[发明专利]一种硼掺杂碳化硅纤维及其制备方法

说明书

本发明涉及一种硼掺杂碳化硅纤维及其制备方法。其技术方案是：将60～70wt％的有机硅、5～10wt％的有机硼和25～30wt％的沥青有机溶剂可溶组分混合，然后溶于有机溶剂，得混合液；将混合液在惰性气氛、搅拌和220～250℃条件下保温2～6h，得到硼掺杂硅烷。将硼掺杂硅烷置于纺丝筒内，在惰性气氛下加热至310～340℃，保温2～4h，纺丝，得到纤维原丝；再将纤维原丝进行预氧化处理，得到预氧化纤维；将预氧化纤维置于炭化炉中，在惰性气氛中先后升温至900～1100℃和1400～1600℃，自然冷却，即得硼掺杂碳化硅纤维。本发明具有工艺简单和生产成本低的特点，所制备的硼掺杂碳化硅纤维直径均匀、耐高温性良好和抗氧化性优异。

技术领域

本发明属于碳化硅纤维技术领域。具体涉及一种硼掺杂碳化硅纤维及其制备方法。

背景技术

连续SiC纤维具有高强度、低密度、良好的高温抗氧化性、耐化学腐蚀性、与陶瓷基体相容良好和能吸收电磁波等一系列优点，可用作航空、航天、军事等领域的增强体材料，因而在世界范围内得到广泛研究。早期日本碳公司(Nippon Carbon)生产的SiC纤维Nicalon 使用温度的上限约为1200℃，主要由β-SiC微晶及SiC_xO_y相组成。当温度超过1200℃时，SiC_xO_y相分解成SiO和CO等小分子气体，纤维内部形成大量孔洞，此外，β-SiC微晶迅速晶化而使其强度急剧下降，无法达到增强作用。

通过引入异质元素，能够有效改善碳化硅纤维的耐高温性能和抗氧化性能。日本Ubeindusies公司通过在SiC纤维先驱体中引入铝，成功制备出耐高温的Tyranno SA纤维。美国Dow Corning公司通过引入硼元素，开发出Sylramic纤维。含异质元素SiC纤维的研发成功，提高了材料的使用温度，促进了科技的发展。因此，许多国家都投入了大量的人力和物力开展相关研究。

含硼碳化硅纤维因其突出的耐高温性和抗氧化性展现了巨大的应用潜力(李文华，王军，王浩等.先驱体转换法制备含硼连续SiC纤维研究进展，宇航材料工艺，2007，4：5-7.)，硼元素的主要作用是抑制SiC晶粒在高温下的增长并促进SiC纤维的烧结，如何引入硼元素是制备含硼纤维的关键。

目前，引入硼的方式主要有化学气相法和先驱体转化法。美国Dow Corning公司是通过PCS纤维与BCl₃/NH₃发生气相反应引入硼从而制得Sylramic纤维，直径约为20～30μm，但是含硼气氛不仅成本较高且易腐蚀设备，同时有毒废气体的处理也是难题。曹峰等以PBN、PCS、PMS为主要原料，分别制备含硼先驱体BN-PMS和BN-PCS，再将两者按比例混合得到了BN-PCS-PMS杂化先驱体，经干法纺丝制备了含硼碳化硅纤维，直径约为30～40μm。(曹峰.耐超高温碳化硅纤维新型先驱体研究及纤维制备[D].国防科学技术大学,2002.)，这种方法工艺复杂，所制得的含硼碳化硅纤维连续性差，纤维粗细不均匀；此外，BN-PCS-PMS杂化先驱体软化点高、黏度较差和不能熔融，不利于连续化生产。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的缺点，目的在于提供一种工艺和设备简单，制备成本低的硼掺杂碳化硅纤维的制备方法；用该方法制备的硼掺杂碳化硅纤维直径小和粗细均匀，耐高温性和抗氧化性良好。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案的具体步骤是：

步骤一、按固液质量比为1∶(1～3)，将粉碎后的沥青溶于有机溶剂中，超声震荡1～2h，过滤，再将过滤后的滤液在120～150℃条件下蒸馏6～10h，即得沥青有机溶剂可溶组分。

步骤二、将60～70wt％的有机硅、5～10wt％的有机硼和25～30wt％的沥青有机溶剂可溶组分混合，即得混合物；再按所述混合物∶有机溶剂的质量比为1∶(1～3)，将所述混合物溶于有机溶剂中，即得混合液。