莫來(lái)石多孔纖維質(zhì)材料（mullite fibers framework materials,MF）作為一種高溫結(jié)構(gòu)材料,由莫來(lái)石纖維制成,具有密度低、孔隙率高、導(dǎo)熱系數(shù)低、抗熱震性能好等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于航空航天和工業(yè)領(lǐng)域。但MF的力學(xué)性能較低,限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用。莫來(lái)石纖維/晶須分級(jí)結(jié)構(gòu)材料（mullite fibers/whiskers hierarchical framework materials,MFW）的出現(xiàn),在一定程度上改善了MF力學(xué)性能較低的缺點(diǎn),以滿(mǎn)足該類(lèi)材料更廣泛的應(yīng)用需求。本文采用三步法制備三維網(wǎng)絡(luò)狀可調(diào)結(jié)構(gòu)的MFW。在分級(jí)結(jié)構(gòu)中,莫來(lái)石纖維構(gòu)成的MF作為主要的結(jié)構(gòu),通過(guò)兩步熱處理在纖維上首先形成莫來(lái)石晶粒,再由晶粒生成莫來(lái)石晶須次級(jí)結(jié)構(gòu)。重點(diǎn)研究三步法制備莫來(lái)石晶須的生長(zhǎng)機(jī)理及不同MFW的組織結(jié)構(gòu)和性能的變化規(guī)律,并基于分形理論討論MFW有效熱導(dǎo)率的影響因素。本文的目標(biāo)是在較低的溫度下制備低密度、低導(dǎo)熱系數(shù)、高孔隙率和較高壓縮強(qiáng)度的MFW。在制備過(guò)程中,通過(guò)加壓排液和冷凍注模制備低密度MF,分析了熱處理溫度對(duì)纖維表面形貌和粘結(jié)劑的影響。結(jié)果表明,經(jīng)1200℃熱... 

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典型的MFW微觀形貌[9]

在液體內(nèi)存在自由的Al離子，并產(chǎn)生非晶γ-Al2O3。在由Al2(SO4)3分解后形成的SO3的強(qiáng)烈氧化作用下，SO3與SiC反應(yīng)形成SiO2，并覆蓋在SiC晶粒表面，形成SiO2涂層。在熔鹽中，SiO2與非晶γ-Al2O3發(fā)生反應(yīng)生成莫來(lái)石晶粒。由于SiO2涂層參與莫來(lái)石生成的反應(yīng)，SiC晶粒再次暴露并繼續(xù)與SO3反應(yīng)形成SiO2。通過(guò)這種多次的氧化–分解循環(huán)，SiC基體被消耗，并不斷為莫來(lái)石晶須生長(zhǎng)提供SiO2源。莫來(lái)石晶須的生長(zhǎng)一部分來(lái)源于自身的連續(xù)長(zhǎng)大，另一部分來(lái)源于被消耗的SiC表面。生成的莫來(lái)石晶須直徑約100~300nm，長(zhǎng)度約10~20μm[30]。圖1-4給出了在SiC基體中采用熔鹽法制備莫來(lái)石晶須的生長(zhǎng)及反應(yīng)機(jī)理示意圖[29,30]。圖1-4熔鹽法在SiC基體中莫來(lái)石晶須的生長(zhǎng)及反應(yīng)機(jī)理示意圖[29,30]Fig.1-4SchematicsketchofmullitewhiskersgrowthandreactionmechanismintheSiCsubstrateviamoltensaltmethod[29,30]Cao等[38]以K2SO4、Al2O3和SiO2為原料，采用熔鹽法在C/C復(fù)合材料表面制備了莫來(lái)石晶須層，制備流程如圖1-5所示。首先，在C/C復(fù)合材料表面鋪設(shè)SiC層，之后，將K2SO4、Al2O3和SiO2按比例混合后，覆蓋于復(fù)合材料表面。溫度升高，使混合物進(jìn)入熔融狀態(tài)，經(jīng)化學(xué)反應(yīng)后，在SiC中生成了莫來(lái)石晶須層。隨后，采用原位熱浸過(guò)程（in-situhotdippingprocess），用新形成的莫來(lái)石晶須進(jìn)一步強(qiáng)化之前的莫來(lái)石晶須層，進(jìn)而在C/C復(fù)合材料表面形成具有高致密度的莫來(lái)石涂層。結(jié)果表明，引入的莫來(lái)石晶須層能有效提高莫來(lái)石外層的密度，降低涂層熱震后的開(kāi)裂傾向。采用該方法，既克服了復(fù)雜和高成本的制備過(guò)程，又能降低涂層中的熱應(yīng)力，使C/C復(fù)合材料表面涂層的抗

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-7-熱震能力得以增強(qiáng)。熔鹽法雖然可在較低溫度下合成莫來(lái)石晶須，但該方法制備的晶須高溫性能較差，不具備本研究所需的耐高溫要求。圖1-5莫來(lái)石晶須增強(qiáng)莫來(lái)石涂層的制備示意圖[38]Fig.1-5Preparationschematicillustrationofthemullitewhiskertoughenedmullitecoating[38]礦物分解法是將具有復(fù)雜化學(xué)結(jié)構(gòu)的礦物原料經(jīng)高溫化學(xué)反應(yīng)分解后獲得所需材料的方法。該方法具有化學(xué)原理簡(jiǎn)單、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。例如，Peng等[39]采用成本低廉的天然黃玉（naturaltopaz），經(jīng)1300℃高溫分解，獲得了具有平均長(zhǎng)度~100μm的莫來(lái)石晶須。Perera等[40]通過(guò)在1400~1600℃下燒結(jié)高嶺土，制備了長(zhǎng)徑比為3~8（直徑為0.5~5μm）的莫來(lái)石晶須。常用于制備莫來(lái)石的原料主要包括：黃玉、高嶺石、六氟化鋁酸銨、氟黃玉（fluorotopaz）、粉煤灰（flyash）、煤矸石（coalgangue）、鋁土礦（bauxite）等。這些礦物都含有Al、Si、O、F等原子并具有特殊的晶體結(jié)構(gòu)。比如，黃玉的晶體結(jié)構(gòu)屬于斜方晶系，由平行于c軸的AlO4F2正八面體結(jié)構(gòu)以及嵌入其中的具有獨(dú)立正四面體結(jié)構(gòu)的SiO4構(gòu)成。這一結(jié)構(gòu)實(shí)際上使Al、Si、F等原子在晶體中處于均勻混合狀態(tài)，對(duì)滿(mǎn)足純度較高莫來(lái)石形成條件更加有利。Xu等[7,41]通過(guò)燒結(jié)高嶺石和六氟化鋁酸銨制備了具有晶須骨架的多孔莫來(lái)石材料。這些莫來(lái)石晶須之間燒結(jié)程度較低，孔隙率可達(dá)70%，抗壓強(qiáng)度可達(dá)4.98MPa。Kim等[31]以高嶺土和NH4Al(SO4)2·12H2O粉體為原料，在少量NaH2PO4·2H2O的輔助下，1400℃高溫?zé)Y(jié)制備出長(zhǎng)徑比>17（直徑~0.5μm）的莫來(lái)石晶須。其中，在Al2O3–SiO2體系中，NaH2PO4·2H2O形成低粘度液體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了莫來(lái)石晶須生長(zhǎng)形貌的控制。

【參考文獻(xiàn)】：
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