[发明专利]一种硼化锆陶瓷纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于硼化锆陶瓷的制备领域，特别涉及一种硼化锆陶瓷纤维的制备方法。

背景技术

现代飞行器(如宇宙飞船、火箭、导弹、超音速飞机)正朝高速、高空、大推力和更安全的方向发展，这对高温材料提出了更高的要求：能够适应超高音速长时飞行、大气层再入、跨大气层飞行和火箭推进系统等极端环境，不但要能够承受高温(＞2000℃)，还要求抗氧化、抗冲刷、抗热冲击等，尤其是飞行器鼻锥、机翼前缘、发动机热端等各种关键部位或部位需要使用超高温材料。

ZrB₂作为超高温陶瓷材料(UHTCs)中的一员，具有高熔点(＞3000℃)、低密度、高硬度、高模量、高热导率和电导率，极强的化学键以及良好的化学稳定性等综合特性，因此可应用于2000℃以上的超高温极端环境下，如高超音速再入空间飞行器的前缘部件、火箭推进系统、耐火材料、等离子电极等。而且，ZrB₂在超高温陶瓷材料中具有最低的密度，因此成为超高温应用领域最具潜力的候选材料。

ZrB₂陶瓷的制备一般多采用传统的碳热还原法，该工艺过程简单，但存在温度较高(1800℃左右)，合成粉体纯度较低，平均粒径比较大，烧结活性差等缺点。液相法特别是溶胶-凝胶法是低温制备超细粉体常用的方法，可在制备过程中形成无定形的亚稳相，反应接触面积大，能够提高烧结过程中的驱动力，改善微观结构，提高机械性能，因此常被用来制备氧化物粉体、薄膜和纤维。李运涛等(李运涛，陶雪钰，邱文丰.化学研究，2010，21(4)：27-29.)采用液相前驱体法制备ZrB₂陶瓷，以聚乙酰丙酮锆(PZO)、硼酸、酚醛树脂为原料制备得到ZrB₂液相前驱体，该前驱体是化学组成均匀稳定的溶液，加工性好，便于浸渍，可以和纤维很好地复合。北京航空航天大学(Ruixing Li，Yun Zhang，Haijie Lou，Junping Li and Zhihai Feng.Sol-Gel.Sci.Technol.，2011，58(2)：580-585.)以八水合氧氯化锆、硼酸、蔗糖为原料采用溶胶凝胶法制得了纯的ZrB₂陶瓷，研究了烧结温度和原料配比等因素对该陶瓷结构与性能的影响，其在烧结温度低于1550℃和B/Zr小于2.3时将得到含有m-ZrO₂和t-ZrO₂晶型杂质的ZrB₂陶瓷。

ZrB₂虽具有很多优越的特性，但是其目前表现出来的性能还不能满足实际应用的需要，国内外针对ZrB₂的研究主要集中在原料粉体的制备、烧结致密化过程及其复合材料制备改善其力学性能、抗高温氧化性能等方面。但是目前国内外较少有关于ZrB₂陶瓷纤维及其复合材料制备的相关报道，Yuriy B.Paderno等(Y.B.Paderno et al.Journal of the European Ceramic Society，2005，25，1301-1305.)利用二硼化物共晶定向凝固制备出了单晶型的亚微米级的ZrB₂、TiB₂和HfB₂纤维，ZrB₂纤维直径在0.4～0.8微米，长径比达500，纤维整体上均匀光滑，这些纤维组织的二硼化物在结构部件、功能器件等中有专门的应用，也可能用于工业滤纸、加热保护系统、增强材料等。

但是国内外还没有有关直接制备ZrB₂陶瓷纤维方法的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种硼化锆陶瓷纤维的制备方法，该方法所制的纺丝液经溶液纺丝，可得到结构与性能较好的ZrB₂陶瓷初生纤维，纤维具有高温稳定性、低密度、高热导率和电导率等性能，应用前景广阔。

本发明的一种硼化锆陶瓷纤维的制备方法，包括：

(1)将含锆化合物的水溶液加入到含硼化合物的水溶液中，混合均匀，将碳源化合物在乙醇水混合溶剂中溶解并加入到溶液中，再加入络合剂水溶液，混合均匀，最后调节pH＜4，搅拌反应10～16h，得前驱体溶液；其中，含锆化合物与含硼化合物中的Zr与B的摩尔比为1∶1～1∶10，碳源化合物与含锆化合物中的C与Zr的摩尔比为0.5∶1～10∶1，络合剂与含锆化合物的质量比为0.1∶1～10∶1；