[发明专利]一种硼含量可调控的SiBN纤维制备方法及其SiBN纤维

说明书

本发明公开一种硼含量可调控的SiBN纤维制备方法及其SiBN纤维，该制备方法包括对聚碳硅烷纤维进行氨气气氛处理，脱碳并引入活性氨基；进行三氯化硼气氛处理，引入硼元素；进行氨气气氛后处理，脱氯并引入活性氨基；重复若干次三氯化硼气氛处理和氨气气氛后处理过程，之后进行高温烧成，得到SiBN纤维；该SiBN纤维中的硼含量为3.50～8.50wt％，强度为1.05～1.45GPa，1600℃下氮气气氛处理后强度保持率为60～112％，在8～18GHz下的介电常数为3.24～5.07，在8～18GHz下的介电损耗为0.0050～0.0096。本发明提供的制备方法通过氨气气氛和三氯化硼气氛的交替处理实现了SiBN纤维中硼含量的可调控，同时所述制备方法工艺简单、成本低；本发明提供的SiBN纤维的力学性能、耐高温性能和介电性能均较优异。

技术领域

本发明涉及SiBN纤维制备技术领域，尤其是一种硼含量可调控的SiBN纤维制备方法及其SiBN纤维。

背景技术

SiBN纤维具有优异的高温性能和很低的介电常数和介电损耗，是制备高性能透波陶瓷基复合材料理想的增强体，在高超声速飞行器通讯、遥控、制导、引爆等系统有着十分重要的应用前景。

目前主要通过合成可以熔融纺丝的聚硼硅氮烷先驱体来实现SiBN纤维的制备。如Jansen等以氯代硅烷、三氯化硼和六甲基二硅氮烷等为起始原料，在氨气或胺的作用下缩聚得到聚硼硅氮烷(US 5834388；US 5885519；US 5968859；US 2004/0019230A1)。这种先驱体通过熔融纺丝后于氨气气氛烧成制备得到SiBN纤维(Science 1999,285:699)。国防科技大学也通过类似方法，制备得到了性能较优异的SiBN纤维(Chem.Eur.J.2010,16:6458；Mater.Lett.2012,78:1)。但是这种方法需要完全的无氧无水环境，以避免高活性聚硼硅氮烷先驱体的吸氧而导致纤维性能的下降。这使得纤维制造的工艺控制难度很大，成本很高。为了避免高活性先驱体的使用，国防科技大学从空气不熔化PCS纤维出发，采用三氯化硼处理后再氨气气氛氮化或先将纤维氨气气氛氮化再用硼酸溶液浸渍，最后经过高温处理将PCS纤维转化为SiBN(O)纤维(CN 101830706.A)。但这种纤维本身含有较多的氧元素，不利于纤维的高温性能。同时，只是采用单一的气氛硼源或液态硼源通过纤维表面渗入硼元素的方法存在局限性，很难提高纤维中的硼元素含量。

发明内容

本发明提供一种硼含量可调控的SiBN纤维制备方法及其SiBN纤维，用于克服现有技术中工艺难度大、成本高和制备获得的纤维由于氧含量高而导致耐温性差、且纤维的硼元素含量低等缺陷，实现工艺过程简单、制备成本低，同时能够实现硼元素的可控引入，且制备得到的纤维具有优异的力学性能、介电性能和较好的耐温性能。

为实现上述目的，本发明提出一种硼含量可调控的SiBN纤维制备方法，所述制备方法通过将聚碳硅烷纤维进行氨气气氛与三氯化硼气氛的交替处理来实现SiBN纤维中硼含量的调控，包括以下步骤：

S1：在惰性气氛下，将经不熔化处理后的聚碳硅烷纤维进行氨气气氛处理，冷却至室温，得到引入活性氨基的纤维；

S2：在惰性气氛下，将S1得到的所述引入活性氨基的纤维进行三氯化硼气氛处理，得到引入硼元素的纤维；

S3：在惰性气氛下，将S2得到的引入硼元素的纤维进行氨气气氛后处理；

S4：根据对硼元素含量要求的不同，将S2到S3的过程重复若干次；

S5：在惰性气氛下，将经过S4的纤维进行烧成，得到SiBN纤维。

为实现上述目的，本发明还提出SiBN纤维，所述SiBN纤维中的硼含量为3.50～8.50wt％，强度为1.05～1.45GPa，1600℃下氮气气氛处理后强度保持率为60～112％，在8～18GHz下的介电常数为3.24～5.07，在8～18GHz下的介电损耗为0.0050～0.0096。