钇铝石榴石(YAG)纤维具有优异的抗高温蠕变性能和强度,稳定的热和化学性能及低的热膨胀系数,可作为陶瓷、金属和树脂的增强纤维,在航天航空和机械制造等方面有着广泛的应用前景。YAG纤维还具有优异的光学特性,在激光和荧光领域也有着广阔的应用前景。目前国内外还没见高性能YAG陶瓷纤维的报道,制备性能稳定连续可纺前驱体溶胶、在高温条件下晶粒尺寸稳定、细化纤维直径还需进一步研究。本研究以溶胶-凝胶法制备YAG纤维,以氯化铝溶胶体系制备YAG前驱体溶胶,探讨了溶胶的可纺机理和稳定机制,研究了烧结制度对YAG晶粒生长的影响。分别制备了Cr2O3/YAG和MgO/YAG纤维,揭示了阻碍晶粒生长的机制。以硝酸铝溶胶体系制备YAG前驱体溶胶,揭示了胶粒结构,阐明了溶胶的成纤机理。研究了纺丝电压对凝胶纤维直径的影响,利用Flunt软件模拟了溶胶在电场中的运动轨迹。主要研究成果如下:(1)以氯化铝/铝粉为铝源、氧化钇为钇源,制备YAG前驱体溶胶,研究了原料配比、稳定剂、纺丝助剂对溶胶纺丝性能的影响。当溶胶浓缩时,线性胶粒生成使溶胶具有可纺性,氯化铝与铝粉的最佳摩尔比为3:1。原料中加入适量的醋酸,醋酸吸附在胶粒表面通过位阻效应,改善溶胶的稳定性和可纺性。纺丝助剂PVP与溶胶中的离子和胶粒配位,形成有机-无机的杂化分子链,使溶胶纺丝性能增加。研究了不同干燥湿度和温度对凝胶纤维结构的影响,最佳的干燥湿度为50%、温度为60℃C。凝胶纤维在1000℃煅烧2h后,全部晶化为YAG石榴石相。提高烧结温度,纤维致密化程度增加。采用Kissinger方程,计算得到凝胶纤维的晶化活化能Ea=582.6 KJ/mol。保温不同时间,纤维晶粒长大,属晶界扩散机制。YAG纤维的晶粒生长符合Arrhenius公式的动力学模型为:K=9.08×1 0-10exp(-22.3 ×103/RT)。(2)在制备YAG前驱体溶胶过程中加入三氧化铬(CrO3),制备了氧化铬/钇铝石榴石(Cr2O3/YAG)纤维。溶胶中加入CrO3后,YAG溶胶的纺丝性能也有所下降。PVP 加入量为22wt%、溶胶的固含量为16.2wt%时,溶胶纺丝性能较好,凝胶纤维的长度为350mm,粘度为1.73 Pa·s(剪切速度为60r/min)。溶胶在不同的温度下,均呈现出非牛顿流变特性。在溶胶制备过程中,Cr.6+被铝还原为Cr3+。凝胶纤维在1000℃煅烧2h后,全部石榴石化;根据Kissinger方程,计算得纤维晶化活化能Ea=436.6 KJ/mol。Cr原子固溶于于YAG中形成(Y3(Al1-xCrx)5O12固溶体,并阻碍了纤维晶粒生长。纤维晶粒生长机制属于Cr原子固溶拖拽机制。其晶粒生长动力学模型为:K=4.47×10-7xp(29.4×10-3/RT)。(3)在制备YAG前驱体溶胶过程中加入氧化镁(MgO),制备了氧化镁/钇铝石榴石(MgO/YAG)纤维。溶胶中加入MgO后,YAG溶胶的纺丝性能也有所下降。纺丝助剂PVP加入量为22wt%时,纤维的长度为300mm。溶胶在不同的温度下均呈现出非牛顿流变特性,溶胶的固含量为19.5wt%时,溶胶的纺丝性能较好,溶胶的粘度为0.43Pa·s(剪切速率为60r/min)。MgO的加入阻碍了凝胶纤维的石榴石化,凝胶纤维在1400℃煅烧2h后,才得到YAG相,同时有少量的镁铝尖晶石(MgAl204)相存在。Mg原子可固溶于YAG相中,但随着保温时间延长,Mg在YAG相中的固溶度下降。纤维晶粒长大主要受第二相对晶界钉扎作用,属于阻滞控制机制。(4)以硝酸铝为铝源、硝酸钇为钇源,研究溶剂(异丙醇、乙醇)、络合剂(柠檬酸、酒石酸、乳酸)、纺丝助剂(聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯缩丁醛(PVB))的种类和加入量,对YAG前驱体溶胶制备影响。研究发现乙醇为溶剂、20wt%的柠檬酸为络合剂、5wt%的PVB为纺丝助剂,可得到纺丝性能较好的溶胶,用其制备凝胶纤维的长度为200mm。随着溶胶固含量增加,溶胶由牛顿流体变为非牛顿流体。溶胶中的胶粒形成了有机-无机杂化的线性链(直径约为4nm),使溶胶具有可纺性。凝胶纤维在800℃煅烧2h后,得到了YAG相,并且随着温度的升高,晶粒趋向完整,凝胶纤维晶化活化能Ea=118.9 KJ/mol。(5)以硝酸铝为铝源的前驱体溶胶体系为研究对象,通过静电纺丝法制备了纳米YAG纤维。纺丝电压为20-26kV时,随着电压增加,纤维平均直径先变小后增大。有机物加入量增加有利于静电纺丝,最佳纺丝电压为24kV,纤维直径主要分布在68nm-300nm。纤维中的每个晶粒为单晶,纤维由单个晶粒首尾相连而成。利用Flunt软件模拟了溶胶在电场中的运动轨迹,溶胶在电场中的运动分为稳定段和不稳定段。在不稳定段,运动轨迹呈螺旋状,切向力增大,产生射流的数量增多,射流弯曲螺旋运动的幅度增大、射流细化明显、溶剂快速挥发、纤维干燥充分,得到的纳米纤维质量较好。