[发明专利]一种碳化硅先驱体复合纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳化硅先驱体复合纤维的制备方法。

背景技术

碳化硅是第三代半导体材料，被认为是新一代微电子器件和集成电路的优异的材料。它具有禁带宽度大、工作温度高、热导率高、电子饱和漂移速度大、击穿场强高、本征载流子浓度低、抗辐照能力强、化学稳定性好等特点，是制造高温、高频、耐高压、抗辐照，大功率电子器件的理想材料。碳化硅纤维是近年来受材料界关注的高性能陶瓷纤维，它不仅密度小，比强度大，比模量高，线膨胀系数小，还具有耐高温氧化性能，与金属、陶瓷、聚合物都具有很好的复合相容性，是高性能复合材料的理想增强纤维。同时，其导电率可在较宽范围调节，根据制造条件不同而具有透波性与吸波性，是很有前途的隐身吸波材料。

先驱体转化法是制备碳化硅纤维的重要方法之一，它是以有机聚合物为先驱体，利用其可熔可溶等特性成型后，经高温热分解处理，使之从有机化合物转变为无机陶瓷材料。在利用此方法制备碳化硅纤维的过程中，先驱体纤维的结构和性能直接影响最终的碳化硅纤维的性能，因此先驱体纤维的制备尤为重要。1975年日本Tohoku大学的Seishi Yajima等以二氯二甲基硅烷为原料，先合成了碳化硅的先驱体聚碳硅烷，然后使用熔融纺丝法制备得到了表面形貌良好，直径分布均匀的先驱体纤维；再将此纤维在1000℃的真空条件下进行2小时的煅烧处理，得到了拉伸强度为350Kg／mm²，直径为10-20μm的β-碳化硅纤维(Chem．Lett.[J]，1975，931-934)。先驱体分子量的增大有助于提高碳化硅纤维的热机械性能，我国国防科技大学的彭善勇等通过高压合成得到了平均分子量在4000～12000范围内的聚碳硅烷，采用分子量分布均匀、平均分子量为10000的聚碳硅烷(HM-PCS)进行干法纺丝，得到了表面形貌良好且连续的聚碳硅烷纤维；经过不熔化和高温煅烧处理后，最终的碳化硅纤维氧含量低且耐高温性能极佳(彭善勇，干法纺丝法制备低氧含量碳化硅纤维，国防科技大学，2005)。但该方法获得的先驱体纤维直径较粗(15-50μm)，直接导致碳化硅纤维的直径粗，限制了在很多领域的应用。为了降低先驱体纤维直径，众多研究团队开展了利用静电纺丝方法制备碳化硅先驱体纳米／亚微米纤维的研究：美国加州大学戴维斯分校的Ping Lu等将先驱体聚合物聚脲硅烷分别与聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯混合，再通过静电纺丝制备得到了先驱体初生复合纤维，其直径约为500nm：这种复合纤维在氩气保护下经过1560℃的高温煅烧会除去可热裂解的聚合物，经过无机化和致密化的过程得到了形态各异的碳化硅纳米纤维，纤维的直径约为100nm(J．Mater. Chem．[J]2011，21：1005-1012)。美国Texas大学的HarveyA.Liu等使用同轴静电纺丝技术，以聚苯乙烯溶液为皮层，聚碳硅烷溶液为芯层，制备得到聚苯乙烯／聚碳硅烷皮芯纤维，此纤维在氩气保护下经过1600-1650℃的高温煅烧，去掉了可裂解的皮层聚苯乙烯，得到了直径为1.2nm的β型碳化硅纳米纤维(Mater.Lett.[J]2009,63：2361-2364)。这种方法可以获得直径较小的纳米纤维，但纤维产率低且在溶液配制过程中需要较多的成纤聚合物提高可纺性，这样会造成热处理后纤维存在较多游离碳，这直接影响碳化硅纤维的性能。为了降低碳化硅纤维中的游离碳含量，韩国科学技术研究院的Kim等将碳化硅的非极性溶液、表面活性剂、极性溶剂和一种高温可热裂解的成纤聚合物混合，制备了一种油／水(O／W)乳液，再将此乳液通过静电纺丝得到了包埋乳液胶束粒子的先驱体复合纤维；最终经过不熔化、高温煅烧处理可以得到单晶碳化硅纳米纤维。这种方法使用了少量高温可热裂解的成纤聚合物，有效降低了纤维中的游离碳含量。该方法制得的纤维直径为30nm-1μm，长径比大于10，比表面积大于10m²／g(US Patent 20110274906A1)。该方法的主要缺点是纤维的产率较低。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种利用溶液喷射纺丝方法制备碳化硅先驱体复合纤维的制备方法，该制备方法具有生产效率高、工艺简单、纤维直径分布均匀等优点，适于规模化生产。

一种碳化硅先驱体复合纤维的制备方法，该制备方法包括以下步骤：