[发明专利]具有电磁吸波性能的柔性碳化铪/碳化硅复合纳米纤维薄膜及制备方法

说明书

本发明涉及一种具有电磁吸波性能的柔性碳化铪/碳化硅HfC/SiC复合纳米纤维薄膜的制备方法，通过静电纺丝手段，将前驱体(聚碳硅烷，PCS)纺丝溶液获得前驱体复合纳米纤维薄膜；再对前驱体纳米纤维薄膜进行不熔化处理和高温热解处理，最终获得碳化铪HfC纳米晶粒弥散分布于碳化硅SiC纳米纤维内部的结构的HfC/SiC复合纳米纤维薄膜。本发明首次利用静电纺丝工艺实现了HfC/SiC复合纳米纤维薄膜的可控性制备。通过控制前驱体溶液的浓度，纺丝电压，出丝速率和收集方式等来控制纳米纤维的形貌，结构，分布，通过改变热解温度和保温时间控制纳米纤维的元素组成和相结构。

技术领域

本发明属于复合纤维新材料制备领域，涉及一种具有电磁吸波性能的柔性碳化铪/碳化硅HfC/SiC复合纳米纤维薄膜及制备方法。整个制备工艺包括复合先驱体溶液的配制，复合先驱体溶液静电纺丝和复合先驱体纳米纤维薄膜的固化热解过程，最后制得的复合纤维薄膜具有优异的柔韧性和电磁吸波性能。

背景技术

一维SiC材料(SiC纤维，SiC纳米线，SiC晶须等)具有高强度高模量、抗氧化性强、化学稳定性好、密度低、热膨胀系数小等众多优异性能，被广泛应用于各类高温结构零部件增强材料和电磁吸波件、核反应堆材料、传感器和催化剂模板等功能材料领域。尤其在电磁吸波材料方面，由于具有高比表面积、可设计微结构和可调控的介电性能，一维SiC材料拥有很强的应用潜力。

纯SiC陶瓷材料的介电常数偏低，更倾向于电磁透波材料，故研究人员通常会通过第二相复合的方式提高一维SiC材料的介电常数，从而提升电磁吸波性能。例如通过引入纳米碳相(碳纳米管：Appl.Mater.Interfaces,2010,2,1150-1156；石墨烯：ACSAppl.Mater.Interfaces,2017,9,11803-11810；不定形纳米碳：Ceram.Int.,2017,43,7424-7435)来提升SiC纤维的电导率和介电损耗；通过引入磁性纳米颗粒(Fe/SiC复合纤维：ACS Appl.Mater.Interfaces,2017,9,7265-7271；SiC-Fe₃O₄复合纳米线：J.Mater.Chem.A,2014,2,16397-16402；SiC/Co复合纳米线：J.Mater.Chem.A,2015,3,6517-6525)同时引入介电损耗和磁损耗。然而，无论是引入的是碳材料还是磁性材料，均会在高温或是氧化环境中逐渐失效(碳相在含氧环境中500℃以上就会剧烈氧化损耗，磁性材料在温度达到居里温度以上也会失去磁性)。所以我们需要寻找一种新的添加相，既可以提高一维SiC材料的电磁吸波性能又不能损失SiC相的高温稳定性。

碳化铪(HfC)是一种典型的超高温陶瓷材料，具有已知单一化合物中最高的熔点(3890℃)，同时还兼具优异的力学性能，导电性，高温和化学稳定性。若能将HfC相引入一维SiC材料内部，那么将通过提升复合材料的电导率和介电损耗从而提升电磁吸波性能，同时也不会损失SiC在高温环境下的稳定性。

目前制备一维SiC材料的主要方法包括(1)熔融纺丝法；(2)化学气相沉积法；(3)气-固反应法；(4)热碳还原法等。但以上方法均无法制备出具有纳米尺度、微结构和组分可控的连续SiC纳米纤维。研究表明，当陶瓷纤维的直径下降到纳米尺度之后，纤维的力学性能和柔韧性将大幅提升，故需要寻找一种新的工艺方法来实现连续HfC/SiC纳米复合纤维的制备。

静电纺丝法是一种生产纳米纤维的新型方法，具有设备工艺简单、生产周期短、纤维结构形貌分布可控等优势。本发明采用静电纺丝方法制备HfC/SiC纳米复合纤维的前驱体纳米纤维薄膜。

发明内容

要解决的技术问题