一种高强高韧氧化锆纳米纤维的制备方法与流程

本发明属于轻质高强纳米材料制备技术领域，涉及一种高强高韧氧化锆纳米纤维的制备方法。

背景技术：

随着航空航天领域的快速发展，对于新型航空航天材料的要求越来越高。可控制备轻质高强、高韧、耐高温材料，建立相关可控组装的理论，实现宏量制备工艺成为了航空航天材料的关键技术。制备出符合新型航天器需求的材料，以突破相关国际封锁和技术壁垒，满足国防建设和国民经济的重大需求。

目前，航空航天材料研究的重点主要体现在金属材料，高分子材料和无机非金属材料领域。无机非金属材料具有许多优良的性能，如耐高温、高硬度、抗腐蚀，以及优良的介电、压电、光学、电磁性能及其功能转换特性等。无机非金属材料已成为多种结构、信息及功能材料的主要来源，如氧化锆陶瓷纤维等。氧化锆纤维是一种性能优良的陶瓷纤维，在耐高温隔热材料、结构增强材料以及耐化学腐蚀材料等领域具有广泛的应用。然而，作为陶瓷材料氧化锆纤维为脆性材料，且拉伸强度不高，极大限制了其在航空航天等领域的应用。

纳米材料以其独特的小尺寸效应，几乎没有缺陷及位错等特点，在材料强度提升方面具有独特的优势，因此通过纳米化制备高强高韧的氧化锆纤维成为了材料研究领域极大的挑战。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有制备技术的不足，利用超声辅助液相反应法，采用八水氯氧化锆及聚乙烯吡咯烷酮等为原料，提供一种操作简单，可控制备高强高韧氧化锆纳米纤维材料的制备方法。其包括如下步骤：

第一步，室温下配制醇-水溶液(水:乙醇＝1:59-5:55)，搅拌10-30min，得到60-600ml混合均匀的无色透明溶液；

第二步，取6-60ml第一步中得到的溶液，加入0.5-10g聚乙烯吡咯烷酮，在室温下搅拌10min，得到均匀无色透明溶液；

第三步，取10-100mg八水氯氧化锆加入第二步得到的无色透明溶液，超声分散30min，得到白色悬浊溶液；

第四步，将第三步中得到的白色悬浊溶液恒温20-60℃,持续搅拌2-6h，待溶液降为室温，离心洗涤，得到白色凝胶状沉淀；

第五步，将第四步中得到的白色凝胶状沉淀转移入冷冻干燥机中，干燥24-48h，得到白色粉末；

第六步，将第五步中得到的干燥白色粉末转移入马弗炉中，空气环境下，100-700℃煅烧2-4h，得到高强高韧氧化锆纳米纤维材料。

在本发明中，如果没有特别地说明，所采用的溶液都是在常规条件下制备的，比如在室温下将物质溶解在醇-水溶液中制备得到的。

在本发明中，如果没有特别地说明，所采用的装置、仪器、设备、材料、工艺、方法、步骤、制备条件等都是本领域常规采用的或者本领域普通技术人员按照本领域常规采用的技术可以容易地获得的。

在本发明中，可用的表面活性剂是聚乙烯吡咯烷酮，可用的锆源为八水氯氧化锆，但不仅局限于此。

在本发明中，可用的醇-水溶液其比例为水:乙醇＝1:59-5:55，但不仅局限于此。

在本发明中，可用的超声辅助分散技术，但不仅局限于此。

相对于现有氧化锆纤维材料的制备，本发明具有如下优点：

1，本发明制备过程中采用的原料简单易得，成本较低，且对环境没有污染，工艺简单，操作简便；

2，本发明制备得到的纤维材料具有纳米尺度特点；

3，本发明可以实现非晶态氧化锆纳米纤维、晶态氧化锆纳米纤维和纳米晶与非晶比例可控调节的纳米晶增强非晶氧化锆纳米纤维的制备。

附图说明

图1为本发明液相反应示意图；

图2为本发明实施例1-3得到的纳米晶增强非晶氧化锆纳米纤维、非晶态氧化锆纳米纤维和晶态氧化锆纳米纤维的力学测试结果；

图3为本发明实施例1得到的纳米晶增强非晶氧化锆纳米纤维透射电子显微镜低倍和高倍照片及选区电子衍射照片；

图4为本发明实施例2得到的非晶态氧化锆纳米纤维透射电子显微镜低倍和高倍照片及选区电子衍射照片；

图5为本发明实施例3得到的晶态氧化锆纳米纤维透射电子显微镜低倍和高倍照片及选区电子衍射照片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来具体说明高强高韧氧化锆纳米纤维材料的制备方法。但应当理解，这些实施例仅仅用于阐述本发明，而并不以任何方式限制本发明的保护范围。

实施例1

纳米晶增强非晶氧化锆纳米纤维的制备方法

第一步，室温下配制醇-水溶液(水:乙醇＝1:59)，搅拌10-30min，得到60-600ml混合均匀的无色透明溶液；

第二步，取6-60ml第一步中得到的溶液，加入0.7g聚乙烯吡咯烷酮，在室温下搅拌10min，得到均匀无色透明溶液；

第三步，取10-100mg八水氯氧化锆加入第二步得到的无色透明溶液，超声分散30min，得到白色悬浊溶液；

第四步，将第三步中得到的白色悬浊溶液恒温30℃,持续搅拌2-6h，待溶液降为室温，离心洗涤，得到白色凝胶状沉淀；

第五步，将第四步中得到的白色凝胶状沉淀转移入冷冻干燥机中，干燥24-48h，得到白色粉末；

第六步，将第五步中得到的干燥白色粉末转移入马弗炉中，空气环境下，400℃煅烧2h，得到纳米晶增强非晶氧化锆纳米纤维材料(图3)，该纳米晶增强非晶氧化锆纳米纤维材料具有优异的力学性能(图2)。

实施例2

非晶态氧化锆纳米纤维的制备方法

第一步，室温下配制醇-水溶液(水：乙醇＝2:58)，搅拌10-30min，得到60-600ml混合均匀的无色透明溶液；

第二步，取6-60ml第一步中得到的溶液，加入0.5-10g聚乙烯吡咯烷酮，在室温下搅拌10min，得到均匀无色透明溶液；

第三步，取10-100mg八水氯氧化锆加入第二步得到的无色透明溶液，超声分散30min，得到白色悬浊溶液；

第四步，将第三步中得到的白色悬浊溶液恒温20℃,持续搅拌2-6h，待溶液降为室温，离心洗涤，得到白色凝胶状沉淀；

第五步，将第四步中得到的白色凝胶状沉淀转移入冷冻干燥机中，干燥24-48h，得到白色粉末；

第六步，将第五步中得到的干燥白色粉末转移入马弗炉中，空气环境下，300℃煅烧2h，得到非晶态氧化锆纳米纤维材料(图4)，该非晶态氧化锆纳米纤维材料具有优异的力学性能(图2)。

实施例3

晶态氧化锆纳米纤维的制备方法

第一步，室温下配制醇-水溶液(水：乙醇＝3:57)，搅拌10-30min，得到60-600ml混合均匀的无色透明溶液；

第二步，取6-60ml溶液第一步中得到的溶液，加入0.5-10g聚乙烯吡咯烷酮，在室温下搅拌10min，得到均匀无色透明溶液；

第三步，取10-100mg八水氯氧化锆加入第二步得到的无色透明溶液，超声分散30min，得到白色悬浊溶液；

第四步，将第三步中得到的白色悬浊溶液恒温40℃,持续搅拌2-6h，待溶液降为室温，离心洗涤，得到白色凝胶状沉淀；

第五步，将第四步中得到的白色凝胶状沉淀转移入冷冻干燥机中，干燥24-48h，得到白色粉末；

第六步，将第五步中得到的干燥白色粉末转移入马弗炉中，空气环境下，700℃煅烧2h，得到晶态氧化锆纳米纤维材料(图5)，该晶态氧化锆纳米纤维材料具有良好的力学性能(图2)。