CN112012004B - 一种三维氧化物纤维复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种三维氧化物纤维复合材料的制备方法,采用低成本的陶瓷粉体废料作为基体原料并辅以双相纤维体作为增强体,环境友好且符合绿色产业化的要求,间接也缓解了环境治理的压力。依据不同纤维体的性质差异,本发明开创“双相互补”的复合方式,通过引入草酸、异丁醇胺等低成本试剂对纤维和前驱体溶液进行表面改性和刻蚀,改善了不同纤维之间的界面结合力和分散性能,实现了熔点高、抗热震性能差的硅酸铝纤维布和熔点低、抗热震性能好的氧化铝纤维布的叠层复合,有效地规避了单相纤维布的力学缺陷并构建了具有优异力学性能的“双相纤维——填充体——廉价基体”的三维纤维复合体系。
Description
技术领域
本发明属于材料领域,具体涉及一种三维氧化物纤维复合材料的制备方法。
背景技术
高温氧化物/氧化物陶瓷基复合材料是陶瓷基体和相容性较好的增强体相结合的产物,自20世纪80年代开始,该类材料因优异的高温耐氧化性、高硬度和应力弹性而逐步在航空器涡轮、汽车摩擦片等商业领域实现了大规模的产业化生产和应用,2019年国内市场份额已高达1000多亿元[Zhao Hong.Fiber Composites Growth[J].China Textile,2019(07):8-10.]。
高温氧化物/氧化物陶瓷基复合材料大多选用多晶氧化物纤维作为增强体,其主要成分有Al2O3、ZrO2、SiO2、MgO等,大致分类为硅酸铝、莫来石类纤维,具有较好的弹性模量和力学强度,但和基体材料易发生F/M相界面的强结合反应而降低材料的力学性能。由于氧化物纤维表面有稳定的氧化层作为包裹和保护,相较于非氧化物纤维增强体C、SiC纤维而言,其在高温下的耐热性和抗氧化性能更为优异[Cheng.Properties of Ceramic Fiberand Ceramic Shot in Wet-laid Processes[J].Journal of DongHua University,2002(03):115-117.]。
自20世纪80年代起,欧美、日等国家就投入大量的人力、物力,开展了对高温氧化物/氧化物陶瓷基复合材料应用的研究。而目前国产氧化物纤维的研究发展受技术限制,以基础性研究为主,仅在短切纤维领域有所技术突破,在连续性纤维的制备过程中技术上难以实现多相材料的均匀复合和陶瓷晶粒的细化,和欧美、日等国家成熟的纤维制备体系相比,仍然有较长的路要走[Effect of aluminum silicate fiber modification oncrack-resistance of a ceramic mold[J].China Foundry,2012,9(04):322-327.]。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三维氧化物纤维复合材料的制备方法,该方法通过在纤维层的界面引入改性基团,有效地改善了纤维界面的微观结构和不同组向纤维之间的力学结合作用,在宏观上展现出了优异的力学性能。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案为:
步骤一:将硅酸铝纤维布浸泡在三聚磷酸钠混合溶液中,然后逐滴加入改性后的草酸混合溶液调节其pH值至3~4,浸泡2~3h后将纤维布取出,再用过硼酸钠混合溶液洗涤干净后烘干,得到经表面刻蚀和改性处理的纤维预制体A;
步骤二:将氧化铝纤维布浸泡在温度为60~80℃的十二烷基硫酸钠混合溶液中热填充处理1~2h,然后逐滴加入异丁醇胺混合溶液调节其pH值至8~9,浸泡1~2h后将纤维体移至红外烘箱中,在50~80℃的辐照温度下红外烘干,得到经填充处理和表面胺基化的纤维前驱体B;
步骤三:将纤维预制体A和纤维前驱体B裁剪成长度为10cm、宽度为6cm的长方形,采用热刷涂或热喷枪喷射的方法将羧甲基纤维素混合液和裁剪过的两种纤维预制体结合,并将两种纤维预制体依次上下对齐放置并叠加至50~80层,得到纤维复合体C;
步骤四:向陶瓷浆料溶液中添加陶瓷浆料质量0.5~3.5%的聚丙烯酸钠和0.2~1.5%的碳酸氢钠,逐滴加浓度为3~5mol/L的冰醋酸溶液调节其pH值至5~6,随后在100~400rpm的转速下进行磁力搅拌20~40mins,得到反应前驱液D;
步骤五:将纤维复合体C浸泡在反应前驱液D中,分别设置镁片、铝片和便携式硫酸铜分别为工作电极、辅助电极和参比电极,在0.1~0.3A/cm2的电流密度下进行电泳沉积2~3h,随后将经浆料填充的纤维复合体取出并于50~80℃的温度下烘干,得到高性能三维氧化物纤维复合材料。
所述步骤一的硅酸铝纤维布是组合型针刺毡体,按质量比由40~60%短切原丝毡、20~40%无捻粗纱布和20~40%短切纱组合而成,组成成分按质量比包含30~50%硅酸铝、20~40%氧化锆、20~40%氧化钛和10~30%氧化铍。
所述步骤一的三聚磷酸钠混合溶液按质量比由50~70%乙二醇单甲醚、10~30%三聚磷酸钠和20~40%去离子水混合组成。
所述步骤一改性后的草酸混合溶液按体积比由70~80%草酸、10~20%正硅酸乙酯和10~20%乙二醇混合组成。
所述步骤一的过硼酸钠混合溶液按质量比由40~60%过硼酸钠、20~40%氢氧化钠和20~40%聚乙烯醇混合组成,洗涤5~8次并在60~90℃烘干。
所述步骤二的氧化铝纤维布是组合型针刺毡体,按质量比由40~60%短切原丝毡、20~40%无捻粗纱布和20~40%短切纱组合而成,按成分质量比包含30~50%氧化铝、20~40%氧化镁、20~40%氧化钛和10~30%氧化锶。
所述步骤二的十二烷基硫酸钠混合溶液按质量比由50~70%十二烷基硫酸钠、10~20%三聚磷酸钠和20~40%去离子水混合组成。
所述步骤二异丁醇胺混合溶液按质量比由40~60%异丁醇胺、20~40%氢氧化钾和20~40%去离子水混合组成。
所述步骤三的羧甲基纤维素混合液的温度为80~100℃,按体积比由40~60%羧甲基纤维素、10~30%聚乙烯醇和30~50%去离子水混合组成。
所述步骤四陶瓷浆料溶液按质量比由20~40%氧化铝、20~40%氧化硅、10~30%氧化钙和30~50%去离子水混合组成。
相对于现有技术,本发明的有益效果为:
本发明采用低成本的陶瓷粉体废料作为基体原料并辅以双相纤维体作为增强体,和目前市场上已实现产业化生产的陶瓷复合材料相比,本发明可以直接选用建材加工废料作为原料,因此原料的来源更加廉价,环境友好且符合绿色产业化的要求,间接也缓解了环境治理的压力。依据不同纤维体的性质差异,本发明开创“双相互补”的复合方式,通过引入草酸、异丁醇胺等低成本试剂对纤维和前驱体溶液进行表面改性和刻蚀,改善了不同纤维之间的界面结合力和分散性能,实现了熔点高、抗热震性能差的硅酸铝纤维布和熔点低、抗热震性能好的氧化铝纤维布的叠层复合,有效地规避了单相纤维布的力学缺陷并构建了具有优异力学性能的“双相纤维——填充体——廉价基体”的三维纤维复合体系。本发明的生产工序简易,具有实现大规模产业化生产的潜力,同时原料的来源广,成本也较为低廉,环境友好,所制备出的复合材料密度大,化学稳定性好,抗热震性能强,具有优异的力学性能和广阔的应用前景。
本发明还具有以下五方面的有益效果:
(一)采用草酸和乙二醇单甲醚多组分混合溶液对硅酸铝纤维布进行一体化的表面刻蚀和羟基化处理,草酸溶液在刻蚀纤维表面的同时,也对乙二醇单甲醚混合溶液实现了酸化处理,加速了羟基基团的脱离和其在纤维表面被刻蚀界面处的嵌入速率,优化了纤维体的基团嵌入空间和三维孔隙结构,提高了界面反应的效率,有效避免了副反应的发生;
(二)采用十二烷基硫酸钠多组分混合溶液在对氧化铝纤维布进行初步致密化填充的同时,将异丁醇胺改性溶剂也均匀渗入到了纤维体的内部,在碱性环境下加速了氨基基团在氧化铝纤维布表面的复合过程,提升了界面反应的效率,调整了纤维内部多元基团的分布,有利于和后续步骤中羧甲基纤维素的紧密结合,优化了纤维体内部的三维空间结构;
(三)将低成本的聚丙烯酸钠和碳酸氢钠用作陶瓷浆料溶液的减水剂和稳定剂,借助冰醋酸的酸调节作用,降低了陶瓷颗粒表面的自由水含量,提升了阈值负电位在其表面的覆盖面积,工艺操作相较于当前常用的溶胶凝胶工艺更为简便,成本更低,防沉降能力强;
(四)创新性的采用电泳沉积法对三维预制体进行低成本致密化填充处理,浆料带电颗粒在电场的作用下发生定向汇聚并在预制体的表面和内部发生沉积和自生长,颗粒取向性的成型过程弥补了低温下颗粒热运动缓慢的缺陷,同时也加大了颗粒渗透的深度和速率,防止纤维因高温处理而造成的力学强度损失;
(五)采用树脂和经表面改性的纤维体进行叠层结合的方式,在低温下即可以生产出三维陶瓷基复合材料,解决了传统纤维复合材料因高温处理而导致的纤维力学性能下降难题,降低了生产成本的同时也大大提升了材料的综合力学性能,具有较好的市场应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1制备出的三维氧化物纤维复合材料的断面扫描电镜测试图。
图2为本发明实施例2制备出的三维氧化物纤维复合材料微观裂纹的扫描电镜测试图。
具体实施方式
下面结合本发明较优的实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1:
步骤一:将硅酸铝纤维布浸泡在三聚磷酸钠混合溶液中,然后逐滴加入改性后的草酸混合溶液调节其pH值至3,浸泡3h后将纤维布取出,再用过硼酸钠混合溶液洗涤5次并在60℃烘干,得到经表面刻蚀和改性处理的纤维预制体A;
其中,硅酸铝纤维布是组合型针刺毡体,按质量比由40%短切原丝毡、20%无捻粗纱布和40%短切纱组合而成,组成成分按质量比包含50%硅酸铝、20%氧化锆、20%氧化钛和10%氧化铍;
所述的三聚磷酸钠混合溶液按质量比由50%乙二醇单甲醚、30%三聚磷酸钠和20%去离子水混合组成;
所述步骤一改性后的草酸混合溶液按体积比由70%草酸、10%正硅酸乙酯和20%乙二醇混合组成;
所述步骤一的过硼酸钠混合溶液按质量比由40%过硼酸钠、20%氢氧化钠和40%聚乙烯醇混合组成;
步骤二:将氧化铝纤维布浸泡在温度为60℃的十二烷基硫酸钠混合溶液中热填充处理1h,然后逐滴加入异丁醇胺混合溶液调节其pH值至8,浸泡1h后将纤维体移至红外烘箱中,在50℃的辐照温度下红外烘干,得到经填充处理和表面胺基化的纤维前驱体B;
其中,氧化铝纤维布是组合型针刺毡体,按质量比由45%短切原丝毡、25%无捻粗纱布和30%短切纱组合而成,按成分质量比包含30%氧化铝、40%氧化镁、20%氧化钛和10%氧化锶;
所述十二烷基硫酸钠混合溶液按质量比由55%十二烷基硫酸钠、15%三聚磷酸钠和30%去离子水混合组成;
所述异丁醇胺混合溶液按质量比由45%异丁醇胺、25%氢氧化钾和30%去离子水混合组成;
步骤三:将纤维预制体A和纤维前驱体B裁剪成长度为10cm、宽度为6cm的长方形,采用热刷涂的方法将羧甲基纤维素混合液和裁剪过的两种纤维预制体结合,并将两种纤维预制体依次上下对齐放置并叠加至50层,得到纤维复合体C;
所述的羧甲基纤维素混合液的温度为80℃,按体积比由40%羧甲基纤维素、10%聚乙烯醇和50%去离子水混合组成;
步骤四:向陶瓷浆料溶液中添加陶瓷浆料质量0.5%的聚丙烯酸钠和1%的碳酸氢钠,逐滴加浓度为3mol/L的冰醋酸溶液调节其pH值至5,随后在100rpm的转速下进行磁力搅拌40mins,得到反应前驱液D;
所述陶瓷浆料溶液按质量比由20%氧化铝、20%氧化硅、10%氧化钙和50%去离子水混合组成;
步骤五:将纤维复合体C浸泡在反应前驱液D中,分别设置镁片、铝片和便携式硫酸铜分别为工作电极、辅助电极和参比电极,在0.1A/cm2的电流密度下进行电泳沉积3h,随后将经浆料填充的纤维复合体取出并于50℃的温度下烘干,得到高性能三维氧化物纤维复合材料。
图1为实施例1制备的三维氧化物纤维复合材料的断面扫描电镜测试图。从图1可以看到经电泳沉积法制备的三维纤维体密度较大,结构较为致密,两种不同的纤维相之间结合紧密,化学稳定性良好。在纤维断裂的过程中,断裂口位置延展均匀,部分纤维出现了较优的“拔出效应”,说明纤维和基体的界面结合力适当,纤维有效地协助基体分担了外来载荷的应力作用。
实施例2:
步骤一:将硅酸铝纤维布浸泡在三聚磷酸钠混合溶液中,然后逐滴加入改性后的草酸混合溶液调节其pH值至3.5,浸泡2.5h后将纤维布取出,再用过硼酸钠混合溶液洗涤6次并在80℃烘干,得到经表面刻蚀和改性处理的纤维预制体A;
其中,硅酸铝纤维布是组合型针刺毡体,按质量比由60%短切原丝毡、20%无捻粗纱布和20%短切纱组合而成,组成成分按质量比包含30%硅酸铝、30%氧化锆、25%氧化钛和15%氧化铍;
所述的三聚磷酸钠混合溶液按质量比由70%乙二醇单甲醚、10%三聚磷酸钠和20%去离子水混合组成;
所述步骤一改性后的草酸混合溶液按体积比由80%草酸、10%正硅酸乙酯和10%乙二醇混合组成;
所述步骤一的过硼酸钠混合溶液按质量比由60%过硼酸钠、20%氢氧化钠和20%聚乙烯醇混合组成;
步骤二:将氧化铝纤维布浸泡在温度为75℃的十二烷基硫酸钠混合溶液中热填充处理1.5h,然后逐滴加入异丁醇胺混合溶液调节其pH值至8.5,浸泡1.5h后将纤维体移至红外烘箱中,在70℃的辐照温度下红外烘干,得到经填充处理和表面胺基化的纤维前驱体B;
其中,氧化铝纤维布是组合型针刺毡体,按质量比由40%短切原丝毡、30%无捻粗纱布和30%短切纱组合而成,按成分质量比包含30%氧化铝、30%氧化镁、25%氧化钛和15%氧化锶;
所述十二烷基硫酸钠混合溶液按质量比由50%十二烷基硫酸钠、20%三聚磷酸钠和30%去离子水混合组成;
所述异丁醇胺混合溶液按质量比由40%异丁醇胺、30%氢氧化钾和30%去离子水混合组成;
步骤三:将纤维预制体A和纤维前驱体B裁剪成长度为10cm、宽度为6cm的长方形,采用热喷枪喷射的方法将羧甲基纤维素混合液和裁剪过的两种纤维预制体结合,并将两种纤维预制体依次上下对齐放置并叠加至60层,得到纤维复合体C;
所述的羧甲基纤维素混合液的温度为90℃,按体积比由60%羧甲基纤维素、10%聚乙烯醇和30%去离子水混合组成;
步骤四:向陶瓷浆料溶液中添加陶瓷浆料质量2%的聚丙烯酸钠和0.8%的碳酸氢钠,逐滴加浓度为4mol/L的冰醋酸溶液调节其pH值至6,随后在300rpm的转速下进行磁力搅拌30mins,得到反应前驱液D;
所述陶瓷浆料溶液按质量比由40%氧化铝、20%氧化硅、10%氧化钙和30%去离子水混合组成;
步骤五:将纤维复合体C浸泡在反应前驱液D中,分别设置镁片、铝片和便携式硫酸铜分别为工作电极、辅助电极和参比电极,在0.2A/cm2的电流密度下进行电泳沉积2.5h,随后将经浆料填充的纤维复合体取出并于60℃的温度下烘干,得到高性能三维氧化物纤维复合材料。
图2为实施例2制备的三维氧化物纤维复合材料微观裂纹的扫描电镜测试图。裂纹在单根纤维界面处拓展时更改了路径方向,这使得复合体能够吸收更多的断裂能并承担更大的外来应力作用,综合力学性能表现较为优异。
实施例3:
步骤一:将硅酸铝纤维布浸泡在三聚磷酸钠混合溶液中,然后逐滴加入改性后的草酸混合溶液调节其pH值至4,浸泡3h后将纤维布取出,再用过硼酸钠混合溶液洗涤8次并在90℃烘干,得到经表面刻蚀和改性处理的纤维预制体A;
其中,硅酸铝纤维布是组合型针刺毡体,按质量比由40%短切原丝毡、40%无捻粗纱布和20%短切纱组合而成,组成成分按质量比包含30%硅酸铝、40%氧化锆、20%氧化钛和10%氧化铍;
所述的三聚磷酸钠混合溶液按质量比由50%乙二醇单甲醚、10%三聚磷酸钠和40%去离子水混合组成;
所述步骤一改性后的草酸混合溶液按体积比由70%草酸、20%正硅酸乙酯和10%乙二醇混合组成;
所述步骤一的过硼酸钠混合溶液按质量比由50%过硼酸钠、25%氢氧化钠和25%聚乙烯醇混合组成;
步骤二:将氧化铝纤维布浸泡在温度为65℃的十二烷基硫酸钠混合溶液中热填充处理2h,然后逐滴加入异丁醇胺混合溶液调节其pH值至9,浸泡2h后将纤维体移至红外烘箱中,在80℃的辐照温度下红外烘干,得到经填充处理和表面胺基化的纤维前驱体B;
其中,氧化铝纤维布是组合型针刺毡体,按质量比由50%短切原丝毡、25%无捻粗纱布和25%短切纱组合而成,按成分质量比包含50%氧化铝、20%氧化镁、20%氧化钛和10%氧化锶;
所述十二烷基硫酸钠混合溶液按质量比由60%十二烷基硫酸钠、15%三聚磷酸钠和25%去离子水混合组成;
所述异丁醇胺混合溶液按质量比由50%异丁醇胺、25%氢氧化钾和25%去离子水混合组成;
步骤三:将纤维预制体A和纤维前驱体B裁剪成长度为10cm、宽度为6cm的长方形,采用热刷涂的方法将羧甲基纤维素混合液和裁剪过的两种纤维预制体结合,并将两种纤维预制体依次上下对齐放置并叠加至70层,得到纤维复合体C;
所述的羧甲基纤维素混合液的温度为100℃,按体积比由50%羧甲基纤维素、15%聚乙烯醇和35%去离子水混合组成;
步骤四:向陶瓷浆料溶液中添加陶瓷浆料质量1%的聚丙烯酸钠和0.2%的碳酸氢钠,逐滴加浓度为5mol/L的冰醋酸溶液调节其pH值至5.5,随后在400rpm的转速下进行磁力搅拌20mins,得到反应前驱液D;
所述陶瓷浆料溶液按质量比由20%氧化铝、20%氧化硅、30%氧化钙和30%去离子水混合组成;
步骤五:将纤维复合体C浸泡在反应前驱液D中,分别设置镁片、铝片和便携式硫酸铜分别为工作电极、辅助电极和参比电极,在0.3A/cm2的电流密度下进行电泳沉积2h,随后将经浆料填充的纤维复合体取出并于80℃的温度下烘干,得到高性能三维氧化物纤维复合材料。
将实施例3制备的三维氧化物纤维复合材料进行物理性质测试,在万能拉伸试验机上进行弯曲应力力学实验,得到下表1所示的测试结果:
表1两种材料的力学性能对比
上表中提及的空白样品是参照实施例1的方法,将羧甲基纤维素混合液和未经表面改性和致密化处理的纤维体进行结合并通过经电泳沉积法成型制得的。通过表1中的数据的对比我们可以看出,本发明借助一系列表面处理技术,在三维纤维体的表面和经刻蚀处理的内部引入多元化官能团,有效地改善了纤维的综合力学性能,提升了纤维增强体和羧甲基纤维素填充体的界面结合力,所得到的一种低温制备高性能三维氧化物纤维复合材料结构紧凑致密,具有较高的弯曲强度和剪切强度。同时,本发明的生产工序简易,具有实现大规模产业化生产的潜力,同时原料的来源广,成本也较为低廉,环境友好,具有广阔的潜在应用前景。
实施例4:
步骤一:将硅酸铝纤维布浸泡在三聚磷酸钠混合溶液中,然后逐滴加入改性后的草酸混合溶液调节其pH值至3.5,浸泡2h后将纤维布取出,再用过硼酸钠混合溶液洗涤7次并在70℃烘干,得到经表面刻蚀和改性处理的纤维预制体A;
其中,硅酸铝纤维布是组合型针刺毡体,按质量比由50%短切原丝毡、25%无捻粗纱布和25%短切纱组合而成,组成成分按质量比包含30%硅酸铝、20%氧化锆、40%氧化钛和10%氧化铍;
所述的三聚磷酸钠混合溶液按质量比由55%乙二醇单甲醚、15%三聚磷酸钠和30%去离子水混合组成;
所述步骤一改性后的草酸混合溶液按体积比由70%草酸、10%正硅酸乙酯和20%乙二醇混合组成;
所述步骤一的过硼酸钠混合溶液按质量比由40%过硼酸钠、30%氢氧化钠和30%聚乙烯醇混合组成;
步骤二:将氧化铝纤维布浸泡在温度为70℃的十二烷基硫酸钠混合溶液中热填充处理1h,然后逐滴加入异丁醇胺混合溶液调节其pH值至9,浸泡1h后将纤维体移至红外烘箱中,在60℃的辐照温度下红外烘干,得到经填充处理和表面胺基化的纤维前驱体B;
其中,氧化铝纤维布是组合型针刺毡体,按质量比由40%短切原丝毡、40%无捻粗纱布和20%短切纱组合而成,按成分质量比包含30%氧化铝、20%氧化镁、40%氧化钛和10%氧化锶;
所述十二烷基硫酸钠混合溶液按质量比由50%十二烷基硫酸钠、10%三聚磷酸钠和40%去离子水混合组成;
所述异丁醇胺混合溶液按质量比由40%异丁醇胺、20%氢氧化钾和40%去离子水混合组成;
步骤三:将纤维预制体A和纤维前驱体B裁剪成长度为10cm、宽度为6cm的长方形,采用热喷枪喷射的方法将羧甲基纤维素混合液和裁剪过的两种纤维预制体结合,并将两种纤维预制体依次上下对齐放置并叠加至50层,得到纤维复合体C;
所述的羧甲基纤维素混合液的温度为85℃,按体积比由45%羧甲基纤维素、22%聚乙烯醇和33%去离子水混合组成;
步骤四:向陶瓷浆料溶液中添加陶瓷浆料质量3%的聚丙烯酸钠和1.2%的碳酸氢钠,逐滴加浓度为3.5mol/L的冰醋酸溶液调节其pH值至6,随后在200rpm的转速下进行磁力搅拌35mins,得到反应前驱液D;
所述陶瓷浆料溶液按质量比由20%氧化铝、40%氧化硅、10%氧化钙和30%去离子水混合组成;
步骤五:将纤维复合体C浸泡在反应前驱液D中,分别设置镁片、铝片和便携式硫酸铜分别为工作电极、辅助电极和参比电极,在0.2A/cm2的电流密度下进行电泳沉积2.5h,随后将经浆料填充的纤维复合体取出并于70℃的温度下烘干,得到高性能三维氧化物纤维复合材料。
实施例5:
步骤一:将硅酸铝纤维布浸泡在三聚磷酸钠混合溶液中,然后逐滴加入改性后的草酸混合溶液调节其pH值至3,浸泡2.5h后将纤维布取出,再用过硼酸钠混合溶液洗涤8次并在75℃烘干,得到经表面刻蚀和改性处理的纤维预制体A;
其中,硅酸铝纤维布是组合型针刺毡体,按质量比由40%短切原丝毡、30%无捻粗纱布和30%短切纱组合而成,组成成分按质量比包含30%硅酸铝、20%氧化锆、20%氧化钛和30%氧化铍;
所述的三聚磷酸钠混合溶液按质量比由50%乙二醇单甲醚、20%三聚磷酸钠和30%去离子水混合组成;
所述步骤一改性后的草酸混合溶液按体积比由75%草酸、15%正硅酸乙酯和10%乙二醇混合组成;
所述步骤一的过硼酸钠混合溶液按质量比由45%过硼酸钠、25%氢氧化钠和30%聚乙烯醇混合组成;
步骤二:将氧化铝纤维布浸泡在温度为80℃的十二烷基硫酸钠混合溶液中热填充处理1h,然后逐滴加入异丁醇胺混合溶液调节其pH值至8,浸泡1h后将纤维体移至红外烘箱中,在75℃的辐照温度下红外烘干,得到经填充处理和表面胺基化的纤维前驱体B;
其中,氧化铝纤维布是组合型针刺毡体,按质量比由60%短切原丝毡、20%无捻粗纱布和20%短切纱组合而成,按成分质量比包含30%氧化铝、20%氧化镁、20%氧化钛和30%氧化锶;
所述十二烷基硫酸钠混合溶液按质量比由70%十二烷基硫酸钠、10%三聚磷酸钠和20%去离子水混合组成;
所述异丁醇胺混合溶液按质量比由60%异丁醇胺、20%氢氧化钾和20%去离子水混合组成;
步骤三:将纤维预制体A和纤维前驱体B裁剪成长度为10cm、宽度为6cm的长方形,采用热刷涂的方法将羧甲基纤维素混合液和裁剪过的两种纤维预制体结合,并将两种纤维预制体依次上下对齐放置并叠加至80层,得到纤维复合体C;
所述的羧甲基纤维素混合液的温度为95℃,按体积比由40%羧甲基纤维素、20%聚乙烯醇和40%去离子水混合组成;
步骤四:向陶瓷浆料溶液中添加陶瓷浆料质量3.5%的聚丙烯酸钠和1.5%的碳酸氢钠,逐滴加浓度为4.5mol/L的冰醋酸溶液调节其pH值至5,随后在150rpm的转速下进行磁力搅拌30mins,得到反应前驱液D;
所述陶瓷浆料溶液按质量比由30%氧化铝、20%氧化硅、10%氧化钙和40%去离子水混合组成;
步骤五:将纤维复合体C浸泡在反应前驱液D中,分别设置镁片、铝片和便携式硫酸铜分别为工作电极、辅助电极和参比电极,在0.3A/cm2的电流密度下进行电泳沉积2h,随后将经浆料填充的纤维复合体取出并于65℃的温度下烘干,得到高性能三维氧化物纤维复合材料。
实施例6:
步骤一:将硅酸铝纤维布浸泡在三聚磷酸钠混合溶液中,然后逐滴加入改性后的草酸混合溶液调节其pH值至4,浸泡2h后将纤维布取出,再用过硼酸钠混合溶液洗涤6次并在85℃烘干,得到经表面刻蚀和改性处理的纤维预制体A;
其中,硅酸铝纤维布是组合型针刺毡体,按质量比由45%短切原丝毡25%无捻粗纱布和30%短切纱组合而成,组成成分按质量比包含40%硅酸铝、22%氧化锆、25%氧化钛和13%氧化铍;
所述的三聚磷酸钠混合溶液按质量比由60%乙二醇单甲醚、15%三聚磷酸钠和25%去离子水混合组成;
所述步骤一改性后的草酸混合溶液按体积比由75%草酸、10%正硅酸乙酯和15%乙二醇混合组成;
所述步骤一的过硼酸钠混合溶液按质量比由40%过硼酸钠、40%氢氧化钠和420%聚乙烯醇混合组成;
步骤二:将氧化铝纤维布浸泡在温度为70℃的十二烷基硫酸钠混合溶液中热填充处理2h,然后逐滴加入异丁醇胺混合溶液调节其pH值至8.5,浸泡2h后将纤维体移至红外烘箱中,在65℃的辐照温度下红外烘干,得到经填充处理和表面胺基化的纤维前驱体B;
其中,氧化铝纤维布是组合型针刺毡体,按质量比由40%短切原丝毡、20%无捻粗纱布和40%短切纱组合而成,按成分质量比包含40%氧化铝、22%氧化镁、25%氧化钛和13%氧化锶;
所述十二烷基硫酸钠混合溶液按质量比由50%十二烷基硫酸钠、30%三聚磷酸钠和20%去离子水混合组成;
所述异丁醇胺混合溶液按质量比由40%异丁醇胺、40%氢氧化钾和20%去离子水混合组成;
步骤三:将纤维预制体A和纤维前驱体B裁剪成长度为10cm、宽度为6cm的长方形,采用热喷枪喷射的方法将羧甲基纤维素混合液和裁剪过的两种纤维预制体结合,并将两种纤维预制体依次上下对齐放置并叠加至60层,得到纤维复合体C;
所述的羧甲基纤维素混合液的温度为90℃,按体积比由40%羧甲基纤维素、30%聚乙烯醇和30%去离子水混合组成;
步骤四:向陶瓷浆料溶液中添加陶瓷浆料质量2%的聚丙烯酸钠和0.5%的碳酸氢钠,逐滴加浓度为5mol/L的冰醋酸溶液调节其pH值至6,随后在350rpm的转速下进行磁力搅拌25mins,得到反应前驱液D;
所述陶瓷浆料溶液按质量比由20%氧化铝、20%氧化硅、20%氧化钙和40%去离子水混合组成;
步骤五:将纤维复合体C浸泡在反应前驱液D中,分别设置镁片、铝片和便携式硫酸铜分别为工作电极、辅助电极和参比电极,在0.1A/cm2的电流密度下进行电泳沉积3h,随后将经浆料填充的纤维复合体取出并于75℃的温度下烘干,得到高性能三维氧化物纤维复合材料。
Claims (8)
1.一种三维氧化物纤维复合材料的制备方法,其特征在于包括以下的步骤:
步骤一:将硅酸铝纤维布浸泡在三聚磷酸钠混合溶液中,然后逐滴加入改性后的草酸混合溶液调节其pH值至3~4,浸泡2~3h后将纤维布取出,再用过硼酸钠混合溶液洗涤干净后烘干,得到经表面刻蚀和改性处理的纤维预制体A;
所述三聚磷酸钠混合溶液按质量比由50~70%乙二醇单甲醚、10~30%三聚磷酸钠和20~40%去离子水混合组成;
所述改性后的草酸混合溶液按体积比由70~80%草酸、10~20%正硅酸乙酯和10~20%乙二醇混合组成;
步骤二:将氧化铝纤维布浸泡在温度为60~80℃的十二烷基硫酸钠混合溶液中热填充处理1~2h,然后逐滴加入异丁醇胺混合溶液调节其pH值至8~9,浸泡1~2h后将纤维体移至红外烘箱中,在50~80℃的辐照温度下红外烘干,得到经填充处理和表面胺基化的纤维前驱体B;
步骤三:将纤维预制体A和纤维前驱体B裁剪成长度为10cm、宽度为6cm的长方形,采用热刷涂或热喷枪喷射的方法将羧甲基纤维素混合液和裁剪过的两种纤维预制体结合,并将两种纤维预制体依次上下对齐放置并叠加至50~80层,得到纤维复合体C;
步骤四:向陶瓷浆料溶液中添加陶瓷浆料质量0.5~3.5%的聚丙烯酸钠和0.2~1.5%的碳酸氢钠,逐滴加浓度为3~5mol/L的冰醋酸溶液调节其pH值至5~6,随后在100~400rpm的转速下进行磁力搅拌20~40mins,得到反应前驱液D;
步骤五:将纤维复合体C浸泡在反应前驱液D中,分别设置镁片、铝片和便携式硫酸铜分别为工作电极、辅助电极和参比电极,在0.1~0.3A/cm2的电流密度下进行电泳沉积2~3h,随后将经浆料填充的纤维复合体取出并于50~80℃的温度下烘干,得到高性能三维氧化物纤维复合材料。
2.根据权利要求 1 所述的三维氧化物纤维复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤一的硅酸铝纤维布是组合型针刺毡体,按质量比由40~60%短切原丝毡、20~40%无捻粗纱布和20~40%短切纱组合而成,组成成分按质量比包含30~50%硅酸铝、20~40%氧化锆、20~40%氧化钛和10~30%氧化铍。
3.根据权利要求 1 所述的三维氧化物纤维复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤一的过硼酸钠混合溶液按质量比由40~60%过硼酸钠、20~40%氢氧化钠和20~40%聚乙烯醇混合组成,洗涤5~8次并在60~90℃烘干。
4.根据权利要求 1 所述的三维氧化物纤维复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤二的氧化铝纤维布是组合型针刺毡体,按质量比由40~60%短切原丝毡、20~40%无捻粗纱布和20~40%短切纱组合而成,按成分质量比包含30~50%氧化铝、20~40%氧化镁、20~40%氧化钛和10~30%氧化锶。
5.根据权利要求 1 所述的三维氧化物纤维复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤二的十二烷基硫酸钠混合溶液按质量比由50~70%十二烷基硫酸钠、10~20%三聚磷酸钠和20~40%去离子水混合组成。
6.根据权利要求 1 所述的三维氧化物纤维复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤二异丁醇胺混合溶液按质量比由40~60%异丁醇胺、20~40%氢氧化钾和20~40%去离子水混合组成。
7.根据权利要求 1 所述的三维氧化物纤维复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤三的羧甲基纤维素混合液的温度为80~100℃,按体积比由40~60%羧甲基纤维素、10~30%聚乙烯醇和30~50%去离子水混合组成。
8.根据权利要求 1 所述的三维氧化物纤维复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤四陶瓷浆料溶液按质量比由20~40%氧化铝、20~40%氧化硅、10~30%氧化钙和30~50%去离子水混合组成。
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