[发明专利]一种含铍纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型含铍陶瓷纤维的制备方法，属于功能材料领域。

背景技术

为满足复合材料的高性能化、多功能化、小型化、轻量化、智能化及低 成本的发展需要，推动了功能-结构于一体各种新型复合材料增强体的开发和 应用。复合材料用增强体的品种很多，其中已广泛应用的增强纤维的品种有： 氧化铝纤维、碳纤维(CF)、碳化硅系列纤维、氮化硼等特种玻璃纤维等无机 纤维，还有芳酰胺纤维、聚苯并噁唑纤维、超高分子量聚乙烯纤维等有机纤 维。进入上世纪90年代，在美、欧、日一些公司出现了开发新一代特种纤维 的高潮。

纤维增强陶瓷基复合材料(Fiber-Reinforced Ceramic Matrix Composites)不仅保留了陶瓷基体的优点，而且大幅度提体陶瓷的韧性，被看 作是未来先进结构陶瓷材料的首选材料。增强纤维的制备方法有很多种，化 学气相沉积法(Chemical Vapor Deposied，CVD)和先驱体转化法(Perceramic Polymer Pyrolysis)、溶液纺丝法、熔喷法、基体纤维浸渍溶液法等。

先驱体转化法制备陶瓷材料，首先合成适合的先驱体。对于先驱体的研究 是在1975年Yajima用聚碳硅烷PCS作为先驱体制备出SiC纤维并迅速实现工业 化后才日益引起重视。目前性能较好、比较实用的PCS、聚硅氮烷、聚硅氧烷 等几种陶瓷先驱体大都有如下结构：(1)主链是-Si-M-Si-结构(M是C、O、 N等元素)。若主链偏离热解产物结构，在裂解过程中一定会经历重排生成 -Si-M-Si-结构，而重排反应会伴随大量气体逸出，导致陶瓷产率较低；(2) 支链上的非活性基团一般是较短的碳链基团，因为大部分非活性基团在裂解 过程中会被脱除，仅有一小部分能进入到主链并保留下来。如果基团太长，裂 解时会有较大失重，陶瓷产率降低；(3)支链上的活性基团主要是Si-H、N-H、 C＝C或C≡C，它们可通过多种方式交联固化。因为Si-H较活泼，所以Si-H数量不 宜过多，否则先驱体稳定性降低。通过分子设计在先驱体中引入特定元素，可 提高裂解产物的性能或者赋于它新的性能。烷氧基钛与PCS反应可得含钛PCS。 由于Ti在高温下可阻止β-SiC晶粒长大，因而可明显提高SiC纤维的高温强 度。德国(BaldusP，JansenM，SpornD.Science.1999，285：699)最近研究 出一系列含硼的陶瓷先驱体，并用其中之一制备出室温强度4.0GPa，1500℃空 气中处理50小时后强度保留率达80％的Si-B-C-N纤维。日本(IshikawaT， KohtokuY，KumagawaK，et al.Nature.1998，391：773)开发出一种含Al的PCS， 通过它制得的含铝SiC纤维在空气中耐氧化温度超过1450℃，在惰性气氛中的 热稳定性超过2000℃。李永明(李永明，任长玉，徐彩虹，等.有机硅材. 2000，14(4)：15)等人合成了可作为磁性陶瓷先驱体的含Fe聚硅氮烷，为磁性 薄膜和梯度功能陶瓷的制备开辟了新途径。此外，通过分子设计还可合成出常 规方法难以制备的新型陶瓷的先驱体，如聚硼氮烷、聚铝氮烷等。针对CFRCMCs 制备工艺要求，在对先驱体进行改性或者合成新型先驱体的同时，还需考虑其 工艺性、路线的经济性。因此，陶瓷先驱体发展的总体趋势是：采用分子设计 和结构优化方法，在保证良好工艺性能的前提下，通过简单路线合成出廉价、 稳定、陶瓷产率高、热解产物性能优异的先驱体。

发明内容

本发明提出了一种含Be陶瓷纤维的制备方法，通过含铍先驱体的合成， 熔融纺丝或甩丝法或熔喷法、不熔化处理、高温处理，以制备高电阻，高热 导率、高熔点、高强度、高的化学和热稳定性、低介电常数、低介质损耗的 纤维增强体。

实现上述目的的技术方案是：含铍纤维的制备方法，包括下列各步骤：

(1)先驱体的合成

将含铍化合物与有机聚合物或含铍化合物在反应釜中共溶于有机溶剂或 蒸馏水中，在氮气的保护下加热至60～600℃反应，并在最终的温度下保持 1-20小时，粗产物经有机溶剂或蒸馏水溶解后过滤，再加热至50-400℃进行 减压蒸馏除去溶剂和少量低分子物质，获得含铍先驱体；铍粉与一种或两种 以上的含铍化合物按一定的比例于溶于蒸馏水或有机溶剂中，于25-100℃搅 拌1-5小时待完全溶解后过滤，在80-200℃加热浓缩得到含铍先驱体。