[發明專利]一種碳化鋯陶瓷纖維及其制備方法

在審

• 申請號: 201710586749.2
• 申請日: 2017-07-18
• 公開（公告）號: CN107686351A
• 公開（公告）日: 2018-02-13
• 發明（設計）人: 董紹明;王敬曉;倪德偉;張翔宇;闞艷梅
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C04B35/56
• 分類號: C04B35/56;C04B35/622
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙)31261
• 代理人: 曹芳玲,鄭優麗

技術領域

本發明屬于碳化鋯陶瓷的制備領域，特別涉及一種碳化鋯陶瓷纖維及其制備方法。

背景技術

航空航天技術的高速發展對新型高溫材料提出了新的要求。飛行器在高超聲速長時飛行、大氣層再入、跨大氣層飛行等極端環境下，推進系統、機翼前緣以及鼻錐等關鍵部件都會在燃料燃燒以及飛行過程與大氣的激烈磨擦中產生1800℃以上的高溫，因而需要以在高溫有氧環境下能重復使用的材料作為防熱系統。以難熔金屬硼化物和碳化物為主要代表的超高溫陶瓷(UHTCs)，如ZrB₂、HfB₂、ZrC、HfC和TaC等，熔點超過3000℃，具有突出的耐超高溫性能、高溫抗氧化燒蝕性能優良，被認為是高超聲速飛行器熱防護材料及新一代超燃沖壓發動機防熱部件最具前途的一種候選材料。ZrC作為超高溫陶瓷材料的重要成員，具有高熔點、高硬度、高模量，極強的共價鍵以及良好的化學穩定性等綜合特性，而且，ZrC具有較低的密度，因此在航空航天領域的應用中具有一定的優勢。

國內外針對ZrC等超高溫陶瓷的研究主要集中在原料粉體的合成、燒結致密化過程，材料的組分設計及微結構的調控等方面，力求改善其力學性能、高溫抗氧化燒蝕性能；ZrC雖然具有很多優異的性能，但是其目前表現出來的性能還不能滿足實際應用的需要。尤其地，陶瓷材料固有的脆性限制了其在航空航天領域的廣泛應用。若將超高溫陶瓷材料制成纖維，有望獲得能夠在超高溫條件下使用的新型陶瓷纖維。同時，采用超高溫陶瓷纖維作為增強體制備超高溫陶瓷基復合材料有望大幅度提高傳統超高溫陶瓷材料的力學性能并改善其脆性，解決陶瓷材料斷裂韌性低、斷裂應變小、抗熱震性能差的缺點。

國際上以美國MATECH公司為代表，制備出了高性能的TaC、HfC超高溫陶瓷纖維，并已實現商業化。該公司使用四氯化鉿與乙二胺發生聚合得到以Hf-N-C為骨架的無氧聚合物，該無氧聚合物經2000℃高溫裂解處理后即轉變為HfC纖維，具體的技術細節尚無法獲知。(Pope,E.J.A.,J.Hepp,and K.M.Kratsch,Method for forming hafnium carbide and hafnium nitride ceramics and preceramic polymers.2009,POPE E J A(POPE-Individual)HEPP J(HEPP-Individual)KRATSCH K M(KRAT-Individual).p.18.)而目前國內外關于ZrC陶瓷纖維的制備及結構性能等方面的研究報道非常有限。文獻中報道的方法大多以ZrC陶瓷有機前驅體為原料，制成適合紡絲的前驅體溶液，采用不同的成纖技術紡成前驅體纖維，經過高溫陶瓷化得到ZrC陶瓷纖維。但相關研究采用的成纖方式較為簡陋(手拉法、注射器擠出等)，制備得到的纖維均勻性較差(Kurokawa,Y.,H.Ota,and T.Sato,Preparation of carbide fibres by thermal decomposition of cellulose-metal(Ti,Zr)alkoxide gel fibres.Journal of Materials Science Letters[J],1994.13(7):p.516-518；Preiss,H.,E.Schierhorn,and K.W.Brzezinka,Synthesis of polymeric titanium and zirconium precursors and preparation of carbide fibres and films.Journal of Materials Science[J],1998.33(19):p.4697-4706.)。近年來，隨著靜電紡絲技術的發展，李飛等人采用靜電紡絲方法制備獲得了較為均勻的ZrC陶瓷纖維(Fei Li,Zhuang Kang,Xiao Huang and Guo-Jun Zhang,Fabrication of zirconium carbide nanofibers by electrospinning,Ceramics International,2014.40(7):p.10137-10141.)，但靜電紡絲技術制備陶瓷纖維效率較低，無法實現ZrC陶瓷纖維的高效制備。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的在于提供一種直徑分布均勻、氧含量低且高溫下穩定的ZrC陶瓷纖維及其制備方法，實現ZrC陶瓷纖維的高效制備。

一方面，本發明提供了一種碳化鋯陶瓷纖維的制備方法，包括：