[發明專利]一種硼摻雜碳化硅纖維及其制備方法

有效

• 申請號: 201810225460.2
• 申請日: 2018-03-19
• 公開（公告）號: CN108315837B
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發明（設計）人: 董志軍;余漢青;李軒科;袁觀明;叢野
• 申請（專利權）人: 武漢科技大學
• 主分類號: D01F9/08
• 分類號: D01F9/08;D01F1/10
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 張火春

本發明涉及一種硼摻雜碳化硅纖維及其制備方法。其技術方案是：將60～70wt％的有機硅、5～10wt％的有機硼和25～30wt％的瀝青有機溶劑可溶組分混合，然后溶于有機溶劑，得混合液；將混合液在惰性氣氛、攪拌和220～250℃條件下保溫2～6h，得到硼摻雜硅烷。將硼摻雜硅烷置于紡絲筒內，在惰性氣氛下加熱至310～340℃，保溫2～4h，紡絲，得到纖維原絲；再將纖維原絲進行預氧化處理，得到預氧化纖維；將預氧化纖維置于炭化爐中，在惰性氣氛中先后升溫至900～1100℃和1400～1600℃，自然冷卻，即得硼摻雜碳化硅纖維。本發明具有工藝簡單和生產成本低的特點，所制備的硼摻雜碳化硅纖維直徑均勻、耐高溫性良好和抗氧化性優異。

技術領域

本發明屬于碳化硅纖維技術領域。具體涉及一種硼摻雜碳化硅纖維及其制備方法。

背景技術

連續SiC纖維具有高強度、低密度、良好的高溫抗氧化性、耐化學腐蝕性、與陶瓷基體相容良好和能吸收電磁波等一系列優點，可用作航空、航天、軍事等領域的增強體材料，因而在世界范圍內得到廣泛研究。早期日本碳公司(Nippon Carbon)生產的SiC纖維Nicalon 使用溫度的上限約為1200℃，主要由β-SiC微晶及SiC_xO_y相組成。當溫度超過1200℃時，SiC_xO_y相分解成SiO和CO等小分子氣體，纖維內部形成大量孔洞，此外，β-SiC微晶迅速晶化而使其強度急劇下降，無法達到增強作用。

通過引入異質元素，能夠有效改善碳化硅纖維的耐高溫性能和抗氧化性能。日本Ubeindusies公司通過在SiC纖維先驅體中引入鋁，成功制備出耐高溫的Tyranno SA纖維。美國Dow Corning公司通過引入硼元素，開發出Sylramic纖維。含異質元素SiC纖維的研發成功，提高了材料的使用溫度，促進了科技的發展。因此，許多國家都投入了大量的人力和物力開展相關研究。

含硼碳化硅纖維因其突出的耐高溫性和抗氧化性展現了巨大的應用潛力(李文華，王軍，王浩等.先驅體轉換法制備含硼連續SiC纖維研究進展，宇航材料工藝，2007，4：5-7.)，硼元素的主要作用是抑制SiC晶粒在高溫下的增長并促進SiC纖維的燒結，如何引入硼元素是制備含硼纖維的關鍵。

目前，引入硼的方式主要有化學氣相法和先驅體轉化法。美國Dow Corning公司是通過PCS纖維與BCl₃/NH₃發生氣相反應引入硼從而制得Sylramic纖維，直徑約為20～30μm，但是含硼氣氛不僅成本較高且易腐蝕設備，同時有毒廢氣體的處理也是難題。曹峰等以PBN、PCS、PMS為主要原料，分別制備含硼先驅體BN-PMS和BN-PCS，再將兩者按比例混合得到了BN-PCS-PMS雜化先驅體，經干法紡絲制備了含硼碳化硅纖維，直徑約為30～40μm。(曹峰.耐超高溫碳化硅纖維新型先驅體研究及纖維制備[D].國防科學技術大學,2002.)，這種方法工藝復雜，所制得的含硼碳化硅纖維連續性差，纖維粗細不均勻；此外，BN-PCS-PMS雜化先驅體軟化點高、黏度較差和不能熔融，不利于連續化生產。

發明內容

本發明旨在克服現有技術的缺點，目的在于提供一種工藝和設備簡單，制備成本低的硼摻雜碳化硅纖維的制備方法；用該方法制備的硼摻雜碳化硅纖維直徑小和粗細均勻，耐高溫性和抗氧化性良好。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案的具體步驟是：

步驟一、按固液質量比為1∶(1～3)，將粉碎后的瀝青溶于有機溶劑中，超聲震蕩1～2h，過濾，再將過濾后的濾液在120～150℃條件下蒸餾6～10h，即得瀝青有機溶劑可溶組分。

步驟二、將60～70wt％的有機硅、5～10wt％的有機硼和25～30wt％的瀝青有機溶劑可溶組分混合，即得混合物；再按所述混合物∶有機溶劑的質量比為1∶(1～3)，將所述混合物溶于有機溶劑中，即得混合液。