一種氧化鋯纖維陶瓷板及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氧化鋯纖維陶瓷板及其制備方法，可廣泛應(yīng)用于1500°C以上的使用場所及設(shè)備，屬于無機絕熱材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著新型發(fā)動機等產(chǎn)業(yè)的興起以及航空航天技術(shù)的發(fā)展，越來越迫切的需要材料在高溫氧化條件下能夠保持其使用強度和模量。氧化鋯陶瓷纖維，由于具有高熔點、較高的熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性、抗熱震性等特點，而成為最具研究潛力的高溫抗氧化材料。氧化鋯陶瓷纖維及其纖維板制品將在航空航天、導(dǎo)彈和火箭發(fā)動機內(nèi)飾、原子能反應(yīng)堆、工業(yè)窯爐、高溫過濾等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。
[0003]由于目前國內(nèi)氧化鋯纖維本身制備技術(shù)的限制，制備的氧化鋯纖維強度較低，直接制備纖維板的制備技術(shù)較困難，已公開的傳統(tǒng)的制備氧化鋯纖維板的方法中，需要加入粘結(jié)劑、絮凝劑、增強纖維等材料，不僅工藝復(fù)雜，而且還引入了其他組分，降低氧化鋯纖維板高溫使用性能，尤其是添加的有機組分在高溫下碳化，釋放有害氣體，造成環(huán)境污染，對密閉空間條件下的人員產(chǎn)生危害。因此，尋求一種簡便、安全、綠色、無污染的氧化鋯陶瓷纖維板的制備方法尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有制備技術(shù)的不足，提供一種氧化鋯陶瓷纖維板，其制備工藝簡單、不需要添加粘結(jié)劑和增強材料，高效無污染，不會降低纖維板在高溫條件下的使用性能。
[0005]本發(fā)明的另一個目的在于提供該氧化鋯陶瓷纖維板的制備方法。
[0006]為解決上述問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0007]一種氧化錯纖維陶瓷板，該纖維板的厚度為2?30mm，密度為0.1?0.35g/cm3，所述纖維板由纖維直徑為I?12μπι的氧化鋯纖維組成。
[0008]上述氧化鋯纖維陶瓷板的制備方法，包括如下步驟:
[0009](I)采用離心甩絲機，將氧化鋯前驅(qū)體溶液連續(xù)加入到甩絲頭，經(jīng)高速電機帶動甩出成絲，收集得到氧化鋯前驅(qū)體纖維。
[0010](2)將氧化鋯前驅(qū)體纖維進行預(yù)燒結(jié)，得到碳化后的纖維。
[0011](3)將碳化后的纖維開松，使纖維呈松散無序的狀態(tài)。
[0012](4)將開松后的碳化纖維層層鋪入在下模具中，纖維鋪好后將下模具壓在上模具上。
[0013](5)將整個模具進行高溫燒結(jié)，然后隨爐冷卻，打開模具，即得氧化鋯纖維板。
[0014]步驟(I)中，所述氧化錯前驅(qū)體溶液中，氧化錯、氧化乾、氧化鎂、氧化娃、氧化鈉、氧化鋁和氧化鈣的摩爾比為:(80?96): (3?20): (O?10)、(O?5): (O?5): (O?I): (O?I)，各組分之間比例的調(diào)節(jié)，是為了獲取四方相或立方相的氧化鋯纖維。其制備方法可以由有機配位法合成，也可以由溶膠凝膠法制備，為了獲得良好的成纖效果，兩種方法都需要加入紡絲助劑進行調(diào)節(jié)。
[0015]例如，采用有機配位法制備氧化鋯前驅(qū)體溶液，根據(jù)上述氧化物的摩爾比計算相應(yīng)原料的質(zhì)量，預(yù)先將釔鹽、鋁鹽等溶解在紡絲助劑的水溶液中，添加適量水形成均勻的膠液，再在強烈攪拌的條件下，逐步加入已溶解聚乙酰丙酮鋯的乙二醇單乙醚溶液中，形成氧化鋯前驅(qū)體溶液。
[0016]步驟(2)中，所述預(yù)燒結(jié)的溫度為500?800°C，保溫時間為0.5?2h。
[0017]所述預(yù)燒結(jié)的目的主要是去除氧化鋯前驅(qū)體纖維中的有機組分，這個過程伴隨著纖維的體積收縮，由于整個燒結(jié)過程還有氧化鋯晶型的形成與轉(zhuǎn)變，同樣伴隨著纖維體積的收縮，經(jīng)預(yù)燒結(jié)的收縮減小了纖維板成型后燒結(jié)對尺寸的影響。
[0018]步驟(2)中，所述燒結(jié)氣氛為空氣或氮氣或水蒸氣，升溫速率為0.5?5°C/min，升溫速率不宜過快，速率過快，有機揮發(fā)也快，對纖維損傷較大，纖維極易分化。
[0019]步驟(3)中，所述開松，是將收集到的呈一定排序的纖維通過小型彈棉機進行開松分離，使纖維呈無序分散狀態(tài)，同時纖維之間相互勾結(jié)，保證在后期燒結(jié)過程纖維體積較均勻的收縮。
[0020]步驟(4)中，所述模具是根據(jù)所需纖維板的密度設(shè)計的，上下模具中間留有一定尺寸，且該尺寸大于纖維板的尺寸，為收縮的預(yù)留尺寸，同時如果纖維板的密度很大，可在纖維層上表面加一塊陶瓷板，在纖維收縮的過程中給予一定的壓力，使纖維板更加密實。
[0021 ] 步驟(5)中，所述高溫燒結(jié)的溫度為1000?1500 V，保溫時間為0.5?1h，所述燒結(jié)過程是最為關(guān)鍵的步驟，該過程一方面是將碳化物完全燃燒，另一方面是完成氧化鋯晶型的轉(zhuǎn)變，整個過程是纖維板致密化的過程，同時纖維間形成更多、更強的搭接，使纖維板的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連接緊密，賦予了氧化鋯陶瓷纖維板制品較高的力學(xué)強度。
[0022]步驟(5)中，所述高溫燒結(jié)的升溫速率為5?15°C/min，升溫速率較快是為了抑制晶粒長大，實現(xiàn)纖維致密化。
[0023]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點:本發(fā)明的制備方法易于成型、操作簡單靈活、成本低、安全無污染，制備的氧化鋯陶瓷纖維板具有優(yōu)異的隔熱性能，使用溫度^ 1500Γ。
【具體實施方式】
[0024]下面通過實施例來進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0025]實施例1
[0026](I)將燒成后的氧化物以摩爾比為ZrO2: Y2O3: Al2O3: CaO = 95.2:3.7:1:0.I配制的氧化鋯前驅(qū)體紡絲液，經(jīng)離心甩絲制備氧化鋯前驅(qū)體纖維，制備的氧化鋯前驅(qū)體纖維平均直徑為2μηι。
[0027](2)將前驅(qū)體纖維，在充滿N2的氣氛燒結(jié)爐中，以0.5°C/min的速率升溫至500°C，保溫0.5h，自然冷卻到室溫，得到碳化后的纖維。
[0028](3)將制備的碳化后的纖維進行開松疏解，纖維呈松散無序的分散狀態(tài)。
[0029](4)將分散好的碳化纖維均勻鋪入在下模具中，將上模具合好，整個模具推入到高溫燒結(jié)爐中。
[0030](5)將模具及內(nèi)部碳化的纖維板以5°C/min的速率升至1000°C進行高溫燒結(jié)，保溫5h，自然冷卻到室溫，打開模具，即得到氧化鋯纖維板。
[0031]制得的氧化鋯纖維板密度為0.15g/cm3，厚度為26mm，在1600°C高溫下放置30min，纖維板保持完整性，不發(fā)生粉化，且收縮率〈5 %。
[0032]實施例2
[0033](I)將燒成后的氧化物以摩爾比為ZrO2: Y2O3: Al2O3: MgO = 82.8:15:0.5:1.7配制的氧化鋯前驅(qū)體紡絲液，經(jīng)離心甩絲制備氧化鋯前驅(qū)體纖維，制備的氧化鋯前驅(qū)體纖維平均直徑為6μηι。。
[0034](2)將前驅(qū)體纖維，在燒結(jié)爐中，以0.5°C/min的速率升溫至600 V，保溫0.5h，自然冷卻到室溫，得到碳化后的纖維。
[0035](3)將制備的碳化后的纖維進行開松疏解，纖維呈松散無序的分散狀態(tài)。
[0036](4)將分散好的碳化纖維均勻鋪入在下模具中，將上模具合好，整個模具推入到高溫燒結(jié)爐中。
[0037](5)將模具及內(nèi)部碳化的纖維板以8°C/min的速率升至1200°C進行高溫燒結(jié)，保溫Sh，自然冷卻到室溫，打開模具，即得到氧化鋯纖維板。
[0038]制得的氧化鋯纖維板密度為0.2g/cm3，厚度為30mm，在1600°C高溫下放置30min，纖維板保持完整性，不發(fā)生粉化，且收縮率〈5 %。
[0039]實施例3
[0040](I)將燒成后的氧化物以摩爾比為ZrO2: Y2O3: S12 = Al2O3:Na20 = 82:15:1.5:0.5:1配制的氧化鋯前驅(qū)體紡絲液，經(jīng)離心甩絲制備氧化鋯前驅(qū)體纖維，制備的氧化鋯前驅(qū)體纖維平均直徑為3.8μπι。。
[0041](2)將前驅(qū)體纖維，在燒結(jié)爐中，以2°C/min的速率升溫至600°C，保溫lh，自然冷卻到室溫，得到碳化后的纖維。
[0042](3)將制備的碳化后的纖維進行開松疏解，纖維呈松散無序的分散狀態(tài)。
[0043](4)將分散好的碳化纖維均勻鋪入在下模具中，將上模具合好，整個模具推入到高溫燒結(jié)爐中。
[0044](5)將模具及內(nèi)部碳化的纖維板以1 °C /min的速率升至1300 V進行高溫燒結(jié)，保溫15h，自然冷卻到室溫，打開模具，即得到氧化鋯纖維板。
[0045]制得的氧化鋯纖維板密度為0.25g/cm3，厚度為15mm，在1600°C高溫下放置30min，纖維板保持完整性，不發(fā)生粉化，且收縮率〈5 %。
[0046]實施例4
[0047](I)將燒成后的氧化物以摩爾比為ZrO2: Y2O3: S12: Al2O3: Ca0 = 90.8:8:0.5:0.5:
0.2配制的氧化鋯前驅(qū)體紡絲液，經(jīng)離心甩絲制備氧化鋯前驅(qū)體纖維，制備的氧化鋯前驅(qū)體纖維平均直徑為9.2μπι。。
[0048](2)將前驅(qū)體纖維，在燒結(jié)爐中，以5°C/min的速率升溫至800°C，保溫2h，自然冷卻到室溫，得到碳化后的纖維。
[0049](3)將制備的碳化后的纖維進行開松疏解，纖維呈松散無序的分散狀態(tài)。
[0050](4)將分散好的碳化纖維均勻鋪入在下模具中，將上模具合好，整個模具推入到高溫燒結(jié)爐中。[0051 ] (5)將模具及內(nèi)部碳化的纖維板以15 °C /min的速率升至1400 V進行高溫燒結(jié)，保溫1h，自然冷卻到室溫，打開模具，即得到氧化鋯纖維板。
[0052]制得的氧化鋯纖維板密度為0.35g/cm3，厚度為2mm，在1600°C高溫下放置30min，纖維板保持完整性，不發(fā)生粉化，且收縮率〈5 %。
[0053]實施例5
[0054](I)將燒成后的氧化物以摩爾比為 ZrO2: Y2O3: S12 = Al2O3: Na20: MgO = 80:8:4.7:
0.8:0.5:6配制的氧化鋯前驅(qū)體紡絲液，經(jīng)離心甩絲制備氧化鋯前驅(qū)體纖維，制備的氧化鋯前驅(qū)體纖維平均直徑為11.4μπι。。
[0055](2)將前驅(qū)體纖維，在燒結(jié)爐中，以4°C/min的速率升溫至700°C，保溫lh，自然冷卻到室溫，得到碳化后的纖維。
[0056](3)將制備的碳化后的纖維進行開松疏解，纖維呈松散無序的分散狀態(tài)。
[0057](4)將分散好的碳化纖維均勻鋪入在下模具中，將上模具合好，整個模具推入到高溫燒結(jié)爐中。
[0058](5)將模具及內(nèi)部碳化的纖維板以1 °C /min的速率升至1500 V進行高溫燒結(jié)，保溫Sh，自然冷卻到室溫，打開模具，即得到氧化鋯纖維板。
[0059]制得的氧化鋯纖維板密度為0.3g/cm3，厚度為10mm，在1600°C高溫下放置30min，
纖維板保持完整性，不發(fā)生粉化，且收縮率〈5 %。
【主權(quán)項】
1.一種氧化鋯纖維陶瓷板，其特征在于，所述氧化鋯纖維陶瓷板的厚度為2?30mm，密度為0.1?0.35g/cm3，所述氧化鋯纖維陶瓷板由纖維直徑為I?12μπι的氧化鋯纖維組成。2.權(quán)利要求1所述的氧化鋯纖維陶瓷板的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)采用離心甩絲機，將氧化鋯前驅(qū)體溶液連續(xù)加入到甩絲頭，經(jīng)高速電機帶動甩出成絲，收集得到氧化鋯前驅(qū)體纖維； (2)將氧化鋯前驅(qū)體纖維進行預(yù)燒結(jié)，得到碳化后的纖維； (3)將碳化后的纖維開松，使纖維呈松散無序的狀態(tài)； (4)將開松后的碳化纖維層層鋪入在下模具中，纖維鋪好后將下模具壓在上模具上； (5)將整個模具進行高溫燒結(jié)，然后隨爐冷卻，打開模具，即得氧化鋯纖維板。3.如權(quán)利要求2所述的氧化鋯纖維陶瓷板的制備方法，其特征在于，步驟(I)中，所述氧化錯前驅(qū)體溶液中，氧化錯、氧化乾、氧化鎂、氧化娃、氧化鈉、氧化鋁和氧化1丐的摩爾比為:(80?96):(3?20):(O?10)、(O?5):(O?5):(O?I ):(0?I)。4.如權(quán)利要求2所述的氧化鋯纖維陶瓷板的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，所述預(yù)燒結(jié)的溫度為500?800 0C，保溫時間為0.5?2h。5.如權(quán)利要求2所述的氧化鋯纖維陶瓷板的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，所述燒結(jié)氣氛為空氣、氮氣或水蒸氣，升溫速率為0.5?5 °C/min。6.如權(quán)利要求2所述的氧化鋯纖維陶瓷板的制備方法，其特征在于，步驟(5)中，所述高溫燒結(jié)的溫度為1000?1500 0C，保溫時間為0.5?1h。7.如權(quán)利要求2至6任一項所述的氧化鋯纖維陶瓷板的制備方法，其特征在于，步驟(5)中，所述高溫燒結(jié)的升溫速率為5?15°C/min。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種干法成型制備氧化鋯纖維陶瓷板的方法，采用離心甩絲工藝制備氧化鋯前驅(qū)體纖維，在保護氣氛的環(huán)境下，以較慢的升溫速率升至500℃，除去前驅(qū)體纖維中的水分子及有機組分，得到碳化纖維，將碳化纖維開松，均勻的平鋪在模具內(nèi)，經(jīng)1200℃高溫燒結(jié)后得到氧化鋯纖維板。該方法制備的過程中，纖維經(jīng)過了熱收縮，纖維之間相互交錯搭接，在不需要加入粘結(jié)劑的情況下，同樣具有很高的強度，整個過程避免了雜質(zhì)對高溫性能的影響，屬于純無機體系制備，綠色環(huán)保。制備的氧化鋯纖維板1500℃可長期使用，廣泛應(yīng)用于保溫隔熱領(lǐng)域。
【IPC分類】C04B35/48, C04B35/622, C04B35/80
【公開號】CN105712716
【申請?zhí)枴緾N201610086237
【發(fā)明人】張焱, 張琦, 趙驍儒, 奚秋香, 祖群
【申請人】中材科技股份有限公司