[發明專利]一種由PCS纖維制備連續碳化硅纖維的方法

有效

• 申請號: 201010300539.0
• 申請日: 2010-01-21
• 公開（公告）號: CN101787588A
• 公開（公告）日: 2010-07-28
• 發明（設計）人: 宋永才;王得印;李義和;王應德;謝征芳;王軍
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: D01F9/10
• 分類號: D01F9/10
• 代理公司: 長沙星耀專利事務所 43205
• 代理人: 寧星耀

技術領域

本發明涉及一種由聚碳硅烷(PCS)纖維制備連續碳化硅纖維的方法。

背景技術

碳化硅纖維以其高強度、高模量、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等優異性能而在航空、航天 、核工業、武器裝備等高技術領域具有重要的應用價值。工業上，采用有機硅聚合物-聚碳 硅烷(PCS)先驅體轉化法已經實現了連續SiC纖維的工業化生產。其典型的制備流程為：以 有機硅聚合物經高溫裂解重排縮聚反應得到的聚碳硅烷(Polycarbosilane，記為PCS)作為 先驅體，經過熔融紡絲制得連續PCS纖維，將連續PCS纖維置于空氣中進行氧化反應使分子間 交聯而成不熔纖維(稱為不熔化處理)后，再在高溫爐中惰性氣氛保護下進行高溫燒成，經 過熱分解轉化與無機化，制得SiC纖維。

碳化硅纖維的制備流程與碳纖維基本相似，后者通過聚丙烯氰(Polyacrylonitrile， PAN)溶液紡絲后得到PAN纖維，經過空氣中的穩定化(不熔化)處理及高溫碳化制得碳纖維 。在工業上，碳纖維的制備是通過PAN纖維經過若干導輥后連續通過不熔化爐與高溫碳化爐 再集束上膠制得的。但是，作為碳化硅纖維的先驅體聚合物的PCS，相比高分子量的PAN，其 分子量低(1500-2000)，因此，經過熔融紡絲后得到的PCS纖維強度極低，觸碰后極易脆斷 ，不能像PAN纖維那樣進行連續不熔化和高溫燒成處理來制備連續纖維。即使經過不熔化處 理后，纖維強度略有提高，但經過導輪連續燒成，也會產生不少毛絲、斷頭，對碳化硅纖維 的性能帶來不利的影響。

對于由先驅體PCS熱解轉化方法制備SiC纖維，已有不少文獻報告，但對于連續SiC纖維 的制備技術，尤其是基于PCS纖維特點的連續纖維的制備技術，尚未見有相關文獻報道。例 如，日本專利2003089929公開了一種由PCS與少量的聚甲基硅烷PMS共混后熔融紡絲，再經過 氧化性氣氛不熔化及惰性氣氛中高溫燒成制備SiC纖維的方法，日本專利200045130公開了一 種由改性的含-SiH₂-的聚碳硅烷先驅體，經過熔融紡絲、不熔化處理及高溫燒成制備SiC纖 維的方法，日本專利1993071017公開了一種PCS纖維在惰性氣氛或反應性氣氛中電子束輻照 不熔化處理后惰性氣氛中高溫燒成制備高強度高耐熱性SiC纖維的方法，中國專利 02139762.7公開了一種含硼的PCS經過熔融紡絲、不熔化處理及高溫燒成制備耐高溫多晶 SiC纖維的方法，中國專利200510031149.7公開了一種采用不同形狀的噴絲板進行PCS的熔融 紡絲，再經不熔化處理及高溫燒成制備異型SiC纖維的方法，中國專利200510031778.x公開 了一種由含鋁的PCS出發經熔融紡絲、不熔化處理及高溫燒成制備含鋁SiC纖維的方法。這些 專利文獻或者對先驅體PCS進行改性或引入其它元素，或改變熔融紡絲條件，或改變不熔化 處理方法來制備具有不同特性的SiC纖維，但均未涉及如何由脆弱的PCS(及改性或含有其它 異質元素的PCS)纖維制備連續SiC纖維的連續化技術問題。

發明內容

針對PCS纖維脆弱易受損傷的特點，本發明的目的在于提供一種無損傷地制備連續SiC纖 維的方法。

本發明的目的通過以下技術方案予以實現：

研究表明，PCS纖維脆弱的特點，來源于其較低的分子量水平以及非線形的分子結構， 現有制備方法，即使對PCS進行改性或通過反應引入其它異質元素，也并沒有大幅度地改變 PCS的分子量與分子結構，因此，原纖維的脆弱問題依然存在。

本發明的要點是，在PCS經過熔融紡絲卷繞上筒后，維持紡成的PCS纖維的形態，將連續 PCS纖維的絲筒進行不熔化處理和中溫900-1100℃預燒，使纖維獲得一定強度后再退繞，最 后經過集束合股高溫1200-1900℃連續終燒，制成連續SiC纖維。具體包括以下步驟：

(1)將PCS置于熔融紡絲裝置的熔筒中，在高純氮氣保護下升溫加熱至300-400℃，待 其全熔成均勻熔體并進行脫泡處理后，在250-350℃，0.1-0.6MPa壓力下，以300-600m/min 速度進行熔融紡絲，紡得的連續PCS纖維卷繞在網筒上，得到直徑為10-16μm、200-500根/ 束的連續PCS纖維；

熔融紡絲裝置的噴絲板孔數可為200-500孔，孔徑可為0.1-0.3μm；