[发明专利]一种含异质元素碳化硅纤维的制备方法

说明书

本发明公开了一种含异质元素碳化硅陶瓷纤维的制备方法，包括如下步骤：以二苯基硅二醇和硼酸为原料合成聚硼二苯基硅氧烷；将聚二甲基硅烷粉末热解得到液态聚硅烷；然后将聚硼二苯基硅氧烷加入液态聚硅烷中，进行热解重排反应，即得MarkIII型聚碳硅烷，然后再将MarkIII型聚碳硅烷与有机金属化合物反应得到含异质元素聚碳硅烷先驱体，最后将含异质元素聚碳硅烷先驱体熔融纺丝、不熔化处理、高温烧成处理即得含异质元素碳化硅陶瓷纤维。本发明先通过合成杂质含量少，纯度高，陶瓷收率高且具有较高含量Si‑H的MarkIII型聚碳硅烷，然后再与有机金属化合物获得含异质元素聚碳硅烷先驱体，最终由含异质元素聚碳硅烷先驱体制得含异质元素碳化硅纤维。

技术领域

本发明涉及一种含异质元素碳化硅纤维的制备方法，属于碳化硅纤维制备技术领域。

背景技术

碳化硅基复合材料具有耐高温、高强度、高模量、低密度、热膨胀系数小等一系列优点,成为新一代战略性热结构材料。在航空、航天、兵器、船舶、装甲防护以及高速制动等领域有着关键而广泛的应用。先驱体转化法是制备碳化硅纤维的主流方法，主要包括先驱体合成、纺丝、不熔化处理和高温烧成四大步骤。目前制备的连续碳化硅纤维主要有两种类型，即掺杂纤维和不掺杂纤维。掺杂路径利用材料复合的思维，在先驱体合成阶段引入入高温异质金属元素(如金属钛、锆、铝等)，使掺杂SiC纤维具有更高的耐热性能。不掺杂路径是在SiC纤维中不引入外来杂质，通过不熔化环节引入电子束辐照技术，降低氧含量，提高纤维的耐温性能。

不掺杂路线的典型代表是日本碳公司，掺杂路径的成功代表是日本宇部公司。相对而言，掺杂路线具有设备投资小，成本低、易实现的特点，是耐高温碳化硅纤维的发展主要趋势。宇部公司合成先驱体采用的技术路线主要为：首先以二氯二苯基硅烷和硼酸为原料合成催化剂聚硼二苯基硅氧烷(简称派松)，然后将其加入聚二甲基硅烷粉末中，通过加热手段使裂解重排合成聚碳硅烷先驱体(简称MarkIII PCS)，然后在聚碳硅烷中加入含异质元素的有机金属化合物，在一定条件下反应得到含异质元素的聚碳硅烷先驱体。该路线存在以下缺陷：1、在合成派松时，以二氯二苯基硅烷和硼酸为起始原料，反应过程会产生酸性氯化氢气体，不利于环保，同时二氯二苯基硅烷很容易水解，储存和操作过程对环境要求比较高。2、在合成MarkIII PCS时，将派松与聚二甲基硅烷混合加热，由于派松与聚二甲基硅烷均为固体，固体与固体混合不利于传热，很容易导致反应体系传热不均，不利于反应的控制和产物性能的均匀性。对含异质元素聚碳硅烷先驱体的合成、纺丝、不熔化处理和最终陶瓷纤维均有较大影响。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种含异质元素碳化硅陶瓷纤维的制备方法，本发明先通过合成杂质含量少，纯度高，陶瓷收率高且具有较高含量Si-H的MarkIII型聚碳硅烷，然后再与有机金属化合物获得含异质元素聚碳硅烷先驱体，最终由含异质元素聚碳硅烷先驱体制得含异质元素碳化硅纤维。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的

本发明一种含异质元素碳化硅陶瓷纤维的制备方法，包括如下步骤：以二苯基硅二醇和硼酸为原料合成聚硼二苯基硅氧烷；将聚二甲基硅烷粉末热解得到液态聚硅烷；然后将聚硼二苯基硅氧烷加入液态聚硅烷中，进行热解重排反应，即得MarkIII型聚碳硅烷，然后再将MarkIII型聚碳硅烷与有机金属化合物反应得到含异质元素聚碳硅烷先驱体，最后将含异质元素聚碳硅烷先驱体熔融纺丝、不熔化处理、高温烧成处理即得含异质元素碳化硅陶瓷纤维。

优选的方案，将二苯基硅二醇和硼酸加入有机溶剂中，在保护气氛下，于80-110℃进行回流反应15-25h，然后蒸馏除去水和有机溶剂，再升温至300-400℃，保温0.5-3h，降温获得聚硼二苯基硅氧烷。

进一步的优选，所述二苯基硅二醇和硼酸的摩尔比为0.5-5:1，优选为1-2:1。

进一步的优选，所述有机溶剂选自正丁醚。

进一步的优选，所述保护气氛为氮气气氛。