一种高致密度LAS微晶玻璃纤维及其制备方法
文献发布时间:2023-06-19 12:02:28
技术领域
本发明属于工程陶瓷制备领域,涉及一种高致密度LAS微晶玻璃纤维及其制备方法。
背景技术
锂铝硅(Li
通过添加具有大长径比、高强度及高模量的C、SiC纤维或晶须等异质相制备玻璃陶瓷基复合材料,可以大幅度增加材料断裂时的表面以及裂纹扩展的路径,近年来被证实是一种十分有效的补强增韧手段。刘智恩、哈尔滨工业大学温广武、夏龙团队及Kim、Huang等人先后制备出C
发明内容
针对现有技术中存在的问题,本发明提供一种高致密度LAS微晶玻璃纤维及其制备方法,协同改善微晶玻璃的力学性能和透光性能。
本发明是通过以下技术方案来实现:
一种高致密度LAS微晶玻璃纤维的制备方法,包含以下步骤:
(1)前驱体水溶液的制备:将正硅酸乙酯溶于乙醇中,并加入纳米二氧化硅粉末,搅拌均匀,得到A溶液;将硝酸锂溶于水中,得到B溶液;将硝酸铝溶于水中,得到C溶液;将A溶液与B溶液混合,搅拌均匀,并加入C溶液中,搅拌均匀,得到前驱体水溶液;
(2)聚乙烯醇水溶液的制备:将聚乙烯醇粉末浸泡在水中,在水浴加热条件下搅拌得到聚乙烯醇水溶液;
(4)可纺性LAS前驱体的制备:将前驱体水溶液与聚乙烯醇水溶液进行混合,陈化,得到可纺性LAS前驱体;
(4)LAS纤维的静电纺丝:将可纺性LAS前驱体进行静电纺丝得到LAS原生纤维;
(5)LAS纤维的热处理:将LAS原生纤维经干燥后,在空气炉中进行烧结,获得高致密的LAS微晶玻璃纤维。
优选的,步骤(1)中,按照摩尔量计,纳米二氧化硅粉末的加入量为正硅酸乙酯的1%~15%。
优选的,步骤(1)中,将A、B、C三种溶液混合后,调节pH值至3~5。
优选的,步骤(2)中,聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇的含量为8wt%~16wt%。
优选的,步骤(3)中,在室温下陈化,陈化时间为12~72h,得到可纺前驱体的粘度为20~200Pa·s。
优选的,步骤(4)中,静电纺丝条件为:电压12~24KV,接收距离12~18cm,注射速度0.5mL·h
优选的,步骤(5)中,干燥温度为25~50℃,干燥时间1~10h。
优选的,步骤(5)中,采用两步法进行热处理,首先以1~5℃/min升温速率升温至600℃保温2h,然后再升温至800~920℃保温0.5~4h,随后随炉冷却至室温。
采用所述的制备方法制备得到的高致密度LAS微晶玻璃纤维。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
本发明采用溶胶-凝胶法,选择以硝酸锂为锂源、硝酸铝为铝源、正硅酸四乙酯与纳米SiO
本发明制备得到的LAS纤维直径均匀可控(1.2~5μm)、固含量高(41~54%),经热处理后微晶玻璃纤维均匀致密(致密度最高可达95%)单丝平均直径0.35-1.3μm、纯度高、结晶度可控(30~80%)、力学性能优异,最高抗拉强度1.6GPa以上,可作为增强体加入LAS微晶玻璃,并诱导析出晶体,协同改善微晶玻璃的力学性能和透光性能。LAS纤维本身属于氧化物玻璃纤维,不存在高温氧化失效问题,此外,LAS纤维和基体成分一致,在作为增强相加入LAS微晶玻璃时,不会产生第二相、异质界面等问题,选择同质纤维增强玻璃基体能突破LAS玻璃陶瓷力学性能与透光性难以匹配这一技术瓶颈。
附图说明
图1是实施例1制备的LAS玻璃纤维热处理前后的SEM图片。(a)晶化热处理前,(b)晶化热处理后。
图2是实施例1制备的LAS微晶玻璃纤维的XRD图谱。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明,所述是对本发明的解释而不是限定。
一种高致密度LAS微晶玻璃纤维的制备方法,包含以下步骤:
(1)前驱体水溶液的制备:将正硅酸乙酯溶于乙醇中,并加入纳米二氧化硅粉末,搅拌均匀,得到A溶液;将硝酸锂溶于水中,得到B溶液;将硝酸铝溶于水中,得到C溶液;将A溶液与B溶液混合,搅拌均匀,并加入C溶液中,搅拌均匀,得到前驱体水溶液;
(2)聚乙烯醇(PVA)水溶液的制备:称取一定量的聚乙烯醇粉末浸泡在去离子水中,在水浴加热条件下搅拌一定时间得到PVA水溶液;
(3)可纺性LAS前驱体的制备:将前驱体水溶液与PVA水溶液进行混合,陈化一定的时间,得到有一定粘度的可纺性LAS前驱体;
(4)LAS纤维的静电纺丝:将可纺性LAS前驱体进行静电纺丝得到LAS原生纤维;
(5)LAS纤维的热处理:将LAS原生纤维经干燥后,在空气炉中进行烧结,最终获得结晶可控、高致密的LAS微晶玻璃纤维。
上述方法中,步骤(1)中,正硅酸乙酯、乙醇、水、硝酸、硝酸锂、硝酸铝的摩尔比为(3~4):6.4:7.6:0.1:1:1,且纳米二氧化硅粉末的加入量为正硅酸乙酯的1~15mol%,以代替部分TEOS提供硅源,提高前驱体的固含量;且将A、B、C三种溶液混合后,调节pH值至3~5;步骤(2)PVA的含量为8~16wt%;步骤(3)所述在室温下陈化,陈化时间为12~72h,得到可纺前驱体的粘度为20~200Pa·s;步骤(4)所述静电纺丝条件为:电压12~24KV,接收距离12~18cm,注射速度0.5mL·h
本发明采用静电纺丝技术,并通过优化溶胶-凝胶前驱体的固含量、热处理工艺(两步法热处理、升温速率、热处理温度、保温时间等)等提高纤维的致密度,并达到微晶玻璃纤维的析晶可控。
实施例1:
(1)前驱体水溶液的制备:取9.36g正硅酸乙酯溶于4.4g乙醇中,并加入1wt%(0.094g)的纳米二氧化硅粉末,室温下磁力搅拌0.5h,得到A溶液;取10.35g硝酸锂作为锂源溶入10.26g去离子水中,用磁力搅拌器搅拌10min,得B溶液;取31.95g硝酸铝溶于10.26g去离子水中,加热至70℃并不断地对溶液进行机械搅拌促使硝酸铝溶液中的Al
(2)聚乙烯醇(PVA)水溶液的制备:称取聚合度为2000,醇解度为50%的聚乙烯醇,使其质量为步骤(1)所得混合溶胶质量的8wt%;浸泡在10ml的去离子水中,在水浴90℃下搅拌3h得到PVA水溶液;
(3)可纺性LAS前驱体的制备:将前驱体水溶液与PVA水溶液进行混合,室温下陈化12h,得到粘度为20Pa·s可纺前驱体。
(4)LAS纤维的静电纺丝:将可纺性LAS前驱体进行静电纺丝得到LAS原生纤维;纺丝电压12KV,接收距离12cm,注射速度0.5mL·h
(5)LAS纤维的热处理:将LAS原生纤维经25℃干燥10h后,单丝平均直径1.2μm。在空气炉中采用两步法进行热处理,首先以1℃/min升温速率升温至600℃保温2h,然后再升温至800℃保温4h,随后随炉冷却至室温,最终获得的LAS微晶玻璃纤维固含量41%,纤维单丝平均直径0.35μm,致密度为73%,结晶度50%、抗拉强度0.91GPa。
实施例2:
(1)前驱体水溶液的制备:取12.48g正硅酸乙酯溶于4.4g乙醇中,并加入15wt%(1.87g)的纳米二氧化硅粉末,室温下磁力搅拌0.5h,得到A溶液;取10.35g硝酸锂作为锂源溶入10.26g去离子水中,用磁力搅拌器搅拌10min,得B溶液;取31.95g硝酸铝溶于10.26g去离子水中,加热至70℃并不断地对溶液进行机械搅拌促使硝酸铝溶液中的Al
(2)聚乙烯醇(PVA)水溶液的制备:称取聚合度为2000,醇解度为50%的聚乙烯醇,使其质量为步骤(1)所得混合溶胶质量的16wt%;浸泡在10ml的去离子水中,在水浴90℃下搅拌3h得到PVA水溶液;
(3)可纺性LAS前驱体的制备:将前驱体水溶液与PVA水溶液进行混合,室温下陈化72h,得到粘度为200Pa·s可纺前驱体。
(4)LAS纤维的静电纺丝:将可纺性LAS前驱体进行静电纺丝得到LAS原生纤维;纺丝电压24KV,接收距离18cm,注射速度0.5mL·h
(5)LAS纤维的热处理:将LAS原生纤维经50℃干燥1h后,单丝平均直径5μm。在空气炉中采用两步法进行热处理,首先以5℃/min升温速率升温至600℃保温2h,然后再升温至920℃保温0.5h,随后随炉冷却至室温,最终获得的LAS微晶玻璃纤维固含量54%,纤维单丝平均直径1.3μm,致密度为95%,结晶度70%、抗拉强度1.6GPa。
实施例3:
(1)前驱体水溶液的制备:取9.98g正硅酸乙酯溶于4.4g乙醇中,并加入5wt%(0.50g)的纳米二氧化硅粉末,室温下磁力搅拌0.5h,得到A溶液;取10.35g硝酸锂作为锂源溶入10.26g去离子水中,用磁力搅拌器搅拌10min,得B溶液;取31.95g硝酸铝溶于10.26g去离子水中,加热至70℃并不断地对溶液进行机械搅拌促使硝酸铝溶液中的Al
(2)聚乙烯醇(PVA)水溶液的制备:称取聚合度为2000,醇解度为50%的聚乙烯醇,使其质量为步骤(1)所得混合溶胶质量的10wt%;浸泡在10ml的去离子水中,在水浴90℃下搅拌3h得到PVA水溶液;
(3)可纺性LAS前驱体的制备:将前驱体水溶液与PVA水溶液进行混合,室温下陈化24h,得到粘度为38Pa·s可纺前驱体。
(4)LAS纤维的静电纺丝:将可纺性LAS前驱体进行静电纺丝得到LAS原生纤维;纺丝电压16KV,接收距离14cm,注射速度0.5mL·h
(5)LAS纤维的热处理:将LAS原生纤维经30℃干燥8h后,单丝平均直径2.2μm。在空气炉中采用两步法进行热处理,首先以2℃/min升温速率升温至600℃保温2h,然后再升温至820℃保温3.5h,随后随炉冷却至室温,最终获得的LAS微晶玻璃纤维固含量44%,纤维单丝平均直径0.51μm,致密度为79%,结晶度60%、抗拉强度1.12GPa。
实施例4:
(1)前驱体水溶液的制备:取10.6g正硅酸乙酯溶于4.4g乙醇中,并加入8wt%(0.85g)的纳米二氧化硅粉末,室温下磁力搅拌0.5h,得到A溶液;取10.35g硝酸锂作为锂源溶入10.26g去离子水中,用磁力搅拌器搅拌10min,得B溶液;取31.95g硝酸铝溶于10.26g去离子水中,加热至70℃并不断地对溶液进行机械搅拌促使硝酸铝溶液中的Al3+水解并进行聚合反应,得到C溶液。使得正硅酸乙酯、乙醇、水、硝酸、硝酸锂、硝酸铝的摩尔比为3.4:6.4:7.6:0.1:1:1。将B溶液加入C中,形成锂铝溶胶,混合均匀后加入A溶液,得到LAS前驱体水溶液;
(2)聚乙烯醇(PVA)水溶液的制备:称取聚合度为2000,醇解度为50%的聚乙烯醇,使其质量为步骤(1)所得混合溶胶质量的12wt%;浸泡在10ml的去离子水中,在水浴90℃下搅拌3h得到PVA水溶液;
(3)可纺性LAS前驱体的制备:将前驱体水溶液与PVA水溶液进行混合,室温下陈化36h,得到粘度为98Pa·s可纺前驱体。
(4)LAS纤维的静电纺丝:将可纺性LAS前驱体进行静电纺丝得到LAS原生纤维;纺丝电压20KV,接收距离15cm,注射速度0.5mL·h
(5)LAS纤维的热处理:将LAS原生纤维经40℃干燥5h后,单丝平均直径2.6μm。在空气炉中采用两步法进行热处理,首先以3℃/min升温速率升温至600℃保温2h,然后再升温至850℃保温3h,随后随炉冷却至室温,最终获得的LAS微晶玻璃纤维固含量47%,纤维单丝平均直径0.65μm,致密度为84%,结晶度80%、抗拉强度1.45GPa。
实施例5:
(1)前驱体水溶液的制备:取11.86g正硅酸乙酯溶于4.4g乙醇中,并加入12wt%(1.42g)的纳米二氧化硅粉末,室温下磁力搅拌0.5h,得到A溶液;取10.35g硝酸锂作为锂源溶入10.26g去离子水中,用磁力搅拌器搅拌10min,得B溶液;取31.95g硝酸铝溶于10.26g去离子水中,加热至70℃并不断地对溶液进行机械搅拌促使硝酸铝溶液中的Al
(2)聚乙烯醇(PVA)水溶液的制备:称取聚合度为2000,醇解度为50%的聚乙烯醇,使其质量为步骤(1)所得混合溶胶质量的14wt%;浸泡在10ml的去离子水中,在水浴90℃下搅拌3h得到PVA水溶液;
(3)可纺性LAS前驱体的制备:将前驱体水溶液与PVA水溶液进行混合,室温下陈化48h,得到粘度为163Pa·s可纺前驱体。
(4)LAS纤维的静电纺丝:将可纺性LAS前驱体进行静电纺丝得到LAS原生纤维;纺丝电压22KV,接收距离16cm,注射速度0.5mL·h
(5)LAS纤维的热处理:将LAS原生纤维经45℃干燥2h后,单丝平均直径3.4μm。在空气炉中采用两步法进行热处理,首先以4℃/min升温速率升温至600℃保温2h,然后再升温至880℃保温2h,随后随炉冷却至室温,最终获得的LAS微晶玻璃纤维固含量49%,纤维单丝平均直径0.81μm,致密度为87%,结晶度65%、抗拉强度1.48GPa。
图1是实施例1制备的高致密度LAS微晶玻璃纤维的SEM图片,纤维直径为350nm,纤维表面光滑。图2是实施例1制备的高致密度LAS微晶玻璃纤维的XRD图谱,可以看出制备得到主要晶相是铝硅酸锂。
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