二硼化鋯陶瓷纖維的制備及其結(jié)構(gòu)性能研究.pdf

1、硼化鋯（ZrB2）具有高熔點(diǎn)，高硬度，高的熱導(dǎo)率以及電導(dǎo)率，優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性能，擁有極強(qiáng)的化學(xué)鍵以及穩(wěn)定性，可應(yīng)用于2000℃以上的超高溫極端環(huán)境下。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于其陶瓷粉末及塊體有很多的研究，但對(duì)于陶瓷纖維研究甚少。開(kāi)展ZrB2陶瓷纖維的研究，可以為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在超高溫環(huán)境中的應(yīng)用提供幫助，并可以解決目前陶瓷在該領(lǐng)域抗熱震性差的問(wèn)題，滿(mǎn)足國(guó)防的需要。本論文的主要研究目的是探索ZrB2陶瓷纖維的制備及其結(jié)構(gòu)性能研究。
　　

2、本論文以ZrB2陶瓷制備中的液相前驅(qū)體轉(zhuǎn)化技術(shù)為依據(jù)，采用八水合氧氯化鋯、硼酸、蔗糖和檸檬酸為無(wú)機(jī)原料，并利用聚乙烯醇為紡絲助劑，制得ZrB2前驅(qū)體紡絲液，然后利用干法紡絲制得前驅(qū)體纖維，并進(jìn)一步通過(guò)高溫?zé)Y(jié)制得ZrB2陶瓷纖維。采用轉(zhuǎn)矩流變儀、熱失重分析儀（TGA、HT-TGA）、差示掃描量熱儀（DSC）、熱重紅外聯(lián)用儀（TGA-FTIR）、氣質(zhì)聯(lián)用儀（GC-MS）、單絲拉伸儀、掃描電鏡（SEM）、元素分析（EA）、比表面與孔徑分布儀

3、、X射線(xiàn)光電子能譜（XPS）、X射線(xiàn)能量色散譜(EDS)、X射線(xiàn)衍射儀(XRD)等一系列表征手段，開(kāi)展了對(duì)ZrB2前驅(qū)體紡絲液、前驅(qū)體纖維及陶瓷纖維的結(jié)構(gòu)及性能表征。主要研究結(jié)果如下：
　?。?）前驅(qū)體紡絲液中聚乙烯醇與無(wú)機(jī)物發(fā)生了反應(yīng)，形成較為復(fù)雜的化合物，隨著反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，紡絲液變得穩(wěn)定。流變研究表明，紡絲液呈現(xiàn)剪切變稀，隨著紡絲助劑的減少，粘度變大，紡絲所需溫度變高。理論上較佳紡絲溫度40-55℃，粘度100-200Pa·S

4、。
　?。?）通過(guò)干法紡絲制備前驅(qū)體纖維的研究獲得了較佳的紡絲液條件及紡絲工藝。其中卷繞速度最大可達(dá)350m/min，直徑降低至15μm。前驅(qū)體纖維強(qiáng)度由聚乙烯醇含量50％時(shí)的890MPa降低至25%時(shí)的460MPa，而陶瓷產(chǎn)率可提升至30.9%。
　?。?）通過(guò)對(duì)前驅(qū)體纖維的結(jié)構(gòu)及在升溫過(guò)程中結(jié)構(gòu)及組成變化的研究，初步探索出其燒結(jié)機(jī)制，并得到了較佳的燒結(jié)程序，得到連續(xù)陶瓷纖維。在1600℃燒結(jié)后可得到孔徑3nm左右，直徑約

5、13μm，碳含量30.16%，晶型良好且致密的ZrB2陶瓷纖維。另外，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中得到了納米晶須，并對(duì)其晶粒生長(zhǎng)進(jìn)行了初步探索。
　?。?）在制得陶瓷纖維的基礎(chǔ)上，本論文研究了保溫時(shí)間及助劑比例對(duì)所制得陶瓷纖維的結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及抗氧化性的影響。結(jié)果顯示較佳的條件為助劑比例35%左右，在1600℃高溫?zé)Y(jié)保溫3～4個(gè)小時(shí)，最低碳含量可降至15.56%，陶瓷纖維強(qiáng)度可達(dá)710MPa，且結(jié)構(gòu)均勻致密，具有良好的高溫穩(wěn)定性，其中在氮?dú)猸h(huán)境中