酸处理和热处理对氧化铝/石英复合纤维性能的影响

王化平，梁小平，王家丹，刘 建，任素娥，李冬梅，左 蕊，滑 芬

（1.天津工业大学材料科学与工程学院，天津 300387；2.天津市硅酸盐研究所，天津 300111）

酸处理和热处理对氧化铝/石英复合纤维性能的影响

王化平1，梁小平1，王家丹1，刘 建1，任素娥1，李冬梅1，左 蕊1，滑 芬2

（1.天津工业大学材料科学与工程学院，天津 300387；2.天津市硅酸盐研究所，天津 300111）

以AlCl3·6H2O、金属Al粉、乳酸和H2O为原料，采用溶胶-凝胶法制备勃姆石溶胶，将采用稀硫酸预处理后的石英纤维浸渍在勃姆石溶胶中，取出干燥后进行热处理可制备出氧化铝/石英复合纤维，并研究酸处理和热处理对其性能的影响，研究结果表明：在98℃的6%稀硫酸溶液中浸泡1 h的预处理效果最佳，既能有效除去石英纤维表面的有机浸润剂，又有较高的强度保留率；在250℃热处理后得到的复合纤维性能最好，与石英纤维相比，氧化铝/石英复合纤维的拉伸强度提高1.5倍，耐碱蚀性提高3倍左右.

表面预处理；氧化铝涂层；石英纤维；热处理；拉伸强度；耐碱蚀性；复合纤维

石英纤维是一种高性能无机纤维，由于其优异的力学性能而广泛应用于航空航天、医学等各个领域[1-4].但石英纤维的力学性能等会因为高温热损伤而下降，因此限制了它的应用[2-4].生产中加入的有机浸润剂可保持纤维集束性，但是由于石英纤维一般是在高温下使用，表面浸润剂会发生碳化，游离碳及界面析晶更会影响复合材料的高温界面性能，无法满足实际的生产要求.因此，在石英纤维表面涂层成为可以解决这一问题的方法之一，该方法可以很好地改善材料之间的界面析晶现象.目前主要研究的涂层有氧化铝、氧化硅和氧化钛等[5-8].本实验采用溶胶-凝胶法，采用AlCl3、Al粉制备氧化铝溶胶，用浸渍法将氧化铝溶胶涂覆在处理后的石英纤维上，制备氧化铝/石英复合纤维；主要研究石英纤维的预处理条件、热处理温度等因素对复合纤维性能的影响，并对其耐蚀性进行了探索.

1 实验部分

1.1 实验原料及仪器

原料：六水合氯化铝，天津市科密欧化学试剂有限公司产品；铝粉，天津市风船化学试剂科技有限公司产品；乳酸，天津市化学试剂三厂产品；石英纤维，天津市硅酸盐研究所产品；去离子水，天津市膜天膜技术有限公司产品.

仪器：电热式恒温水浴锅，天津欧诺仪器仪表有限公司产品；节能箱式电炉，天津市中环实验电炉有限公司产品；旋转粘度计，上海天平仪器厂产品；分析天平，上海精密科学仪器有限公司产品.

1.2 石英纤维的表面预处理

采用酸蚀预处理工艺对纤维表面进行处理.首先取一定量的石英纤维分别放入2%、4%、6%和8%的稀硫酸溶液中，98℃恒温1 h，冷却后，取出纤维，用去离子水清洗至呈中性，80℃烘干，自然冷却至室温，待用.

1.3 勃姆石溶胶的制备及其在石英纤维表面的涂覆

按一定摩尔比称取一定量的结晶氧化铝和铝粉，将结晶氯化铝溶于去离子水中进行水解，然后加铝粉调节盐基度.100℃恒温水浴中回流至少10 h，待形成胶体母液后，过滤并加入乳酸搅拌均匀后进行恒温水浴10 h后得到溶胶.

采用浸渍涂覆法，将经过表面处理的石英纤维浸入到所制得的勃姆石溶胶中，静置一定时间，使溶胶与纤维充分接触，然后取出石英纤维放入80℃烘箱干燥.在250~450℃考察热处理温度对复合纤维拉伸强度的影响.

1.4 测试与表征

1.4.1 测试

采用莱州市电子仪器有限公司Model LLY-06型电子纤维强力仪对石英纤维及复合纤维进行拉伸测试，分析实验过程中纤维强度的变化.

将原纤维及氧化铝/石英复合纤维分别用1 mol/ L、2 mol/L的NaOH溶液进行碱腐蚀试验.将其置于碱溶液中，静置4 h后取出干燥，测试其耐蚀性.

1.4.2 表征

采用日本日立公司Hitachi S-4800型扫描电镜对涂覆氧化铝涂层前后石英纤维的表面微观形貌进行观察.

2 结果与讨论

2.1 酸蚀预处理对石英纤维性能的影响

图1为不同酸蚀预处理条件下石英纤维直径、失重和拉伸强度的变化曲线图.

图1 酸蚀预处理条件下硫酸浓度对纤维直径、失重和拉伸强度的影响Fig.1 Effect of acid pretreatment on diameter，weightlessness and tensile strength of quartz fiber

由图1可见，随硫酸浓度的升高，石英纤维单丝直径呈降低趋势，在硫酸质量分数为2%～6%范围内，直径保留率变化较大；硫酸质量分数继续升高至8%，直径保留率几乎不再发生变化.硫酸质量分数在2%～6%范围内，失重百分率由2.55%增大到3.95%，硫酸质量分数继续升高至8%，失重百分率几乎不再发生变化.这都表明硫酸浓度为6%时，石英纤维表面的浸润剂已被完全去除.

由图1还可以看出，石英纤维的拉伸强度随着硫酸浓度的增加有所下降.硫酸质量分数为在2%～8%范围内，纤维强度保留率由78.16%降低到40.28%；硫酸质量分数为6%时，强度保留率为53.63%.这是因为经过表面处理，石英纤维表面的有机层被除去，纤维表面的缺陷如微裂纹等暴露出来，这些缺陷易形成应力集中点，从而降低了石英纤维的拉伸强度.由此可知，当硫酸质量分数为6%时，既能有效除去石英纤维表面的有机浸润剂，又有较高的强度保留率.

2.2 热处理温度对复合纤维性能的影响

图2所示为石英纤维及不同热处理温度下的氧化铝/石英复合纤维的拉伸强度.

由图2可知，涂覆氧化铝涂层后，纤维的强度均有所提高；250℃热处理下，复合纤维的拉伸强度最高，是石英纤维的1.5倍.

图2 热处理温度对复合纤维强度的影响Fig.2 Effect of heat treatment temperature on strength of composite fiber

图3所示为不同热处理温度下氧化铝/石英复合纤维的SEM照片.

图3 不同热处理温度下的氧化铝/石英复合纤维的SEM照片Fig.3 SEM micrograph of composite fibers on different heat-treatment temperatures

由图3可看出，450℃热处理后，氧化铝涂层脱落最严重，几乎全部脱落.350℃热处理后，氧化铝涂层脱落也较严重，涂层裂纹较多.而250℃热处理后，氧化铝涂层均匀致密，没有发生脱落和裂纹现象.

2.3 复合纤维耐碱蚀性能的研究

图4所示为碱浓度对石英纤维及复合纤维拉伸强度的影响.

由图4可以看出，随着碱浓度的增大，石英纤维的拉伸强度逐渐减小，说明碱的浓度越大，对纤维的腐蚀作用越强，导致纤维的力学强度降低越多；涂覆后的复合纤维的拉伸强度随碱浓度的增大，其强度下降幅度较小，说明氧化铝涂层对石英纤维起到了保护作用，降低了碱对其的腐蚀作用，耐碱蚀性提高3倍左右.

图5为石英纤维和复合纤维碱蚀前后的SEM图.

图4 碱浓度对石英纤维及复合纤维拉伸强度的影响Fig.4 Effect of alkali concentration on tensile strength of fibers

图5 石英纤维和复合纤维碱蚀前后的SEM照片Fig.5 SEM micrograph of fibers before and after alkali treatment

由图5可知，石英原纤维表面致密光滑，而碱蚀后，纤维表面出现许多大的凹洞.这是因为石英纤维表面均匀地涂敷有一层硅烷类有机涂层浸润剂，碱蚀后，有机浸润剂被碱蚀掉，导致纤维表面被碱继续腐蚀而形成许多凹洞.由图5（b）还可看出纤维直径变化很大.从图5（c）中可以看出，复合纤维表面均匀地涂覆上了一层氧化铝涂层，碱蚀后，纤维表面也出现了一些均匀的凹坑，纤维直径变化不大.这是由于氧化铝涂层具有很强的耐碱腐蚀性，碱蚀只是在涂层表面形成了一些凹洞，对纤维本身并未造成损伤，故纤维直径变化不大.

3 结论

（1）采用酸蚀（2%～8%硫酸）对石英纤维进行了预处理，在98℃温度条件下6%稀硫酸浸泡1 h的石英纤维的预处理效果最好.

（2）将6%硫酸酸蚀处理的石英纤维浸渍在勃姆石溶胶中，取出干燥热处理可制备出氧化铝/石英复合纤维.研究发现250℃热处理后得到的复合纤维性能最好，拉伸强度提高约1.5倍.

（3）在不同浓度的NaOH溶液中进行耐蚀实验，氧化铝/石英复合纤维的耐碱蚀性优于石英纤维，即氧化铝涂层可提高石英纤维的耐碱腐蚀性.

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Effect of pretreatment and heat-treatment on properties of alumina-silica composite fibers

WANG Hua-ping1，LIANG Xiao-ping1，WANG Jia-dan1，LIU Jian1，REN Su-e1，LI Dong-mei1，ZUO Rui1，HUA Fen2
（1.School of Materials Science and Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.Tianjin Institute of Silicate，Tianjin 300111，China）

Boehmite sol was prepared by sol-gel method with AlCl3·6H2O,Al powder and H2O as raw materials.The Boehmite sol was coated on the quartz fiber pretreated with dilute sulfuric acid by impregnation method,then dried and heated,finally alumina-silica composite fibers were obtained,and the effect of pretreatment and heattreatment on its properties was studied.The results show that the best pretreatment conditions is to immerse the quartz fiber in 6%dilute sulfuric acid for 1 h at 98°C,which can effectively remove the organic wetting agent on the silica fiber surface and keep higher strength.At 250°C heat treatment temperature,the properties of alumina-silica composite fiber are the best.Compared with the quartz fiber,the tensile strength of the composite fiber is increased by about 1.5 times,and alkali corrosion resistance is increased by about 3 times.

surface pretreatment；alumina coating；quartz fiber；heat-treatment；tensile strength；alkali corrosion resistance；composite fibers

TQ343.3

：A

：1671-024X（2013）01-0010-04

2012-09-21

国家自然科学基金项目（21076156）

王化平（1986—），女，硕士研究生.

梁小平（1970—），女，教授，硕士生导师.E-mail:tjpulxp@tjpu.edu.cn