使用不同聚合物模板制備的電紡氧化鋁納米纖維的形貌、微觀結構和力學性能的對比研究

DOI:10.1016/j.jallcom.2020.154502

具有優異機械性能的氧化鋁納米纖維是作為復合材料的增強材料的理想選擇。本研究采用靜電紡絲技術與溶膠-凝膠法制備氧化鋁納米纖維。以硝酸鋁和異丙醇鋁為原料制備了氧化鋁前驅體溶膠。研究并比較了以聚乙烯醇、聚乙烯醇縮丁醛和聚乙烯吡咯烷酮為模板劑，經900℃煅燒后制備的納米纖維的形貌、微觀結構和力學性能。這三種纖維樣品均為連續結構且γ-Al2O3相組成相同。但其表面粗糙度、直徑分布、致密程度、晶化溫度、晶粒尺寸、拉伸強度和彈性模量完全不同。從紡絲溶液的均勻性、聚合物的分解行為以及缺陷和晶粒的數量和尺寸等方面討論了產生這些差異的可能機制。這項研究的發現有助于理解一個經常被忽視的概念，即聚合物類別對電紡氧化物納米纖維的結構和性能的重要作用，特別是在要求增強機械性能的情況下。

圖1.不同聚合物模板制備的前驅體納米纖維的SEM圖像和直徑分布直方圖：（a）（b）NFPVA、（c）（d）NFPVB和（e）（f）NFPVP。

圖2.使用不同聚合物模板制備的氧化鋁納米纖維的SEM圖像和直徑分布直方圖：（a）（b）NFPVA、（c）（d）NFPVB和（e）（f）NFPVP。插圖顯示了纖維表面的形態。

圖3.（a）不同聚合物納米纖維和（b）使用不同聚合物模板制備的初紡前驅體納米纖維的TGA-DTG曲線。

圖4.不同聚合物模板制備的前驅體納米纖維的DSC曲線。

圖5.不同聚合物模板制備的氧化鋁納米纖維的XRD圖。

圖6.（a）不同聚合物模板制備的氧化鋁納米纖維的微晶尺寸和（b）晶格參數a、b和c。

圖7.不同聚合物模板制備的電紡氧化鋁納米纖維的TEM圖像：（a）（b）NFPVA、（c）（d）NFPVB和（e）（f）NFPVP。插圖顯示了電子衍射（ED）模式。

圖8.（a）不同聚合物模板制備的氧化鋁納米纖維膜的典型應力-應變曲線和（b）拉伸應力。插圖分別顯示了纖維膜斷裂后和負載下的光學照片。

圖9.（a）典型AFM力曲線和（b）不同聚合物模板制備的單個氧化鋁納米纖維的彈性模量。插圖分別顯示了束結構的三維 AFM圖像和彎曲的納米纖維膜的光學照片。

圖10.電紡（a）PVA、（c）PVB和（e）PVP納米纖維的SEM圖像，以及前驅體（b）NFPVA、（d）NFPVB和（f）NFPVP的形態示意圖。

圖11.使用不同聚合物模板制備的電紡氧化鋁納米纖維的平均直徑收縮百分比。

圖12.使用不同的聚合物模板制備的氧化鋁納米纖維的N2吸附-解吸等溫線。插圖顯示了NFPVA等溫線的放大視圖。

圖13.氧化鋁納米纖維不同結晶度和晶粒尺寸的可能機理：（a）NFPVA、（b）NFPVB和（c）NFPVP。