纳米结构氧化铝陶瓷纤维具有良好的耐高温，耐磨性和抗氧化性能，同时还具有热导率低，热膨胀系数小，抗热震性能好以及高模量，高塑性，高韧性，高强度，高电绝缘性和高介电常数等突出优点，因而可广泛应用于绝热材料，纤维防护，增强材料等方面。此外，与其它高性能无机纤维相比，纳米结构氧化铝陶瓷纤维原料成本较低，且生产工艺简单，具有较高性价比和很大的商业价值。
溶胶一凝胶法是目前制备氧化铝纤维的一种新方法，通常是以铝的醇盐或无机盐为原料，同时加入其他有机酸络合剂，溶于醇，水中得到混合均匀的溶液，经醇解，水解和聚合反应得到均匀的溶胶，溶胶经浓缩达到一定牯度后进行纺丝，凝胶素丝经干燥后得到前驱体凝胶纤维，较后经热处理即得到氧化铝纤维。 溶胶一凝胶法的优点是：在较低温度下可制备连续、均匀、直径细小、长径比大的氧化铝纤维，纤维的致密性和均匀性较好，有较大的各向异性以及特定的强度和优良的柔韧性，制品纯度高，性能稳定，而且工艺简单，可设计性强，产品多样化，是一种很有发展前途的制备氧化铝纤维的方法。本文对以乳酸和硝酸铝为原料溶胶一凝胶法制备纳米结构氧化铝陶瓷纤维的工艺过程及产物特性进行了初步研究。
实验
反应机理
乳酸赞子中，由于羧基的存在，故可和许多金属离子在水溶液中生成络合物。乳酸与铝离子在水溶液中发生络合反应，生成稳定的氧化铝纤维溶胶前驱体，其主要反应式是：
3CH3CH(OH)COOH+ Al(N03)3一 Al[CH3CH(OH)C00]3 +3HN03 (1)
纤维制备过程
以硝酸铝[Al(N03)，分析纯，纯度大于99.0%]为铝源，乳酸[ CH3CH(OH)COOH，分析纯，85% - 90%]为络合剂，按一定摩尔比于水溶液中混合均匀，室温磁搅拌6-8h后，置于旋转蒸发器中80℃下恒温真空脱水得到湿凝胶，干燥到一定粘度后用玻璃棒进行拉丝得凝胶素丝，然后素丝经60 - 80℃干燥得前驱体纤维，较后前驱体凝胶纤维在1200℃下热处理即得到 目标产物纳米结构氧化铝(a-Al2O3)纤维。
性能表征
将前驱体干凝胶粉体均匀分散于KBr中，压制成薄片，利用美国Nicolet公司的NEXU670傅立叶红外光谱仪(vrIR)研究乳酸铝的形成；利用德国耐弛公司的 hrFIZSCH4差示扫描量热分析仪(DSC)对乳酸铝干凝胶进行热分解过程研究。用日本理学D/max - RaX射线衍射仅(XRD，CuKal，X=1.54，石墨单色器，管流100 mA，管压50kV；扫描速度4℃/min，步宽O.O1o/min)分析凝胶前驱体及热处理产物的物相组成；采用日本JEOL公司的JXA-840A扫描电镜(SEM)对氧化铝纤 维形貌进行观察。
结果和分析
凝胶的可纺性
原料的选择及配比是影响凝胶可纺性的重要因素。本实验曾分别探索以柠檬酸、乳酸、油酸为络合剂，硝酸铝为铝源制备凝胶前驱体纤维，发现在本水溶 液体系中油酸和硝酸铝不能形成溶胶，因为它们不能生成高分子络合物；而后两者由于羟基(-OH)之间缩 水能够以化学键方式结合成高分子络合物，故均能形 成一定粘度的凝胶，但只有以乳酸为络合剂时所形成的胶体有较好的可纺性。其原因可能是：凝胶的可纺性本质在于凝胶中络合物高分子的结构，随着聚合反 应的进行，依条件不同，溶胶中可能形成线形聚合物，也可形成空间三维网络结构聚合物，一般只有当溶液中形成线形聚合物时，凝胶才具有可纺性，才有可能拉 制成纤维。
乳酸与硝酸铝不同配比对凝胶可纺性的影响如表l所示。由表可知，当乳酸与硝酸铝摩尔比（Ra）在2-4之内所得凝胶均具有可纺性，但在Ra=3.05时成丝性较好。这说明乳酸量不可过低或过高，接近方程式(1)理论摩尔比是较好选择，这与文献资料[8-9]报 道在此配比下可合成较稳定乳酸铝的结论相一致。
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凝胶前驱体FTIR和XRD分析
图1是氧化铝纤维前驱体的F-rIR曲线，可以看出干凝胶在1607 cm-l和1384cm-l处分别出现了coo-反对称和对称收缩振动吸收峰，这正是羧酸盐的特征吸收峰。而且，乳酸在l700-1760cm-l处的羰基特征吸收峰向低渡数移动，这说明乳酸已与铝离子结合形成羧酸盐存在此凝胶中。
图2是乳酸与铝离子摩尔比为3.05:1时纤维前 驱体及经1200℃焙烧后的XRD图谱。由前驱体(Pre ausor) XRD曲线看出，纤维前驱体是一种无定形体结构，没有出现硝酸铝的衍射峰，进一步证明了A13+已与乳酸发生反应。
热分解过程
图3是氧化铝纤维前驱体(乳酸与铝摩尔比为3.05:1)的DSC曲线。可见，凝胶的热分解过程从50- 450℃之间显示出一系列的吸热峰，可以认为热分解反应过程大致可分为5025个阶段：①从50 - 200℃主 要是干凝胶脱水及硝酸根分解。②200 - 330℃主要是乳酸铝的裂解及裂解产物碳的氧化。因为碳的氧化为放热反应，部分地弥补了乳酸铝的裂解反应所吸收的热量，故此处吸热峰强度降低。③330 - 450℃有较大吸收热，这主要是乳酸铝裂解中间产物的分解形成 氧化铝造成。④450℃以后无进一步的热效应，说明此时样品已经完全转化为氧化铝，分解反应基本结束。
纤维热处理工艺
烧结制度对纳米结构氧化铝陶瓷纤维的理化性能和结构影响很大，并决定较终的晶相组成1131，所以制 定出合理的热处理制度是很关键的。在热处理之前先 要将凝胶素丝干燥，在此过程水蒸气及Nq等气体物 质缓慢逸出，避免前驱体凝胶纤维在热处理时被气体 胀裂。然后将前驱体凝胶纤维人硅钼棒高温电炉中 进行热处理。先升温到300℃，再以10℃/min。升温到 700℃，然后以50C/min升温到l 200℃，保温30 min. 较后自然冷却到室温，此时，由图2 XRD曲线看出Alzq已全部变成n相。同时，实验发现，升温速率过 快会导致氧化铝纤维断裂，在l 200℃保温时间过长 或温度过高会使晶粒生长过大，影响纤维的性能。
氧化铝纤雏形貌观察
图4是氧化铝前驱体纤维经1200℃热处理30min后获得的氧化铝陶瓷纤维的SEM照片。由图4 (a)、(b)可观察到纳米结构氧化铝陶瓷纤维经1200℃烧结后表面平滑，致密性较好，长径比较大，而且直径200nm以下成丝性仍然很好，这充分说明采用溶胶．凝胶法可以制备均匀、致密的亚微米级氧化铝纤维。但由图4(c)观察到，部分纤维存在一些缺陷，如：结点、 断裂、牯结、直径不均匀。产生这些缺陷的主要原因 是：当拉丝过程中出现溶胶相对湿度过大或拉丝速率不均时，在表面张力作用下，趋向于较小表面积收缩， 纤维在此点处形成如图4(c)中球状结点甚至相互牯结成块状；由于纺丝枯度太小或凝胶纤维干燥不当，产 生了如图4(c)中纤维收缩、牯结、断裂和直径不均匀 等；拉丝过程中存在吹喷力或重力不平衡缘故导致了纤维产生弯曲和变形；由于升温速率过快，使纤维剧烈放出气体并导致收缩不均匀或过快，从而有可能使纤 维产生断裂和空心。因此，合理控翻纺丝凝胶的粘度、 拉丝速度、干燥温度以及热处理工艺等对制备均匀、致 密的纳米结构氧化铝陶瓷纤维非常重要。
结 论
1)溶胶-凝胶法制备纳米结构氧化铝纤维的初步优化工艺条件是乳酸和硝酸铝摩尔比为3.05：1，此时凝胶的可纺性较好。
2)凝胶纤维的前期干燥、热处理温度及升温速率对纤维致密性、性质和相转变有重要影响，因而热处理时升温速率要缓慢，经1200℃保温30min。即得到a-Al2O3。
3)采用乳酸盐凝胶法成功制备了直径较均匀、致密性好的很细（直径）纳米结构氧化铝陶瓷纤维，纤维直径可在1um以下，组成此纤维的晶粒小于100nm。 这种纤维在绝热材料，纤维防护，增强材料等方面有较好的应用前景。
本文摘自于《矿冶工程》报刊，作者：王涛平 景茂祥等人；作者单位：《江苏大学材料学院与工程学院》