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添加氧化钛对钇铝石榴石纤维形貌的影响 谭宏斌 （陕西理工学院材料学院 陕西 汉中 723003） 摘要：本文以金属铝粉、氯化铝、冰醋酸、氧化钇为原料，通过溶胶-凝胶法制备了钇铝石榴石纤维。通过在溶胶中引入氧化钛钛，研究其对钇铝石榴石纤维形貌的影响。结果表明，氧化钛可促进钇铝石榴石晶粒生长，含氧化钛的纤维在1400℃烧结6h后，晶粒尺寸达0.5~1μm。 关键词：氧化钛；钇铝石榴石；纤维；形貌 钇铝石榴石(化学式为：Y3A15O12，简写为：YAG，)，立方晶系，为石榴石结构，由铝氧四面体和铝氧八面体共顶组成框架结构；六个铝氧四面体与一个铝氧八面体相连（四个铝氧八面体与一个铝氧四面体相连），组成十二面体空腔，钇离子位于这个空腔中心[1]。YAG晶体密度为4.55g/cm3，熔点为1942℃，具有高温强度高、热导率高、物理和化学性质稳定，对红外和可见光有优良的透光性。 YAG纤维与常见的氧化铝基陶瓷纤维（如高铝纤维（95wt%Al2O3）、莫来石纤维）相对比，其不仅具有氧化铝基纤维的高温强度性能，还是化物陶瓷纤维中，抗高温蠕变性能最好的一种陶瓷纤维（其使用温度与美国3M公司生产的Nextel 720型氧化铝基纤维相比，高50℃）[2]。在1600℃时，YAG纤维还具有优良的抗蠕变性能，用其作为金属镍基复合材料的增强纤维，该复合材料可在1175℃的温度下工作[3]。在陶瓷集体中加入第二相，可改善其物理化学性能。另外，氧化钛常作为陶瓷材料的烧结助剂。本研究通过溶胶－凝胶法制备YAG纤维，研究添加的氧化钛对YAG陶瓷纤维形貌影响的规律。 1实验 将蒸馏水和氯化铝加入到平底烧瓶中，用玻璃棒搅拌，使氯化铝溶解后；接着加入氧化钇，通过加热（80℃）和搅拌，使氧化钇溶解。在得到的混合溶液冷却后，加入醋酸并用玻璃棒搅拌后加入铝粉，接着铝粉在恒温加热（80℃）、冷凝和搅拌条件下反应，得到半透明的YAG前驱体溶胶（YAG前驱体溶胶中的氯化铝与铝粉的比例为1:1，摩尔质量比；A1:Y为5:3，摩尔质量比；加入醋酸的量为Y3+的300mol％，通过在前躯体溶胶中加入氯化钛，在钇铝石榴石纤维中引入氧化钛）。 在水浴中（60℃）将上述制备得到的溶胶进行浓缩，得到可纺的YAG前躯体溶胶。在溶胶中浸入玻璃棒，将玻璃棒向上缓慢提起，拉制出YAG前躯体凝胶纤维，在烘箱（60℃）中对拉制出的凝胶纤维干燥24h后，接着在高温箱式炉中进行煅烧（煅烧时的升温速度为2℃/min）。用丹东方圆仪器有限公司生产的DX-2500型X射线衍射仪检测煅烧纤维的物相，用日本电子株式会社生产的JSM-6390LV型扫描电镜观察纤维的微观形貌。 2 结果与讨论 氯化铝加入水中后，将发生水解，生成盐酸和聚氯氧铝。氧化钇和铝粉分别与盐酸反应，生成氯化钇和氯化铝，其主要反应方程式如下： 2AlCl3 + nH2O → Al2(OH)n?Cl6-n + nHCl (n≤6) (1) Y2O3+ 6HCl → 2YCl3 + 3H2O (2) Al + 3HCl → AlCl3 + 3/2H2↑ (3) 当氯化铝溶于水中后，在pH3的条件下，Al3+以水合离子[Al(H2O)6]3+形式存在，当pH3时，Al3+的氢氧化物[Al(OH)n(H2O)6-n](3-n)+开始生成，n为配为数。在稀的溶液中，单个铝的氢氧化物分子可以存在；当溶液浓度增加时，单个分子间通过桥氧（–O–）和氢键（–OH–）形成M–O–M和M–OH–M链[4]。前躯体溶胶的pH值为3.4，当溶胶被浓缩时，Al–O–Al、Al–OH–Al、Y–O–Y、Y–OH–Y和Al–O–Y等分子结构形成，使溶胶具有可纺性。为提高溶胶的纺丝性能，常在溶胶中加入纺丝助剂，常见的纺丝助剂有聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚乙烯二醇（PEG）和聚乙烯醇（PVA）。本研究在溶胶中加入PVP为纺丝助剂，凝胶纤维的最大长度为25cm。另外，在前躯体溶胶中加入氯化钛（折合成氧化钛含量为5wt%），溶胶的纺丝性能没有变化。 不含氧化钛和含5wt%氧化钛的凝胶纤维，分别在1000℃煅烧2h的XRD图谱示于图1。从图可以得出，纤维的物相均为钇铝石榴石相。在含氧化钛纤维的XRD图谱中，未见氧化钛的衍射峰，主要因为氧化钛的含量较少，XRD不能检测到所致；也可能因为钛离子固溶于钇铝石榴石晶格所致。从图还可以看出，含氧化钛纤维的衍射峰，较不含氧化钛纤维的衍射峰强，主要因为氧化钛促进了纤维晶粒的生长，使纤维的晶粒结晶完整，使衍射峰强度增加。 图1 不同凝胶纤维在