การเตรียมเส้นใยต่อเนื่องลูเทเทียมออกไซด์ที่มีความแข็งแรงสูงแบบยืดหยุ่นโดยอาศัยการปั่นแบบแห้ง

ลูทีเซียมออกไซด์เป็นวัสดุทนไฟที่มีแนวโน้มดีเนื่องจากมีความทนทานต่ออุณหภูมิสูง ทนต่อการกัดกร่อน และพลังงานโฟนอนต่ำ นอกจากนี้ เนื่องจากธรรมชาติเป็นเนื้อเดียวกัน ไม่มีการเปลี่ยนเฟสต่ำกว่าจุดหลอมเหลว และความทนทานต่อโครงสร้างสูง จึงมีบทบาทสำคัญในวัสดุตัวเร่งปฏิกิริยา วัสดุแม่เหล็ก แก้วแสง เลเซอร์ อิเล็กทรอนิกส์ การเรืองแสง ความเป็นตัวนำยิ่งยวด และการแผ่รังสีพลังงานสูง การตรวจจับ เมื่อเทียบกับรูปแบบวัสดุแบบดั้งเดิมลูทีเซียมออกไซด์วัสดุไฟเบอร์มีข้อดี เช่น ความยืดหยุ่นสูงเป็นพิเศษ ขีดจำกัดความเสียหายของเลเซอร์ที่สูงขึ้น และแบนด์วิดธ์การส่งข้อมูลที่กว้างขึ้น พวกเขามีแนวโน้มการใช้งานที่กว้างขวางในด้านเลเซอร์พลังงานสูงและวัสดุโครงสร้างที่มีอุณหภูมิสูง แต่เส้นผ่านศูนย์กลางยาวลูทีเซียมออกไซด์เส้นใยที่ได้จากวิธีดั้งเดิมมักจะมีขนาดใหญ่กว่า (>75 μ m) ความยืดหยุ่นค่อนข้างต่ำ และไม่มีรายงานถึงประสิทธิภาพสูงลูทีเซียมออกไซด์เส้นใยต่อเนื่อง ด้วยเหตุนี้ ศาสตราจารย์ Zhu Luyi และคนอื่นๆ จากมหาวิทยาลัยซานตงจึงใช้ลูทีเซียมที่มีโพลีเมอร์อินทรีย์ (PALu) เป็นสารตั้งต้น รวมกับการปั่นแบบแห้งและกระบวนการบำบัดความร้อนที่ตามมา เพื่อเจาะทะลุคอขวดของการเตรียมเส้นใยต่อเนื่องลูเทเซียมออกไซด์ที่มีความแข็งแรงสูงและมีเส้นผ่านศูนย์กลางละเอียดที่มีความยืดหยุ่น และบรรลุการเตรียมการที่ควบคุมได้ของประสิทธิภาพสูงลูทีเซียมออกไซด์เส้นใยต่อเนื่อง

รูปที่ 1 กระบวนการปั่นแห้งแบบต่อเนื่องลูทีเซียมออกไซด์เส้นใย

งานนี้มุ่งเน้นไปที่ความเสียหายทางโครงสร้างของเส้นใยสารตั้งต้นในระหว่างกระบวนการเซรามิก เริ่มต้นจากการควบคุมรูปแบบการสลายตัวของสารตั้งต้น มีการเสนอวิธีการใหม่ในการปรับสภาพไอน้ำโดยใช้แรงดันช่วย ด้วยการปรับอุณหภูมิการปรับสภาพเพื่อกำจัดลิแกนด์อินทรีย์ในรูปของโมเลกุล จะหลีกเลี่ยงความเสียหายต่อโครงสร้างเส้นใยในระหว่างกระบวนการเซรามิกได้อย่างมาก จึงมั่นใจได้ถึงความต่อเนื่องของลูทีเซียมออกไซด์เส้นใย แสดงคุณสมบัติทางกลที่ดีเยี่ยม การวิจัยพบว่าที่อุณหภูมิก่อนการบำบัดที่ต่ำกว่า สารตั้งต้นมีแนวโน้มที่จะเกิดปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสมากขึ้น ทำให้เกิดรอยเหี่ยวย่นที่พื้นผิวบนเส้นใย นำไปสู่การแตกร้าวมากขึ้นบนพื้นผิวของเส้นใยเซรามิกและการบดโดยตรงในระดับมหภาค อุณหภูมิก่อนการบำบัดที่สูงขึ้นจะทำให้สารตั้งต้นตกผลึกเข้าไปโดยตรงลูทีเซียมออกไซด์ทำให้โครงสร้างเส้นใยไม่สม่ำเสมอส่งผลให้เส้นใยมีความเปราะมากขึ้นและมีความยาวสั้นลง หลังจากการบำบัดล่วงหน้าที่อุณหภูมิ 145 ℃ โครงสร้างเส้นใยจะมีความหนาแน่นและพื้นผิวค่อนข้างเรียบ หลังจากการอบชุบด้วยความร้อนที่อุณหภูมิสูง Macroscopic เกือบจะโปร่งใสอย่างต่อเนื่องลูทีเซียมออกไซด์ได้รับไฟเบอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 40 ไมโครเมตรได้สำเร็จ

รูปที่ 2 ภาพถ่ายเชิงแสงและภาพ SEM ของเส้นใยสารตั้งต้นที่ประมวลผลล่วงหน้า อุณหภูมิการปรับสภาพ: (a, d, g) 135 ℃, (b, e, h) 145 ℃, (c, f, i) 155 ℃

รูปที่ 3 ภาพถ่ายออปติคัลของการถ่ายภาพต่อเนื่องลูทีเซียมออกไซด์เส้นใยหลังการบำบัดด้วยเซรามิก อุณหภูมิการปรับสภาพ: (ก) 135 ℃, (ข) 145 ℃

รูปที่ 4: (a) สเปกตรัม XRD, (b) ภาพถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบออปติคัล, (c) เสถียรภาพทางความร้อนและโครงสร้างจุลภาคของความต่อเนื่องลูทีเซียมออกไซด์เส้นใยหลังการรักษาที่อุณหภูมิสูง อุณหภูมิการรักษาความร้อน: (d, g) 1100 ℃, (e, h) 1200 ℃, (f, i) 1300 ℃

นอกจากนี้ งานนี้รายงานเป็นครั้งแรกเกี่ยวกับความต้านทานแรงดึง โมดูลัสยืดหยุ่น ความยืดหยุ่น และความต้านทานต่ออุณหภูมิของค่าต่อเนื่องลูทีเซียมออกไซด์เส้นใย ความต้านทานแรงดึงของเส้นใยเดี่ยวคือ 345.33-373.23 MPa โมดูลัสยืดหยุ่นคือ 27.71-31.55 GPa และรัศมีความโค้งสูงสุดคือ 3.5-4.5 มม. แม้หลังจากการอบชุบด้วยความร้อนที่ 1300 ℃ คุณสมบัติทางกลของเส้นใยก็ไม่ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งพิสูจน์ได้อย่างเต็มที่ว่าความต้านทานต่ออุณหภูมิของเส้นใยต่อเนื่องลูทีเซียมออกไซด์เส้นใยที่เตรียมไว้ในงานนี้ไม่น้อยกว่า 1300 ℃

รูปที่ 5 สมบัติทางกลของความต่อเนื่องลูทีเซียมออกไซด์เส้นใย (a) เส้นโค้งความเค้น-ความเครียด (b) ความต้านทานแรงดึง (c) โมดูลัสยืดหยุ่น (df) รัศมีโค้งสุดท้าย อุณหภูมิการรักษาความร้อน: (d) 1100 ℃, (e) 1200 ℃, (f) 1300 ℃

งานนี้ไม่เพียงแต่ส่งเสริมการประยุกต์ใช้และการพัฒนาเท่านั้นลูทีเซียมออกไซด์ในวัสดุโครงสร้างอุณหภูมิสูง เลเซอร์พลังงานสูง และสาขาอื่นๆ แต่ยังให้แนวคิดใหม่ๆ ในการเตรียมเส้นใยต่อเนื่องออกไซด์ประสิทธิภาพสูง