硼酸铝纳米纤维多孔陶瓷的制备与性能研究

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硼酸铝材料由于其独特的性质如高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、热导率低、中子吸收能力强在无机材料领域中扮演着极其重要的角色,近年来,硼酸铝材料已经被广泛应用于高温结构部件,电子陶瓷,增强复合材料以及电磁波屏蔽材料等,尤其在高温隔热领域有着广阔的潜在应用价值。然而,目前国内外对于纯硼酸铝材料的研究相对较少,且多集中于以针状硼酸铝晶须为主体骨架结构的多孔陶瓷。而由于针状硼酸铝晶须长径比小,填充率高,使得多孔陶瓷的孔隙率较低,密度较大,不利于热导率的降低,限制了其在高温隔热领域的应用。为此,本论文提出以具有高长径比的电纺硼酸铝纳米纤维为三维骨架搭接成具有高孔隙率,低密度的硼酸铝纳米纤维多孔陶瓷。目前国内外电纺硼酸铝纳米纤维均以铝硼摩尔比固定的由硼酸稳定的醋酸铝为基础原料,不利于对硼酸铝纳米纤维进行细致的研究。本论文将采用硼酸三乙酯和仲丁醇铝分别为硼源和铝源,通过调控硼源含量来控制铝硼摩尔比,探究其对硼酸铝纳米纤维微观形貌和晶相结构的影响,在此基础上,以硼酸铝纳米纤维为三维骨架,制备具有高气孔率、低密度、低热导率的硼酸铝纳米纤维多孔陶瓷。实验结果表明,硼含量不足时纤维耐温性较差;而过量硼的挥发会使纤维由致密结构转变为短棒状晶须交错形成的疏松结构,当Al2O3/B2O3摩尔比为7:2时硼酸铝纤维经高温烧结后依旧保持致密结构,且在1200 oC烧结下未出现熔融现象。因此,实验以其为原料,采用琼脂糖凝胶注模法制备硼酸铝纳米纤维多孔陶瓷,探究了烧结温度和硅溶胶浓度对多孔陶瓷性能的影响。结果表明,随着煅烧温度和硅溶胶浓度的增加,样品的密度不断增大,经1200 oC煅烧处理后得到的硼酸铝纳米纤维多孔陶瓷的抗压强度达到了4.11 MPa,气孔率达到了91%,而热导率仅为0.11 Wm-1K-1。因此,该硼酸铝纳米纤维多孔陶瓷材料大幅度改善了隔热性能,是一种在高温有氧环境中很有应用前景的隔热材料。
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