一种Al-Mg复相氧化物连续陶瓷纤维及其制备方法

本发明属于复合纤维材料，涉及一种al-mg复相氧化物连续陶瓷纤维及其制备方法。

背景技术：

1、陶瓷纤维材料具有耐高温、化学性能稳定、抗氧化、导热系数低等优点，广泛应用于航天航空、冶金、化工、高温炉等领域。如用于火箭、飞机、飞船、汽车发动机的组件、热交换器等，用于高温炉内衬可以实现炉体结构轻型化、大型化，是非常理想的节能增效材料。随着现代工业的迅速发展，实际应用对耐火材料的耐高温性能要求也日益增长，为提高陶瓷纤维的高温使用性能，有人通过溶胶-凝胶法或者羧酸盐法制备出一系列复相氧化物陶瓷纤维。镁铝尖晶石是一种熔点高(2135℃)、热膨胀系数小、热导率低、抗热震性好、抗腐蚀能力强的氧化物陶瓷材料。在室温下镁铝尖晶石不受浓无机酸、氢氟酸、磷酸、苛性碱的腐蚀，高温下耐矿渣、熔融金属、盐类及碳的作用，并且具有很高的耐火度和高温强度。镁铝尖晶石纤维因为其在形状尺寸上的优势可应用于较为广泛的领域。在高温绝热材料方面，尖晶石纤维有望用于制造绝热毡，成为当今国内外最新型的超轻质高温耐热纤维；在增强材料方面，镁铝尖晶石纤维有望用作金属基、陶瓷基复合材料的增强材料，镁铝尖晶石纤维增强后的树脂基复合材料有望在一些领域取代玻璃纤维和碳纤维。

2、南京理工大学采用溶胶-凝胶法制备了连续mgal2o4纤维，通过聚合氯化铝溶液和柠檬酸镁溶液获得纤维前驱体纺丝液。前驱体纺丝液经离心甩丝和空气气氛下热处理后制备出直径细小、有一定韧性的连续镁铝尖晶石纤维。在空气气氛下,前驱体纤维先以3℃/min加热至600℃,而后以5℃/min加热至1000℃并保温2h,经该热处理后的纤维直径为5～8μm(人工晶体学报，2014，43(12):3191-3196)。

3、cn1919762b郑州大学提供了一种制备mgal2o4透明纤维的方法：采用氧化铝粉、金属铝粉、氧化镁粉、金属镁粉为基质原料，按照50-80：0-30：10-20：0-20的质量百分比进行配比，混合均匀后在氮气氛炉中烧成，合成透明mgal2o4纤维。这种制备方法存在着纤维长度短、纤维直径粗大、脆性较高等缺点，且所用的电炉在进行结构设计时须考虑通入特殊气氛，设备难以大型化。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种al-mg复相氧化物连续陶瓷纤维及其制备方法。所述al-mg复相氧化物连续陶瓷纤维通过聚合物熔融纺丝法制备，工艺流程对环境友好；所得al-mg复相氧化物连续陶瓷纤维组成为α-al2o3、γ-al2o3和mgal2o4的混合，比例可调；平均直径为5～20μm，拉伸强度不小于1gpa。

2、本发明所提供的制备al-mg复相氧化物连续陶瓷纤维的方法，包括以下步骤：

3、1)将al-mg复相氧化物陶瓷前驱体进行熔融纺丝，得到纤维原丝；

4、2)将所述纤维原丝进行不熔化处理，得到不熔化纤维；

5、3)将所述不熔化纤维依次进行无机化和陶瓷化烧结，得到所述al-mg复相氧化物连续陶瓷纤维。

6、上述方法步骤1)熔融纺丝步骤中，所述al-mg复相氧化物陶瓷前驱体的软化点为110～180℃；具体可为180℃；

7、所述al-mg复相氧化物陶瓷前驱体通过如下方法制备得到：

8、将铝源、镁源加入到溶剂中，在加热温度60～110℃下搅拌回流0.5～3h；随后在加热温度60～90℃下，加入乙酸和乙酰乙酸乙酯的混合溶液，继续回流0.5～5h，加入铝源、镁源总量0.6倍摩尔分数的乙酸和乙酰乙酸乙酯的络合剂混合溶液，加热回流0.5～5h；再滴入质量比为1：4的水和正丙醇的混合液，滴完回流1h；在减压蒸馏，降至室温，制得al-mg复相氧化物陶瓷前驱体。

9、所述铝源、镁源的用量折合成al2o3:mgo的质量分数比为71.7～99.75：0.25～28.3；具体可为99.75:0.25、99:1、97:3、95:5、71.7:28.3；

10、所述铝源为异丙醇铝；所述镁源为异丙醇镁；

11、所述溶剂为正丙醇；

12、乙酸和乙酰乙酸乙酯的混合溶液中，乙酸和乙酰乙酸乙酯的摩尔比为1:20；

13、乙酸和乙酰乙酸乙酯的混合溶液为异丙醇铝和异丙醇镁总量的0.6倍摩尔分数；

14、铝源、镁源总量和水的摩尔比为1：0.6；

15、所述熔融纺丝的温度高于前驱体的软化点，具体可为210-235℃，更具体可为235℃、220℃、210℃；

16、所述熔融纺丝中，出丝孔的孔径可为0.1～1mm；具体为0.1mm、0.2mm、0.25mm；

17、螺杆挤压力为5～30mpa；具体可为20mpa、25mpa、30mpa；

18、纺丝速率为1000～8000r/min；具体为4000、8000r/min；

19、所述步骤2)不熔化处理的操作为：将所述纤维原丝置于恒温恒湿箱中，先升温至35～50℃(如40℃)，在35～50％(如40％)的相对湿度下保温10～60min(如20min、30min)，再升温至55～70℃(如60℃)，在55～70％(如60％)的相对湿度下保温10～60min(如20min、30min)，再升温至75～90℃(如85℃)，在75～95％(如80％)的相对湿度下保温10～60min(如40min)，冷却至室温。

20、所述步骤3)无机化步骤中，无机化的温度为550～850℃；具体可为650℃、700℃、800℃、900℃；

21、由室温升至无机化温度的速率为0.5～4℃/min；具体可为1℃/min；

22、无机化的时间为0.5h～4h；具体可为1h；

23、无机化的气氛为空气；

24、降温至室温的方式为自然降温；

25、所述陶瓷化步骤中，陶瓷化的温度为1100～1500℃；具体为1200℃、1300℃、1400℃；

26、由室温升至陶瓷化温度的速率为10～30℃/min；具体为10℃/min；

27、陶瓷化的时间为0.5h～2h；具体为1h；

28、陶瓷化的气氛为空气。

29、另外，由上述方法制备得到的al-mg复相氧化物连续陶瓷纤维及该al-mg复相氧化物连续陶瓷纤维在制备具有结构增强和高温绝热中至少一种性能的材料中的应用，也属于本发明的保护范围。

30、所述al-mg复相氧化物连续陶瓷纤维的拉伸强度不小于1.0gpa；具体可为1.0gpa、1.1gpa、1.3gpa、1.4gpa、1.5gpa；

31、所述al-mg复相氧化物连续陶瓷纤维的晶相选自α-al2o3相、γ-al2o3相和mgal2o4相中至少两种。

32、所述al-mg复相氧化物连续陶瓷纤维的平均直径为5～20μm；具体可为10μm、12μm、14μm、16μm。

33、本发明具有如下有益效果：

34、1)本发明提供的al-mg复相氧化物连续陶瓷纤维的制备方法中，采用熔融纺丝成纤，工艺简单，环境友好，便于放大生产。

35、2)本发明提供的al-mg复相氧化物连续陶瓷纤维的晶型组成为α-al2o3、γ-al2o3和mgal2o4的混合，比例可调。

36、3)本发明提供的al-mg复相氧化物连续陶瓷纤维的平均直径为5～20μm，拉伸强度不小于1.0gpa。