[发明专利]一种含硼连续氧化铝纤维及其制备方法

说明书

本发明属于陶瓷材料技术领域，公开了一种含硼连续氧化铝纤维及其制备方法，所述含硼连续氧化铝纤维的制备方法包括如下步骤：步骤一：将氢氧化铝、硼酸溶液、小分子羧酸混合，加热回流得到含硼铝溶胶；步骤二：将含硼铝溶胶、硅溶胶、高分子纺丝助剂混合均匀得到混合溶胶，将述混合溶胶浓缩老化后得到可纺性前驱体溶胶；步骤三：将可纺性前驱体溶胶纺丝得到连续凝胶纤维，将连续凝胶纤维干燥、烧结得到含硼连续氧化铝纤维。本发明制备的含硼前驱体溶胶可纺性较好，含硼连续氧化铝纤维直径均匀，表面光滑。

技术领域

本发明属于陶瓷材料技术领域，具体涉及一种含硼连续氧化铝纤维及其制备方法。

背景技术

连续氧化铝纤维是一种主要成分为Al₂O₃的新型陶瓷纤维，具有高强高模、热膨胀系数小、抗热震性好、耐化学腐蚀等优异的性能。虽然高纯氧化铝纤维机械强度高，但其较脆、易断裂，而添加一定量的氧化物如SiO₂、B₂O₃、ZrO₂等作为第二相，则可降低相转变温度、抑制晶粒长大，从而改善陶瓷纤维的微观结构、提高纤维韧性，但是加入量过多时，第二相的分子在高温下会挥发或熔融，将会影响纤维的耐温性能。

由于硼具有介于金属与非金属的性质，硼系物具有耐热、高硬、高强、耐磨以及质轻等优异的物理化学特性，已成为陶瓷的重要组成部分。因此，将B₂O₃作为第二相添加到陶瓷纤维中改善纤维的物理性能已成为研究趋势。

美国专利US3795524公开了一种含硼连续氧化铝基陶瓷纤维的制备方法，分别以碱式次醋酸铝、硅溶胶、硼酸为铝源、硅源和硼源，以有机物为纺丝助剂，利用溶胶-凝胶法制得。所得纤维主要组分为62wt％Al₂O₃、24wt％SiO₂和14wt％B₂O₃，主要由硼酸铝微晶和非晶相组成；纤维直径为10～12μm，单纤维抗拉强度为1.7～2.1GPa，模量为138～152GPa。由于非晶相的B₂O₃在高温下易挥发，造成纤维收缩和性能恶化（参见：现代技术陶瓷，2018，39（3）：151）。因此，该纤维热稳定性不足，长期使用温度低（＜1000℃）。

中国专利CN106609404A以无机铝盐、次醋酸铝、硅溶胶和含硼添加剂为原料，利用溶胶-凝胶法制备了一种低密度高性能氧化铝陶瓷纤维，纤维密度为2.6～2.67g/cm³，直径为8～18μm，拉伸强度为1.4～1.65GPa。利用该方法制备的含硼氧化铝纤维的直径较粗、离散较大，影响了纤维力学性能。同时，该方法使用的无机铝盐为氯化铝、硝酸铝或硫酸铝，在后期凝胶纤维热处理时产生氯化氢或氮氧化物等有害气体。

中国专利CN109437862B以含Al₁₃胶粒的铝溶胶、拟薄水铝石纳米分散液、硅溶胶、硼酸水溶液和高分子纺丝助剂为原料，利用溶胶-凝胶法制备了一种含1～5wt％B₂O₃的氧化铝基陶瓷连续纤维。制得的纤维主晶相为γ-Al₂O₃，直径为5～8μm，单根纤维强度达2.0GPa、模量149GPa，具有优良的耐高温性能、柔韧性和可编织性。但该方法使用的含Al₁₃胶粒的铝溶胶是利用铝粉和铝盐制得，含有NO₃^-、SO₄^2-或Cl^-离子，在后期凝胶纤维热处理时也会产生氯化氢或氮氧化物、硫氧化物等污染性气体（参见：CN110004521B；宇航材料工艺，2020，50(4)：39）。

综上所述，利用绿色无污染原材料制备直径均匀、性能优异的含硼氧化铝基陶瓷连续纤维仍存在一些困难。

发明内容

为解决上述现有技术的弊端，本发明公开了一种含硼连续氧化铝纤维的制备方法，具体方案如下：