[發明專利]一種碳化硅纖維及其制備方法

有效

• 申請號: 202110478026.7
• 申請日: 2021-04-30
• 公開（公告）號: CN113235189B
• 公開（公告）日: 2023-05-09
• 發明（設計）人: 林益軍;馬彥;周利莊
• 申請（專利權）人: 航天科工（長沙）新材料研究院有限公司
• 主分類號: D01F9/10
• 分類號: D01F9/10;D06M15/55
• 代理公司: 武漢智匯為專利代理事務所(普通合伙) 42235
• 代理人: 李恭渝

本發明涉及一種碳化硅纖維及其制備方法，以市售通用級聚碳硅烷為原料，經溶解、過濾、層析等多種工藝手段獲得了紡絲性良好的純化前驅體，一次成絲密度可達1000～1200根/束，斷絲率低于3％。不熔化交聯環節采用電子束輻照輔助空氣有氧熱反應，充分發揮了兩種處理方式的優越性，揚長避短，確保了不熔化纖維的低含氧量和高交聯度，同時提升了連續碳化硅纖維的力學強度和耐高溫穩定性。

技術領域

本發明涉及碳化硅領域，具體涉及一種提高連續碳化硅纖維強度和耐溫性的制備方法，及采用該方法制備得到的碳化硅纖維。

背景技術

高性能連續碳化硅纖維相對于碳纖維，具備在有氧環境中更高的耐溫性能，與陶瓷基體(如碳化硅陶瓷)相容性好，受冷熱沖擊時不易產生界面分離；且體積電阻率人為可調，易于制造結構功能一體化材料，歷來在航空航天、核工業等領域有著廣闊應用前景。

作為高精尖武器裝備的關鍵戰略原料，氧含量直接影響碳化硅纖維在高溫下的穩定性和強度保持率，是界定纖維代級的核心指標之一。含氧過高，交聯過度，則纖維硬脆，缺乏韌性，不僅容易斷絲，高溫受熱時也極易造成碳化硅晶粒分解，力學性能強烈弱化；含氧過低，交聯不足，則在燒結制備過程中纖維可能熔化，出現粘連、并絲現象。不熔化處理的常規工藝多以空氣有氧交聯和電子束輻照為主，空氣有氧交聯雖能顯著改善其強度，但原絲中含氧偏高，往往導致最終纖維的耐熱穩定性下降；電子束輻照雖可精確調控氧的攝入劑量，但所獲得的連續纖維拉伸強度有限，且設備投資巨大。近年來，該領域科研人員不斷嘗試新的處理手段，力圖獲得強度與耐溫性的綜合提升，并逐漸發展出第一代(含氧量10～13wt％，以日本碳素公司“Nicalon”和宇部興產“Tyranno?Lox-M”牌號通用纖維為代表，有氧環境下可耐熱1050℃)、第二代(含氧量2～5wt％，以日本碳素公司“Hi-Nicalon”、宇部興產“Tyranno?Lox-E”牌號特種纖維為代表，有氧環境下可耐熱1200～1300℃)，目前已進入第三代近化學計量比型(含氧量＜1wt％，以日本碳素公司“Hi-Nicalon?S”、宇部興產“Tyranno?SA”及美國道康寧“Sylramic-iBN”牌號纖維為代表，有氧環境下可耐熱1500～1600℃)。因其明確的軍事用途，美日企業對我國實行嚴格的技術封鎖和產品禁運，國內相關機構僅突破了第2.5代連續碳化硅纖維制備技術。

高性能碳化硅纖維的制備工藝復雜，影響因素眾多，如何制備高性能連續的碳化硅纖維一直是行業的難點。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明目的之一在于經過預處理，獲得可滿足紡絲要求的聚碳硅烷前驅體；目的之二在于采用電子束輻照和空氣有氧熱交聯有機結合的工藝，提供一種能夠同時提高連續碳化硅纖維強度和耐溫性的制備方法；目的之三在于采用電子束輻照和空氣有氧熱交聯有機結合的工藝，提供一種性能優異的碳化硅纖維。

為實現以上的一個或多個目的，本發明提供一種提高連續碳化硅纖維強度和耐溫性的制備方法，包含如下步驟：

(1)聚碳硅烷預處理，獲得紡絲級聚碳硅烷；

(2)聚碳硅烷熔融紡絲，得到聚碳硅烷纖維原絲；

(3)聚碳硅烷纖維原絲不熔化處理，氮氣保護下采用電子束輻照輔助空氣有氧熱交聯，獲得不熔化纖維；

(4)高溫燒結與上漿：在1200～1300℃活性氣氛中對不熔化纖維初步預燒1～3hr，再以0.4～0.5m/min的移動速率緩慢通過1400～1500℃氮氣保護的5m長度高溫管式爐，得到的連續燒結纖維在氮氣保護氣氛中自然冷卻后利用上漿劑上漿處理，即得最終成品。

步驟(1)中，可采用自行合成的聚碳硅烷，也可以市售通用級聚碳硅烷為原料，經溶解、過濾、層析、篩分等工藝處理后得到紡絲級的聚碳硅烷。