[發(fā)明專利]軸向梯度的碳化硅纖維及其制備方法和裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110304306.2
• 申請(qǐng)日: 2011-10-10
• 公開（公告）號(hào): CN102392326A
• 公開（公告）日: 2012-03-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李效東;胡天嬌;李義和;李公義;王海哲;王應(yīng)德;王浩
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號(hào): D01F9/10
• 分類號(hào): D01F9/10;D01D5/08;D01D10/02
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務(wù)所 43008
• 代理人: 趙洪;楊斌

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于功能梯度材料領(lǐng)域，具體涉及一種功能梯度的碳化硅纖維及其制備方法和裝置。

背景技術(shù)

先驅(qū)體法碳化硅（SiC）纖維具有高強(qiáng)度（1GPa～4GPa）、高模量（150GPa～400GPa）、耐高溫（>1000℃）、抗氧化、耐腐蝕、低密度（<?3.5g/cm²）等優(yōu)異性能，在高溫高強(qiáng)復(fù)合材料、高溫高壓氣體過(guò)濾裝置、高溫隔熱材料以及抗輻射核能材料等方面已得到了廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，開發(fā)新型功能的SiC纖維成為SiC纖維研制領(lǐng)域的另一個(gè)熱點(diǎn)。

先驅(qū)體法SiC纖維是一種n型半導(dǎo)體材料，其電阻率受纖維組成、結(jié)構(gòu)的影響，在10^-1Ω·cm～10⁶Ω·cm范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。電阻率的調(diào)節(jié)方式包括化學(xué)改性、表面處理和高溫?zé)崽幚淼取Ｈ缛毡居畈抗就ㄟ^(guò)化學(xué)改性在聚碳硅烷先驅(qū)體中引入Ti、Zr等異質(zhì)元素，由此制備了含異質(zhì)元素的Si-Ti-C-O和Si-Zr-C-O纖維，其電阻率可在10^-3Ω·cm～10⁴Ω·cm范圍內(nèi)調(diào)整[J.Mater.Sci.42:1116～1121(2007)]。而日本碳公司生產(chǎn)的Nicalon?NL-607系列功能型SiC纖維，則是通過(guò)改變纖維表面碳層厚度實(shí)現(xiàn)纖維電阻率在10^-1Ω·cm～10³Ω·cm范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)[Compos.Sci.Tech.51:135～144?(1994)]。專利號(hào)為US4507354的美國(guó)專利文獻(xiàn)公開了一種通過(guò)調(diào)整熱處理溫度和時(shí)間可獲得電阻率在10⁰Ω·cm～10⁴Ω·cm之間的SiC纖維。這些電阻率可調(diào)的SiC纖維兼具獨(dú)特的電學(xué)性能和優(yōu)良的力學(xué)性能，目前已經(jīng)廣泛用做功能復(fù)合材料的增強(qiáng)體。

功能梯度材料是指沿著某一方向其物理、化學(xué)等單一或多項(xiàng)性能發(fā)生連續(xù)或梯度變化，以適應(yīng)不同環(huán)境，實(shí)現(xiàn)某種特殊功能的先進(jìn)材料。這種材料可集合多種材料的優(yōu)點(diǎn)且內(nèi)部不存在明顯的界面，在功能材料領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力。在SiC纖維制備方面，T.Ishikawa已成功制備SiC/ZrO₂徑向梯度纖維，該纖維具有高強(qiáng)度、高耐溫性、高抗氧化性等優(yōu)點(diǎn)[Nature.416:?64～67(2002)]，然而，目前尚未見(jiàn)到有軸向電阻率呈周期性梯度變化的SiC纖維材料。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：將梯度材料的結(jié)構(gòu)控制理念引入到SiC纖維，提供一種結(jié)構(gòu)和性能沿軸向梯度變化的SiC纖維，并相應(yīng)提供一種該SiC纖維的制備方法和制備裝置。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種軸向梯度的SiC纖維，所述SiC纖維呈連續(xù)纖維狀，所述SiC纖維的軸向電阻率呈周期性梯度變化，所述軸向電阻率呈周期性梯度變化的變化范圍為10⁰Ω·cm～10⁶Ω·cm，所述周期性梯度變化沿SiC纖維長(zhǎng)度方向上的變化周期為10cm～25cm。

進(jìn)一步，所述SiC纖維表面沉積有碳層，所述碳層的厚度沿所述SiC纖維的軸向呈周期性梯度變化，所述碳層的厚度在軸向上呈周期性梯度變化的變化范圍為30nm～2nm，所述軸向電阻率呈周期性梯度變化的變化范圍為10⁰Ω·cm～10³Ω·cm。?

進(jìn)一步，所述SiC纖維表面含有2nm～6nm厚的富氧層，所述軸向電阻率呈周期性梯度變化的變化范圍為10²Ω·cm～10⁶Ω·cm。

作為一個(gè)總的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供上述的軸向梯度的SiC纖維的制備方法。

一種上述的軸向梯度的SiC纖維的制備方法，包括以下工藝步驟：在高純氮?dú)獗Ｗo(hù)下，牽引聚碳硅烷預(yù)氧化纖維以周期性梯度變化的運(yùn)動(dòng)速度通過(guò)一出口處帶有陶瓷套管的高溫?zé)蔂t進(jìn)行燒成，得到軸向梯度的SiC纖維。

上述的制備方法中，優(yōu)選地，所述聚碳硅烷預(yù)氧化纖維通過(guò)以下工藝得到：將聚碳硅烷先驅(qū)體（由中國(guó)專利文獻(xiàn)CN?85108006A或CN1569926A公開的制備方法制得）進(jìn)行熔融或溶液紡絲處理，得到直徑為5μm～20μm的聚碳硅烷原纖維，再將所述聚碳硅烷原纖維置于氧化爐中，在空氣氣氛中按10℃/h～30℃/h的升溫速度加熱到180℃～250℃，并保溫0～6小時(shí)即得到聚碳硅烷預(yù)氧化纖維；所述燒成時(shí)的溫度為1000℃～1400℃。