釔鋁石榴石-金屬氧化物復(fù)合納米纖維的靜電紡絲法制備及其性能研究.pdf

1、復(fù)合納米纖維是由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料是通過各種工藝手段以納米級(jí)別耦合在一起的一種新型功能纖維體。復(fù)合納米纖維由于具有極大的比表面積、質(zhì)量輕及良好的力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前新材料研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，在服裝、生物醫(yī)學(xué)、航天航空、增強(qiáng)材料、光電材料等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
　　復(fù)合納米纖維因其優(yōu)越性能，常作為增強(qiáng)相應(yīng)用于金屬基體或陶瓷基體材料中以改善其強(qiáng)度、斷裂韌性、抗沖擊力等力學(xué)性能。目前用于增強(qiáng)增韌的纖維材料主要有硼纖維、碳纖維、

2、碳化硅纖維、氧化鋁基纖維、硅酸鹽納米纖維等，但氧化鋁基纖維因其優(yōu)越特性在增強(qiáng)高溫合金方面有著無可比擬的優(yōu)勢(shì)，且單一組分的納米纖維有表面特異性匱乏、力學(xué)性能差、降解速率難以保持等缺點(diǎn)，已難以滿足應(yīng)用需求，為了克服以上缺點(diǎn)，作為增強(qiáng)體的釔鋁石榴石/金屬氧化物復(fù)合納米纖維的研究引起了廣泛的關(guān)注。目前所用釔鋁石榴石/金屬氧化物復(fù)合材料的增強(qiáng)體基本是復(fù)合粉末顆粒，用其增強(qiáng)的復(fù)合材料存在強(qiáng)度、斷裂韌性和抗沖擊力等力學(xué)性能不夠理想，容易產(chǎn)生裂紋等缺陷

3、。與粉末材料相比，釔鋁石榴石/金屬氧化物納米纖維因具有極高的長(zhǎng)徑比、線狀結(jié)構(gòu)、粘結(jié)力大、質(zhì)量輕和良好的力學(xué)性能等特性，故其作為增強(qiáng)材料在金屬基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料中有著良好的應(yīng)用前景。
　　釔鋁石榴石（Yttrium Aluminium Garnet，化學(xué)式為Y3Al5O12，簡(jiǎn)稱YAG）纖維具有高彈性模量、耐高溫和抗高溫蠕變性等特性。納米氧化鋁（Al2O3）纖維因其高強(qiáng)度、高模量、耐熱等優(yōu)良性能，在高溫下有較高的拉伸強(qiáng)度。而

4、且還有很好的高溫抗氧化性、耐腐蝕性，與金屬基體的浸潤(rùn)性良好，界面反應(yīng)較小，是良好的增強(qiáng)相。納米氧化鋯（ZrO2）纖維具有耐高溫、高強(qiáng)度、韌性好和耐腐蝕等特性，在一些領(lǐng)域如空間飛行器動(dòng)力系統(tǒng)的高溫部件可作為纖維增強(qiáng)材料。由于YAG、Al2O3和ZrO2具有很好的化學(xué)相容性、相似的熱膨脹系數(shù)、高熔點(diǎn)、抗氧化性強(qiáng)，所以YAG/Al2O3(ZrO2)和Al2O3/YAG/ZrO2復(fù)合納米纖維是令人期待、很有希望的耐高溫增強(qiáng)增韌材料。
　　

5、YAG、Al2O3和 ZrO2均是良好的增強(qiáng)體，其復(fù)合而成的纖維作為增強(qiáng)材料，有著可觀的潛在應(yīng)用價(jià)值。將復(fù)納米合納米纖維并入到金屬基體中，研究纖維對(duì)金屬基體的硬度等力學(xué)性能的影響。因而本論文利用靜電紡絲法制備YAG/Al2O3(ZrO2)二元和 Al2O3/YAG/ZrO2三元復(fù)合納米纖維具有十分重要的意義。利用 X射線衍射儀、紅外光譜、掃描電子顯微鏡及紅外光譜對(duì)復(fù)合纖維的物相、形貌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和表征，得出以下結(jié)論:
　　1.本

6、文采用靜電紡絲法成功的制備了 YAG/Al2O3復(fù)合納米纖維。通過 SEM分析纖維的直徑大小及均勻程度，得出了最佳的PVA含量為10％，紡絲電壓為25kV，接受距離為16cm。由 XRD圖譜分析得知，當(dāng)溫度為1000℃時(shí)，獲得了只含有YAG和Al2O3兩相得到的YAG/Al2O3復(fù)合納米纖維并且其結(jié)晶度良好。前驅(qū)體纖維經(jīng)過1000℃煅燒2h后其直徑均勻，大約為300 nm，長(zhǎng)徑比為80:1，纖維表面較為光滑。TEM分析可知分析可知YAG

7、/Al2O3纖維含有兩套衍射斑點(diǎn)，它是相YAG相和相Al2O3兩相衍射花樣的迭加。
　　2.采用靜電紡絲法成功制備了YAG/ZrO2復(fù)合納米纖維。通過分析可知，前驅(qū)體纖維的直徑均勻，大約為0.95μm，得出了最佳的PVA含量為11%，紡絲電壓為20kV，接受距離為16cm。由XRD圖譜分析可知，當(dāng)焙燒溫度高于1100℃后，復(fù)合纖維開始結(jié)晶，形成YAG/ZrO2微晶；當(dāng)溫度達(dá)到1200℃時(shí)，獲得了只含有YAG和ZrO2兩相的YAG/

8、ZrO2復(fù)合納米纖維，其結(jié)晶度良好，衍射峰強(qiáng)度高。同時(shí)，PVA含量的多少對(duì)復(fù)合纖維的物相形成并無影響。前驅(qū)體纖維經(jīng)過1200℃煅燒5h后其直徑較均勻，平均直徑大約為500 nm，長(zhǎng)徑比為50:1，纖維表面較為光滑。TEM測(cè)試發(fā)現(xiàn)YAG/ZrO2復(fù)合纖維含有衍射斑點(diǎn)和衍射環(huán)兩種衍射花樣，衍射圓環(huán)不明銳，有彌散和寬化現(xiàn)象，說明晶粒細(xì)小，該纖維材料中有多晶ZrO2和單晶YAG兩種晶態(tài)存在。
　　3.本文采用靜電紡絲法制備了 Al2O3/

9、YAG/ZrO2復(fù)合納米纖維，通過改變紡絲參數(shù)：PVA含量、紡絲電壓和固化距離等獲得不同形貌的復(fù)合纖維，確定最佳的紡絲工藝條件。由SEM分析可知，前驅(qū)體纖維的直徑均勻，大約為0.8μm。并且得到三元復(fù)合納米纖維的最佳紡絲工藝如下：PVA含量為10%，紡絲電壓為25kV，接受距離為18cm。由 XRD圖譜分析表明，當(dāng)焙燒溫度高于1200℃后，復(fù)合纖維開始結(jié)晶，形成 Al2O3/YAG/ZrO2共晶；當(dāng)溫度達(dá)到1350℃時(shí)，復(fù)合納米纖維的物

10、相中僅含有YAG相、α-Al2O3相和ZrO2相的Al2O3/YAG/ZrO2三元復(fù)合納米纖維，其結(jié)晶度良好。同時(shí)，PVA含量的變化對(duì)復(fù)合纖維的物相形成沒有影響。Al2O3/YAG/ZrO2前驅(qū)體纖維經(jīng)過1350℃煅燒5h后獲得了直徑均勻，表面較為光滑的復(fù)合納米纖維，其平均直徑大約為250nm，長(zhǎng)徑比為70:1。TEM分析得知 Al2O3/YAG/ZrO2三相復(fù)合纖維的晶格條紋分布，其晶面間距分別為0.25m、0.24nm和0.23nm

11、，分別對(duì)應(yīng)于Al2O3相的(110)晶面，ZrO2相的(002)晶面和YAG相的(420)晶面。從選區(qū)電子衍射照片可以看到三元復(fù)合納米纖維中含有三套衍射斑點(diǎn)，存在Al2O3、YAG和ZrO2三種晶體結(jié)構(gòu)。
　　4.與純高鋁青銅粉末燒結(jié)體相比，YAG/Al2O3、YAG/ZrO2和Al2O3/YAG/ZrO2三種復(fù)合納米纖維的添加有利于高鋁青銅基復(fù)合材料硬度的提高，起到硬質(zhì)顆粒增強(qiáng)金屬基體的作用，其中 YAG/Al2O3纖維的增強(qiáng)效