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西安工程大学范星宇:由γ-Y2Si2O7纤维构成的陶瓷毡及其隔热性能研究

学术动态    2022-07-15 15:50

DOI: 10.1016/j.ceramint.2022.06.257

 

陶瓷纤维毡因其重量轻、孔隙率高和导热率低而成为一种极具吸引力的耐高温绝热材料。在这项工作中,采用Y-Si-O/PVB溶胶-凝胶静电纺丝结合随后的高温煅烧法简便制备了由γ-Y2Si2O7纤维构成的陶瓷毡。系统研究了煅烧温度对陶瓷毡相组成、显微结构和隔热性能的影响。结果表明,溶胶-凝胶纤维中的有机成分在高温煅烧后被去除,而纤维保持高纵横比的原有连续微观形貌。经1300℃煅烧可得到纯γ-Y2Si2O7相的陶瓷纤维毡。所制备的纸类γ-Y2Si2O7纤维毡的密度低至约120mg/cm3,孔隙率高达97.03%。结合γ-Y2Si2O7固有的高温稳定性和低热导率,这种轻质陶瓷毡显示出耐高温隔热性能(低热导率为0.052W/m/K)。总体而言,这种陶瓷纤维毡的成功制备为恶劣环境下使用的隔热材料提供了新的视角。

 

图1.静电纺丝Y-Si-O/PVB纤维的制备工艺示意图。

 

图2.Y-Si-O/PVB凝胶在空气中以5℃/min升温的DSC-TG曲线。

 

图3.在200℃下干燥的未煅烧Y-Si-O/PVB凝胶以及在空气中于不同温度下煅烧2h的煅烧样品的XRD图谱。

 

图4.(a)在200℃下干燥的Y-Si-O/PVB凝胶,以及(b-h)分别在400℃、600℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃和1300℃下煅烧的样品的FT-IR图谱。

 

图5.不同温度煅烧陶瓷纤维的显微组织演变。(a-f)未煅烧的电纺Y-Si-O/PVB纤维,分别在900℃、1000℃、1100℃、1200℃和1300℃下煅烧的样品的SEM照片,以及纤维直径分布直方图;(g)不同煅烧温度下的平均直径;(h,i)SEM图像中标记点的EDS光谱。

 

图6.Y-Si-O纤维毡的导热系数随煅烧温度的变化而变化。

 

图7.通过在酒精灯火焰上使用新鲜花瓣进行对比试验,表征所制备γ-Y2Si2O7毡的隔热性能。

 

图8.轻质、超耐热的γ-Y2Si2O7陶瓷纤维毡。(a)设计的概念试验表明,γ-Y2Si2O7陶瓷纤维毡在约800℃下具有优异的隔热性能;(b)一块γ-Y2Si2O7陶瓷纤维毡立在蒲公英上;(c)密度为120mg/cm3的规则γ-Y2Si2O7陶瓷纤维毡立在叶子上的宏观照片;(d-f)γ-Y2Si2O7陶瓷纤维毡在耐火试验后的SEM照片。