[发明专利]聚碳硅烷与金属氧化物物理共混制备超高温陶瓷纤维的方法

说明书

技术领域

本发明涉及耐超高温陶瓷纤维技术领域，具体的涉及一种聚碳硅烷与金属氧化物物理共混制备超高温陶瓷纤维的方法。

背景技术

连续纤维增强的超高温陶瓷基复合材料在兼具超高温陶瓷的高比拉伸强度、高熔点、耐高温和抗烧蚀等优异性能的同时，大幅提高了材料的断裂韧性，是超高温材料研究的热点，在航空航天和高性能武器装备领域具有广阔的应用前景。目前超高温陶瓷基复合材料所用的增强纤维主要为碳纤维和SiC纤维。碳纤维具有密度小、拉伸强度高、比模量高、热膨胀系数小、在惰性气氛中热稳定性好的优点，但在氧化性气氛中，碳纤维在300℃以上即开始氧化，虽然通过纤维涂层的方式可改善其耐高温氧化性能，但是仍难以满足超高温陶瓷基复合材料对增强体耐高温氧化的性能要求。

SiC纤维具有高拉伸强度、低密度、耐高温氧化、耐化学腐蚀、耐热冲击、高的抗拉拉伸强度、良好的抗蠕变性能以及与陶瓷基体良好的相容性等优异性能，是先进复合材料常用的增强纤维。但目前工业化生产的SiC陶瓷纤维，其最高使用温度仅到1800℃，难以满足超高温陶瓷基复合材料对增强体耐超高温性能的要求。研究发现，向SiC材料中掺杂难熔金属可显著提高材料的耐高温性能，美国宇航局的Loehman R,Corral E,Dumm H P,Kotula P,Tandon R.等人在《Ultra-high temperature ceramics for hypersonic vehicle application》在《Sandia Report》《Sandia National Laboratories》在SAND.2006-2925,1-46中公开中一种方法，该方法将ZrB₂、ZrC和HfB₂等掺杂到SiC材料中，制备了二元和三元复相陶瓷。研究结果表明，高熔点化合物组成元素的掺杂大大提高了材料的耐温性能。俄罗斯的Fahrenholtz W,Hilmas G,Talmy I,Zaykoski J.《Refractory diborides of zirconium and hafnium》在《J.Am.Ceram.Soc.》的2007,90,1347-1364.中公开了一种方法，该方法把高熔点、抗烧蚀、抗冲刷的ZrC掺杂到Cf/SiC喉衬材料烧蚀层中，耐温性达到了3800℃。日本的Tyranno研发出的ZM型陶瓷纤维即通过引入少量的Zr而显著提高了SiC纤维的耐温性能(参见Yamamura T,Ishikawa T,Shibuya M,Hisayuki T,Okamura K.Development of a new continuous Si-Ti-C-O fibre using an organometallic polymer precursor.J.Mater.Sci.,1988,23,2589-2594.)。

但是，通过向先驱体或纤维中掺杂难熔金属或其化合物的方法制备耐超高温纤维仍存在不少技术难点，主要表现在以下几个方面：(1)难熔金属引入量较低(仅为2wt％)，对纤维耐温性能的提升不明显；(2)难熔金属及其化合物难以在先驱体或超高温纤维中均匀分布；(3)纤维耐超高温性能与先驱体的成型性能难以兼顾。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于解决背景介绍中提到的现有技术中存在的问题的聚碳硅烷与金属氧化物物理共混制备超高温陶瓷纤维的方法。

本发明提供一种聚碳硅烷与金属氧化物物理共混制备超高温陶瓷纤维的方法，包括以下步骤：1)在溶剂存在的情况下依序对混合后的聚碳硅烷、金属氧化物和分散剂进行高速分散和球磨，除去溶剂得到混杂先驱体；2)对混杂先驱体依序进行连续熔融纺丝、不熔化处理和高温热解处理，得到超高温陶瓷纤维；金属氧化物为氧化钽或氧化铪。

进一步地，聚碳硅烷的软化点范围为180～300℃。

进一步地，金属氧化物为粒径1nm～200nm，纯度大于85wt％的粉末。

进一步地，溶剂为甲苯、二甲苯或正己烷中任一种。

进一步地，聚碳硅烷、金属氧化物、分散剂与溶剂按重量比为100：1-60：0.1-10：20-100。

进一步地，高速分散条件为：转速1000～4000rpm，分散30～120分钟；球磨条件为球磨6～48小时。

进一步地，熔融纺丝条件为纺丝温度230-400℃。

进一步地，不熔化处理为电子束辐照交联。

进一步地，热解处理条件为：热解温度1000～1600℃，热解时间为30分钟～2小时。