阅读说明：本技术 一种提高氧化锆纤维力学性能的涂料及其制备方法 (Coating for improving mechanical property of zirconia fiber and preparation method thereof ) 是由 王国辉 付继伟 陈红波 刘金峰 荀飞 潘旭 林三春 杨若丽 王筱宇 于 2020-11-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种提高氧化锆纤维力学性能的涂料及其制备方法,属于化工技术领域,也属于热防护领域。首先,制作涂料；其次,将涂料涂覆在氧化锆纤维表面形成涂层；最后,高温处理涂层使得涂层与氧化锆纤维形成紧密结合,并最终对比测试氧化锆纤维涂覆涂层之后的力学性能明显得到了提高。(The invention relates to a coating for improving mechanical property of zirconia fiber and a preparation method thereof, belonging to the technical field of chemical industry and the field of thermal protection. Firstly, preparing a coating; secondly, coating the coating on the surface of the zirconia fiber to form a coating; finally, the coating is processed at high temperature to enable the coating and the zirconia fiber to form tight combination, and finally the mechanical property of the zirconia fiber coated with the coating is obviously improved through comparison and test.)

一种提高氧化锆纤维力学性能的涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种提高氧化锆纤维力学性能的涂料及其制备方法，属于化工技术领域，也属于热防护领域。

背景技术

多晶氧化锆(ZrO2)纤维的耐火性能好(ZrO2的熔点2590℃)，热导率低，化学稳定性好，有较强的抗侵蚀性能，因此氧化锆纤维是一种优良的高温隔热材料，被广泛应用在航天航天、金属冶炼、核工业、高温精密工业中。氧化锆纤维生产方法有两种，即胶体法和先驱体法。胶体法在氧氯化锆溶液中加入冰醋酸，使其反应，生成白色醋酸错沉淀，经脱水、烘干再制成醋酸锆溶液，然后加入稳定剂(一般用YCl3)经蒸发、浓缩制成粘度在5-35Pa·s范围的胶体，这种胶体可以用离心甩丝法或喷吹法成纤得到纤维坯体，坯体在100-110℃干燥，使纤维固化，随后在100-110℃时脱除物理水；200-300℃时脱去化学结合水和有机物挥发；420℃时锆盐开始分解；800-1000℃时ZrO2发生晶形转变；热处理的最终温度为1500-1600℃，最终得到氧化锆纤维。先驱体法是把粘胶纤维(或皂化醋酸纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维等)在一定浓度的稀盐酸或乙二胺溶液中浸泡，使纤维膨化，用离子交换水洗净膨化了的纤维，再把它浸泡到含有YCl3稳定剂的氧氯化锆(或醋酸锆，草酸锆)水溶液中，使锆盐进入有机纤维的分子“间隙”中，用离心或挤压法脱去表面吸附液，将含有错盐的有机纤维坯体置于特定条件的炉子中进行热处理，使有机物在不燃烧的情况下炭化及挥发，使锆盐分解成ZrO2，并与稳定剂起作用，使ZrO2稳定化，这徉就得到稳定的多晶氧化锆纤维。

这两种方法在高温处理过程中，氧化锆纤维形成过程中，多晶排列时使得氧化锆纤维表面出现大量的微观缺陷，例如，凸起、凹槽、裂纹、缝隙等。这是因为由于氧化锆纤维具有较低的韧性，对自身表面的微观缺陷极端敏感。当氧化锆纤维受到外力作用时，缺陷尖端处产生应力集中现象。集中的应力能根据Griffith公式1计算出来：

其中，σm是集中应力，σ是材料的平均强度，C是缺陷尺寸，ζ是缺陷尖端半径。缺陷尖端半径ζ是远小于缺陷尺寸C，这导致在外力作用时由于缺陷处的应力集中，氧化锆纤维总是在较低的平均应力水平、较低强度水平时发生破坏。

所以，在当前发明中，合成一种新型的化学材料，将这种化学材料涂覆在氧化锆纤维表面，使得氧化锆纤维表面微观缺陷被愈合，进而提高氧化锆纤维的力学性能，力学性能的提高将显著扩大氧化锆纤维的应用范围，特别是应用在热防护领域。

发明内容

本发明的目的是为了提高氧化锆纤维的力学性能。

一种提高氧化锆纤维力学性能的涂料，该涂料的原料包括硼酸、去离子水、碳酸氢钠、二氧化硅和增稠剂；

以去离子水的质量为100份计算，各原料的质量份数为：

硼酸 1-5份；

碳酸氢钠 3-10份；

水溶性二氧化硅 2-8份；

增稠剂的质量百分含量为 5-15份。

增稠剂为羧甲基纤维素钠。

一种提高氧化锆纤维力学性能的涂料的制备方法，该方法的步骤包括：

首先，制作涂料；其次，将涂料涂覆在氧化锆纤维表面形成涂层；最后，高温处理涂层使得涂层与氧化锆纤维形成紧密结合，并最终对比测试氧化锆纤维涂覆涂层之后的力学性能变化。

本发明采用下述技术流程：

第一步：采用硼酸、去离子水、碳酸氢钠、二氧化硅、以及适量的增稠剂，(所有的比例均为质量比)混合后得到涂层材料；第二步：将氧化锆纤维浸泡在涂层材料一定的时间后的氧化锆纤维取出来，自然风干待用；第三步，将风干后的氧化锆纤维放在高温炉中，使得表面涂层形成稳定的化合物；第四步，测试热处理后的氧化锆纤维的力学性能，主要是采用单丝法测试拉伸强度。

本发明的具体工艺步骤为：

第一步：1～5克硼酸，溶解在100～120克去离子水中，然后添加3～10克碳酸氢钠、添加水溶性二氧化硅2～8克，作为增稠剂的羧甲基纤维素钠5～15克，在转速150～200转/分钟的机械搅拌下，搅拌10～20分钟后，制成涂层材料，即涂料；

第二步：将氧化锆纤维浸泡在涂层材料中30～60分钟，取出后自然风干待用；

第三步：将风干后的氧化锆纤维放在高温炉中，炉温为1300～1450℃下放置20～35分钟后，取出自然冷却到室温；

第四步；测试处理前后的氧化锆纤维的拉伸强度(每个试样取20个试样的平均值)。

得到的氧化锆纤维的拉伸强度明显得到了提高。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步说明，本发明的应用不局限于所举的实施例。

实施例1

第一步：1克硼酸，溶解在100克去离子水中，然后添加3克碳酸氢钠、添加水溶性二氧化硅2克，作为增稠剂的羧甲基纤维素钠5克，在转速150转/分钟的机械搅拌下，搅拌10分钟后，制成涂层材料；

第二步：将氧化锆纤维浸泡在涂层材料中30分钟，取出后自然风干待用；

第三步：将风干后的氧化锆纤维放在高温炉中，炉温为1300℃下放置20分钟后，取出自然冷却到室温；

第四步；测试处理前后的氧化锆纤维的拉伸强度。测试结果表明：没有涂覆涂层的氧化锆纤维的拉伸强度为956MPa，涂覆涂层之后但没有热处理，拉伸强度为1103MPa(提高了15％)，热处理后的氧化锆纤维强度为1511MPa(提高了58％)。这是因为涂层只能弥合一些微观缺陷，但是涂层自身强度较低，对性能的提高作用有限，而热处理过程使得硼酸和氧化硅在氧化锆纤维表面形成光滑的硼硅酸盐玻璃层，这种涂层虽然很薄对氧化锆纤维的拉伸强度影响较大。

实施例2

第一步：5克硼酸，溶解在120克去离子水中，然后添加10克碳酸氢钠、添加水溶性二氧化硅8克，作为增稠剂的羧甲基纤维素钠15克，在转速200转/分钟的机械搅拌下，搅拌20分钟后，制成涂层材料；第二步：将氧化锆纤维浸泡在涂层材料中60分钟，取出后自然风干待用；第三步：将风干后的氧化锆纤维放在高温炉中，炉温为1450℃下放置35分钟后，取出自然冷却到室温；第四步；测试处理前后的氧化锆纤维的拉伸强度。测试结果表明：没有涂覆涂层的氧化锆纤维的拉伸强度为956MPa，涂覆涂层之后但没有热处理，拉伸强度为1086MPa(提高了14％)，热处理后的氧化锆纤维强度为1629MPa(提高了70％)。这是因为涂层只能弥合一些微观缺陷，但是涂层自身强度较低，对性能的提高作用有限，而热处理过程使得硼酸和氧化硅在氧化锆纤维表面形成光滑的硼硅酸盐玻璃层，这种涂层虽然很薄对氧化锆纤维的拉伸强度影响较大。

实施例3

第一步：2克硼酸，溶解在105克去离子水中，然后添加4克碳酸氢钠、添加水溶性二氧化硅3克，作为增稠剂的羧甲基纤维素钠7克，在转速160转/分钟的机械搅拌下，搅拌13分钟后，制成涂层材料；第二步：将氧化锆纤维浸泡在涂层材料中35分钟，取出后自然风干待用；第三步：将风干后的氧化锆纤维放在高温炉中，炉温为1350℃下放置25分钟后，取出自然冷却到室温；第四步；测试处理前后的氧化锆纤维的拉伸强度。测试结果表明：没有涂覆涂层的氧化锆纤维的拉伸强度为956MPa，涂覆涂层之后但没有热处理，拉伸强度为1150MPa(提高了20％)，热处理后的氧化锆纤维强度为1609MPa(提高了68％)。这是因为涂层只能弥合一些微观缺陷，但是涂层自身强度较低，对性能的提高作用有限，而热处理过程使得硼酸和氧化硅在氧化锆纤维表面形成光滑的硼硅酸盐玻璃层，这种涂层虽然很薄对氧化锆纤维的拉伸强度影响较大。

实施例4

第一步：3克硼酸，溶解在110克去离子水中，然后添加5克碳酸氢钠、添加水溶性二氧化硅7克，作为增稠剂的羧甲基纤维素钠8克，在转速170转/分钟的机械搅拌下，搅拌15分钟后，制成涂层材料；第二步：将氧化锆纤维浸泡在涂层材料中40分钟，取出后自然风干待用；第三步：将风干后的氧化锆纤维放在高温炉中，炉温为1400℃下放置28分钟后，取出自然冷却到室温；第四步；测试处理前后的氧化锆纤维的拉伸强度。测试结果表明：没有涂覆涂层的氧化锆纤维的拉伸强度为956MPa，涂覆涂层之后但没有热处理，拉伸强度为1078MPa(提高了13％)，热处理后的氧化锆纤维强度为1498MPa(提高了57％)。这是因为涂层只能弥合一些微观缺陷，但是涂层自身强度较低，对性能的提高作用有限，而热处理过程使得硼酸和氧化硅在氧化锆纤维表面形成光滑的硼硅酸盐玻璃层，这种涂层虽然很薄对氧化锆纤维的拉伸强度影响较大。

实施例5

第一步：2克硼酸，溶解在118克去离子水中，然后添加8克碳酸氢钠、添加水溶性二氧化硅6克，作为增稠剂的羧甲基纤维素钠9克，在转速180转/分钟的机械搅拌下，搅拌18分钟后，制成涂层材料；第二步：将氧化锆纤维浸泡在涂层材料中50分钟，取出后自然风干待用；第三步：将风干后的氧化锆纤维放在高温炉中，炉温为1420℃下放置35分钟后，取出自然冷却到室温；第四步；测试处理前后的氧化锆纤维的拉伸强度。测试结果表明：没有涂覆涂层的氧化锆纤维的拉伸强度为956MPa，涂覆涂层之后但没有热处理，拉伸强度为1125MPa(提高了18％)，热处理后的氧化锆纤维强度为1545MPa(提高了62％)。这是因为涂层只能弥合一些微观缺陷，但是涂层自身强度较低，对性能的提高作用有限，而热处理过程使得硼酸和氧化硅在氧化锆纤维表面形成光滑的硼硅酸盐玻璃层，这种涂层虽然很薄对氧化锆纤维的拉伸强度影响较大。

实施例6

第一步：4克硼酸，溶解在120克去离子水中，然后添加9克碳酸氢钠、添加水溶性二氧化硅6克，作为增稠剂的羧甲基纤维素钠14克，在转速190转/分钟的机械搅拌下，搅拌10分钟后，制成涂层材料；第二步：将氧化锆纤维浸泡在涂层材料中55分钟，取出后自然风干待用；第三步：将风干后的氧化锆纤维放在高温炉中，炉温为1320℃下放置22分钟后，取出自然冷却到室温；第四步；测试处理前后的氧化锆纤维的拉伸强度。测试结果表明：没有涂覆涂层的氧化锆纤维的拉伸强度为956MPa，涂覆涂层之后但没有热处理，拉伸强度为1123MPa(提高了17％)，热处理后的氧化锆纤维强度为1580MPa(提高了65％)。这是因为涂层只能弥合一些微观缺陷，但是涂层自身强度较低，对性能的提高作用有限，而热处理过程使得硼酸和氧化硅在氧化锆纤维表面形成光滑的硼硅酸盐玻璃层，这种涂层虽然很薄对氧化锆纤维的拉伸强度影响较大。

采用投射电子显微镜，测试涂覆后的纤维横截面，发现纤维表面高温热处理涂层的厚度约为纤维直径的千分之五至百分之一。这种涂层对纤维直径影响非常小，但是对力学性能提高很多，热处理后的纤维拉伸强度提高了57％以上。最为重要的是这种涂层材料及其处理方法简单，易行，便于工业上推广。