[发明专利]一种碳化硅纳米纤维的制备方法

说明书

本发明涉及一种碳化硅纳米纤维的制备方法，其包括如下步骤：S1：将聚硅烷溶解于N,N‑二甲基甲酰胺/1,4‑二氧六环/四氢呋喃的三元混合溶剂中，得到聚硅烷溶液；S2：将所述聚硅烷溶液在‑50～‑10℃下淬火60～120min后，用乙醇进行四次萃取后，冷冻干燥24h，得到第一前驱体；S3：在氦气的保护下，将所述第一前驱体用电子束、以200～800KGy的辐射剂量进行辐照交联后，保持在氦气中，于120℃下进行退火处理1h，得到第二前驱体；S4：将所述第二前驱体依次进行稳定化处理和高温烧结后，得到所述碳化硅纳米纤维。本发明在三元溶剂中利用热致相分离法制备聚碳硅烷前驱体纳米纤维，后经过辐射交联、稳定化和高温烧结得到碳化硅纳米纤维，工艺简单、适合于大量工业化制备。

技术领域

本发明涉及一种碳化硅纳米纤维的制备方法，属于增强材料技术领域。

背景技术

碳化硅的耐热性和耐氧化性均优于碳纤维，化学稳定性好，拉伸强度高达2～4GPa，主要应用于耐高温和增强材料，广泛应用于金属基、陶瓷基及聚合物基复合材料的补强。目前碳化硅纤维主要以有机硅化合物为原料经纺丝、碳化或气相沉积而制得。

聚碳硅烷(polycarbosilane,PCS)前驱体转化法被广泛应用于制备碳化硅纤维。首先配制聚碳硅烷纺丝液，后通过熔融纺丝或溶液纺丝制备得到前驱体纤维，后通过一系列热处理、高温碳化得到碳化硅纤维。该方法制备的纤维为微米级(＞10μm)结构，无法得到纳米纤维。纳米纤维一般为多孔结构，比表面积为传统纤维高1～2个数量级。为了得到纳米级纤维，CN103966701A公开了一种多孔SiC纳米纤维的制备方法，该专利主要通过电纺得到聚丙烯腈纳米纤维，碳化得到碳纳米纤维，最后将碳纳米纤维与硅粉高温反应得到SiC多孔纳米纤维。CN102603302A公开了一种制备碳化硅陶瓷纳米纤维膜的方法，该专利主要通过电纺得到聚碳硅烷前驱体纳米纤维，后通过交联、高温热处理得到SiC纳米纤维，纤维直径为0.6～1.6μm，且纺丝过程使用毒性很强的苯和甲苯为溶剂。虽然CN103966701A和CN102603302A通过静电纺丝都可得到纳米级碳化硅纤维，但是静电纺丝生成效率低，不适合于工业化规模生产。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种碳化硅纳米纤维的制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种碳化硅纳米纤维的制备方法，其包括如下步骤：

S1：将聚硅烷溶解于N,N-二甲基甲酰胺/1,4-二氧六环/四氢呋喃的三元混合溶剂中，得到聚硅烷溶液；

S2：将所述聚硅烷溶液在-50～-10℃下淬火60～120min后，用乙醇进行四次萃取后，冷冻干燥24h，得到第一前驱体；

S3：在氦气的保护下，将所述第一前驱体用电子束、以200～800KGy的辐射剂量进行辐照交联后，保持在氦气中，于120℃下进行退火处理1h，得到第二前驱体；

S4：将所述第二前驱体置于气氛炉中，在50～100μL/min的氩气流量气氛中，以2～4℃/min的速率从25℃升温至200～300℃，并在200～300℃下保温0.5～1h，进行稳定化处理后，自然降温至室温，保持氩气的流量50～100μL/mi，再以3～5℃/min的速率从25℃升温至1000～1200℃，并在1000～1200℃下保温1～2h，进行高温烧结后，得到所述碳化硅纳米纤维。

稳定化处理也称为不熔化热处理，不熔化热处理使第二前驱体中的聚碳硅烷纳米纤维Si-C-Si和Si-O-Si桥联结构，分子量进一步增加，最终形成在高温烧结过程中不熔的三维网络交联结构。

作为优选方案，所述聚硅烷溶液中，聚硅烷的质量分数为5～15％。