新型超高温隔热材料氧化镁晶体纤维的制备和机理研究

The preparation and application of the special crystal fibers are one of the most important development directions of the modern material science and technology. Magnesium oxide is an ultra-high temperature metal oxide whose melting point (2850℃) is only somewhat lower than that of thorium oxide (melting point 3300℃， radioactive pollution). Compared with zirconia (melting point 2715℃)fiber which possesses the best ultra-high thermal insulation performance at present, magnesium oxide fiber has quite a few advantages, such as a higher melting, a lower density and no phase transition with the change of temperature and the like. It is a novel crystal fiber which can be used at an ultra-high temperature with the existence of oxygen. However, the preparation of magnesium oxide fiber is much more difficult than that of zirconia fiber. Till now, no required magnesium oxide fiber for factual application can be found. The applicant has been carrying out other new high-temperature crystal fibers actively as possessing a number of national invention patents of zirconia fiber and part of them successful achieving the industrialization. Magnesium fiber samples have been prepared by the use of centrifugal spinning technologies recently. Based on the experimental results, we will carry out some basical questions of science, including investigation on the molecular design and optimization, polymerization and dissociation of the precursor, and the formation mechanism of magnesium oxide fiber. Magnesium oxide fibers will be prepared by using centrifugal spinning and electrospinning methods, respectively. At the same time, the important performance such as thermal-physics, mechanics and mechanical behavior will be also studied during the research project. All the work can establish a solid foundation for the factual applications of magnesium oxide crystal fibers.

特种晶体纤维的研制与应用是现代材料科学与技术重要发展方向之一。氧化镁 熔点2850℃）是熔点仅次于氧化钍（3300℃，有放射性污染）的高温金属氧化物。与目前超高温隔热性能最好的氧化锆（熔点2715℃）纤维相比，氧化镁纤维具有更高的熔点、更小的密度和随温度变化无相变等优点，是继氧化锆纤维之后又一种能够在超高温有氧环境下使用的新型晶体纤维，但氧化镁纤维的制备远较氧化锆纤维困难，至今未见满足应用需求的样品。本申请人就其所在的课题组在氧化锆纤维获得多项国家发明专利并部分实现产业化的同时，积极开展其它新型高温氧化物晶体纤维的研究，采用离心甩丝技术已初步制备出了氧化镁纤维样品。本项申请将在此基础上，研究其前驱体的分子设计和优化、聚合和解析和氧化镁纤维形成机理等基础科学问题，采用离心甩丝和静电纺丝两种方法研制氧化镁晶体纤维，并开展其相关热物理、力学和机械性能的研究,为氧化镁晶体纤维的应用研究奠定基础。

高温氧化物晶体纤维具有高熔点、高硬度、抗氧化、耐腐蚀，优良的力、热、光、电性能，在航空航天，军事等尖端技术和工业领域具有重要应用价值。氧化镁 (熔点2850℃) 是熔点仅次于氧化钍 (3300℃，有放射性污染) 的超高温金属氧化物。目前广泛应用的高温隔热纤维有氧化锆、氧化铝、莫来石、石英纤维等，但这些纤维基质的熔点均低于氧化镁的熔点，氧化锆的熔点为2715℃，但纯氧化锆在高温时会发生相变：在1170 °C和2370°C分别有单斜到四方和四方到立方的相变。需加入适量的相稳定剂 (氧化镁、氧化钙、氧化钇和氧化铈等)，才能够获得超高温下晶相稳定的氧化锆纤维。氧化镁的相对分子量为40.3，密度为3.58g/cm³，以氧化镁为基质的纤维具有质量更轻、密度更小、熔点更高和晶相唯一的优点，是继氧化锆纤维之后又一种新型超高温隔热纤维。. 在四年的工作中，主要就一种采用配体解析技术制备氧化镁纤维的方法、一种可纺性氧化镁纤维前驱体溶胶及其制备方法与应用和超高温氧化镁纤维制品及其制备方法开展相关研究工作。在研制氧化镁晶体纤维的探索中，自主研发了一条利用聚镁前驱体制备高质量氧化镁晶体纤维的技术路线：首先合成具有类线性结构的聚镁前驱体，经干法纺丝，得到聚镁前驱体纤维，探索中高温热处理技术，最终形成氧化镁晶体纤维。分别采用离心甩丝和静电纺丝技术得到了氧化镁晶体纤维，优化了氧化镁纤维的制备技术，开展了超高温处理氧化镁纤维制品 (包括纤维板和异型件) 的制作，研究了纤维的热物理和力学性能，并就氧化镁纤维形成机理进行了相关基础研究。在氧化镁纤维研制成功的基础上又制备出了三种新型超高温隔热纤维材料：锆酸钙、锆酸钡和锆酸镧纤维以及两种多功能纤维材料：氧化镍和四氧化三钴纤维。