[发明专利]一种低硼含量SiC纤维的制备方法

说明书

本发明公开一种低硼含量SiC纤维及其制备方法、应用，该SiC纤维的碳/硅原子比为1.00～1.10，氧含量1.3～1.6wt％，硼含量0.1wt％，β‑SiC晶粒尺寸12.0～16.0nm，杨氏模量305～345GPa，拉伸强度2.30～3.10GPa；该制备方法先将原料在氢气气氛中处理，再在惰性气氛中高温烧成，最后在含硼气氛下短时间高温连续烧结。与现有技术相比，本发明提供的制备方法通过在氢气气氛中烧成调控纤维的碳硅原子比，随后在含硼气氛中短时间的连续烧结，控制纤维中引入的硼含量，从而制备出低硼含量的SiC纤维，工艺简单、制备周期短、成本低；本发明提供的SiC纤维具有优异的耐高温性能和柔顺性，在核反应堆和高温热结构材料领域有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及陶瓷及陶瓷纤维技术领域，尤其是一种低硼含量SiC纤维及其制备方法、应用。

背景技术

SiC纤维具有高强度、高模量、优异的抗高温氧化、抗蠕变性能、耐辐照性能，并与陶瓷基体有良好的兼容性，是制备高性能陶瓷基复合材料的理想增强体，在高温热结构材料和核反应堆屏蔽材料上具有广阔的应用前景。

先驱体转化法是制备细直径连续SiC纤维最常用的方法，它首先以聚碳硅烷或含铝、钛、锆的聚碳硅烷为原料，经熔融纺丝、不熔化处理和高温烧成，制备得到SiC纤维。所使用的原料不同、采用不同的不熔化工艺或烧成工艺，可以制备出不同组成、结构与性能的SiC纤维。随着应用领域的不断拓展，研究者不断优化先驱体的合成工艺、不熔化工艺和烧成工艺，从而探索高性能SiC纤维的制备方法。

Yajima等人申请的公开号为US4220600的专利申请文献公开了一种聚碳硅烷的生产工艺及其在制备碳化硅纤维上的应用，具体公开了以聚碳硅烷为原料，经过熔融纺丝、空气不熔化和高温烧成，制备出了第一代连续SiC纤维。由于原料聚碳硅烷的碳硅原子比为2:1，且不熔化采用的气氛是空气，制备的纤维碳硅原子比远大于1(1.36)，纤维的氧含量约10～20wt％，使得Nicalon纤维含有较多的SiO_xC_y杂质相和游离碳，在空气中1050℃以上、惰性气氛中1200℃以上将发生SiO_xC_y杂质相分解反应，并伴随着β-SiC晶粒的迅速生长，导致纤维强度的急剧降低。

目前，还有利用含钛的聚碳硅烷纤维先后分别与二氧化氮和三氯化硼气体的反应，在不熔化阶段将硼氧元素引入纤维中，利用氮氧化物引入氧形成的SiCxOy相分解脱除富余的碳和引入的氧，同时利用硼的烧结致密化作用，在1600℃以上温度烧结制备了高结晶的SiC纤维。但是，纤维过高的模量(达到450GPa)和过大的β-SiC晶粒尺寸(40～60nm)使得纤维的柔顺性较差，影响其编织性能，此外，硼含量(2.3wt％)过高，对纤维的耐辐照性能带来不利影响，使得纤维无法用于核反应堆材料领域。

发明内容

本发明提供一种低硼含量SiC纤维及其制备方法、应用，用于克服现有技术中SiC纤维不能兼具良好的耐温性、柔顺性，无法用于核反应堆材料领域等缺陷，实现得到的SiC纤维兼具良好的耐温性、柔顺性，且能很好的应用于核反应堆材料领域。

为实现上述目的，本发明提出一种低硼含量SiC纤维，所述SiC纤维的碳/硅原子比为1.00～1.10，氧含量1.3～1.6wt％，硼含量0.1wt％，β-SiC晶粒尺寸12.0～16.0nm，杨氏模量305～345GPa，拉伸强度2.30～3.10GPa。

为实现上述目的，本发明还提出一种低硼含量SiC纤维制备方法，包括以下步骤：

1)将聚碳硅烷纤维在氢气气氛下，以0.5～5℃/min的升温速率从室温升温至600～1000℃；

2)将经过步骤1)的聚碳硅烷纤维在惰性气氛下，以0.5～10℃/min的升温速率从600～1000℃升温至1300～1600℃，并在1300～1600℃下保温0.5～5h，得到中间纤维；