一種靜電紡絲結(jié)合碳熱還原氮化合成Sialon陶瓷纖維的方法
【專利摘要】一種靜電紡絲結(jié)合碳熱還原氮化合成Sialon陶瓷纖維的方法，以正硅酸乙酯為硅源，九水硝酸鋁或氯化鋁為鋁源，蔗糖為碳源，聚乙烯吡咯烷酮作為高分子聚合物制備紡絲原液；將所述紡絲原液進(jìn)行靜電紡絲制備陶瓷纖維前驅(qū)體；將所述陶瓷纖維前驅(qū)體進(jìn)行碳熱還原氮化制備所述Sialon陶瓷纖維。本發(fā)明通過靜電紡絲結(jié)合碳熱還原氮化法合成Sialon陶瓷纖維。該方法制備的纖維不僅連續(xù)，長徑比高，表面光滑；而且該材料制備成本低，成分可調(diào)，條件易控，適合工業(yè)化推廣。利用本發(fā)明制備的Sialon陶瓷纖維可用來復(fù)合增韌陶瓷材料，降低熱導(dǎo)，在航空航天等高溫結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力。
【專利說明】一種靜電紡絲結(jié)合碳熱還原氮化合成S i a I on陶瓷纖維的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高溫結(jié)構(gòu)陶瓷纖維制備領(lǐng)域，涉及一種合成Sialon陶瓷纖維的方法，尤其涉及一種靜電紡絲結(jié)合碳熱還原氮化合成Sialon陶瓷纖維的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]陶瓷纖維具有重量輕、耐高溫、熱穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，常被作為高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的增強(qiáng)體。如目前汽油機(jī)中，燃燒能量中的78%左右是在熱傳遞中損失掉的，為減少這部分損失，用隔熱性能好的陶瓷材料圍住燃燒室進(jìn)行隔熱，進(jìn)而再用廢氣渦輪增壓器和動(dòng)力渦輪來回收排氣能量。氣門、絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)等也需要這樣的材料。所以采用陶瓷纖維進(jìn)行復(fù)合增韌，在保持陶瓷零部件機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)，又能降低其熱導(dǎo)率。
[0003]而在諸多陶瓷材料中，Sialon具有高強(qiáng)度、超硬度、耐磨損、抗腐蝕、抗熱震等優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，是一類重要的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料，廣泛應(yīng)用于冶金、電子、機(jī)械、化工、航空航天等領(lǐng)域。相比商品化的氧化鋁纖維材料，Sialon陶瓷纖維具有更優(yōu)異的機(jī)械和隔熱性能。所以Sialon陶瓷纖維具有不可替代的應(yīng)用價(jià)值和很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。但是目前Sialon陶瓷纖維的合成方法局限性很大，而多限于普通Sialon陶瓷材料的合成，例如本 申請(qǐng)人:在中國專利CN101698610A中公開一種納米燒注結(jié)合碳熱還原氮化制備高純?chǔ)?-Sialon陶瓷粉體的方法，中國專利CN102115332A公開一種利用無壓燒結(jié)技術(shù)添加燒結(jié)助劑制備高強(qiáng)度β-Sialon陶瓷的方法。
[0004]靜電紡絲法是一種生產(chǎn)納米級(jí)纖維簡(jiǎn)單有效的方法，其技術(shù)的核心是使帶電荷的高分子溶液或熔體在靜電場(chǎng)中流動(dòng)與變形，然后由于溶劑蒸發(fā)或熔體冷卻而固化，最終得到連續(xù)的纖維化物質(zhì)。與傳統(tǒng)的干法紡絲、熔融紡絲、激光燒蝕等合成纖維方法相比，靜電紡絲法設(shè)備簡(jiǎn)單，成本較低，合成的纖維有著高比表面積，高孔隙率，高的軸向彈性，而且質(zhì)量輕，擁有良好的機(jī)械性能。該技術(shù)還容易實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)物形貌、結(jié)構(gòu)、成分的控制。例如中國專利CN102584211A公開一種靜電紡絲結(jié)合冷凍干燥制備微、納米多孔陶瓷纖維的方法。但是目前尚未見有采用靜電紡絲技術(shù)制備Sialon陶瓷纖維的相關(guān)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種工藝步驟簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低廉、高強(qiáng)低熱導(dǎo)的Sialon陶瓷纖維的制備方法，為Sialon陶瓷纖維的合成提供一種新的技術(shù)路徑，以滿足高溫結(jié)構(gòu)材料中的纖維增韌補(bǔ)強(qiáng)以及降低結(jié)構(gòu)材料的熱導(dǎo)等實(shí)際需求。
[0006]在此，本發(fā)明提供一種靜電紡絲結(jié)合碳熱還原氮化合成Sialon陶瓷纖維的方法，包括:以正硅酸乙酯為硅源，九水硝酸鋁或氯化鋁為鋁源，蔗糖為碳源，聚乙烯吡咯烷酮作為高分子聚合物制備紡絲原液；將所述紡絲原液進(jìn)行靜電紡絲制備陶瓷纖維前驅(qū)體；將所述陶瓷纖維前驅(qū)體進(jìn)行碳熱還原氮化制備所述Sialon陶瓷纖維。
[0007]本發(fā)明所用設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低廉，成分可調(diào)，制備條件溫和可控。本發(fā)明制備的纖維晶相結(jié)構(gòu)為β-Sialon，產(chǎn)物為纖維，平均直徑約I微米，長徑比高，表面光滑。
[0008]在本發(fā)明的方法中，當(dāng)以九水硝酸鋁為鋁鹽時(shí)，所述正硅酸乙酯、九水硝酸鋁和蔗糖的質(zhì)量比為:1:1~3:0.90~1.30 ;當(dāng)以氯化鋁為鋁鹽時(shí)，所述正硅酸乙酯、氯化鋁和蔗糖的質(zhì)量比為:1:0.4~1.1:0.90~1.30。
[0009]所述紡絲原液的制備包括:將蔗糖和鋁源溶解于水、或者溶解于無水乙醇和水的混合液中，再加入聚乙烯吡咯烷酮并攪拌混合均勻制得透明粘稠溶液A ;將正硅酸乙酯加入到無水乙醇和水的混合液中，攪拌混合均勻制得溶液B;混合溶液A和B、攪拌混合均勻后得到所述紡絲原液。優(yōu)選地，制備所述溶液B時(shí)的攪拌時(shí)間是I~4小時(shí)。又，優(yōu)選地，混合溶液A和B時(shí)的攪拌時(shí)間是I~2小時(shí)。在溶液A的制備過程中，可選地將蔗糖和鋁源溶解于水中，然后再加入聚乙烯吡咯烷酮并攪拌混合均勻，制得所述透明粘稠溶液A。
[0010]在制備所述溶液A時(shí)，所述無水乙醇與水的質(zhì)量比優(yōu)選為O~60%。此外，蔗糖和鋁源的總量相對(duì)于所述無水乙醇和水的混合液的質(zhì)量比優(yōu)選為33~43%。
[0011]在制備所述溶液A時(shí)，在包含蔗糖、鋁源、無水乙醇和水的混合溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮時(shí)，聚乙烯吡咯烷酮與溶液A和B中的溶劑的總量(即溶液A和B中的水、乙醇和正娃酸乙酯的總量)的質(zhì)量比優(yōu)選為9~11%。
[0012]在制備所述溶液B時(shí)所述正硅酸乙酯、無水乙醇和水的質(zhì)量比優(yōu)選為1:0.6~
1.5:0.2 ~0.5。
[0013]所述靜電紡絲選擇電壓為10~20kV，針頭與滾筒距離為9~15cm，注射器推進(jìn)速度為0.2~4ml/h。
[0014]所述靜電紡絲接收裝置為電動(dòng)滾筒，轉(zhuǎn)速10m/min,筒體長度300mm,直徑60mm。
[0015]所述碳熱還原氮化是指將所述陶瓷纖維前驅(qū)體于管式爐中保護(hù)氣氛下900~1000°C碳化4h~6h，之后直接置于碳管爐中或者鋪蓋活性炭粉后置于碳管爐中1400°C~1500°C氮?dú)鈿夥罩懈邷氐?~8h，最后將得到的產(chǎn)物再放入馬弗爐中除碳制得所述Sialon陶瓷纖維。所述鋪蓋的活性炭粉的量可以為I~3g，足以覆蓋合成的纖維或纖維氈表面即可。
[0016]較佳地，所述管式爐中保護(hù)氣氛是氮?dú)饣驓鍤鈿夥铡?br> [0017]較佳地，所述碳管爐氮?dú)饬髁靠刂茷?.8L/min~2L/min。
[0018]較佳地，所述馬弗爐除碳溫度為600~800°C保溫2~4h。
[0019]另一方面，本發(fā)明還提供一種根據(jù)所述靜電紡絲結(jié)合碳熱還原氮化合成Sialon陶瓷纖維的方法制備的Sialon陶瓷纖維，其特征在于，纖維晶相結(jié)構(gòu)為β -Sialon，直徑在600納米至2微米之間。
[0020]本發(fā)明制備的Sialon陶瓷纖維的長徑比為10:1~60:1。
[0021]本發(fā)明的效益和優(yōu)越性在于:本發(fā)明通過靜電紡絲結(jié)合碳熱還原氮化法合成Sialon陶瓷纖維。該方法制備的纖維不僅連續(xù)，長徑比高，表面光滑；而且該材料制備成本低，成分可調(diào)，條件易控，適合工業(yè)化推廣。利用本發(fā)明制備的Sialon陶瓷纖維可用來復(fù)合增韌陶瓷材料，降低熱導(dǎo)，在航空航天等高溫結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為以正硅酸乙酯為硅源，九水硝酸鋁為鋁源，蔗糖為碳源，聚乙烯吡咯烷酮作為高分子聚合物，無水乙醇和水作為溶劑通過靜電紡絲結(jié)合碳熱還原氮化法所制備的Sialon陶瓷纖維的X射線衍射(XRD)圖；
圖2為通過上述圖1方法制備的Sialon陶瓷纖維的掃描電鏡照片(5000倍)；
圖3為以正硅酸乙酯為硅源，九水硝酸鋁為鋁源，蔗糖為碳源，聚乙烯吡咯烷酮作為高分子聚合物，無水乙醇和水作為溶劑通過靜電紡絲，再通過以鋪蓋活性碳的方式進(jìn)行碳熱還原氮化所制備的Sialon陶瓷纖維的X射線衍射(XRD)圖；
圖4為通過上述圖3方法得到纖維的EDS能譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]以下結(jié)合附圖及下述【具體實(shí)施方式】進(jìn)一步說明本發(fā)明，應(yīng)理解，下述實(shí)施方式和/或附圖僅用于說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。
[0024]本發(fā)明的靜電紡絲結(jié)合碳熱還原氮化合成Sialon陶瓷纖維的方法，包括:以正硅酸乙酯為硅源，九水硝酸鋁或氯化鋁為鋁源，蔗糖為碳源，聚乙烯吡咯烷酮作為高分子聚合物制備紡絲原液；將所述紡絲原液進(jìn)行靜電紡絲制備陶瓷纖維前驅(qū)體；將所述陶瓷纖維前驅(qū)體進(jìn)行碳熱還原氮化制備所述Sialon陶瓷纖維。
[0025]更具體地，作為示例，本發(fā)明的方法包括如下步驟:
(1)稱取蔗糖和鋁源化合物加入到水、或者無水乙醇和水的混合液中，充分?jǐn)嚢枞芙?。再加入聚乙烯吡咯烷酮，攪拌至透明粘稠液?br> (2)稱取正硅酸乙酯，加入到無水乙醇和水的混合液中，攪拌I~4h，混合均勻。
(3)將步驟(2)制得的溶液與步驟(1)制得的溶液混合，攪拌I~2h后，得到紡絲原液。
(4)將制備好的紡絲原液加入到注射器中，調(diào)節(jié)好紡絲電壓，注射器推進(jìn)速度參數(shù)，針頭與滾筒距離，進(jìn)行靜電紡絲，得到Sialon陶瓷纖維前軀體。
(5)將所述陶瓷纖維前驅(qū)體進(jìn)行碳熱還原氮化制備所述Sialon陶瓷纖維。作為一個(gè)更具體的示例，將Sialon陶瓷纖維前軀體置于管式爐中在N2或Ar保護(hù)氣氛下900~1000°C碳化4~6h,之后在碳管爐中1400°C~1500°C高溫煅燒6~8h,所通氣氛為氮?dú)狻Ｗ詈髮⒌玫降漠a(chǎn)物放入馬弗爐中600~800°C保溫2~4h除碳。此外，在本步驟中，還可通過在碳化處理后，對(duì)纖維進(jìn)行鋪蓋I~3g活性炭粉作為補(bǔ)充碳源，再后續(xù)進(jìn)行140(TC~150(TC高溫氮化6~8h處理。
[0026]在步驟(1)中，可以將蔗糖和鋁源化合物只溶解于水中，也可溶解于無水乙醇和水的混合液中，也就是說，在該步驟中無水乙醇和水的質(zhì)量比可以為O~60%。此外，所述蔗糖和鋁源的總量相對(duì)于所述無水乙醇和水的混合液的質(zhì)量比可以為33~43%。
[0027]在步驟(1)中，所述鋁鹽可以是九水硝酸鋁或氯化鋁。在步驟(1)和(2)中，當(dāng)以九水硝酸鋁為鋁鹽時(shí)，正硅酸乙酯、九水硝酸鋁和蔗糖的質(zhì)量比可以為:1:1~3:0.90~1.30 ;當(dāng)以氯化鋁為鋁鹽時(shí)，所述正硅酸乙酯、氯化鋁和蔗糖的質(zhì)量比可以為:1:0.4~1.1:0.90~1.30。在步驟(2)中，正硅酸乙酯、無水乙醇和水的質(zhì)量比可以為1:0.6~1.5:0.2 ~0.5。
[0028]在步驟(4)中，靜電紡絲選擇電壓為10~20kV，針頭與滾筒距離為9~15cm，注射器推進(jìn)速度為0.2~4ml/h。此外，注射器針頭大小可選擇5、6、7號(hào)針頭，內(nèi)徑分別為0.26、
0.34,0.51mm。又，在一個(gè)示例中接收裝置為滾筒，滾筒轉(zhuǎn)速10m/min，筒體長度300mm，直徑60mm。在步驟(5)中，碳管爐氮?dú)饬髁靠刂茷?.8L/min~2L/min。所鋪蓋的活性炭粉的量為I~3g是作為本發(fā)明的示例值，其可以是其他數(shù)值，足以覆蓋合成的纖維或纖維氈表面即可。
[0029]下面進(jìn)一步例舉實(shí)施例以詳細(xì)說明本發(fā)明。同樣應(yīng)理解，以下實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容作出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。下述示例具體的質(zhì)量、反應(yīng)時(shí)間和溫度、工藝參數(shù)等也僅是合適范圍中的一個(gè)示例，即、本領(lǐng)域技術(shù)人員可以通過本文的說明做合適的范圍內(nèi)選擇，而并非要限定于下文示例的具體數(shù)值。
[0030]實(shí)施例1
用第一類鋁源:九水硝酸鋁制備Sialon陶瓷纖維，所用原料九水硝酸鋁，正硅酸乙酯和蔗糖的質(zhì)量比為1: 1:0.93，其他原料及配比和制備方法如下:(I)稱取4.65g蔗糖和5g九水硝酸鋁加入到20g水和5g乙醇的混合溶液中，充分?jǐn)嚢枞芙?。再加?.5g聚乙烯吡咯燒酮，攪拌至透明粘稠液。(2)稱取5g正娃酸乙酯,加入到5g無水乙醇和Ig水的混合液中，攪拌2h，混合均勻。(3)將步驟(2)制得的溶液與步驟(1)制得的溶液混合，攪拌Ih后，得到紡絲原液。(4)將制備好的紡絲原液加入到注射器中，調(diào)節(jié)紡絲電壓為15kV，注射器推進(jìn)速度參數(shù)為lml/h，針頭選用7號(hào)針頭，接收裝置為滾筒，滾筒轉(zhuǎn)速10m/min，筒體長度300mm，直徑60mm，針頭與滾筒距離控制為12cm，進(jìn)行靜電紡絲，得到Sialon陶瓷纖維前軀體。(5)將紡絲前軀體置于管式爐中，在N2保護(hù)氣氛下900°C碳化4h后，在碳管爐中1460°C高溫煅燒6h，所通氣氛為氮?dú)?。最后將得到的產(chǎn)物放入馬弗爐中，700°C保溫4h除碳。所制備的Sialon陶瓷纖維用X射線衍射儀檢測(cè)晶相結(jié)構(gòu)，X射線衍射圖見圖1，其形貌用掃描電鏡進(jìn)行觀察，掃描電鏡照片見圖2。由圖1可知，所制備材料的晶相結(jié)構(gòu)為β-Sialon。由圖2可見，所制備的產(chǎn)物為纖維，直徑在600納米至2微米之間，長徑比高，表面光滑。
[0031]實(shí)施例2
用第一類鋁源:九水硝酸鋁制備Sialon陶瓷纖維，所用原料九水硝酸鋁，正硅酸乙酯和蔗糖的質(zhì)量比為2:1:0.9為例，其他原料及配比和制備方法如下:(I)稱取3.6g蔗糖和Sg九水硝酸鋁加入到25g水中，充分?jǐn)嚢枞芙狻Ｔ偌尤?.Sg聚乙烯吡咯烷酮，攪拌至透明粘稠液。(2)稱取4g正娃酸乙酯,加入到6g無水乙醇和Ig水的混合液中，攪拌2h,混合均勻。(3)將步驟(2)制得的溶液與步驟(1)制得的溶液混合，攪拌2h后，得到紡絲原液。(4)將制備好的紡絲原液加入到注射器中，調(diào)節(jié)紡絲電壓為20kV，注射器推進(jìn)速度參數(shù)為4ml/h,針頭選用6號(hào)針頭，接收裝置為滾筒，滾筒轉(zhuǎn)速10m/min，筒體長度300mm，直徑60mm，針頭與滾筒距離控制為9cm，進(jìn)行靜電紡絲，得到Sialon陶瓷纖維前軀體。(5)將紡絲前軀體置于管式爐中，在N2保護(hù)氣氛下900°C碳化4h后，在碳管爐中1500°C高溫煅燒6h，所通氣氛為氮?dú)?。最后將得到的產(chǎn)物放入馬弗爐中，600°C保溫4h除碳。
[0032]實(shí)施例3
用第一類鋁源:九水硝酸鋁制備Sialon陶瓷纖維，所用原料九水硝酸鋁，正硅酸乙酯和蔗糖的質(zhì)量比為3:1:1.3為例，其他原料及配比和制備方法如下:(I)稱取3.9g蔗糖和9g九水硝酸鋁加入到20g水和12g乙醇的混合溶液中，充分?jǐn)嚢枞芙?。再加?g聚乙烯吡咯烷酮，攪拌至透明粘稠液。(2)稱取3g正硅酸乙酯，加入到3g無水乙醇和Ig水的混合液中，攪拌2h，混合均勻。(3)將步驟(2)制得的溶液與步驟(1)制得的溶液混合，攪拌2h后，得到紡絲源液。(4)將制備好的紡絲原液加入到注射器中，調(diào)節(jié)紡絲電壓為IOkV,注射器推進(jìn)速度參數(shù)為0.2ml/h，針頭選用5號(hào)針頭，接收裝置為滾筒，滾筒轉(zhuǎn)速10m/min，筒體長度300mm，直徑60mm，針頭與滾筒距離控制為15cm，進(jìn)行靜電紡絲，得到Sialon陶瓷纖維前軀體。(5)將紡絲前軀體置于管式爐中，在Ar保護(hù)氣氛下1000°C碳化6h后，在碳管爐中1400°C高溫煅燒8h，所通氣氛為氮?dú)?。最后將得到的產(chǎn)物放入馬弗爐中，600°C保溫4h除碳。
[0033]實(shí)施例4
用第一類鋁源:九水硝酸鋁制備Sialon陶瓷纖維，所用原料九水硝酸鋁，正硅酸乙酯和蔗糖的質(zhì)量比為1: 1:0.93，其他原料及配比和制備方法如下:(I)稱取4.65g蔗糖和5g九水硝酸鋁加入到20g水和5g乙醇的混合溶液中，充分?jǐn)嚢枞芙?。再加?.5g聚乙烯吡咯燒酮，攪拌至透明粘稠液。(2)稱取5g正娃酸乙酯,加入到5g無水乙醇和Ig水的混合液中，攪拌2h，混合均勻。(3)將步驟(2)制得的溶液與步驟(1)制得的溶液混合，攪拌Ih后，得到紡絲源液。(4)將制備好的紡絲原液加入到注射器中，調(diào)節(jié)紡絲電壓為16kV，注射器推進(jìn)速度參數(shù)為lml/h，針頭選用7號(hào)針頭，接收裝置為滾筒，滾筒轉(zhuǎn)速10m/min，筒體長度300mm，直徑60mm，針頭與滾筒距離控制為10cm，進(jìn)行靜電紡絲，得到Sialon陶瓷纖維前軀體。(5)將紡絲前軀體置于管式爐中，在N2保護(hù)氣氛下900°C碳化4h后，鋪蓋3g活性碳，在碳管爐中1460°C高溫煅燒6h，所通氣氛為氮?dú)?。最后將得到的產(chǎn)物放入馬弗爐中，700°C保溫4h除碳。所制備的Sialon陶瓷纖維用X射線衍射儀檢測(cè)晶相結(jié)構(gòu)，X射線衍射圖見圖
3。其組分用EDS能譜表征，譜圖見圖4。由圖3可知，所制備材料的晶相結(jié)構(gòu)為β-Sialon，且結(jié)晶性比圖1所示的沒有鋪蓋活性炭粉的更好。由圖4可見，所得的Sialon成分組分化學(xué)計(jì)量比較平均。
[0034]實(shí)施例5` 用第一類鋁源:九水硝酸鋁制備Sialon陶瓷纖維，所用原料九水硝酸鋁，正硅酸乙酯和蔗糖的質(zhì)量比為1: 1:0.93，其他原料及配比和制備方法如下:(I)稱取4.65g蔗糖和5g九水硝酸鋁加入到20g水和5g乙醇的混合溶液中，充分?jǐn)嚢枞芙?。再加?.5g聚乙烯吡咯燒酮，攪拌至透明粘稠液。(2)稱取5g正娃酸乙酯,加入到5g無水乙醇和Ig水的混合液中，攪拌2h，混合均勻。(3)將步驟(2)制得的溶液與步驟(1)制得的溶液混合，攪拌Ih后，得到紡絲源液。(4)將制備好的紡絲原液加入到注射器中，調(diào)節(jié)紡絲電壓為15kV，注射器推進(jìn)速度參數(shù)為lml/h，針頭選用6號(hào)針頭，接收裝置為滾筒，滾筒轉(zhuǎn)速10m/min，筒體長度300mm，直徑60mm，針頭與滾筒距離控制為12cm，進(jìn)行靜電紡絲，得到Sialon陶瓷纖維前軀體。(5)將紡絲前軀體置于管式爐中，在N2保護(hù)氣氛下1000°C碳化4h后，鋪蓋Ig活性碳，在碳管爐中1460°C高溫煅燒6h，所通氣氛為氮?dú)狻Ｗ詈髮⒌玫降漠a(chǎn)物放入馬弗爐中，800°C保溫4h除碳。
[0035]實(shí)施例6
用第二類鋁源:氯化鋁制備Sialon陶瓷纖維，所用原料氯化鋁，正硅酸乙酯和蔗糖的質(zhì)量比為0.623:1:0.93為例，其他原料及配比和制備方法如下:(1)稱取4.65g蔗糖和
3.115g氯化鋁加入到12g水和IOg乙醇的混合溶液中，充分?jǐn)嚢枞芙?。再加?.5g聚乙烯吡咯烷酮，攪拌至透明粘稠液。(2)稱取5g正硅酸乙酯，加入到3g無水乙醇和Ig水的混合液中，攪拌2h，混合均勻。(3)將步驟(2)制得的溶液與步驟(1)制得的溶液混合，攪拌2h后，得到紡絲源液。(4)將制備好的紡絲原液加入到注射器中，調(diào)節(jié)紡絲電壓為12kV，注射器推進(jìn)速度參數(shù)為2ml/h，針頭選用6號(hào)針頭，接收裝置為滾筒，滾筒轉(zhuǎn)速10m/min，筒體長度300mm，直徑60mm，針頭與滾筒距離控制為10cm，進(jìn)行靜電紡絲，得到Sialon陶瓷纖維前軀體。(5)將紡絲前軀體置于管式爐中，在N2保護(hù)氣氛下900°C碳化4h后，在碳管爐中1460°C高溫煅燒6h，所通氣氛為氮?dú)狻Ｗ詈髮⒌玫降漠a(chǎn)物放入馬弗爐中，700°C保溫4h除碳。
[0036]產(chǎn)業(yè)應(yīng)用性:本發(fā)明所用設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低廉，成分可調(diào)，制備條件溫和可控。本發(fā)明所制備的Sialon陶瓷纖維表面光滑，長徑比高，平均直徑約I微米。可用來復(fù)合增韌陶瓷基體，降低熱導(dǎo)，在航空 航天等高溫結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力。
【權(quán)利要求】
1.一種靜電紡絲結(jié)合碳熱還原氮化合成Sialon陶瓷纖維的方法，其特征在于，以正硅酸乙酯為硅源，九水硝酸鋁或氯化鋁為鋁源，蔗糖為碳源，聚乙烯吡咯烷酮作為高分子聚合物制備紡絲原液；將所述紡絲原液進(jìn)行靜電紡絲制備陶瓷纖維前驅(qū)體；將所述陶瓷纖維前驅(qū)體進(jìn)行碳熱還原氮化制備所述Sialon陶瓷纖維。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，當(dāng)以九水硝酸鋁為鋁鹽時(shí)，所述正硅酸乙酯、九水硝酸鋁和蔗糖的質(zhì)量比為:1:1~3:0.90~1.30 ;當(dāng)以氯化鋁為鋁鹽時(shí)，所述正硅酸乙酯、氯化鋁和蔗糖的質(zhì)量比為:1:0.4~1.1:0.90~1.30。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述碳熱還原氮化是指將所述陶瓷纖維前驅(qū)體于管式爐中保護(hù)氣氛下900~1000 °C碳化4h~6h，之后直接置于碳管爐中或者鋪蓋活性炭粉后置于碳管爐中1400°C~1500°C氮?dú)鈿夥罩懈邷氐?~8h，最后將得到的產(chǎn)物再放入馬弗爐中除碳制得所述Sialon陶瓷纖維。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述管式爐中保護(hù)氣氛是氮?dú)饣驓鍤鈿夥铡?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的制備方法，其特征在于所述碳管爐氮?dú)饬髁靠刂茷?.8L/min ~2L/min。
6.根據(jù)權(quán)利要求3~5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述馬弗爐除碳溫度為600~800°C保溫2~4h。
7.根據(jù)權(quán)利要求1~6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述紡絲原液的制備包括:將蔗糖和鋁源溶解于水、或者溶解于無水乙醇和水的混合液中，再加入聚乙烯吡咯烷酮并攪拌混合均勻制得透明粘稠溶液A ;將正硅酸乙酯加入到無水乙醇和水的混合液中，攪拌混合均勻制得溶液B ;混合溶液A和B、攪拌混合均勻后得到所述紡絲原液。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在制備所述溶液A時(shí)所述無水乙醇和水的質(zhì)量比為O~60% ;且所述蔗糖和鋁源的總量相對(duì)于所述無水乙醇和水的混合液的質(zhì)量比為33~43%ο
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于，在制備所述溶液B時(shí)所述正硅酸乙酯、無水乙醇和水的質(zhì)量比為1:0.6~1.5:0.2~0.5。
10.根據(jù)權(quán)利要求7~9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，聚乙烯吡咯烷酮與溶液A、B中的水、乙醇和正硅酸乙酯的總量的質(zhì)量比為9~11%。
11.根據(jù)權(quán)利要求1~10中任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，所述靜電紡絲選擇電壓為10~20kV，針頭與滾筒距離為9~15cm，注射器推進(jìn)速度為0.2~4 ml/h。
12.根據(jù)權(quán)利要求1~11中任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，所述靜電紡絲接收裝置為電動(dòng)滾筒，轉(zhuǎn)速10m/min，筒體長度300mm，直徑60mm。
13.一種根據(jù)權(quán)利要求1~12中任一項(xiàng)所述的制備方法制備的Sialon陶瓷纖維，其特征在于，纖維晶相結(jié)構(gòu)為β -Sialon,直徑在600納米至2微米之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的制備方法制備的Sialon陶瓷纖維，其特征在于，所述纖維的長徑比為10:1~60:1。
【文檔編號(hào)】C04B35/622GK103771860SQ201210409036
【公開日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2012年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月23日
【發(fā)明者】劉茜, 盧琦, 莊建東, 周遙 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所