[发明专利]一种柔性多晶碳化硅微纳米纤维毡的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳化硅纤维毡，尤其是涉及耐超高温、纤维直径为微纳米级的一种柔性多晶碳化硅微纳米纤维毡的制备方法。

背景技术

聚碳硅烷（PCS）先驱体制备的碳化硅（SiC）纤维，无论其纯度如何，在高温下均能形成纯度较高的β-SiC结晶，随着温度的进一步升高，β-SiC微晶长大，造成SiC纤维粉化，严重影响了其高温力学性能。为制备出综合性能优异的SiC纤维，大量研究致力于对SiC先驱体进行物理或化学改性，通过引入异质元素，尤其是含铝、硼、钇、锆、钛、铁等异质元素，抑制高温烧结时SiC晶粒的长大，从而提高纤维的高温性能，得到的耐超高温型SiC纤维。引入异质元素对先驱体进行改性，其优点是不需要对先驱体法制备SiC纤维工艺路线进行很大改进，只需在先驱体中引入少量的异质元素，从而大幅改善SiC纤维的某些性能，如耐温性、电磁性能、致密性、结晶性等。

目前制备含异质元素的碳化硅纤维主要通过熔融纺丝得到先驱体纤维，随后经过不融化处理和高温烧结制备得到含异质元素耐高温碳化硅纤维，烧结温度达到1600℃以上可以得到多晶碳化硅纤维。中国专利CN 1168859C报道，中国人民解放军国防技术科技大学将聚碳硅烷和烧结助剂共混后利用熔融纺丝技术得到先驱体纤维，随后经不融化处理和高温烧结得到耐高温多晶碳化硅纤维。通过该方法制备的多晶碳化硅纤维通常为单丝纤维，直径在10～20μm，大尺寸纤维脆性大柔性差，得到的单丝纤维需集束编织后方可使用，极大地限制了SiC纤维的应用。同时，熔融纺丝过程中纺丝助剂和烧结助剂的引入会影响SiC纤维的纯度和结构，最终影响其综合性能。

静电纺丝技术是一种可以直接连续制备纳米纤维简单而且有效的方法，也是目前最有可能实现大规模制备纳米纤维的有效方法，所得纤维直径一般在几十到几千纳米之间，而由此得到的微纳米纤维具有较大的长径比，且具有纳米材料的小尺寸效应。通过改变纺丝体系、调节工艺参数，可对纤维直径和形貌进行有效控制。杨大祥、孙东飞等人利用该法制备了非晶无定型SiC亚微米纤维，但是该SiC亚微米纤维耐高温性能不超过1000℃，尤其不能在高温空气气氛中使用。

发明内容

本发明的目的在于提供柔性好、耐1600℃以上高温不粉化、纤维直径在1.5μm左右，比强度比模量大、易于裁剪加工、制备方法可控、工艺简单，适宜可连续大规模制备的一种柔性多晶碳化硅微纳米纤维毡的制备方法。

本发明包括以下步骤：

1）将含异质元素聚碳硅烷溶于预先备好的纺丝溶剂中，得到先驱体纺丝溶液；

2）采用静电纺丝机将步骤1）所配制的先驱体纺丝溶液进行静电纺丝，得到先驱体纤维毡；

3）将步骤2）所得到的先驱体纤维毡干燥后，随即进行氧化交联，保温后，在惰性气氛中进行热解和煅烧后，即得柔性多晶碳化硅微纳米纤维毡。

在步骤1）中，所述含异质元素聚碳硅烷可选自含铝、硼、钇、锆、钛、铁等异质元素聚碳硅烷；所述纺丝溶剂可选自甲苯、二甲苯、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、乙醇、丙酮等中的至少一种；所述先驱体纺丝溶液的浓度可为0.5～2.0g/mL。

在步骤2）中，所述静电纺丝机可直接市购，静电纺丝机的输出电压设定为10～25kV，接收距离可为5～20cm，注射流量可为1.0～4.0mL/h，喷头可采用8号金属针头。

在步骤3）中，所述干燥的温度可为50℃；所述氧化交联的温度可为150～200℃；所述保温的时间可为2～3h；所述热解和煅烧的温度可为1600～1800℃。

与现有技术比较，本发明的有益效果如下：

本发明采用静电纺丝技术与先驱体转化法制备陶瓷技术相结合制备的柔性多晶碳化硅微纳米纤维毡，制备工艺简单、纺丝条件温和、所得纤维为多晶纤维、直径小且纤维毡表现出柔性、耐高温性好，易于加工使用，可避免因在高温、酸碱等恶劣条件下出现粉化和腐蚀导致综合性能降低，是恶劣条件下特种增强材料、催化剂载体等优良选材。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的柔性聚铝碳硅烷纤维毡实物图。

图2为本发明实施例1制备的柔性多晶碳化硅微纳米纤维毡实物图。

图3为本发明实施例1制备的柔性多晶碳化硅微纳米纤维毡SEM图。在图3中，标尺为500nm。

图4为本发明实施例1制备的柔性多晶碳化硅微纳米纤维毡XRD图。在图4中，横坐标为衍射角(°)，纵坐标为衍射强度；标记○为β-SiC，●为α-SiC。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图对本发明做进一步说明。