[发明专利]一种制备连续碳化硅纤维的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备连续碳化硅纤维的方法。

背景技术

碳化硅(SiC)纤维作为一种新型陶瓷纤维，与碳纤维和氧化物纤维相比，在耐高温、抗氧化、抗蠕变、抗拉强度以及与陶瓷基体良好相容性方面都表现出一系列优异的性能。连续SiC纤维增韧的陶瓷基复合材料(SiC-CMC)热稳定性好，抗热冲击能力强，在航天、航空、兵器、船舶和核工业等一些高技术领域具有广泛的应用前景，如美、日、法等国在航空、航天发动机耐热部件、可重复使用运载器(RLV)的热防护结构材料系统(TPS)和高超音速运输推进系统中所需的耐高温陶瓷基复合材料中都大量采用了SiC纤维。因此SiC纤维是发展高技术武器装备以及航空、航天事业的关键战略材料之一。

SiC纤维制备方法主要有粉末烧结法(US Patent4908340，1990)、化学气相沉积(CVD)法(US Patent3433725)、先驱体转化法(Chemical Letters，1975：931)、化学气相反应法(CVR)(JP Patent58/91823，1983)。先驱体转化法制备SiC纤维最早在1975年，日本东北大学金属材料研究所Yajima教授的研究小组开创，借鉴了碳纤维的制备经验，发明了先驱体转化法制备SiC纤维。利用聚碳硅烷(Polycarbosllane，PCS)为先驱体，通过熔融纺丝、不熔化处理、高温烧成工艺成功制得了细径连续SiC纤维。自此，先驱体转化法逐渐成为了SiC纤维研究与开发的主流方向，目前也是比较成熟的工业化生产方法。然而无论是各种商品化的纤维以及研发阶段的连续SiC纤维都存在成本和工艺性能上的问题，有效降低成本并保证或提高工艺性能都是当今研究的主要问题。当前连续SiC纤维的研究方向主要集中在几点：1)寻找并合成新型的先驱体，弥补当前通用的先驱体聚碳硅烷纺丝性能的不足，降低不熔化处理的难度；2)采用辐射交联或不饱和气氛交联法改进原丝交联方式，降低含氧量；3)掺入异元素高温烧结除去杂质制备高纯多晶SiC纤维；4)物理共混改性。物理共混改性是获得综合性能优异的高分子材料的一种经济有效的途径，两种或者两种以上聚合物通过物理的方法混合而形成宏观上均匀、连续的固体高分子材料。对于PCS来说，前三种方式研发和制备成本较高，通过物理共混改性则相对成本较低，操作性更高，更有利于加快SiC纤维产业的发展进度。

发明内容

为了降低现有的先驱体法制备SiC纤维工艺的难度，本发明的目的是提供一种制备方法简单、可行的能改进现行制备工艺的方法。

本发明的技术方案是首先通过物理共混的方式，在聚碳硅烷中加入一定量的添加剂，经熔融纺丝获得原丝，再在惰性气体下电子束辐射交联，最后在惰性气体下裂解获得SiC纤维。

本发明的制备连续碳化硅纤维的方法包括以下步骤：

(1)聚碳硅烷、添加剂按一定质量比例置于密炼机中，于190-260℃密炼5-30min后取出；

所述的添加剂为三甲基三乙烯基环三硅氧烷(D₃^V)、四甲基四乙烯基环四硅氧烷(D₄^V)、五甲基五乙烯基环五硅氧烷(D₅^V)、三甲基三乙烯基环三硅氮烷(D₃^NV)中的一种或其中任意几种的混合物；

所述的聚碳硅烷与添加剂的质量比例为1∶0.01～0.6；

(2)将密炼后的前驱体置于熔融纺丝装置中，在纯度为99.999％的氮气保护下加热到220-280℃进行脱泡处理后，在200-260℃，0.2-1.2MPa，以40-200m/min速度进行熔融纺丝，制得直径为10-20μm的原丝；

(3)将步骤(2)所得的原丝置于电子加速装置中，在流动氮气保护下进行辐照交联制得不熔化纤维；

所述的辐照交联条件为：2MGy以下剂量时，剂量率维持在0.3-0.5kGy/s，之后剂量率提高至0.7-0.9kGy/s，直至总剂量为3-12MGy；

(4)将步骤(3)制得的不熔化纤维置于纯度为99.999％的氮气保护的高温炉中，以10-20℃/min的升温速度升温至900-1600℃，并在该温度下活保温0.5-3h，即制得碳化硅纤维。

本发明与现有技术相比具有以下优点：