[发明专利]连续碳化硅纤维的制备方法及其生产装置

说明书

技术领域

本发明属于连续碳化硅纤维的制备技术领域，具体涉及一种连续碳化硅纤维的制备方法。

背景技术

高性能的碳化硅(SiC)纤维是由聚二甲基硅烷经热分解重排转化为聚碳硅烷(PCS)，再以PCS为先驱体经熔融纺丝、不熔化处理及高温烧成而制得。SiC纤维不仅具有高强度、高模量及优异的耐高温氧化性、耐化学腐蚀性等独特性能，而且SiC纤维自身是一种半导体材料(电阻率在106.cm左右)，通过改变原料组成或制备工艺条件可调节碳化硅纤维的电阻率，使其成为吸波材料(电阻率在101-103Ω.cm时纤维具有最佳吸波性能)。高性能的SiC纤维如SiC吸波纤维、SiC透波纤维、高耐温SiC纤维、含钛SiC纤维等可广泛用于航空、航天、兵器、舰艇、核能、热机等领域。

碳化硅(SiC)纤维一般由有机硅聚合物如聚碳硅烷采用通用的有机高分子成型工艺将之纺成纤维，再将可熔融的聚碳硅烷纤维在空气中氧化交联成不熔不溶的纤维，在氮气氛下以100℃/小时加热速度升温至1300℃并保持60分钟获得连续碳化硅纤维。在工业化过程中要获连续长度在500米左右连续长纤维的制备工艺，迄今未见文献报道。国内外虽有国防科技大学报导过获得连续长度大于500米的研究报导，但尚未见正式的产业化制备技术的报导。

现有技术中聚碳硅烷均匀不熔化处理方法中最常用的是空气不熔化法，即将PCS原纤维在空气中加热至一定温度，使纤维在氧的作用下实现内部交联。然而该方法使纤维中的氧含量增高，而氧的存在对于纤维的高温性能有着非常大的影响。其他不熔化处理方法有有电子束辐射不熔化法、Y射线辐射交联法、化学气相固化法和NO₂+BCl₃处理法，而这些方法的使用导致最终SiC纤维的成本急剧增加。本发明由此而来。

发明内容

本发明目的在于提供一种连续碳化硅纤维的制备方法，解决了现有技术中连续碳化硅纤维连续长度大于500米的产品难以获得、聚碳硅烷原纤维进行不熔化处理的技术存在较多的缺陷等难题。

为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：

一种连续碳化硅纤维的制备方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

(1)通过先驱体转化法制备陶瓷先驱体聚碳硅烷；

(2)将陶瓷先驱体聚碳硅烷在惰性气体保护下加热熔融，在压力作用下纺丝形成聚碳硅烷原纤维；

(3)在氧化性气体中于带软盘装置的不熔化处理炉中，在不损失纤维的状况，严格控制转速达到炉内气温均匀，对聚碳硅烷纤维进行不熔化处理，使其分子氧化交联并增重6～20wt％；

(4)将不熔化处理的聚碳硅烷纤维合股成束，在真空或惰性气体保护下连续通过1100～1400℃的高温炉烧成连续碳化硅纤维。

优选的，所述方法步骤(3)中氧化性气体选自空气、氧气或臭氧；所述不熔化处理方法包括将聚碳硅烷纤维在氧化性气体中逐步加热，升温速度控制在10～50℃/小时，处理时间为3～50小时。

优选的，所述方法步骤(3)中控制聚碳硅烷纤维的交联度控制在70％～99％，聚碳硅烷纤维分子中硅氢键反应程度控制在50～100％，凝胶含量在70～100％。

优选的，所述步骤(3)中不熔化处理的炉内温度温差在1～10℃。

优选的，所述方法步骤(4)具体包括将不熔化处理的聚碳硅烷原纤维等张力合股成纤维束直接通过在惰性气体保护下1200～1400℃的高温炉，经上胶干燥后，缠绕上筒，获得连续SiC纤维。

优选的，所述纤维束一般在400～1200根原纤维/束。

优选的，所述惰性气体选自氮气、氩气。

优选的，所述陶瓷先驱体为聚碳硅烷中含有选自Ti、B、U、Zr、Al元素的有机高分子陶瓷先驱体。

本发明的另一目的在于提供一种连续碳化硅纤维的生产装置，包括纺丝装置和1200～1400℃的高温炉，其特征在于所述纺丝装置与高温炉间设置走丝装置，所述走丝装置包括梳丝装置及梳丝装置间设置的加张装置，多个单股丝束经两梳丝装置及梳丝装置间设置的加张装置输出成合股束丝。

优选的，所述加张装置包括张力钩，所述张力钩上端连接滑块，所述滑块套设在两固定板间的支撑体上，所述滑块的一侧设置扭力弹簧。

优选的，所述固定板外侧设置螺栓可与走丝装置固定连接。

优选的，梳丝装置包括至少两梳丝棒以及梳丝棒间的导丝轮(或导丝鼓或导丝辊)。