超高溫氧化鎂纖維制品及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氧化鎂纖維制品及其制備方法，屬于超高溫耐火材料的制備與應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]高超聲速飛行器在大氣層內(nèi)高速飛行時(shí)，氣動加熱會嚴(yán)重破壞飛行器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，熱防護(hù)系統(tǒng)(TPS)是保證飛行器在高溫高速的氧化氣流環(huán)境下安全飛行的關(guān)鍵子系統(tǒng)，飛行器TPS所需的材料必須同時(shí)具備耐高溫(1100°C?2200°C )、高強(qiáng)度、高韌性、輕質(zhì)和環(huán)境穩(wěn)定性等特性，最終的目標(biāo)是需要一種在高溫下具有高比強(qiáng)度的材料，其中熱力學(xué)穩(wěn)定性是決定TPS材料能否安全使用的關(guān)鍵。
[0003]金屬TPS隨溫度升高至約1093°C時(shí)，其比強(qiáng)度均會大大降低。C/SiC以及C/C等陶瓷基復(fù)合材料在高溫下均具有高的比強(qiáng)度，但這些材料在高溫有氧環(huán)境下會迅速氧化失效，需要防氧化設(shè)計(jì)進(jìn)行保護(hù)。傳統(tǒng)陶瓷隔熱瓦可以滿足防熱要求，但其幾乎沒有塑性，熱沖擊斷裂與損傷會造成其在高溫高速環(huán)境中迅速失效。采用氧化物纖維為基質(zhì)的耐火材料則可通過拉脫/橋接效應(yīng)和裂紋彎曲轉(zhuǎn)向效應(yīng)克服陶瓷材料易脆性斷裂的缺點(diǎn)、大幅度提高耐火材料的韌性，可以滿足TPS材料所必須具備的耐高溫、耐沖擊以及輕質(zhì)等特性。
[0004]目前，已有的氧化物纖維制品有莫來石、氧化鋁以及氧化鋯纖維制品等，莫來石纖維制品和氧化鋁纖維制品等保溫性能良好的材料已經(jīng)在冶金、電力、建材、石油化工等行業(yè)得到大規(guī)模的推廣應(yīng)用，并取得了良好的效果。但是莫來石和氧化鋁纖維的最高使用溫度分別只有1400°C和1600°C。目前已獲得應(yīng)用的所有氧化物纖維制品中，氧化鋯纖維制品的熔點(diǎn)最高(熔點(diǎn)2715°C )，但純氧化鋯纖維制品在高溫時(shí)會發(fā)生相變，并伴隨約7%左右的體積變化，需加入適量的相穩(wěn)定劑(氧化鎂、氧化鈣、三氧化二釔和氧化鈰等)，才能夠獲得超高溫下晶相穩(wěn)定的氧化鋯纖維制品。美國一家研宄機(jī)構(gòu)開發(fā)出由氧化鋁/氧化硅/氧化鋯制成的不透明纖維隔熱(OFI)纖維體系可耐1649°C的高溫，其連續(xù)使用溫度可達(dá)1482°C，但與TPS所需的材料熱力學(xué)穩(wěn)定性(1100°C?2200°C )仍有差距。
[0005]高強(qiáng)度的氧化鎂纖維隔熱板和異型件能夠克服普通氧化鎂陶瓷材料的脆性，可以在超高溫(1800?2700°C )環(huán)境下使用，具有比重輕、耐沖擊以及強(qiáng)度高等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，不僅能夠滿足TPS材料的熱穩(wěn)定要求，應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，也能夠應(yīng)用于工業(yè)窯爐等民用耐高溫領(lǐng)域。
[0006]目前，一直沒有解決氧化鎂纖維強(qiáng)度不高、容易粉化的問題，且沒有突破氧化鎂纖維批量化制備和提高氧化鎂纖維強(qiáng)度等一系列技術(shù)瓶頸，使得氧化鎂纖維板和異型件一直沒有得到研宄，迄今國內(nèi)外尚無氧化鎂纖維制品的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種超高溫氧化鎂纖維制品及其制備方法。本發(fā)明的氧化鎂纖維制品的制備原料易得、制膠簡便、成本低、無污染、適合大批量工業(yè)化生產(chǎn)。氧化鎂纖維制品的厚度均勻、表面平整、厚度精確可控、力學(xué)性能和高溫抗彎曲性能均佳。
[0008]發(fā)明概述
[0009]本發(fā)明采用溶膠-凝膠法研制氧化鎂纖維，首次制備出不需要加任何助紡劑的配體酸體系氧化鎂纖維前驅(qū)體，并結(jié)合成絲和高溫?zé)Y(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了氧化鎂纖維的批量化制備，成功研制出氧化鎂纖維制品。然后，將切短后的氧化鎂纖維加入一定量的粘結(jié)劑溶液形成懸浮液，懸浮液注入模具內(nèi)并脫去懸浮液中大部分的水分形成濕坯，經(jīng)過干燥、燒結(jié)等工序制備而成。本發(fā)明的氧化鎂纖維制品可用于航空航天和民用工業(yè)窯爐等領(lǐng)域，具有比重輕、韌性高、無相變以及熱防護(hù)性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，可以在超高溫(1800?2700°C )環(huán)境下長期使用，超高溫(1800?2700°C)環(huán)境下長期使用，是一種新型而且熱力學(xué)穩(wěn)定性最好的超高溫隔熱氧化物纖維制品。
[0010]發(fā)明詳述
[0011]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0012]一種超高溫氧化鎂纖維制品，該制品由直徑為0.2?30 μ m的氧化鎂纖維組成，氧化鎂質(zhì)量含量多98%，密度為0.07?3.0g/cm3。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，所述的超高溫氧化鎂纖維制品可根據(jù)需要制成板形、長條形、圓柱形、圓筒形等外形，可作為隔熱材料應(yīng)用。
[0014]根據(jù)本發(fā)明，所述的超高溫氧化鎂纖維制品可根據(jù)需要制成其它異型制品。
[0015]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述的氧化鎂纖維的抗拉強(qiáng)度多0.5GPa。
[0016]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述纖維制品的抗壓強(qiáng)度多1.5MPa。
[0017]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述的氧化鎂纖維按如下方法制備得到:
[0018]將鎂源與配體酸在溶劑環(huán)境下混合反應(yīng)0.2?4小時(shí)，靜置、過濾后得到氧化鎂纖維前驅(qū)體溶液；氧化鎂纖維前驅(qū)體溶液經(jīng)過濃縮至25°C下的粘度在10?145Pa.S，靜置陳化后得到氧化鎂纖維紡絲溶膠；氧化鎂纖維紡絲溶膠采用成絲工藝獲得氧化鎂前驅(qū)體纖維；氧化鎂前驅(qū)體纖維經(jīng)過干燥除水后在氣體氣氛或蒸汽氣氛下配體解析處理0.5?17h，配體解析處理的起始溫度105?270°C，終點(diǎn)溫度為350?1000°C，升溫時(shí)間為2?72h ;停止通氣氛，繼續(xù)升溫至1000?1800°C煅燒處理，并保溫0.5?5h，自然降溫，即得。
[0019]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述的鎂源為氧化鎂、過氧化鎂、氫氧化鎂，碳酸鎂、碳酸氫鎂、堿式碳酸鎂、鎂粉或/和方鎂石礦粉。
[0020]所述的配體酸為醋酸、丙酸、檸檬酸、一水合檸檬酸、丙烯酸、硝酸、羥基乙酸或/和氨基乙酸(甘氨酸)，進(jìn)一步優(yōu)選，醋酸、檸檬酸、一水合檸檬酸、丙酸或/和丙烯酸；
[0021]所述的溶劑為水、雙氧水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙酮或/和異丙醇；
[0022]所述的配體酸與鎂源中鎂元素的摩爾比為(0.2?4): 1，進(jìn)一步優(yōu)選(0.4?2.3):1 ;所述的溶劑與鎂源中鎂元素的摩爾比為(3?35):1 ;
[0023]所述的鎂源與配體酸混合反應(yīng)溫度為30?95°C。
[0024]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述的成絲工藝為離心甩絲或噴吹成絲；
[0025]離心用絲的工藝為:離心機(jī)的轉(zhuǎn)速為4000?39000r/min，用絲孔直徑為0.05?1.8mm，離心甩絲及干燥過程中通干燥熱風(fēng)，熱風(fēng)的溫度為30?80°C，相對濕度10?60%;
[0026]噴吹成絲的工藝為:噴絲孔直徑為0.02?0.40mm，噴吹氣體的壓力為6?20MPa，氣流速率為6?100m/s，氣流溫度為30?155°C，紡絲間相對濕度10?60%。
[0027]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述的氧化鎂前驅(qū)體纖維干燥除水溫度為30?175°C，干燥時(shí)間為0.2?2ho
[0028]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述的氣體氣氛為空氣、氧氣、氨氣或氮?dú)?，所述的蒸汽氣氛為水蒸氣或吡啶蒸汽?br>[0029]根據(jù)本發(fā)明，上述超高溫氧化鎂纖維制品的制備方法，步驟如下:
[0030](I)將氧化鎂原料與粘結(jié)劑溶液混合，形成懸浮液；
[0031]所述的氧化鎂原料為氧化鎂纖維，或者氧化鎂粉體與氧化鎂纖維按照質(zhì)量比(0.1?0.8):1均勾混合；所述的氧化鎂纖維的長度為2?6mm ；
[0032]所述的粘結(jié)劑與氧化鎂原料的質(zhì)量比為(0.001?0.05):1 ;所述的粘結(jié)劑為粘度在0.2?15Pa-S的氧化鎂纖維前驅(qū)體溶液、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、環(huán)氧樹脂、聚丙烯酸、聚丙烯酸甲酯、纖維素、正硅酸甲酯、硅烷偶聯(lián)劑或/和硼烷偶聯(lián)劑；
[0033](2)將懸浮液注入模具中脫水，壓實(shí)，得濕坯；
[0034](3)將濕坯在30?170°C的溫度下干燥，干燥時(shí)間為5?72h，得干坯；
[0035](4)將干坯進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)的終點(diǎn)溫度為700?1850°C，升溫時(shí)間為2.5?15h，在溫度最高點(diǎn)保溫0.2?5.0h后自然冷卻，即得。
[0036]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，步驟⑴中所述的粘結(jié)劑與氧化鎂原料的質(zhì)量比為(0.005 ?0.01)
[0037]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，步驟(2)中所述的懸浮液注入模具中脫水壓實(shí)的具體步驟為:將懸浮液注入底部均勻分布有孔的成型模具中，在模具底部施加真空進(jìn)行脫水，脫水后將成型物置于表面平坦的托板上并覆蓋表面平坦的壓板，向壓板施加0.1?20.0MPa的壓力擠壓成型物，待壓板穩(wěn)定后靜置2?30min，脫模，得濕坯；更優(yōu)選的，所述的模具底部的孔徑為0.05?6_。脫水后壓實(shí)可獲得密實(shí)且厚度均