[发明专利]一种基于微波诱导等离子体快速获取碳/碳化硅同轴纤维的方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种同轴纤维的快速合成方法领域，具体涉及一种基于微波诱导等离子体快速获取碳/碳化硅(C/SiC)同轴纤维的方法及应用。

背景技术

碳纤维是先进复合材料中增强体的典型代表，鉴于其优异的高温热物理性质，特别是随着使役温度的提高而强度提高的独特性质，使得其在航空航天、核工业等高技术领域的应用具有不可替代性的地位。但碳纤维在高温氧化气氛下，很容易劣化失效，成为困扰碳纤维高温应用的致命限制。为提高碳纤维及其增强复合材料的高温抗氧化应用性能，人们不可不开发出表面保护、基体改性等各种方法，以克服或缓解碳纤维的高温氧化。

碳化硅(SiC)是重要的高温结构和功能陶瓷，与碳纤维具有良好的相容性，且其高温下的氧化产物氧化硅很容易形成连续的玻璃相，对氧化气氛的扩散、渗透具有良好的限制作用，从而保护碳纤维芯体或复合材料。因此，在碳纤维表面形成碳化硅(SiC)保护层，制备和应用碳/碳化硅(C/SiC)同轴纤维，引起了人们的广泛兴趣。至今，人们先后开发出多种方法，在碳纤维表面实现了碳化硅保护层的包覆，获取得到了碳/碳化硅(C/SiC)同轴纤维。如韩国Changwon national university的Jae-Won Kim等(Kim J W,Lee S S,Jung Y G,et al.Synthesis of SiC microtube with villus-like morphology and SiC fiber[J].Journal of Materials Reseauch,2005,20(2):409-416.)，基于气固(VS)机制合成SiC微米管的过程中，实现了C/SiC同轴纳米纤维的获取，将碳纤维的氧化初始温度从500℃以下提高至600℃左右。但本方法得到的C/SiC同轴纳米纤维，SiC保护壳层与碳纤维芯体的界面结合不好，难以实现高温下的深度防护。

我国在碳纤维的表面保护方面也开展了很多工作，如北京航空材料研究院、航天材料及工艺研究所、国防科技大学、湖南大学、山东大学、中国科学院金属研究所等多家单位都开展了积极的研究和应用工作。但在实践应用的同时，也存在着一些不足。如较为常见的聚合物浸渍热裂解法(PIP)，必须先利用昂贵的聚碳硅烷(PCS)树脂包覆碳纤维表面，再进行高温热裂解，将外层的聚碳硅烷(PCS)树脂转化为碳化硅(SiC)保护层。这种方法在热解过程中的组分损失，使得SiC壳层中不可避免地产生较多的孔洞；而热膨胀性质的差异，也会导致SiC壳层与碳纤维芯体之间结合不好，甚至剥离而进一步劣化保护效果。

基于化学气相沉积(CVD)技术是制备薄膜或涂层的常用方法，可获取得到连续致密的碳/碳化硅(C/SiC)同轴纤维。但方法存在反应时间长，工艺要求高等限制。尽管一些改进的方法有助于改善(C/SiC)同轴纤维的结构和应用特性，但过程复杂冗长等不足仍使得上述方法在推广实践方面受到诸多限制。如西北工业大学的李贺军(Hejun Li,Haibo Ouyang,LehuaQi,Yulei Zhang,Zhengjia Li,Jianfeng Wei.Effect of Temperature on the Synthesis of SiC Coating on Carbon Fibers by the Reaction of SiO with the Deposited Pyrolytic Carbon Layer，J.Mater.Sci.Technol.,2010,26(3),211-216.)等在短切聚丙烯腈(PAN)基碳纤维表面实现了SiC的涂层包覆，获取得到的碳/碳化硅(C/SiC)同轴纤维，在改善碳纤维的抗氧化特性取得了较为理想的结果。但该过程复杂，在基于等热化学气相浸渗沉积1h热解碳的基础上，还必须在1400～1600℃高温下连续反应1h，对设备也有一定的依赖性。