[發明專利]一種含硼化物的碳化硅復相陶瓷纖維及其制備方法

在審

• 申請號: 202210081721.4
• 申請日: 2022-01-24
• 公開（公告）號: CN114560704A
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發明（設計）人: 張偉剛;張浩;戈敏;水洪濤;馬忠烈;程紅梅
• 申請（專利權）人: 中國科學院過程工程研究所;寧波眾興新材料科技有限公司
• 主分類號: C04B35/571
• 分類號: C04B35/571;C04B35/573;C04B35/577;D01F9/10;C04B35/622
• 代理公司: 北京迎碩知識產權代理事務所(普通合伙) 11512
• 代理人: 錢揚保;張群峰

本發明公開了一種含硼化物的碳化硅復相陶瓷纖維及其制備方法，利用聚金屬碳硅烷的活性硅氫鍵，在電子束的激發狀態下，通過與三氯化硼氣體反應，在不熔化處理過程中引入硼元素，并經過熱解脫碳、高溫燒成，從而得到含金屬硼化物的碳化硅纖維。本發明的復相陶瓷纖維具有優異的力學性能和耐高溫性能，可以用作制備陶瓷基復合材料的增強相材料。

技術領域

本發明總體涉及陶瓷纖維及其制備方法，具體涉及一種含硼化物的碳化硅復相陶瓷纖維及其制備方法。

背景技術

碳化硅(SiC)纖維具有高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕以及抗氧化等諸多優異性能，廣泛應用于化工、核能、國防、航空、航天等重要領域，是陶瓷基復合材料中最為重要的增強相材料。

1975年，日本矢島圣使(S Yijima)教授以聚碳硅烷為原料，通過先驅體轉化法制備得到SiC纖維，目前在矢島圣使教授的基礎上已經發展了三代SiC纖維。

碳化硅在1400℃以上會發生晶粒粗化，導致材料的力學性能急劇下降。為了抑制高溫下SiC的晶粒長大，提高高溫處理過程中SiC的致密程度，可以在SiC中引入鈦、鋯、鋁、硼等異質元素，其中，鈦、鋯等元素可以抑制SiC在高溫下的晶粒長大，而硼、鋁元素可以促進纖維的燒結。

日本宇部興產的Tyranno-ZMI和Tyranno ZE纖維通過聚碳硅烷與乙酰丙酮鋯反應，在SiC纖維中引入了1.0％異質元素鋯，提高纖維高溫耐溫性能。

SiC、MC、MB₂(M＝Ti、Zr、Hf)均為具有極高的熔點的超高溫陶瓷，具有優良的耐溫性能和抗氧化性能，SiC·MC·MB₂三元陶瓷的耐溫性能優于單一相的SiC的耐溫性能。

發明內容

本發明的目的是提供一種復相陶瓷纖維的制備方法，采用新型的陶瓷先驅體聚金屬碳硅烷，在纖維交聯階段引入硼元素，在高溫處理過程中轉化為金屬硼化物，較好地解決了現有技術的不足，具有硼元素含量可調、反應條件簡單、制備成本低等優點。

根據本發明的第一方面，提供一種含硼化物的碳化硅復相陶瓷纖維的制備方法，聚金屬碳硅烷原絲纖維在電子束激發狀態下，利用聚金屬碳硅烷中的硅氫鍵與三氯化硼發生反應，在不熔化處理過程中引入硼元素，并在高溫處理過程中硼元素與金屬元素結合轉化為硼化物，得到含硼化物的碳化硅復相陶瓷纖維。

具體包括以下步驟：

步驟(1):將聚金屬碳硅烷升溫脫泡，熔融紡絲，得到原絲纖維；

步驟(2):利用電子束在三氯化硼氣氛下對原絲纖維進行不熔化處理，得到交聯纖維；

步驟(3):對交聯纖維在氫氣/氮氣混合氣氛下進行升溫熱解，得到無機化纖維；

步驟(4):對無機化纖維在惰性氣氛下進行高溫燒成，得到復相陶瓷纖維。

其中，所述步驟(1)的具體操作為：

將先驅體聚金屬碳硅烷加入到紡絲罐中，在150～350℃下熔融并保溫脫泡處理，隨后加壓至0.1～0.8MPa進行熔融紡絲，得到直徑為10～25μm的原絲纖維。優選情況下，有機先驅體的脫泡溫度為320～350℃，紡絲壓力為0.2～0.3MPa。

其中，所述步驟(2)的具體操作為：