釔鋁石榴石-金屬氧化物復(fù)合納米纖維的靜電紡絲法制備及其性能研究.pdf

1、復(fù)合納米纖維是由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料是通過各種工藝手段以納米級別耦合在一起的一種新型功能纖維體。復(fù)合納米纖維由于具有極大的比表面積、質(zhì)量輕及良好的力學(xué)性能等優(yōu)點，是當(dāng)前新材料研究領(lǐng)域的研究熱點之一，在服裝、生物醫(yī)學(xué)、航天航空、增強材料、光電材料等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
　　復(fù)合納米纖維因其優(yōu)越性能，常作為增強相應(yīng)用于金屬基體或陶瓷基體材料中以改善其強度、斷裂韌性、抗沖擊力等力學(xué)性能。目前用于增強增韌的纖維材料主要有硼纖維、碳纖維、

2、碳化硅纖維、氧化鋁基纖維、硅酸鹽納米纖維等，但氧化鋁基纖維因其優(yōu)越特性在增強高溫合金方面有著無可比擬的優(yōu)勢，且單一組分的納米纖維有表面特異性匱乏、力學(xué)性能差、降解速率難以保持等缺點，已難以滿足應(yīng)用需求，為了克服以上缺點，作為增強體的釔鋁石榴石/金屬氧化物復(fù)合納米纖維的研究引起了廣泛的關(guān)注。目前所用釔鋁石榴石/金屬氧化物復(fù)合材料的增強體基本是復(fù)合粉末顆粒，用其增強的復(fù)合材料存在強度、斷裂韌性和抗沖擊力等力學(xué)性能不夠理想，容易產(chǎn)生裂紋等缺陷

3、。與粉末材料相比，釔鋁石榴石/金屬氧化物納米纖維因具有極高的長徑比、線狀結(jié)構(gòu)、粘結(jié)力大、質(zhì)量輕和良好的力學(xué)性能等特性，故其作為增強材料在金屬基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料中有著良好的應(yīng)用前景。
　　釔鋁石榴石（Yttrium Aluminium Garnet，化學(xué)式為Y3Al5O12，簡稱YAG）纖維具有高彈性模量、耐高溫和抗高溫蠕變性等特性。納米氧化鋁（Al2O3）纖維因其高強度、高模量、耐熱等優(yōu)良性能，在高溫下有較高的拉伸強度。而

4、且還有很好的高溫抗氧化性、耐腐蝕性，與金屬基體的浸潤性良好，界面反應(yīng)較小，是良好的增強相。納米氧化鋯（ZrO2）纖維具有耐高溫、高強度、韌性好和耐腐蝕等特性，在一些領(lǐng)域如空間飛行器動力系統(tǒng)的高溫部件可作為纖維增強材料。由于YAG、Al2O3和ZrO2具有很好的化學(xué)相容性、相似的熱膨脹系數(shù)、高熔點、抗氧化性強，所以YAG/Al2O3(ZrO2)和Al2O3/YAG/ZrO2復(fù)合納米纖維是令人期待、很有希望的耐高溫增強增韌材料。
　　

5、YAG、Al2O3和 ZrO2均是良好的增強體，其復(fù)合而成的纖維作為增強材料，有著可觀的潛在應(yīng)用價值。將復(fù)納米合納米纖維并入到金屬基體中，研究纖維對金屬基體的硬度等力學(xué)性能的影響。因而本論文利用靜電紡絲法制備YAG/Al2O3(ZrO2)二元和 Al2O3/YAG/ZrO2三元復(fù)合納米纖維具有十分重要的意義。利用 X射線衍射儀、紅外光譜、掃描電子顯微鏡及紅外光譜對復(fù)合纖維的物相、形貌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和表征，得出以下結(jié)論:
　　1.本

6、文采用靜電紡絲法成功的制備了 YAG/Al2O3復(fù)合納米纖維。通過 SEM分析纖維的直徑大小及均勻程度，得出了最佳的PVA含量為10％，紡絲電壓為25kV，接受距離為16cm。由 XRD圖譜分析得知，當(dāng)溫度為1000℃時，獲得了只含有YAG和Al2O3兩相得到的YAG/Al2O3復(fù)合納米纖維并且其結(jié)晶度良好。前驅(qū)體纖維經(jīng)過1000℃煅燒2h后其直徑均勻，大約為300 nm，長徑比為80:1，纖維表面較為光滑。TEM分析可知分析可知YAG

7、/Al2O3纖維含有兩套衍射斑點，它是相YAG相和相Al2O3兩相衍射花樣的迭加。
　　2.采用靜電紡絲法成功制備了YAG/ZrO2復(fù)合納米纖維。通過分析可知，前驅(qū)體纖維的直徑均勻，大約為0.95μm，得出了最佳的PVA含量為11%，紡絲電壓為20kV，接受距離為16cm。由XRD圖譜分析可知，當(dāng)焙燒溫度高于1100℃后，復(fù)合纖維開始結(jié)晶，形成YAG/ZrO2微晶；當(dāng)溫度達(dá)到1200℃時，獲得了只含有YAG和ZrO2兩相的YAG/

8、ZrO2復(fù)合納米纖維，其結(jié)晶度良好，衍射峰強度高。同時，PVA含量的多少對復(fù)合纖維的物相形成并無影響。前驅(qū)體纖維經(jīng)過1200℃煅燒5h后其直徑較均勻，平均直徑大約為500 nm，長徑比為50:1，纖維表面較為光滑。TEM測試發(fā)現(xiàn)YAG/ZrO2復(fù)合纖維含有衍射斑點和衍射環(huán)兩種衍射花樣，衍射圓環(huán)不明銳，有彌散和寬化現(xiàn)象，說明晶粒細(xì)小，該纖維材料中有多晶ZrO2和單晶YAG兩種晶態(tài)存在。
　　3.本文采用靜電紡絲法制備了 Al2O3/

9、YAG/ZrO2復(fù)合納米纖維，通過改變紡絲參數(shù)：PVA含量、紡絲電壓和固化距離等獲得不同形貌的復(fù)合纖維，確定最佳的紡絲工藝條件。由SEM分析可知，前驅(qū)體纖維的直徑均勻，大約為0.8μm。并且得到三元復(fù)合納米纖維的最佳紡絲工藝如下：PVA含量為10%，紡絲電壓為25kV，接受距離為18cm。由 XRD圖譜分析表明，當(dāng)焙燒溫度高于1200℃后，復(fù)合纖維開始結(jié)晶，形成 Al2O3/YAG/ZrO2共晶；當(dāng)溫度達(dá)到1350℃時，復(fù)合納米纖維的物

10、相中僅含有YAG相、α-Al2O3相和ZrO2相的Al2O3/YAG/ZrO2三元復(fù)合納米纖維，其結(jié)晶度良好。同時，PVA含量的變化對復(fù)合纖維的物相形成沒有影響。Al2O3/YAG/ZrO2前驅(qū)體纖維經(jīng)過1350℃煅燒5h后獲得了直徑均勻，表面較為光滑的復(fù)合納米纖維，其平均直徑大約為250nm，長徑比為70:1。TEM分析得知 Al2O3/YAG/ZrO2三相復(fù)合纖維的晶格條紋分布，其晶面間距分別為0.25m、0.24nm和0.23nm

11、，分別對應(yīng)于Al2O3相的(110)晶面，ZrO2相的(002)晶面和YAG相的(420)晶面。從選區(qū)電子衍射照片可以看到三元復(fù)合納米纖維中含有三套衍射斑點，存在Al2O3、YAG和ZrO2三種晶體結(jié)構(gòu)。
　　4.與純高鋁青銅粉末燒結(jié)體相比，YAG/Al2O3、YAG/ZrO2和Al2O3/YAG/ZrO2三種復(fù)合納米纖維的添加有利于高鋁青銅基復(fù)合材料硬度的提高，起到硬質(zhì)顆粒增強金屬基體的作用，其中 YAG/Al2O3纖維的增強效