氧化锆纤维的制备技术优化研究(2)

菜单

1 绪论

随着现代复合材料的开发及其在高新技术领域中的应用，纤维材料的开发和应用逐渐受到人们的关注和重视。常见的无机纤维有碳纤维、氧化铝纤维、石英纤维、玻璃纤维、氧化锆纤维、硅酸铝纤维等。其中，碳纤维的研究和应用已达到了较高的水平，其最鲜明的特点是高比强度和高比模量。然而也有固有的缺点，如断裂伸长率小、导热系数大、高温抗氧化性能差等。相比之下，氧化锆纤维在无机纤维材料中占有特殊位置，因为它除具有一般无机纤维的特性外，还具有熔点高、耐高温、抗氧化、耐腐蚀、热传导率低等优良特性。作为一种高性能隔热和耐腐蚀材料，氧化锆纤维在保温绝热应用领域有着重要地位。

1.1 氧化锆及其纤维介绍

1.1.1 氧化锆介绍

氧化锆白色重质无定形粉末或单斜结晶，无臭无味。在1100℃以上形成四方晶体，在1900℃以上形成立方晶体。它具有熔点和沸点高、硬度大、常温下为绝缘体，而高温下则具有导电性等优良性质。氧化锆有三种晶体形态：单斜、四方、立方晶相。常温下氧化锆只以单斜相出现，加热到1100℃左右转变为四方相，加热到更高温度会转化为立方相。由于在单斜相向四方相转变的时候会产生较大的体积变化，冷却的时候又会向相反的方向发生较大的体积变化，容易造成产品的开裂，限制了纯氧化锆在高温领域的应用。但是添加稳定剂以后，四方相可以在常温下稳定，因此在加热以后不会发生体积的突变，大大拓展了氧化锆的应用范围。

氧化锆属于新型陶瓷，是一种十分重要的结构和功能材料，它具有非常优异的物理和化学性能。自1975年澳大利亚科学家GarvieHannik及Pascoet在“陶瓷钢”一文中报道ZrO2陶瓷相变增韧特性以来，该材料一直是材料科学与工业界研究与开发的热点，成为增韧其它陶瓷材料的首选材料[1]。近二十年来，具有各种性能的ZrO2陶瓷和以ZrO2为增韧剂的复合陶瓷材料得到了迅速发展。目前，人们已经成功地开发出了氧化钙部分稳定ZrO2陶瓷Ca-PSZ，氧化镁部分稳定ZrO2陶瓷Mg-PSZ，氧化钇稳定多晶ZrO2陶瓷Y-TZP，氧化铈稳定多晶ZrO2陶瓷 Ce-TZP及ZrO2增韧Al2O3陶瓷ZTA等，并在工业和科学技术的许多领域投入了应用[2]。另外，ZrO2独特的相变增韧现象也受到了人们的广泛研究和重视。

1.1.2 氧化锆纤维的制备方法及发展历程

ZrO2纤维是一种具有多晶陶瓷结构的ZrO2纤维材料，其直径范围一般在1-50m之间，晶粒粒径一般在几十至几百个nm之间。ZrO2纤维有连续纤维和短纤维之分。短纤维的长度通常为厘米、毫米或微米级别，国际上通常将长度大于一米以上的ZrO2纤维称为ZrO2连续纤维[3]，ZrO2连续纤维虽制备相当困难，但其强度高、韧性好，可实现三维编织，应用于复合增强材料方面具有短纤维所无法比拟的优异性能，一直备受国际上的关注。

自20世纪60年代末，国际上开始致力于氧化锆纤维的研制。美国联合碳化物公司(Union Carbide Corporation)首先研制成功，随后英国、苏联、德国、日本、印度等国随后相继开始研制。我国70年代末也实现了氧化锆纤维的实验室研制。不过，1987年之前所获得的氧化锆纤维大都为1～3cm的短纤维，主要以纤维毯、纤维毡、纤维布、纤维纸和异形件等形式作为高温窑炉填充、隔热材料以及密封、过滤材料使用。自1987年以来，伴随着对超高温复合材料需求的增加以及航天工业发展中碳纤维暴露出高温易氧化、隔热性能差等弊端，氧化锆连续纤维的研究日益受到关注[4]。