[發明專利]一種中空碳化硅陶瓷纖維及其制備方法

有效

• 申請號: 201810077569.6
• 申請日: 2018-01-23
• 公開（公告）號: CN108456949B
• 公開（公告）日: 2020-11-10
• 發明（設計）人: 甄霞麗;黃慶;何流;裴學良;王艷菲;鐘希強
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: D01F9/10
• 分類號: D01F9/10;D01F1/08
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 劉誠午

本發明公開了一種中空碳化硅陶瓷纖維，其制備方法包括：(1)將聚碳硅烷纖維與強氧化劑進行氧化交聯反應，得表層交聯的聚碳硅烷纖維；(2)在惰性氣氛下逐步升溫至1000～1800℃燒結，得所述的中空碳化硅陶瓷纖維。本發明方法通過實現聚碳硅烷纖維表層交聯以提高交聯部分的陶瓷產率來制備中空碳化硅陶瓷纖維，其操作過程簡單，且可通過調節強氧化劑濃度、反應溫度、時間以及負壓條件等因素制備不同孔徑的中空碳化硅陶瓷纖維。

技術領域

本發明涉及碳化硅材料領域，具體涉及中空碳化硅陶瓷纖維及其制備方法。

背景技術

中空陶瓷纖維是一種具有一維管式結構的納米材料，在催化、燃料電池、太陽能電池、膜、儲氫電池、生物組織工程、生物大分子機械、生物傳感器等方面具有潛在的應用價值。中空碳化硅陶瓷纖維還具有優異的耐高溫、抗氧化、低密度、低熱膨脹系數和吸波等特性，因此引起研究者廣泛的興趣。

美國發明專利(US7964171B2)將聚碳硅烷和聚乙烯基硅烷兩種先驅體混合后經熔融紡絲得到聚合物混合纖維，然后用電子束輻照纖維表層，中間未交聯的部分通過有機溶劑溶解提取出來，最后在1000℃以上的高溫進行燒結，得到管壁厚度在2～20μm的中空碳化硅陶瓷纖維。其中，管壁厚度的控制是通過調節溫度、電子束劑量、氧分壓以及聚碳硅烷與聚乙烯基硅烷的比例來實現。但采用有機溶劑溶解未交聯部分增加了操作的復雜性，而且聚碳硅烷要達到必要的交聯程度必須以高劑量率輻照，使材料的制造成本大幅度上升，而且給操作人員帶來安全問題。

日本發明專利(JP8134776A)公開了一種組成基本為碳化硅的中空纖維，是利用一氧化硅氣體與多孔碳纖維按照一定的條件進行反應，然后在800～2000℃的惰性氛圍下進一步燒結。但是以碳纖維為基材來制備碳化硅的反應不完全，得到的碳化硅中空纖維不能達到近化學計量比，而且反應所需要的溫度高、時間長，制備效率低。

中國專利(CN2700346Y)公開了一種紡制多孔連續中空或C形碳化硅纖維的噴絲板。所述的中空截面碳化硅纖維是通過調節噴絲孔截面圓環的內外徑、導孔直徑以及截面開口的中心線方向等參數來制備的。雖然先驅體熔體在噴絲孔出口處的膨脹比正常，熔體不易破裂且截面規整性好，尺寸穩定，但其噴絲毛細孔的內環直徑為0.2～1.8mm，制備的碳化硅纖維直徑太粗，力學性能較差。而且通過紡絲工藝制備中空碳化硅纖維對噴絲板要求較高，加工難度大，成本高，且紡絲工藝復雜。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種中空碳化硅陶瓷纖維及其制備方法，具有工藝簡單、中空尺寸可調、成本低、時間短等優點。

本發明采用的技術方案如下：

一種中空碳化硅陶瓷纖維的制備方法，包括：

(1)將聚碳硅烷纖維與強氧化劑進行氧化交聯反應，得表層交聯的聚碳硅烷纖維；

(2)在惰性氣氛下逐步升溫至1000～1800℃燒結，得所述的中空碳化硅陶瓷纖維。

聚碳硅烷是主鏈由硅和碳原子組成，硅和碳原子上連接有氫，硅和碳原子上還可以連接其它有機基團的線形或枝化結構的聚合物。聚碳硅烷經熔融紡絲可制得聚碳硅烷纖維，而其結構中的Si-H基團化學性質活潑。本發明采用強氧化劑作為聚碳硅烷纖維表層交聯的反應原料，強氧化劑能夠在短時間內將聚碳硅烷分子中的Si-H基團轉化為Si-OH基團，Si-OH基團相互之間或者與Si-H基團之間再進一步反應形成Si-O-Si結構，從而使聚碳硅烷分子交聯起來形成不熔且不溶的聚碳硅烷纖維。未經交聯的聚碳硅烷纖維極其脆弱且陶瓷產率低，交聯不僅有助于提高聚碳硅烷纖維強度，而且能夠提高其陶瓷產率。本發明中，通過對強氧化劑濃度、反應時間與溫度的調控，能夠有效控制聚碳硅烷纖維表層交聯的深度，形成“皮芯”結構；在燒結階段，聚碳硅烷纖維的內部由于低的交聯度而分解從而形成中空結構。

所述聚碳硅烷纖維的直徑為8～25μm。