[发明专利]一种聚硼硅氮烷纤维的化学气相交联方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚硼硅氮烷纤维的交联方法，尤其是是涉及一种聚硼硅氮烷纤维的化学气相交联方法。

背景技术

硅基氮化物陶瓷纤维是一种综合性能优异的陶瓷纤维，用其制备的陶瓷纤维增强的陶瓷基复合材料在航空、航天等领域中具有重要的应用前景。

硅基氮化物陶瓷纤维的种类很多，主要包括SiBNC陶瓷纤维、SiCN陶瓷纤维、Si₃N₄陶瓷纤维、SiBN陶瓷纤维等。

SiBNC陶瓷纤维得到日益广泛的关注，主要是因为与单纯的SiC和Si₃N₄陶瓷相比，B或BN的引入能够显著提高材料的热性能和机械性能。德国Bayer公司生产的Siboramic纤维—SiBCN陶瓷纤维，因其良好的力学性能、耐高温性能（高达近2200 ℃）而受到广大研究者的关注。Bayer公司基于制备无定型纤维的思路，从含Si-N-B键的聚合物出发还制得了在惰性气氛下1900℃仍能维持无定型态的SiBN₃C纤维，其力学性能及耐热性也俱佳，空气中使用温度可以达到1400℃以上。在高温热结构材料领域具有广泛的应用前景。

Si₃N₄陶瓷纤维具有高强度和较好的高温抗氧化性能，但是其高温稳定性能不如BN纤维，介电性能也有待进一步改善。

SiBN陶瓷纤维是一种新型的耐高温透波陶瓷纤维。基于材料的复合原理， SiBN陶瓷纤维具有Si₃N₄陶瓷纤维和BN陶瓷纤维的优点（BN陶瓷纤维介电常数低，高温稳定性好，但其拉伸强度低，高温抗氧化性能较差）。兼具耐高温、抗氧化、高性能（良好的介电性能、力学性能）的SiBN纤维是耐高温透波纤维的主要方向。SiBN陶瓷纤维不含碳元素和其他会导致电磁损耗的组分与物相，集透波、耐高温、抗氧化、介电性能可调等优点于一身，可取代石英纤维用于耐高温陶瓷基透波复合材料，制备出力学性能优异、耐更高温度、烧蚀率更低、电性能更稳定的透波复合材料，在航空、航天等领域中具有广泛的应用前景。

有机先驱体转化法是以有机聚合物（多为有机金属聚合物）为原料，利用其可溶、可熔等特性实现成型后，经高温热分解处理，使之从有机物转变为无机陶瓷材料的方法。该有机聚合物就称为有机先驱体或陶瓷先驱体（preceramic polymer, precursor）。

有机先驱体转化法制备连续陶瓷纤维具有如下显著特点：（1）可制备连续、直径较小的纤维（<20μm ），纤维的可编织性好，易于编织成为复杂形状的预制件；（2）较低的制备温度（<1250℃）；（3）可对先驱体进行分子设计，控制先驱体的组成，如制备含有异元素的功能性陶瓷纤维等；（4）适合于工业化生产，生产效率高。因此，有机先驱体转化法是制备连续陶瓷纤维较为理想的方法。目前，有机先驱体转化法已成为制备高性能硅基陶瓷纤维的主要方法之一。

聚硼硅氮烷先驱体是制备SiBNC、SiBN陶瓷纤维的关键原材料（参见：孔　杰, 张国彬, 刘　勤. 聚硼硅氮烷陶瓷前驱体分子结构设计和合成. 《化学进展》, 2007, 19(11): 1791-1799；唐云, 王军, 李效东, 等. SiBNC体系中陶瓷先驱体的研究进展. 《高分子材料科学与工程》, 2008, 24(4): 23-27）。

有机先驱体转化法制备连续SiBNC、SiBN陶瓷纤维一般可分为以下四步工序：（1）先驱体合成，即合成以目标陶瓷元素，如Si、B、N、C、H等为主要组分的聚合物－聚硼硅氮烷；（2）纺丝，即将聚硼硅氮烷通过熔融纺丝的方法制备原纤维，即PBSZ原纤维；（3）交联，将热塑性的聚硼硅氮烷纤维通过适当方法转化为热固性的聚硼硅氮烷交联纤维，即PBSZ交联纤维；（4）高温烧成，即高温下使PBSZ交联纤维无机化成SiBNC、SiBN陶瓷纤维。

PBSZ原纤维的交联是SiBNC、SiBN纤维制备的关键技术之一。原纤维成形以后，为避免纤维在无机化过程中熔融失去纤维形状，要使原纤维中的分子形成三维网络结构，这就是原纤维的交联。交联的过程是将热塑性的PBSZ原纤维转变成为热固性的PBSZ交联纤维的过程。从本质上说，是将众多分子量较小的PBSZ分子通过化学反应结合成为分子量较大的体型分子。原纤维经交联后，不再溶解或熔融，可以在无机化过程中保持纤维形状。交联方式和交联过程对SiBNC、SiBN纤维的产率、组成、结构和性能具有重大影响。