[發(fā)明專利]碳化硅纖維及其制備方法和應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2019-01-28
• 公開（公告）號: CN109761610B
• 公開（公告）日: 2021-12-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳寶林;侯振華
• 申請（專利權(quán)）人: 江西嘉捷信達新材料科技有限公司
• 主分類號: C04B35/565
• 分類號: C04B35/565;C04B35/622;C04B35/653;D01F1/10;D01F9/08
• 代理公司: 北京酷愛智慧知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11514
• 代理人: 高江玲

本發(fā)明涉及碳化硅纖維及其制備方法和應(yīng)用，所述方法包括如下步驟：負載Al納米顆粒金屬有機骨架材料NH₂?UIO?66(Hf)摻雜的碳化硅先驅(qū)體的制備、負載Al納米顆粒金屬有機骨架材料NH₂?UIO?66(Hf)摻雜的碳化硅纖維先驅(qū)體的熔融紡絲、負載Al納米顆粒金屬有機骨架材料NH₂?UIO?66(Hf)摻雜的碳化硅纖維的燒結(jié)。本發(fā)明的碳化硅纖維的制備方法，在先驅(qū)體中引入鉿、鋁和氮元素，在燒結(jié)過程中再次引入N元素，制備的碳化硅纖維中含有鉿、鋁，力學(xué)性能好，耐高溫性能極佳。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料加工制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及碳化硅纖維及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

碳化硅(SiC)纖維是一種高強高模、抗氧化、耐磨、耐腐蝕、比重小等優(yōu)良性的陶瓷纖維。世界各國先后對制備連續(xù)SiC纖維開展了廣泛的研究，在航空、機械、化工、航天、武器等高尖端領(lǐng)域具有極為廣泛的應(yīng)用前景。目前，SiC纖維的強度可達3.0±0.4GPa，模量可達200±20GPa，使用溫度可達1000℃。由于其室溫強度較低及韌性不足而使其應(yīng)用受到一定限制，為了提高碳化硅材料的強度和韌性，SiC纖維通過不同的界面處理，可適用于不同的聚合物基、金屬基、陶瓷基復(fù)合材料增強材料的強度和韌性。

目前，制備連續(xù)SiC纖維的主要方法有4種：先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法(Polymer-Derived，PD)、化學(xué)氣相沉積法(ChemicalVaporDeposition，CVD)、活性碳纖維轉(zhuǎn)化法和超微細粉高溫?zé)Y(jié)法，其中，只有先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法(PD)和化學(xué)氣相沉積法(CVD)實現(xiàn)了商品化制備。活性碳纖維轉(zhuǎn)化法，所得纖維的強度和模量均不高；超細微粉燒結(jié)法制備的纖維大量富碳、絲徑較粗、強度較低，抗氧化性較差。CVD法是以連續(xù)的碳纖維和甲基硅烷類化合物為原料，在氮氣流下于灼熱的芯絲表面上反應(yīng)，裂解為SiC并沉積在芯絲上而制得。CVD法制備的連續(xù)SiC纖維直徑較粗(100μm)，主要以單絲形式增強金屬基材料。PD法是目前制備細直徑連續(xù)SiC纖維的主要方法，已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，其工藝路線包括先驅(qū)體的合成、先驅(qū)體的熔融紡絲、將可溶可熔的原纖維進行不熔化處理及不熔化纖維的高溫?zé)傻人拇蠊ば颉Ｏ闰?qū)體法具有纖維直徑細、可制備不同截面形狀、成本低、極適合工業(yè)化生產(chǎn)等特點，并且彌補了CVD法不易編織、難于制造復(fù)雜形狀構(gòu)件的不足。但是先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法在不熔化處理過程中，若采用經(jīng)濟的空氣交聯(lián)法，容易引入大量氧元素。SiC纖維中大量氧以SiCxOy的無定型態(tài)存在，高溫下極易發(fā)生熱分解，使得SiC纖維高溫下性能急劇下降。改進纖維不熔化工藝，降低SiC纖維中的氧含量，對提高SiC纖維高溫性能具有重要意義。

金屬有機骨架材料(MOFs)是近十年來發(fā)展迅速的一種配位聚合物，具有三維的孔結(jié)構(gòu)，一般以金屬離子為連接點，有機配體位支撐構(gòu)成空間3D延伸，系沸石和碳納米管之外的又一類重要的新型多孔材料，在催化，儲能和分離中都有廣泛應(yīng)用，目前，大多數(shù)研究人員致力于氫氣儲存的實驗和理論研究。金屬陽離子在MOFs骨架中的作用一方面是作為結(jié)點提供骨架的中樞，另一方面是在中樞中形成分支，從而增強MOFs的物理性質(zhì)(如多孔性和手性)。這類材料的比表面積遠大于相似孔道的分子篩，而且能夠在去除孔道中的溶劑分子后仍然保持骨架的完整性。因此，MOFs具有許多潛在的特殊性能，在新型功能材料如選擇性催化、分子識別、可逆性主客體分子(離子)交換、超高純度分離、生物傳導(dǎo)材料、光電材料、磁性材料和芯片等新材料開發(fā)中顯示出誘人的應(yīng)用前景，給多孔材料科學(xué)帶來了新的曙光。

雖然SiC纖維都已被廣泛研究，但其高溫性能、熱穩(wěn)定性和編織性能等都有些欠缺，因此亟待研究一種能夠優(yōu)化上述性能的材料。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的一個目的在于提出一種碳化硅纖維的制備方法。