2. 2. 氮化硅

10、晶須氮化硅晶須 6 Naoya shibata, Nature,2004,428,730 Atomic-resoltion STEM imags of intergranularfilm in La-doped -Si3N4 La N Si 晶晶 須須 種種 類類 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 3. 3. 氮化硅晶須氮化硅晶須 7 I-Wei Chen, Nature,1997,389,701 SEM images and XRD Nd0.4Si9.9Al2.1Oo.9N15 sample fired at 1950 晶晶 須須 種種 類類 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 3. 氧化物晶須氧化物晶須:氧化鋅

11、、氧化鎂、氧化鈦、氧化錫、氧化銅等氧化鋅、氧化鎂、氧化鈦、氧化錫、氧化銅等 SEM images of ZnO samples prepared at 180.HRTEM image of cluster ZnO whiskers 4 Changyou Liu et al. Materials Letters ,2005.Peking University, 晶晶 須須 種種 類類 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 2. 2. 氧化物晶須氧化物晶須 氧化鋅氧化鋅 SEM image of ZnO whisker grown on GaAs substrate 5 S.H. Eom et al. J. C

12、rystal Growth 2005.284, 168 晶晶 須須 種種 類類 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 4. 4.砷化鎵晶須砷化鎵晶須 SEM images of GaAs nanoscale whiskers a. cross-sectional view, b plan view. 8 V.G. Dubrovskii. J.of Crystal Growth. In press a b 晶晶 須須 種種 類類 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 SEM images of GaAs whiskers grown in window of SiO2 masked area. (a) Birds eye

13、view of whiskers. (b) Whiskers seen from direction normal to substrate surface. 9 K. Haraguchi et al.Current Applied Physics, 2006,6, 10 4. 4.砷化鎵晶須砷化鎵晶須 晶晶 須須 種種 類類 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 硼酸鹽晶須：硼酸鹽晶須： 硼酸鋁、硼酸鎂、硼酸鎳晶須等。硼酸鋁、硼酸鎂、硼酸鎳晶須等。 鹽類晶須：鹽類晶須： 鈦酸鉀、硫酸鈣、碳酸鈣和硅酸鈣晶須等。鈦酸鉀、硫酸鈣、碳酸鈣和硅酸鈣晶須等。 5. 5.其它種類晶須其它種類晶須 晶晶 須須 種種 類類

14、 氫氧化物晶須：氫氧化物晶須： 氫氧化鎂氫氧化鎂等。等。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 晶須在復(fù)合材料中的應(yīng)用晶須在復(fù)合材料中的應(yīng)用 晶須直徑小，原子高度有序，強(qiáng)度接近于完整晶體晶須直徑小，原子高度有序，強(qiáng)度接近于完整晶體 的理論值，因而具有優(yōu)良的耐高溫、耐高熱、耐腐的理論值，因而具有優(yōu)良的耐高溫、耐高熱、耐腐 蝕性能，有優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度、電絕緣性、輕量、高蝕性能，有優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度、電絕緣性、輕量、高 強(qiáng)度、高彈性模量、高硬度等特性。強(qiáng)度、高彈性模量、高硬度等特性。 作為塑料、金屬、陶瓷等改性增強(qiáng)材料有極佳的物作為塑料、金屬、陶瓷等改性增強(qiáng)材料有極佳的物 理、化學(xué)性能和優(yōu)異的力學(xué)性能。理、化學(xué)性能和優(yōu)

15、異的力學(xué)性能。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 0 5 10 15 20 強(qiáng)度強(qiáng)度/(GN/m2) 晶須晶須 基體基體 鋁鋁碳化硼碳化硼石墨石墨鋼鋼碳化硅碳化硅 晶須與基體材料強(qiáng)度比較晶須與基體材料強(qiáng)度比較 晶須在復(fù)合材料中的應(yīng)用晶須在復(fù)合材料中的應(yīng)用 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 負(fù)荷傳遞負(fù)荷傳遞 荷載或應(yīng)力能通過(guò)基體從晶須荷載或應(yīng)力能通過(guò)基體從晶須 傳遞到晶須，由于晶須的強(qiáng)度大于傳遞到晶須，由于晶須的強(qiáng)度大于 基體強(qiáng)度，并具有較大的彈性模量，當(dāng)應(yīng)力作用于復(fù)合材料時(shí)，基體強(qiáng)度，并具有較大的彈性模量，當(dāng)應(yīng)力作用于復(fù)合材料時(shí)， 晶須在周圍的基體中局部地應(yīng)變，使更強(qiáng)的應(yīng)力作用于晶須，從晶須在周圍的基體中局部地應(yīng)

16、變，使更強(qiáng)的應(yīng)力作用于晶須，從 而降低周圍的基體材料所受的應(yīng)力。而降低周圍的基體材料所受的應(yīng)力。 裂紋橋聯(lián)裂紋橋聯(lián) 在緊靠裂紋尖端處的晶須與基體界面開(kāi)裂區(qū)，晶須把裂紋在緊靠裂紋尖端處的晶須與基體界面開(kāi)裂區(qū)，晶須把裂紋 橋聯(lián)起來(lái)，并在裂紋的表面加上閉合應(yīng)力，阻止裂展。橋聯(lián)起來(lái)，并在裂紋的表面加上閉合應(yīng)力，阻止裂展。 裂紋偏轉(zhuǎn)裂紋偏轉(zhuǎn) 當(dāng)裂紋擴(kuò)展到晶須時(shí)，因晶須模量極高，由于晶須周圍存在應(yīng)力場(chǎng)，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到晶須時(shí)，因晶須模量極高，由于晶須周圍存在應(yīng)力場(chǎng)， 基體中的裂紋難于穿過(guò)晶須按原來(lái)的擴(kuò)展方向繼續(xù)擴(kuò)展。基體中的裂紋難于穿過(guò)晶須按原來(lái)的擴(kuò)展方向繼續(xù)擴(kuò)展。 拔出效應(yīng)拔出效應(yīng) 緊靠裂紋尖端的晶須在外應(yīng)

17、力作用下沿著它和基體的界面滑出緊靠裂紋尖端的晶須在外應(yīng)力作用下沿著它和基體的界面滑出 的現(xiàn)的現(xiàn) 象。象。 晶須在復(fù)合材料中的應(yīng)用晶須在復(fù)合材料中的應(yīng)用 晶須在復(fù)合材料中的作用機(jī)理晶須在復(fù)合材料中的作用機(jī)理 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 晶須在復(fù)合材料中的應(yīng)用晶須在復(fù)合材料中的應(yīng)用 對(duì)晶須補(bǔ)強(qiáng)增韌效果的影響因素對(duì)晶須補(bǔ)強(qiáng)增韌效果的影響因素 界面性質(zhì)界面性質(zhì) 1. 界面結(jié)合力界面結(jié)合力 2. 物理匹配物理匹配 3. 化學(xué)相容化學(xué)相容 晶須性能晶須性能 1. 長(zhǎng)徑比長(zhǎng)徑比 2. 晶須含量晶須含量 3. 晶須強(qiáng)度晶須強(qiáng)度 4. 晶須排布晶須排布 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 0.00.20.40.60.81.01

18、.21.41.61.8 0 100 200 300 400 500 600 700 Flexural stress(MPa) Displlacement(mm) A ductile ceramic composite with high strength at 1873K 10 Y.waku, Nature,1997,389,49 Al2O3/GdAlO3 with whisker interface Al2O3/Y3Al5O12 1. 1.對(duì)陶瓷基和金屬基材料補(bǔ)強(qiáng)增韌對(duì)陶瓷基和金屬基材料補(bǔ)強(qiáng)增韌 晶須在復(fù)合材料中的應(yīng)用晶須在復(fù)合材料中的應(yīng)用 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 2.改性高分子聚合物改性高

19、分子聚合物 由于晶須本身結(jié)構(gòu)纖細(xì)，且具高強(qiáng)度，高模量。晶由于晶須本身結(jié)構(gòu)纖細(xì)，且具高強(qiáng)度，高模量。晶 須加入到樹(shù)脂之中，可大幅度提高聚合物材料的力須加入到樹(shù)脂之中，可大幅度提高聚合物材料的力 學(xué)性能，耐熱性等諸多性能。作為一種新興的增強(qiáng)學(xué)性能，耐熱性等諸多性能。作為一種新興的增強(qiáng) 材料，具有許多長(zhǎng)纖維不具備的優(yōu)越性能，在航天、材料，具有許多長(zhǎng)纖維不具備的優(yōu)越性能，在航天、 航空以及眾多民用工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。航空以及眾多民用工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 晶須在復(fù)合材料中的應(yīng)用晶須在復(fù)合材料中的應(yīng)用 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 3.晶須具有吸波、壓敏、吸聲、減振、防噪、抗菌和催化等性能晶須具有吸波、壓敏

20、、吸聲、減振、防噪、抗菌和催化等性能 Influence of resistivity of T-ZnO on the effect of microwave absorption. 11 Zuowan Zhou Mater. Sci. and Eng. B 2006, 126,93 Southwest Jiaotong Universit SEM images of tetra-needle-like ZnO whiskers 晶須在復(fù)合材料中的應(yīng)用晶須在復(fù)合材料中的應(yīng)用 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 無(wú)機(jī)納米晶須的發(fā)展前景無(wú)機(jī)納米晶須的發(fā)展前景 晶須的高度取向結(jié)構(gòu)，不僅使其具有高強(qiáng)度、高模量和高

21、伸晶須的高度取向結(jié)構(gòu)，不僅使其具有高強(qiáng)度、高模量和高伸 長(zhǎng)率，且具有光、電、磁、介電、導(dǎo)電、超導(dǎo)電性能，因而長(zhǎng)率，且具有光、電、磁、介電、導(dǎo)電、超導(dǎo)電性能，因而 作為高性能復(fù)合材料改性等越來(lái)越廣泛用于汽車、航空航天、作為高性能復(fù)合材料改性等越來(lái)越廣泛用于汽車、航空航天、 化工、冶金、國(guó)防、機(jī)械、電器、船舶、石油等領(lǐng)域?；?、冶金、國(guó)防、機(jī)械、電器、船舶、石油等領(lǐng)域。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 陶瓷纖維的分類陶瓷纖維的分類 非晶質(zhì)（玻璃態(tài)）纖維非晶質(zhì)（玻璃態(tài)）纖維 晶質(zhì)纖維晶質(zhì)纖維 氧化物陶瓷纖維（如氧化鋁纖維）氧化物陶瓷纖維（如氧化鋁纖維） 非氧化物陶瓷纖維非氧化物陶瓷纖

22、維 （如碳化硅纖維（如碳化硅纖維） 陶瓷纖維棉陶瓷纖維棉 陶瓷纖維毯陶瓷纖維毯 陶瓷纖維氈陶瓷纖維氈 陶瓷纖維板陶瓷纖維板 從微觀形態(tài)上分：從微觀形態(tài)上分： 從成分上分：從成分上分： 從陶瓷纖維制品分：從陶瓷纖維制品分： 陶瓷纖維模塊陶瓷纖維模塊 陶瓷纖維紙?zhí)沾衫w維紙 陶瓷纖維紡織品陶瓷纖維紡織品 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 陶瓷纖維的制備方法陶瓷纖維的制備方法 o （溶劑）熱合成法（溶劑）熱合成法 水（溶劑）熱合成法是指在密封壓力容器中，以水(或 其他流體)作為溶媒(也可以是固相成分之一)，在高 溫（100）、高壓(9.81 MPa)的條件下制備纖維 的一種方法。水熱法在單晶生長(zhǎng)、粉體制備、薄膜

23、 、纖維制備和材料合成上的研究表明，這是一種應(yīng) 用廣泛、可制備多種成分材料的方法，而且制品質(zhì) 量高，成本也較低。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 陶瓷纖維的制備方法 o 碳纖維灌漿置換法碳纖維灌漿置換法 碳纖維灌漿置換法是利用多孔碳纖維的吸附特性 ，將碳纖維束在含有陶瓷組分的漿料或溶液中 浸泡，然后在高溫下氧化除掉有機(jī)組分而形成 陶瓷纖維。 該法制備的纖維相互粘連嚴(yán)重粘連嚴(yán)重，影響復(fù)合材料的 均勻性和機(jī)械性能。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 陶瓷纖維的制備方法 o 化學(xué)氣相沉積法（化學(xué)氣相沉積法（CVD法法） 化學(xué)氣相沉積法需要以一種導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能較 好的纖維作為芯材，利用可以氣化的小分子 化合物在一定的溫

24、度下反應(yīng)，使生成的目標(biāo) 陶瓷材料沉積到芯材上，從而得到“有芯” 的陶瓷纖維。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 陶瓷纖維的制備方法 o 有機(jī)聚合物前驅(qū)體轉(zhuǎn)化法有機(jī)聚合物前驅(qū)體轉(zhuǎn)化法 有機(jī)聚合物前驅(qū)體轉(zhuǎn)化法是以有機(jī)金屬聚合物為前驅(qū) 體，利用其可溶、可熔等特性成形后，經(jīng)高溫?zé)岣邷責(zé)?分解分解處理使之從有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)機(jī)陶瓷材料。 這種方法可以獲得高強(qiáng)度、高模量、細(xì)小直徑的連續(xù) 陶瓷纖維，可以在相對(duì)較低的溫度下生產(chǎn)陶瓷纖 維，陶瓷前驅(qū)體合成的陶瓷纖維成本較高成本較高。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 陶瓷纖維的制備方法陶瓷纖維的制備方法 o 靜電紡絲法靜電紡絲法 靜電紡絲法是使帶電荷的高分子溶液或熔體在靜電場(chǎng)中流動(dòng)與

25、變形，然后經(jīng)溶劑蒸發(fā)或熔體冷卻而固化得到纖維狀物質(zhì)。 靜電紡絲法制備陶瓷纖維可分為三個(gè)步驟：首先使用可溶于水 的鹽或酯與聚乙烯毗咯烷酮（PVP）的乙醇溶液或水溶液混 合制備前驅(qū)體溶液；然后是靜電紡絲過(guò)程，使用靜電紡絲設(shè) 備，對(duì)已配置完成的前驅(qū)體溶液進(jìn)行紡絲；最后將電紡纖維 經(jīng)過(guò)處理、煅燒。煅燒過(guò)程中，纖維中殘留的水分、乙醇等 有機(jī)溶劑蒸發(fā)，PVP、酯或鹽分解，不同非金屬元素結(jié)合形 成陶瓷纖維。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 陶瓷纖維的制備方法 o 擠壓法擠壓法 擠壓法就是利用SiC粉在聚合物粘結(jié)劑粘結(jié)劑存在下擠出紡 絲，形成的細(xì)絲再燒結(jié)固化。 該方法制造的多晶陶瓷纖維（包括其它方法制得的 SiC纖維

26、）具有最佳的抗高溫蠕變特性，但是該方 法只能得到強(qiáng)度較低的SiC纖維。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 陶瓷纖維的制備方法 o 超細(xì)微粉燒結(jié)法超細(xì)微粉燒結(jié)法 這種方法是采用將-SiC、-SiC的微粉溶解于聚合 物的溶液溶液中，然后經(jīng)混和紡絲、擠出、溶劑蒸 發(fā)、煅燒、預(yù)燒結(jié)等工藝步驟制得SiC纖維，所 得纖維的特點(diǎn)是富碳富碳、大直徑、低強(qiáng)度，雖然 耐溫性較好，但是抗氧化性能差。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 陶瓷纖維的制備方法 o 溶膠溶膠-凝膠法凝膠法 溶膠-凝膠法通常是先將金屬醇鹽金屬醇鹽溶解于有機(jī)溶劑 中，配制成一定粘度的溶膠，再將溶膠紡絲后 進(jìn)行熱處理而得到陶瓷纖維。 溶膠一凝膠法不但能制備出直徑較小

27、的纖維 (30m)，而燒結(jié)的溫度較低(1 000)。 是制備PZT陶瓷纖維的最主要方法。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 陶瓷纖維的制備方法 o 輻射不熔化法輻射不熔化法 采用核輻射輻照的方法對(duì)PCS先驅(qū)絲進(jìn)行不熔化處理 ，不必使用氧化性氣氛，也不需加入引發(fā)劑，利用 射線的強(qiáng)穿透能力使先驅(qū)絲的內(nèi)部形成具有不熔化 特性的特定化學(xué)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)先驅(qū)絲的整體不熔化。 利用加速器產(chǎn)生的高能電子束、同位素源產(chǎn)生的 射線輻照PCS先驅(qū)絲，照射至一定劑量后，在高純 Ar氣或N2氣氛中高溫?zé)峤猓玫降臒僧a(chǎn)物為陶瓷 纖維。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 陶瓷纖維發(fā)展趨勢(shì) 陶瓷纖維材料雖具有優(yōu)良的性能，但卻存在致 命的弱點(diǎn)脆性，

28、限制了其優(yōu)良性能的發(fā)揮 ，同時(shí)在高溫下可能發(fā)生粉化現(xiàn)象，也就限制 了它的廣泛應(yīng)用。 所以研究其增韌方法，改善其脆性，提高其強(qiáng) 度，強(qiáng)化其力學(xué)性能顯得至關(guān)重要，并成為陶 瓷纖維研究的主要方向。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 氧化鋁纖維氧化鋁纖維 o 是以Al2O3為主要成分，并含有少量的SiO2、B2O3、ZrO2、MgO等成 分。這類纖維具有優(yōu)良的高溫抗氧化性能，可應(yīng)用在1400以上的 高溫場(chǎng)合，是近年來(lái)備受重視的無(wú)機(jī)纖維。 o 美國(guó)3M公司采用新穎的成核細(xì)化晶粒的工藝，生產(chǎn)出Al2O3纖維， 它不僅具有高拉伸強(qiáng)度和彈性模量（拉伸強(qiáng)度達(dá)到3.2GPa，彈性模 量達(dá)到370GPa），而且還具有熱導(dǎo)率低

29、、電化學(xué)性能獨(dú)特和抗腐蝕 等一系列特點(diǎn)。 o 與其他陶瓷纖維相比，其具有制造流程簡(jiǎn)單，設(shè)備要求不高，不需 要惰性氣體保護(hù)等特點(diǎn)，故而有高的性價(jià)比，具有很大的商業(yè)價(jià)值 ，是廣泛應(yīng)用于軍民復(fù)合材料工業(yè)上的重要增強(qiáng)纖維。 o Al2O3纖維的制備方法和組成品種很多，得到的產(chǎn)品性能各異，纖維 品種形狀有連續(xù)Al2O3纖維和非連續(xù)Al2O3纖維。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 牌號(hào)生產(chǎn)廠家直徑 /m 組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) / 拉伸強(qiáng)度 /GPa 彈性模量 /GPa 斷裂伸長(zhǎng)率 / 密度 / gm-3 長(zhǎng)期使用溫度 / FPDu Pont1520-Al2O3991.42.13503900.293.95 1000 1

30、100 PRODu Pont1525 -Al2O380 ZrO220 2.2-2.43854200.40-1400 AltelSumitomo917 -Al2O375 SiO225 1.82.62102500.803.23.31250 SafilICI(UK)3 -Al2O395 SiO25 1.031000.672.81000 -Al2O3992.0300-3.31000 Nextel3123M(USA)11 -Al2O362 SiO224 B2O314 1.31.71521.122.7 1200 1300 ACo23M(USA)10 -Al2O370 SiO229 Cr2O31 1.381

31、59-2.81400 Nextel4403M(USA)- -Al2O370 SiO228 B2O32 1.722072401.723.11430 Nextel4803M(USA)10-12 -Al2O360 SiO240 1.902200.863.05- Nextel5503M(USA)1012 -Al2O373 SiO227 2.22200.983.75- Nexter7203M(USA)10 -Al2O385 SiO215 2.12600.813.4- Nextel6103M(USA)1012 -Al2O399 SiO20.25 3.23700.53.75- 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 氧化鋁

32、纖維氧化鋁纖維 o 由于制備方法和組成不同，性能差異較大。氧化鋁系列纖維主要用作 復(fù)合材料增強(qiáng)材料和耐高溫絕熱材料兩大類。 o 連續(xù)纖維可編織成無(wú)維布、編織帶、繩索等各種特殊的形狀來(lái)應(yīng)用。 主要用于增強(qiáng)Al、Ti和SiC等其他非氧化物陶瓷陶瓷制備復(fù)合材料柔性隔熱 材料。 o 由于Al2O3材料密度低、絕熱性好，熱容量小、節(jié)能效果好，而且可以 提高其復(fù)合材料的力學(xué)性能，改善耐磨性和硬度，而且線脹系數(shù)小， 故氧化鋁增強(qiáng)復(fù)合材料已應(yīng)用于制造汽車活塞部件、連桿、剎車 零件、旋轉(zhuǎn)氣體壓縮機(jī)葉片及直升機(jī)的傳動(dòng)裝置等。 o 氧化鋁纖維增強(qiáng)聚合物，由于纖維的彈性模量比玻璃纖維高，比碳纖 維的壓縮強(qiáng)度高，而且纖

33、維為白色，所以可以制造各種顏色的高強(qiáng)度 、高剛性的釣魚(yú)桿、高爾夫球桿、滑雪板、網(wǎng)球拍等。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 氧化鋁纖維制取工藝氧化鋁纖維制取工藝 o 由于氧化鋁熔點(diǎn)高達(dá)2323，其熔體黏度低，成纖性差， 故無(wú)法用熔融法熔融法制取氧化鋁纖維，目前主要有以下幾種制 取工藝。 淤漿法淤漿法 o 以-Al2O3粉、Al(OH)2Cl2H2O及少量MgCl26H2O為主要原 料，加入分散劑、流變助劑、燒結(jié)助劑等輔料，在一定條 件下制成淤漿干紡混合物，再擠出紡絲成纖、干燥，在 10001500的空氣中燒結(jié)，再在1500氣體火焰中處理 ，得到連續(xù)連續(xù)的氧化鋁纖維。 o 淤漿法生產(chǎn)中水分及揮發(fā)物較多，在

34、燒結(jié)前進(jìn)行干燥處理, 并選擇適當(dāng)?shù)纳郎厮俾?防止體積收縮過(guò)快導(dǎo)致纖維破裂。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 溶膠溶膠凝膠法凝膠法 o 以金屬鋁的無(wú)機(jī)鹽無(wú)機(jī)鹽或醇鹽醇鹽為主要原料，加入醋酸、酒石酸 等酸催化劑和水等，在一定條件下配成溶液并使其分散均 勻，發(fā)生水解和聚合反應(yīng)后得到一定濃度的溶膠溶膠，再經(jīng)過(guò) 濃縮處理使其黏度達(dá)到220-250 Pas，成為可紡凝膠凝膠，經(jīng)過(guò) 紡絲紡絲、干燥后于1500燒結(jié)燒結(jié)?？傻玫轿⒕Ь奂瘧B(tài)微晶聚集態(tài)氧化鋁纖 維。 o 該法生產(chǎn)氧化鋁纖維工藝簡(jiǎn)單工藝簡(jiǎn)單，易于控制早期結(jié)晶以及材 料的顯微結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品，均勻性好均勻性好，其均勻程度可以 達(dá)到分子或原子水平，溶液在生產(chǎn)中容易被除

35、去，燒結(jié)溫 度比傳統(tǒng)方法低低400-500，所得到的氧化鋁纖維的拉伸性 能好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、產(chǎn)品多樣，已成為制取氧化鋁纖維的 主要方法。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 預(yù)聚合法預(yù)聚合法 o 用烷基鋁烷基鋁和其他添加劑在一定條件下聚合，形成 一種鋁氧烷聚合物，將該聚合物溶解在有機(jī)溶劑 中，加入硅酸酯或有機(jī)硅化合物，再對(duì)該混合物 進(jìn)行濃縮處理成可紡黏稠液可紡黏稠液。經(jīng)過(guò)干法紡絲干法紡絲成先 驅(qū)纖維，然后分別在600和1000進(jìn)行熱處理 ，得到微晶聚集態(tài)連續(xù)連續(xù)氧化鋁纖維。 o 該法易于得到連續(xù)連續(xù)的氧化鋁長(zhǎng)纖維。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 浸漬法浸漬法 o 采用無(wú)機(jī)鋁鹽作為浸漬液，親水性能良好的黏黏 膠纖維

36、膠纖維作為浸漬物基體纖維。在一定條件下將 其混合均勻，無(wú)機(jī)鋁鹽以分子狀態(tài)分散于基體 纖維中，經(jīng)過(guò)浸漬、干燥、燒結(jié)、編織等步驟 可以得到形狀復(fù)雜的氧化鋁纖維。 o 浸漬法易于形成含鋁纖維，并可以制成形狀復(fù) 雜的纖維產(chǎn)品，但成本較高，工藝較為繁瑣， 產(chǎn)品性能不易控制，形成的纖維質(zhì)量較差。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 熔融抽絲法熔融抽絲法 o 開(kāi)發(fā)了熔融抽絲法來(lái)制備單晶-Al2O3纖維 ，即在高溫下向氧化鋁熔體插入鉬制細(xì)管。 利用毛細(xì)現(xiàn)象，熔融液剛好升到毛細(xì)管的頂 端，然后由頂端緩慢向上拉伸就得到- Al2O3連續(xù)纖維。 o 該法制取氧化鋁纖維存在和浸漬法同樣的不 足之處（工藝繁瑣、成本高工藝繁瑣、成本

37、高）。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 復(fù)合材料復(fù)合材料 o 由于氧化鋁纖維與金屬基體的浸潤(rùn)性浸潤(rùn)性良好，界面反應(yīng)較小，其復(fù) 合材料的力學(xué)性能力學(xué)性能、耐磨性耐磨性、硬度硬度均有所提高，熱膨脹系數(shù)降低 。氧化鋁纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料成為裝甲車、坦克發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的 理想材料。采用氧化鋁纖維增強(qiáng)復(fù)合材料氧化鋁纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造坦克履帶板，可使 質(zhì)量從鑄鋼的544kg下降到272-363kg。 o 采用高強(qiáng)度、高彈性的氧化鋁纖維與陶瓷基體復(fù)合陶瓷基體復(fù)合技術(shù)，能得到 韌性優(yōu)良的纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料，可明顯提高陶瓷產(chǎn)業(yè)的技 術(shù)水平，帶動(dòng)高技術(shù)陶瓷產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。 o 氧化鋁纖維與樹(shù)脂基體

38、結(jié)合良好，比玻璃纖維的彈性大，比碳纖 維的壓縮強(qiáng)度高，所以氧化鋁樹(shù)脂復(fù)合材料正逐步在一些領(lǐng)域取 代玻璃纖維和碳纖維。特別是在文體用品方面，氧化鋁纖維復(fù)合 材料可制成色彩鮮艷的高強(qiáng)度釣魚(yú)桿、高爾夫球等。 應(yīng)用前景應(yīng)用前景 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 應(yīng)用前景 o 氧化鋁短纖維主要用于高溫絕熱材料，長(zhǎng)纖維 用作增強(qiáng)復(fù)合增強(qiáng)復(fù)合耐火材料，可以編織成無(wú)紡布、 編織帶、繩索等各種形狀的纖維制品。 o 作為一種重要的絕熱節(jié)能材料，其應(yīng)用技術(shù)在 近10年來(lái)得到迅速發(fā)展。隨著應(yīng)用技術(shù)的提高 ，氧化鋁纖維及其制品不斷拓展了新的應(yīng)用領(lǐng) 域，具有良好的發(fā)展前景。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 工業(yè)高溫爐窯 o 氧化鋁短纖維具

39、有突出的質(zhì)量輕、耐高溫、熱穩(wěn)定性好、 熱導(dǎo)率低、熱容小及耐機(jī)械振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，導(dǎo)熱系數(shù)和容重 分別只有傳統(tǒng)耐火材料的1/10和1/15，綜合性能好，是理想 的節(jié)能增效耐火材料，比一般的耐火磚或高溫涂料節(jié)能效 果顯著。 o 生產(chǎn)實(shí)踐證明，應(yīng)用于連續(xù)加熱工業(yè)爐可節(jié)能節(jié)能15以上， 用在間歇式工業(yè)加熱爐可節(jié)能節(jié)能30以上，同時(shí)可提高生產(chǎn) 率和改善產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)爐體結(jié)構(gòu)輕型化、大型化。 o 多晶氧化鋁纖維在高溫工業(yè)爐、加熱裝置及高溫管道的應(yīng) 用將替代部分其他耐火絕熱材料，具有優(yōu)異的性價(jià)比和實(shí) 際應(yīng)用價(jià)值。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 航空航天 o美國(guó)“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)隔熱板襯墊隔熱板襯墊用的是Saffil

40、氧化鋁纖維，能經(jīng)受 1600的高溫，當(dāng)航天飛機(jī)由太空返回大氣層時(shí)，這種襯墊會(huì)防止熱通過(guò) 隔熱板之間的間隙進(jìn)入防熱罩內(nèi)。 oSaffil氧化鋁纖維還可用于鋁合金鋁合金活塞，優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)溫度上升時(shí)膨脹較小，比 純合金減少約25 ，使活塞和汽缸之間磨合接觸良好，可節(jié)省燃料。 o氧化鋁纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的空射導(dǎo)彈用固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，其爆破壓強(qiáng) 和鋼材相同，質(zhì)量則比鋁合金還減輕11 。氧化鋁長(zhǎng)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合 材料主要應(yīng)用于直升飛機(jī)的傳動(dòng)裝置等承受高負(fù)荷的機(jī)械零件和高溫高速 旋轉(zhuǎn)零件，以及有輕量化要求的航空航天高功能構(gòu)件。 o此外，還可應(yīng)用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管，使噴管設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化，部件數(shù)量 減少50 ，質(zhì)

41、量減輕50 。多晶耐火氧化鋁纖維也應(yīng)用于宇航導(dǎo)彈和原 子能領(lǐng)域，用作核反應(yīng)堆及航天飛機(jī)的隔熱材料、輕合金輕合金的增強(qiáng)材料等。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 其他領(lǐng)域 o氧化鋁纖維由于良好的耐化學(xué)腐蝕性能,可用于環(huán)保和再循環(huán)技術(shù)領(lǐng)域。 o利用氧化鋁纖維抗硫化氧化腐蝕、抗熱震、長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)生產(chǎn)的高溫過(guò) 濾管，應(yīng)用在800-900煤氣煤氣或煙氣煙氣環(huán)境中，可滿足增壓流化床燃燒聯(lián)合 循環(huán)和整體式煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)中的高溫氣體過(guò)濾要求。 o氧化鋁纖維柔軟、彈性好，還是理想的密封材料，由于具有絕緣、消音 、抗氧化、耐油和耐水性能，施工方便。 o最近，也有研究人員開(kāi)始將氧化鋁長(zhǎng)纖維用于熱核反應(yīng)堆冷卻換熱裝置

42、的襯里。 o目前使用氧化鋁纖維為主要原料的成型產(chǎn)品有氧化鋁纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合 材料活塞、氧化鋁纖維催化劑有機(jī)廢氣處理器、氧化鋁纖維燃?xì)獯呋?燒輻射器、耐火隔熱纖維砌塊等，可應(yīng)用于鋁基復(fù)合材料增強(qiáng)劑、隔熱 隔音材料等領(lǐng)域。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 改進(jìn)完善氧化鋁纖維改進(jìn)完善氧化鋁纖維 o 在氧化鋁纖維生產(chǎn)過(guò)程中，以凝膠濃縮物凝膠濃縮物或晶體的形式存在的可 紡產(chǎn)物，在需要紡絲時(shí)，可用水或其他溶劑溶解到一定的粘度， 經(jīng)過(guò)紡絲機(jī)可以紡出連續(xù)纖維，以實(shí)現(xiàn)氧化鋁纖維連續(xù)化生產(chǎn)， 這樣既可生產(chǎn)短纖維短纖維，也可以生產(chǎn)長(zhǎng)纖維長(zhǎng)纖維，有利于擴(kuò)大氧化鋁纖 維的應(yīng)用范圍和適應(yīng)性。 o 單純的氧化鋁纖維尤其是-Al2

43、O3纖維的力學(xué)強(qiáng)度還不夠理想， 因此一方面要進(jìn)一步提高纖維強(qiáng)度，需要在研制開(kāi)發(fā)中引入一定 的，以提高其力學(xué)性能。 o 另一方面還要提高氧化鋁纖維的純度純度和產(chǎn)品質(zhì)量，減少雜質(zhì)，可 以減少纖維，從而提高其強(qiáng)度。同時(shí)還要改進(jìn)制備工藝，加 強(qiáng)對(duì)氧化鋁纖維增強(qiáng)、復(fù)合材料性能優(yōu)化的研究。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 ZrO2陶瓷纖維陶瓷纖維 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 二、二、ZrO2陶瓷纖維材料的主要用途陶瓷纖維材料的主要用途 1、新型的先進(jìn)民用材料 o 工業(yè)窯爐用超高溫隔熱材料超高溫隔熱材料 o 與金屬或合金復(fù)合，寬溫度范圍使用的超強(qiáng)材料超強(qiáng)材料 Q 與玻璃復(fù)合，制成高強(qiáng)絕熱玻璃 Q 高溫過(guò)濾材料過(guò)濾材料

44、Q 高溫化學(xué)反應(yīng)催化劑載體催化劑載體 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 二、二、ZrO2陶瓷纖維材料的主要用途陶瓷纖維材料的主要用途 2、宇航工業(yè) Q 航天飛機(jī)（器）用絕熱與結(jié)構(gòu)增強(qiáng)材料絕熱與結(jié)構(gòu)增強(qiáng)材料 超高溫表面絕熱材料/特殊防熱結(jié)構(gòu)絕熱材料 載人飛行器超高溫復(fù)合材料/前錐體及翼前緣超高溫絕熱、 燒蝕與結(jié)構(gòu)材料/防熱磚用增強(qiáng)材料 Q 導(dǎo)彈、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉部、內(nèi)襯用高溫穩(wěn)定材料高溫穩(wěn)定材料 Q 通訊衛(wèi)星高能電池用隔膜、支撐體及隔熱材料隔熱材料 Q 空間熔煉爐、原子用超高溫隔熱材料 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 ZrO2的三種晶型的三種晶型 單斜單斜 四方四方 立方立方 液相液相 1170oC 2370oC

45、 2715oC 純ZrO2在不同溫度區(qū)間具有單斜（Monoclinic）、 四方（Tetragonal）、立方(Cubic)三種不同晶型，晶 型轉(zhuǎn)化式為： 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 2、ZrO2纖維纖維 為獲得高強(qiáng)度的氧化鋯纖維，通常摻入為獲得高強(qiáng)度的氧化鋯纖維，通常摻入 2-3mol% 的的Y2O3作穩(wěn)定劑。作穩(wěn)定劑。 ZrO2纖維是具有多晶陶瓷結(jié)構(gòu)的纖維狀材料，直徑 1-30m ， 晶粒大小 50-150nm，晶相四方或立方。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 ZrO2纖維的分類纖維的分類 按纖維長(zhǎng)度分類： ZrO2纖維可分為 連續(xù)纖維連續(xù)纖維 短纖維（定長(zhǎng)纖維）短纖維（定長(zhǎng)纖維）兩種類型。 連續(xù)長(zhǎng)度

46、大于一米的纖維稱為連續(xù)纖維連續(xù)纖維 長(zhǎng)度為厘米或毫米級(jí)別的纖維則稱為短纖維短纖維 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 氧化鋯連續(xù)纖維氧化鋯連續(xù)纖維 主要作為復(fù)合增強(qiáng)材料應(yīng)用于 航空、航天、國(guó)防等尖端領(lǐng)域 中。要求其具有很高的抗拉伸抗拉伸 強(qiáng)度強(qiáng)度和極好的柔韌性柔韌性。最好能 連續(xù)千米不斷，幾千根一束， 能有序纏繞并可解繞，因此制 備相當(dāng)困難，掌握其制備技術(shù) 的也僅有我們及美、日等幾家 科研機(jī)構(gòu)，至今未見(jiàn)有工業(yè)化 生產(chǎn)的報(bào)道。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 氧化鋯短纖維氧化鋯短纖維 主要用作超高溫隔熱 或密封材料，對(duì)長(zhǎng)度、 強(qiáng)度和有序性要求不 是很苛刻，因此制備 工藝相對(duì)簡(jiǎn)單。主要 產(chǎn)品形式有纖維氈或 毯等 無(wú)機(jī)

47、納米晶須與陶瓷纖維 ZrO2的性能參數(shù)的性能參數(shù) 高熔點(diǎn)： 2715 C 低導(dǎo)熱系數(shù)： 1.6-2.1 w/mk （金屬氧化物中為最?。?低高溫蒸氣壓： 13700C蒸汽壓僅為810-12 Torr 低比熱： 0.4 J/gK 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 ZrO2纖維的主要性能指標(biāo)纖維的主要性能指標(biāo) 最最高使用溫度高使用溫度 2200 高強(qiáng)度高強(qiáng)度 0.5-1.5 GPa 低密度低密度 0.08-0.16g/cm3 低導(dǎo)熱系數(shù)低導(dǎo)熱系數(shù)0.05 - 0.2 W/mK 高溫抗氧化性能高溫抗氧化性能 不氧化 耐化學(xué)腐蝕性能耐化學(xué)腐蝕性能 對(duì)鹵化物、氫氧化物及無(wú)機(jī)酸有很強(qiáng)的抗腐蝕能力 40%KOH溶液煮

48、沸1小時(shí)失重300m，抗拉強(qiáng)度2.5 3.0GPa，彈性模量180200GPa，纖維直徑1416m， 絲束根數(shù)400800根/束。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 先驅(qū)體法制備連續(xù)碳化硅纖維 o 碳化硅纖維最重要的優(yōu)勢(shì)在兩方面： 一是其高耐氧化性一是其高耐氧化性； 二是其較高的電阻率以及電阻率的可調(diào)控性二是其較高的電阻率以及電阻率的可調(diào)控性。 o 而后者可以使其成為透波材料(在高體積電阻率的條件下)或 者吸波材料(在低體積電阻率的條件下)。 o 碳化硅纖維要能獲得應(yīng)用和發(fā)展，必須充分發(fā)揮這兩方面 的特色。是近年來(lái)碳化硅纖維的研究與發(fā)展的趨勢(shì)，即： (1)通過(guò)降低纖維中的雜質(zhì)含量制備具有更高耐熱性、耐氧

49、化性 的碳化硅纖維； (2)通過(guò)制備工藝的改變獲得具有不同電阻率的碳化硅纖維。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 品種制造商 纖維組成 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)) /% 密度 /gcm-3 直徑 /m 拉伸 強(qiáng)度 /GPa 彈性 模量 /GPa 生產(chǎn) 狀況 N1202日本碳公司Si57C31O122.55143.0220工業(yè)化 Hi-Nicalon日本碳公司Si62C32O0.52.74142.8270工業(yè)化 Hi-Nicalon-S日本碳公司Si68.9C30.9O0.23.10122.6420開(kāi)發(fā)中 Tyranno LoxM 日本宇 部興產(chǎn) Si55.4C32.4 O10.2Ti2.0 2.48113.3187工

50、業(yè)化 Tyranno ZM 日本宇 部興產(chǎn) Si55.3C33.9 O9.8Zr1.0 2.48113.3192開(kāi)發(fā)中 SiBNC德國(guó)BayerSi-B-N-C1.81.98143.0358開(kāi)發(fā)中 UF SiC美國(guó)3MSiC(98.9)O1.12.7010122.8 210 240 開(kāi)發(fā)中 SCS-6美國(guó)TextronSiC(C)3.001404.0390工業(yè)化 Sylamic 美國(guó)Dow Coming SiC(95) TiB2(3)B4C(1.3) 3.00103.4386工業(yè)化 KD-I國(guó)防科技大學(xué)Si-C-O2.421215 2.3 2.4 150 190 開(kāi)發(fā)中 SiC(W芯)科學(xué)院金

51、屬所SiC(W)3.410033.7426開(kāi)發(fā)中 幾種典型幾種典型SiC系列纖維的品種和性能系列纖維的品種和性能 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 含鈦連續(xù)含鈦連續(xù)SiC纖維纖維 o 由先驅(qū)體聚碳硅烷制得的纖維不是純的SiC纖維，其元素組成及 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Si(55.5)、C(28.4)、O(14.0)、H(0.15)，形成 的-SiC微晶的尺寸為15nm。纖維表面有SiO2存在。在無(wú)機(jī)化 過(guò)程中經(jīng)由硅碳氧不穩(wěn)定相硅碳氧不穩(wěn)定相(SiCxOy)熱分解過(guò)程和-SiC微晶晶粒 粗化過(guò)程，從而影響了SiC纖維的高溫力學(xué)性能。作為耐熱材料 和先進(jìn)復(fù)合材料的增強(qiáng)體，這種性能還不夠理想。 o 在SiC纖維中引進(jìn)其他金

52、屬或非金屬元素是改善SiC纖維性能的好 方法，其中受到重視的是含鈦、鋯鈦、鋯或釩、鋁釩、鋁的SiC纖維。 o 其中含鈦、鋯、鋁的SiC纖維日本宇部興產(chǎn)公司均有研究和開(kāi)發(fā) ，且含鈦SiC纖維已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，其突出的優(yōu)點(diǎn)是耐熱 性能較好、與鋁及鋁合金的潤(rùn)濕性和相容性較好，更適合作為鋁 基復(fù)合材料的增強(qiáng)體。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 Tyranno系列纖維品牌及特性系列纖維品牌及特性 品牌 直徑 /m 拉伸強(qiáng) 度 /GPa 彈性模 量 /GPa 密度 /gcm-3 電阻率 /cm 線脹系數(shù) /10-6 K-1 Tyranno8103.03.31802002.32.41051043.1 A873.

53、01702.291063.1 D(s)8103.31802.351033.1 E8103.31802.351023.1 F8103.31802.401013.1 G8103.31802.401003.1 LoxM8103.31871802.48303.1 LoxE8103.42062.550.83.1 ZE8103.52332.550.3- 可通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將可通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將Ti、Zr等元素引入到纖維中，可以同時(shí)獲得低電阻率、而力學(xué)性能較等元素引入到纖維中，可以同時(shí)獲得低電阻率、而力學(xué)性能較 高的高的SiC纖維。纖維。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 功能型功能型SiC系列纖維系列纖維 oSiC系列纖維

54、具有高強(qiáng)度、高模量、低線脹系數(shù)和電阻率可調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)的特點(diǎn) ，除作為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的增強(qiáng)體外，還因具有良好的雷達(dá)波吸收功能而還因具有良好的雷達(dá)波吸收功能而 成為發(fā)展較快的耐高溫吸波材料成為發(fā)展較快的耐高溫吸波材料。作為雷達(dá)波電損耗型的吸收劑，通常 認(rèn)為電阻率在101103cm的纖維具有最佳的吸波特性。可以制備出適 用于在1210 GHz區(qū)域中具有最大吸收特性的吸波纖維。 o如日本碳公司生產(chǎn)的低體積電阻率低體積電阻率NL-500纖維，其電阻率在0.55.0 cm；而高體積電阻率的NL-400纖維，其電阻率在106107 em，是 良好的雷達(dá)波透波纖維。同時(shí)又具備優(yōu)異的力學(xué)性能，是一種極佳的功 能型結(jié)

55、構(gòu)復(fù)合材料增強(qiáng)體。 o吸波材料的發(fā)展趨勢(shì)之一是材料形態(tài)上低維化，材料組成上的復(fù)合化， 對(duì)SiC纖維進(jìn)行改性，可以使之適用于結(jié)構(gòu)吸波材料的需求。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 摻混型摻混型SiC纖維纖維 o在SiC纖維中摻入導(dǎo)電金屬異元素，調(diào)節(jié)其加入量，使之熔紡成先驅(qū)絲， 再經(jīng)高溫處理，達(dá)到調(diào)整SiC纖維的且保持較高的力學(xué)性能的目的 ，以滿足吸波結(jié)構(gòu)對(duì)吸波纖維的需求。 o我國(guó)在研究先驅(qū)體法制備SiC纖維的同時(shí)，采用大功率超聲波將平均粒徑 為30-50 nm的超細(xì)金屬(Fe、Co、Ni、Ti)粉分別分散到聚碳硅烷中，通 過(guò)熔融紡絲、不熔化處理、燒結(jié)制備出具有良好力學(xué)性能的電阻率電阻率連續(xù) 可調(diào)的摻混型S

56、iC纖維。 o研究結(jié)果表明，隨摻混的金屬微粉量的增加，所獲得的SiC纖維的拉伸強(qiáng) 度下降，電阻率下降。 o當(dāng)聚碳硅烷中加入納米Fe粉后，獲得的摻混型SiC纖維的電阻率急劇下降 ，只需要在聚碳硅烷加入約15(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Fe量就可以獲得電阻率達(dá) 到100103 cm范圍內(nèi)的SiC纖維，且纖維仍能保持較高的拉伸強(qiáng)度， 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 氮化硅氮化硅(Si3N4)纖維纖維 oSi3N4纖維不但具有優(yōu)越的力學(xué)性能，該纖維線脹系數(shù)及熱導(dǎo)率小，具有纖維不但具有優(yōu)越的力學(xué)性能，該纖維線脹系數(shù)及熱導(dǎo)率小，具有 良好的熱沖擊性、耐氧化性、絕緣性以及很好的彈性模量。它主要應(yīng)用良好的熱沖擊性、耐氧化性、絕緣性以

57、及很好的彈性模量。它主要應(yīng)用 于金屬基于金屬基(MMC)、陶瓷基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料(CMC)和防熱功能復(fù)合材料的制備。和防熱功能復(fù)合材料的制備。 oSi3N4纖維制備與由有機(jī)硅聚合物出發(fā)制備纖維制備與由有機(jī)硅聚合物出發(fā)制備SiC纖維相似，先驅(qū)體聚硅氮纖維相似，先驅(qū)體聚硅氮 烷、聚碳硅氮烷可由不同的合成路線與方法獲得，經(jīng)紡絲、不熔化處理烷、聚碳硅氮烷可由不同的合成路線與方法獲得，經(jīng)紡絲、不熔化處理 和高溫處理制得纖維，其組成、結(jié)構(gòu)與性能各不相同。在制備目標(biāo)上有和高溫處理制得纖維，其組成、結(jié)構(gòu)與性能各不相同。在制備目標(biāo)上有 制備純制備純Si3N4纖維和纖維和Si3N4-SiC復(fù)合結(jié)構(gòu)的陶瓷纖

58、維兩種趨勢(shì)。復(fù)合結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維兩種趨勢(shì)。 o目前以美國(guó)目前以美國(guó)Dow Coming公司、日本東亞燃料公司和法國(guó)公司、日本東亞燃料公司和法國(guó)Domaine大學(xué)各大學(xué)各 自代表氮化硅纖維制備技術(shù)中自代表氮化硅纖維制備技術(shù)中3種不同技術(shù)路徑。種不同技術(shù)路徑。 o這種纖維直徑為這種纖維直徑為1015m，拉伸強(qiáng)度為，拉伸強(qiáng)度為3.1 GPa，彈性模量為，彈性模量為260 GPa。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 Si3N4纖維的典型特性纖維的典型特性 公司公司 纖維纖維 名稱名稱 化學(xué)組成化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)) /% 密度密度 /gcm-3 直徑直徑 /m 拉伸拉伸 強(qiáng)度強(qiáng)度 /GPa 彈性彈性 模量模

59、量 /GPa 開(kāi)發(fā)狀開(kāi)發(fā)狀 況況 SiNCO 東亞燃東亞燃 料料 Si3N4 纖維纖維 59.837.10.42.72.39102.5300開(kāi)發(fā)中開(kāi)發(fā)中 Dow Coming HPZ59281032.328 15 1.75 1.85 140 175 產(chǎn)品分產(chǎn)品分 配中配中 Dow Coming HPZ602793.42.4810 122.06 165 220 開(kāi)發(fā)中開(kāi)發(fā)中 Rhone - Poulene FDBE -Ramil 56221582.40151.80220 樣品分樣品分 配中配中 國(guó)防科國(guó)防科 技大學(xué)技大學(xué) Si-C- N-O 532215102.3015 1.5 1. 8 140

60、 165 研究中研究中 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 Si3N4透波纖維 o Si3N4纖維具有優(yōu)越的力學(xué)性能、良好的耐熱沖擊性、高耐氧 化性、高絕緣性以及良好的彈性模量，純氮化硅的介電常數(shù) 約為7。介電損耗0.0010.005，具有較好的耐高溫性能,其熱 分解溫度為1900。 o 同時(shí)，它還具有較高的高溫電阻率(1x1013-1x1014Qcm)和較 好的高溫介電性能，是較為理想的高溫透波陶瓷纖維材料。 無(wú)機(jī)納米晶須與陶瓷纖維 氮化硼氮化硼(BN)纖維纖維 o BN纖維是一種質(zhì)地柔軟、白色絲光狀的多晶無(wú)機(jī)纖維，是 無(wú)機(jī)耐熱的品種之一。有BN復(fù)合纖維和純BN纖維之分。 o 氮化硼纖維具有優(yōu)越的絕熱和