[发明专利]一种由PCS纤维制备连续碳化硅纤维的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种由聚碳硅烷(PCS)纤维制备连续碳化硅纤维的方法。

背景技术

碳化硅纤维以其高强度、高模量、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等优异性能而在航空、航天 、核工业、武器装备等高技术领域具有重要的应用价值。工业上，采用有机硅聚合物-聚碳 硅烷(PCS)先驱体转化法已经实现了连续SiC纤维的工业化生产。其典型的制备流程为：以 有机硅聚合物经高温裂解重排缩聚反应得到的聚碳硅烷(Polycarbosilane，记为PCS)作为 先驱体，经过熔融纺丝制得连续PCS纤维，将连续PCS纤维置于空气中进行氧化反应使分子间 交联而成不熔纤维(称为不熔化处理)后，再在高温炉中惰性气氛保护下进行高温烧成，经 过热分解转化与无机化，制得SiC纤维。

碳化硅纤维的制备流程与碳纤维基本相似，后者通过聚丙烯氰(Polyacrylonitrile， PAN)溶液纺丝后得到PAN纤维，经过空气中的稳定化(不熔化)处理及高温碳化制得碳纤维 。在工业上，碳纤维的制备是通过PAN纤维经过若干导辊后连续通过不熔化炉与高温碳化炉 再集束上胶制得的。但是，作为碳化硅纤维的先驱体聚合物的PCS，相比高分子量的PAN，其 分子量低(1500-2000)，因此，经过熔融纺丝后得到的PCS纤维强度极低，触碰后极易脆断 ，不能像PAN纤维那样进行连续不熔化和高温烧成处理来制备连续纤维。即使经过不熔化处 理后，纤维强度略有提高，但经过导轮连续烧成，也会产生不少毛丝、断头，对碳化硅纤维 的性能带来不利的影响。

对于由先驱体PCS热解转化方法制备SiC纤维，已有不少文献报告，但对于连续SiC纤维 的制备技术，尤其是基于PCS纤维特点的连续纤维的制备技术，尚未见有相关文献报道。例 如，日本专利2003089929公开了一种由PCS与少量的聚甲基硅烷PMS共混后熔融纺丝，再经过 氧化性气氛不熔化及惰性气氛中高温烧成制备SiC纤维的方法，日本专利200045130公开了一 种由改性的含-SiH₂-的聚碳硅烷先驱体，经过熔融纺丝、不熔化处理及高温烧成制备SiC纤 维的方法，日本专利1993071017公开了一种PCS纤维在惰性气氛或反应性气氛中电子束辐照 不熔化处理后惰性气氛中高温烧成制备高强度高耐热性SiC纤维的方法，中国专利 02139762.7公开了一种含硼的PCS经过熔融纺丝、不熔化处理及高温烧成制备耐高温多晶 SiC纤维的方法，中国专利200510031149.7公开了一种采用不同形状的喷丝板进行PCS的熔融 纺丝，再经不熔化处理及高温烧成制备异型SiC纤维的方法，中国专利200510031778.x公开 了一种由含铝的PCS出发经熔融纺丝、不熔化处理及高温烧成制备含铝SiC纤维的方法。这些 专利文献或者对先驱体PCS进行改性或引入其它元素，或改变熔融纺丝条件，或改变不熔化 处理方法来制备具有不同特性的SiC纤维，但均未涉及如何由脆弱的PCS(及改性或含有其它 异质元素的PCS)纤维制备连续SiC纤维的连续化技术问题。

发明内容

针对PCS纤维脆弱易受损伤的特点，本发明的目的在于提供一种无损伤地制备连续SiC纤 维的方法。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

研究表明，PCS纤维脆弱的特点，来源于其较低的分子量水平以及非线形的分子结构， 现有制备方法，即使对PCS进行改性或通过反应引入其它异质元素，也并没有大幅度地改变 PCS的分子量与分子结构，因此，原纤维的脆弱问题依然存在。

本发明的要点是，在PCS经过熔融纺丝卷绕上筒后，维持纺成的PCS纤维的形态，将连续 PCS纤维的丝筒进行不熔化处理和中温900-1100℃预烧，使纤维获得一定强度后再退绕，最 后经过集束合股高温1200-1900℃连续终烧，制成连续SiC纤维。具体包括以下步骤：

(1)将PCS置于熔融纺丝装置的熔筒中，在高纯氮气保护下升温加热至300-400℃，待 其全熔成均匀熔体并进行脱泡处理后，在250-350℃，0.1-0.6MPa压力下，以300-600m/min 速度进行熔融纺丝，纺得的连续PCS纤维卷绕在网筒上，得到直径为10-16μm、200-500根/ 束的连续PCS纤维；

熔融纺丝装置的喷丝板孔数可为200-500孔，孔径可为0.1-0.3μm；