氧化锆纤维板的成型工艺及对其性能影响研究(2)

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3.2 热沉降制备ZrO2纤维板的性能检测 24

3.3 抗压与抗折试验结果与分析 27

结论 31

致谢 32

参考文献 33

1 引言

随着现代复合材料的开发及其在高新技术领域中的应用，人们对纤维材料给予了极大的关注。在光通讯、航天、航空和军事等当今高科技和尖端技术领域中，纤维材料尤其是无机纤维正发挥着越来越重要的作用。常见的无机纤维有碳纤维、氧化铝纤维、石英纤维、玻璃纤维、ZrO2纤维、硅酸铝纤维等。其中，碳纤维的研究和应用已达到了较高的水平，其最鲜明的特点是高比强度和高比模量。氧化锆(ZrO2)陶瓷连续纤维具有比氧化铝纤维和莫来石纤维更高的抗拉强度(高达2GPa以上)，且熔点更高(2715℃)，而且能够使用到2500℃仍然保持完整的纤维状态,在用于耐烧蚀隔热功能复合材料方面具有得天独厚的性能，因此，ZrO2陶瓷纤维及其制品被认为是世界顶尖的耐火材料[1-3]，因此高性能ZrO2纤维及其制品有着重要的研究价值和应用前景。

1.1 ZrO2纤维及其制品简介

氧化锆(ZrO2)纤维是一种多晶无机耐火纤维，耐高温(熔点高达2700℃)、抗氧化、耐一酸碱腐蚀、化学性能稳定、隔热性能优异，且常温下绝缘而高温下导电，因此ZrO2纤维及其制品纤维板、纤维布、纤维毡等在航空航天、原子能、冶金和石油化工等行业有着极大的应用需求[2-5]。ZrO2纤维在航空航天上主要用于耐烧蚀材料部件，如宇航器重返大气层的隔热罩、排气口和隔板等；在冶金化工上主要用于耐高温的过滤和隔热材料等,如钢铁工业中用的陶瓷纤维炉衬(纤维板状)以及超高温烧结炉、晶体生长炉炉衬等[5]。

1.1.1 ZrO2的晶体结构与基本性质

氧化锆(ZrO2)为白色粉末，较纯的氧化锆呈黄色或灰色，ZrO2的化学性能非常稳定，除了溶于浓硫酸和氢氟酸外，对其他的酸、碱及碱熔体、玻璃熔体和熔融金属都具有很好的稳定性[3,5]。ZrO2属于萤石型结构，如图1.1所示，Zr4+离子构成面心立方点阵，被8个O2- 离子包围，而O2-占据面心立方点阵所有四个四面体空隙[6]。ZrO2在不同的温度范围内有三种不同的晶体结构，表1.1为ZrO2的相变参数和密度[7]，图1.2为ZrO2的三种晶型结构及之间的相互转变关系，单斜相结构可以看作是四方相结构沿着p角偏转一个角度，四方相结构可以看作是萤石结构沿着C轴方向伸长而变形的晶体结构。从室温到1170℃为单斜(m)结构，1170-2370℃为四方(t)结构，2370-2706℃为立方(c)结构，同时伴随着发生各向异性膨胀，沿a、c轴方向膨胀明显，而沿b轴方向膨胀不明显。相发生转变时，由于吸收热量，有明显的体积收缩(5%)；而降温时，发生四方相向单斜相转变，一般在1000-850℃之间发生，产生体积膨胀(8%)[8]。单斜相结构向四方相结构的转变开始于1170℃，而四方向单斜相结构的转变开始于1000-850℃，从ZrO2的系统相图(图1.3)、热膨胀曲线(图1.4)及差热曲线(图1.5)也可以看出，两者转化温度不一致，即出现温滞现象，这主要与晶格自由能、应变能以及加入相稳定剂的组成有关[9]。四方相向单斜相转变时的体积变化超过了ZrO2晶粒的弹性极限导致发生开裂，因此纯的ZrO2陶瓷和耐火制件容易破裂，抗热振性能较差，为了避免ZrO2陶瓷在烧成时因体积变化引起开裂，必须对ZrO2进行晶型稳定化处理，在ZrO2中加入Y3+、Ca2+、Mg2+等离子半径与Zr4+离子半径相差小于12%的阳离子(通常以相应的氧化物Y2O3、CaO、MgO等形式加入，加入量一般为Y2O3（7-40mol％,MgO16-28mol%,CaO15-29mol%），这些阳离子置换锆离子形成置换固溶体，阻止晶型的改变，从而得到稳定的四方或立方结构，这种稳定结构的ZrO2陶瓷能耐2000℃以上的高温，且化学稳定性好，导热系数低，是理想的高温绝热材料[7-19]。研究表明在几种稳定剂中，Y2O3的稳定效果最好，掺入2-3mol%的Y2O3可获得具有优异力学性能的Y-TZP，掺入6-8mol%的Y2O3可获得单相c-ZrO2[16-18]。