[发明专利]一种柔性钇稳定氧化锆陶瓷纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及柔性无机氧化物纤维的制备，具体涉及柔性钇稳定氧化锆陶瓷纤维的制备方法，属于无机非金属材料技术领域。

背景技术

氧化锆(ZrO₂)多晶陶瓷纤维具有熔点高(2600℃)、抗氧化、耐腐蚀、热传导率低等优良特性，在无机纤维材料中具有特殊地位，是一种高性能的隔热和耐腐蚀材料，在保温隔热领域具有重要的地位(参见：人工晶体学报2009，38，265)。

由于氧化锆的高熔点和熔体的低粘度特性，不能采用熔融制丝法制备其陶瓷纤维，而只能采用前驱体法来制备氧化锆陶瓷纤维。目前氧化锆陶瓷纤维的主要制备方法有浸渍法、共混纺丝法、溶胶-凝胶法、静电纺丝法等(参见：合成技术及应用2009，24，33)。商品氧化锆陶瓷纤维由氧化锆微颗粒组成，纤维直径均在微米级，品种有短纤维、纤维毡、纤维织物、纤维板、纤维筒及异型制品等，但是这些氧化锆陶瓷纤维的柔韧性较差、强度低、机械可加工性差，影响了其实际应用。

采用现有的工业纺丝方法，很难将无机或有机纤维的单丝直径降至2μm以下。而静电纺丝技术很容易将纤维直径降低至十几纳米至亚微米，并且所需的设备简单，操作容易，是构建聚合物、无机陶瓷等超细纤维的非常简单和高效的方法和手段，引起了人们的广泛越来越多的兴趣和关注。目前已制备出200多种高分子纤维和50余种无机纤维(参见：Adv.Mater.2004，16，1151)。在制备纳米氧化锆纤维方面，Shao等首次以聚乙烯醇(PVA)和八水合氧氯化锆(ZrOCl₂·8H₂O)为原料利用静电纺丝技术制备复合纤维，经800℃煅烧后得到表面光滑、直径50-200nm四方相氧化锆纤维(参见：J.Crystal Growth2004，267，380)；而以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和含钇与锆离子的水/乙醇溶液为原料，通过静电纺丝技术制得60-200nm钇稳定氧化锆(YSZ)纤维，煅烧至1500℃，氧化锆仍然保持为四方相，纤维长度达数厘米，但纤维的均匀性较差(参见：Mater.Lett.2006，60，67)；Zhang等以含有粒径5-10nm氧化锆颗粒的高分子悬浊液为原料，可制备直径约200nm的氧化锆纤维(参见：J.Am.Ceram.Soc.2006，89，1870)；在氧氯化锆溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，可制得平均直径40nm以下，最小直径可达13nm的氧化锆纤维(参见：J.Photopolym.Sci.Technol.2005，18，503)；采用聚乙烯醇(PVA)作为络合剂与氯氧化锆反应制得前驱体，采用简单的静电纺丝法制得粗细分布均匀、具有较高比表面积和多孔结构的直径约100nm的ZrO₂纳米纤维(参见：高等学校化学学报2004，25，1413)；而通过控制ZrOCl₂/PVP复合纤维的煅烧条件，可制得外径2-3μm，壁厚300-400nm的中空氧化锆纤维(参见：Mater.Lett.2008，62，2396)。上述方法制备的氧化锆纤维普遍存在着柔性差、易断裂等问题，迄今为止，还未见可用于规模化制备柔性钇稳定氧化锆陶瓷纤维的方法报道。

发明内容

为解决现有静电纺丝技术制备的氧化陶瓷纤维存在的致密性差，强度低，柔韧性差等缺点，本发明提供了一种柔性钇稳定氧化锆陶瓷纤维及其制备方法。

术语说明

纺丝接收距离：纺丝针头到接收装置的距离。

本发明的技术方案如下：

一种柔性钇稳定氧化锆陶瓷纤维，组成陶瓷纤维的钇稳定氧化锆颗粒粒径为10-500nm，陶瓷纤维直径0.5-3μm，所述陶瓷纤维中氧化锆(ZrO₂)与氧化钇(Y₂O₃)的摩尔比为1∶(0.03-0.08)。

根据本发明，所述柔性钇稳定氧化锆陶瓷纤维中包括但不限于含铝、硅或铁添加剂的一种或者两种，氧化锆与添加剂的摩尔比为1∶(0.01-0.10)。

根据本发明，所述柔性钇稳定氧化锆陶瓷纤维为四方相结构。

一种柔性钇稳定氧化锆陶瓷纤维的制备方法，包括如下步骤：