[发明专利]一种电性能宽域可控的连续碳化硅纤维及其制备方法

说明书

本发明公开一种电性能宽域可控的连续碳化硅纤维及其制备方法，该制备方法包括以聚二甲基硅烷、聚苯基甲基硅烷为原料，在一定条件的高温高压下合成聚碳硅烷先驱体；先驱体经熔融纺丝制得聚碳硅烷纤维；聚碳硅烷纤维依次经氧化预交联、真空热处理和氢/氮气氛高温烧成，得到电性能宽域可控的碳化硅纤维。与现有技术相比，本发明提供的制备方法原料成本低廉、制备工艺及其设备简单，制备得到的碳化硅纤维电阻率在10^‑2～10⁷Ω·cm范围内可控，单丝拉伸强度可达3.0GPa，空气中1000℃处理后纤维强度保留率大于90％，电性能变化小于15％，在高温吸波材料上有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及功能陶瓷纤维技术领域，尤其是一种电性能宽域可控的连续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、耐高温氧化、耐化学腐蚀、耐热冲击、高的抗拉强度、良好的抗蠕变性能以及与陶瓷基体良好的相容性等优异性能，是先进复合材料常用的结构增强体，在航天、航空及高性能武器装备上获得了广泛应用。随着技术进步与装备发展新的要求，对结构/功能一体化复合材料提出了迫切的需求，要求增强纤维不仅具有优异的力学性能和耐高温性能，还需具有电磁等吸波或透波性能，需要碳化硅纤维的电性能具有宽域调控区间。先驱体转化法是制备连续碳化硅纤维最成功的方法，先驱体法制备的碳化硅纤维的主要成分包括SiC_xO_y无定形相、β-SiC晶粒、游离碳，其电阻率分别为10¹⁴Ω·cm、0.1Ω·cm和10^-4～10⁰Ω·cm。通过先驱体及制备路线的设计调控纤维中各相的含量，理论上可以使最终制备得到的碳化硅纤维的电阻率在10^-4～10¹⁴Ω·cm范围内变化，可满足航天、航空及高性能武器装备对对结构/功能一体化增强纤维的电性能要求。

研究者以聚二甲基硅烷为原料，经过高温热解重排，合成了聚碳硅烷或含钛的聚碳硅烷，经过熔融纺丝、空气不熔化和高温烧成，制备出了通用型的连续碳化硅纤维(Nicalon和Tyranno S)。由于聚碳硅烷的碳硅比偏低(约为1.8)，不熔化环节引入的氧含量较高，纤维中SiC_xO_y无定形相较多而游离碳含量较少，使得纤维的电阻率为10⁴～10⁶Ω·cm(Polymer-Derived Ceramic Fibers，Annu.Rev.Mater.Res.2016.46:335–56)。