氧化铝连续纤维的表面改性研究

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氧化铝连续纤维作为一种新型高性能陶瓷纤维,具有耐高温、耐腐蚀、高强度、高模量的优异性质,在军工、航空航天等领域具有战略意义。与此同时,氧化铝连续纤维属于脆性材料,有较低的抗弯折强度。氧化铝连续纤维在纺丝、烧结、牵伸等一系列形成过程中,容易产生表面裂纹和缺陷,而缺陷和裂纹的大小、数目、分布都会影响纤维的性质。在这个过程中由于缺陷和裂纹的产生不可能得到完美的纤维,纤维的实际性能通常远远低于完美结构的理论性能值。因此,就需要对纤维进行表面改性,改善纤维表面状态。本文采用酸刻蚀和表面涂层对氧化铝连续纤维进行表面改性,提高纤维性能。酸刻蚀改性法是将纤维浸渍在酸液中,通过控制酸液浓度及处理时间,对纤维表面进行刻蚀改性的一种方法。该方法能够腐蚀掉纤维表面缺陷层,消除表面微裂纹及杂质。对于裂纹程度较深的纤维,则对裂纹尖端进行钝化,降低尖端的应力集中,从而得到光滑的纤维表面。本研究采用氢氟酸溶液作为刻蚀液,通过对比相同处理时间不同氢氟酸浓度变化及相同氢氟酸浓度不同处理时间变化对氧化铝纤维力学性能的影响,以及搅拌对酸刻蚀处理的影响,得出了酸刻蚀改性氧化铝纤维的最适宜条件,即HF溶液质量浓度分数为2%、处理时间为48 s。在这一处理条件下得到的氧化铝连续纤维的单丝强度、束丝强力能够达到最大值。搅拌这一条件则能加速酸刻蚀的程度,缩短刻蚀的处理时间。在酸刻蚀改性前后,氧化铝连续纤维的物相没有发生改变,仍为γ-Al2O3。表面涂层改性法是在纤维表面包覆一层高分子聚合物(即浸润剂),以起到增强、保护的作用。由于氧化铝连续纤维在表面状态、表面电荷等方面与其他纤维并不相同,因此需要针对氧化铝连续纤维的特点,研发专用浸润剂。本研究通过测定各浸润剂成分的皮膜性质,分析出各自特点,在保留浸润剂各成分优势的基础上,调整成分的含量和配比,得到浸润剂的优化配方。涂覆浸润剂的氧化铝连续纤维在力学性能方面有显著提高,单根纤维之间能紧密的粘接在一起,集束性得到明显改善,且具有良好的耐高温、耐老化性质。经过两种改性方法共同作用的纤维,能够保持两种方法的各自优势,纤维性能的提高得到双重保障。先经过酸刻蚀改性,得到光滑完整的表面,再经过表面涂层改性,表面包覆一层浸润剂,使纤维增强效果更加明显。
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