文章编号:１００１-９７３１(２０１４)１５-１５００１-０８
静电纺丝法制备SiC纳米纤维的研究进展?
罗贤,郭鹏飞,杨延清,金娜,刘帅
(西北工业大学凝固技术国家重点实验室,西安７１００７２)
摘要: SiC纳米纤维具有许多优良的性能,如低的热膨胀系数二高的比表面积二高强度以及高的热稳定性和热导率.静电纺丝法制备SiC纳米纤维被认为是最简单最通用的方法之一,并成功应用到了力学二电学二光学二热学等多个领域.对静电纺丝原理和装置,静电纺丝法SiC纤维的制备和影响因素进行了全面详细的介绍和归纳,并对纤维的二级结构做了简短的介绍,最后对SiC纤维未来的研究方向和应用提出了个人观点.关键词:静电纺丝;纳米纤维;SiC;先驱体
中图分类号: TB３２１文献标识码:A DOI:１０．３９６９/j．issn．１００１-９７３１．２０１４．１５．００１
１引言
一维纳米结构的陶瓷如纤维二线二棒二带二管二环等,在电学二光学二热学二力学等领域具有独特的性能和潜在的应用[１-３].SiC纳米纤维是其中最有前景的高温结构材料之一,已经被应用于纳米复合材料的增强体[４-６]二催化剂的载体[７]二高温过滤器[８-９]等.目前制备SiC纳米纤维的方法主要有sol-g el法[１０]二碳热还原法[１１]二化学气相沉积法[１２]二模板法[１３]二电弧放电法[１４]等.在SiC纳米纤维的众多制备方法中,静电纺丝法因周期短二成本低二易操作等优势已成为最通用的制备方法之一[１５-１６].此外,静电纺丝法能够控制纤维的直径和排布[１７-１８],还可用于制备一些复杂结构的纤维如核-壳型[１９]二中空型[２０]等.然而,像传统的熔融纺丝一样,静电纺丝法制备陶瓷纳米纤维也需要依赖可纺的先驱体,所以一直以来静电纺丝法被局限于制备聚合物纤维,归因于聚合物溶液和熔体制备简单二流变性能好,而金属和陶瓷曾被认为不能直接电纺[２１-２２].近年来,对电纺装置的改进和先驱体溶液的改变使得制备陶瓷纳米纤维已成为可能.从最初通过电纺sol-g el 溶液[２３]制备氧基陶瓷纳米纤维到电纺聚合物先驱体制备无氧陶瓷纳米纤维[２４]已经为制备SiC纳米纤维提供了新的思路.本文对静电纺丝原理和装置进行了较为全面的总结,对静电纺丝法SiC纳米纤维的制备和影响因素做了细致的归纳,并对纤维的二级结构进行了简单的介绍,最后指出了SiC纤维未来可能的研究方向和应用领域.
２静电纺丝原理及装置
２．１基本原理
静电纺丝技术是通过向一定浓度的先驱体溶液/熔体分子引入静电荷,通过电荷的相互排斥以及液体表面张力的平衡作用,使喷头末端的液滴拉伸形成Ta y lor锥[２５],如图１右上角插图所示[２１].
图１静电纺丝技术基本装置示意图２１
Fi g１Schematic drawin g of the electros p innin g a pp a-ratus２１
图１插图分别为带电的泰勒锥示意图[２１],１/２５０s 拍摄的射流不稳定区照片[２６],以及先驱体SiC纤维毯的扫描电镜照片[２７].当引入的电压超过临界电压,静电排斥力会克服液体表面张力,液滴从喷嘴喷出形成射流,射流在电荷排斥力和电场力的作用下被拉成均匀的细丝.如果被拉过程中细丝不断裂而溶剂快速蒸发,细丝直径就会不断减小,从而形成连续纤维[２６].纤维一般是以随机排列的方式堆积在收集器上(如图１左下角插图示[２７]),而且每根纤维的堆积位置并不固定,这是由于电场力和电荷斥力之间相互作用而使射流不断的抖动(如图１右下角插图所示[２６]),因而造成纤维堆积的不稳定,这样的抖动也使得纤维的直径越来越细[２１,２６].引入电荷的电压一般在１５kV以上,正负电荷可单独作为引入电荷,也可同时作为引入电荷.文献[２８-２９]指出,通过引入负电荷可以制备出直径更细的纤维,这可能是因为电子比质子质量更轻,射流从针尖转移到收集器时更快更均匀.Kessick等[３０]采用
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罗贤等:静电纺丝法制备SiC纳米纤维的研究进展
?基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１２０１１３４;５１０７１１２２;５１２７１１４７)
收到初稿日期:２０１３-１２-０４收到修改稿日期:２０１４-０４-２７通讯作者:罗贤,E-mail:luoxian＠nu p u．edu．cn 作者简介:罗贤(１９８０－),男,四川宣汉人,副教授,博士,硕士生导师,主要从事金属基复合材料和SiC纤维制备及性能研究.