莫来石纤维基多孔陶瓷制备工艺及性能优化研究

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随着航空航天领域的飞速发展,以及人类对节约能源与保护环境的日益重视,对隔热、保温、过滤等材料和结构提出了更高的要求。因此,开发一种轻质、隔热、高强的材料对满足不同应用领域的迫切需求。目前,耐高温纤维基多孔陶瓷是其中的一类重要候选材料。本论文仿照鸟巢的三维骨架结构,设计出具有节点的莫来石纤维多孔陶瓷,并通过制备工艺优化对其微观结构,基本物理性能,压缩性能等进行了系统研究。为制备上述功能的纤维基多孔陶瓷,节点的形成,纤维网络的构建以及节点与纤维网络强度的提高是成功的关键,本文从制备工艺着手进行以下研究:1.选用莫来石纤维为基体,SiO2溶胶为高温粘结剂,采用真空抽滤法制备出具有节点的莫来石纤维多孔陶瓷。通过改变烘干温度(30 oC100 oC),干燥方式(烘干与冻干)以及抽滤压力(10 KPa40 KPa)可制备出低密度(0.280.33 g/cm-3),高气孔率(77%84%),低热导率(0.0680.079 W/(m·K))以及相对高的压缩强度(0.782.01 MPa)的莫来石纤维多孔陶瓷。采用冻干的干燥方式以及抽滤压力为20KPa时制备的莫来石纤维多孔的微观结构为纤维呈现三维网络搭接,粘结剂粘结纤维交点形成固定节点,且各项性能达到最优。2.为进一步提高真空抽滤-冻干-烧结工艺制备的莫来石纤维多孔陶瓷的力学性能,通过在料浆中加入表面活性剂的方式改变纤维与高温粘结剂的亲和性,提高了试样内部粘结剂的含量;改变烧结温度,促进粘结剂的熔融进而提高节点强度以及粘结剂与纤维界面结合强度;改变冷冻温度,促进粘结剂在纤维表面的迅速固化在纤维表面形成了一层保护膜,提高纤维强度。结果表明:在加入0.5wt%聚丙烯酰胺(PAM),-196 oC迅速冷冻固化,1300 oC烧结时可制得微观结构均匀,密度,抗压强度和导热系数分别为0.37g/cm3,2.13MPa,0.098W/(m K)的莫来石纤维多孔陶瓷。3.为了探索制备具有复杂孔结构的纤维基多孔陶瓷的工艺,以1.5 vol%莫来石纤维为基体,13.5 vol%二氧化硅粉末为粘结剂,采用定向冷冻浇注工艺制备莫来石纤维多孔陶瓷。通过改变冷冻速率以及纤维长径比,研究定向冷冻过程中纤维与粘结剂的再分布过程,进而研究了莫来石纤维多孔陶瓷试样的微观结构,基本物理性能和力学性能变化。
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