[发明专利]一种提高连续碳化硅纤维耐温性的方法

说明书

本发明提供了一种提高连续碳化硅纤维耐温性的方法，包括以下步骤：聚碳硅烷原丝先后经过电子束辐照交联、含氢气氛预烧结、高温加张力烧结，获得耐温性提高的连续碳化硅纤维。本发明相较现有技术，采用电子束辐照技术替代传统的空气不熔化，从而避免了氧的引入；在含氢气氛中对辐照后聚碳硅烷原丝进行高温预烧结，有效脱除富余的游离碳；在高温惰性气氛中进一步陶瓷化，使无机结构进一步完善，形成β‑SiC微晶，调控微晶结构，获得耐温性高达1700℃的碳化硅纤维。

技术领域

本发明涉及一种提高连续碳化硅纤维耐温性的方法，属于高性能纤维技术领域。

背景技术

先驱体转化法是制备碳化硅纤维（SiC）纤维的主要技术途径。按照研发历史和耐温等级可以将 SiC 纤维大体分为三代：第一代是以普通Nicalon为代表的高氧（~12%）、高碳（~15%自由碳）型，纤维内部的氧和碳在1400℃以上发生化学反应，并伴随结晶生长，导致纤维损伤，力学性能降低，因此长期使用温度不高于 1100℃；第二代是以 Hi-Nicalon 和Tyranno为代表的低氧（~0.5%）、高碳（~20%自由碳）型 SiC 纤维，氧含量的有效控制，成功提高了第二代 SiC 纤维的使用温度，将纤维的极限使用温度突破了1400℃，但仍低于1600℃；第三代是以 Hi-Nicalon-S 和 Tyranno-SA 为代表的近化学计量SiC 纤维，进一步降低氧、自由碳含量，其使用温度分别可达1600℃和1700℃。目前，随着航空航天器材对复合材料耐高温性能的提高，国内对第三代SiC纤维的需求越来越强烈。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种提高连续碳化硅纤维耐温性的方法，也就是第三代SiC纤维的制备方法。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：一种提高连续碳化硅纤维耐温性的方法，包括以下步骤：

（1）熔融纺丝：采用纺丝级聚碳硅烷进行熔融纺丝得到聚碳硅烷原丝，将聚碳硅烷原丝卷绕在特制辊筒上；

（2）辐照交联：将卷绕聚碳硅烷原丝的特制辊筒送入辐照室内，在室温下进行电子束辐照，辐照气氛为惰性气氛，通过改变辐照剂量、辐照时间以及辐照剂量率，对聚碳硅烷原丝的辐照交联均匀性实现有效调控，得到辐照交联的纤维；

（3）含氢气氛预烧结：在含氢气氛中对辐照交联的纤维进行高温预烧结，通过调控氢气比例、烧结温度，脱除因辐照交联而富余的游离碳，实现对C/Si原子比的调控，得到预烧结纤维；

（4）高温烧结：将预烧结纤维进行高温惰性气氛烧结，通过改变烧结温度，施加一定张力，实现对β-SiC微晶的结构调控，获得耐温性提高的连续碳化硅纤维。

作为优选的方案，步骤（1）中，在氮气保护下，将聚碳硅烷加热熔融，在220～250℃的纺丝温度，0.4～0.6MPa压力下，以300～500m/min卷绕速度卷绕，纺得聚碳硅烷原丝。

采用上述优选方案，适宜的纺丝条件得到的碳硅烷原丝连续性、均一性好。

作为优选的方案，步骤（2）中采用60 Co源γ射线辐照处理聚碳硅烷原丝，辐照剂量为100～200 KGy，辐照时间10-20h，剂量率为10 KGy/h。

作为优选的方案，步骤（2）辐照处理后，抽真空，置换惰性气体3次，在惰性气体保护下，升温至300℃，保温2-5h。

采用上述优选方案，在惰性气氛下使聚碳硅烷分子内的Si-H键断裂形成Si-C-Si等交联键，采用惰性气氛中的辐照交联避免了氧的引入，可获得无氧交联结构，从而避免了在SiC纤维中引入氧元素而影响耐高温性能。

作为优选的方案，步骤（3）将辐照交联的纤维放入氢气气氛炉，抽真空，置换氮气2-3次，再抽真空，按照1:1、2:3、4:1的比例通氢气和氮气的混合气，按照0.5℃/min的速率升至烧结温度750～850℃，保温1h。