[发明专利]一种高耐温性的高结晶近化学计量比连续SiC纤维的制备方法

说明书

本发明提供了一种高耐温性的高结晶近化学计量比连续SiC纤维的制备方法：1)聚碳硅烷类聚合物与异质元素化合物反应制备先驱体，然后对先驱体进行纺丝，得到连续原纤维；2)对连续原纤维进行不熔化处理后进行预烧和烧结，得到高耐温性的高结晶近化学计量比连续SiC纤维。本发明通过在先驱体合成过程中在纤维中引入异质元素，然后在不熔化或者高温预烧和烧结过程中在纤维中引入硼化物，利用异质元素和硼化物的协同作用，使SiC纤维晶粒在预烧和烧结的高温环境下急剧长大的同时，避免SiC纤维出现疏松多孔的结构，实现致密化，从而得到致密的高结晶近化学计量比连续SiC纤维。

技术领域

本发明涉及连续SiC纤维技术领域，具体涉及一种高结晶近化学计量比连续SiC纤维的制备方法。

背景技术

由于具有高强度、高模量、耐高温、抗氧化、耐腐蚀、抗蠕变、耐磨等优异特性，连续SiC纤维在航空航天、武器装备等高技术领域有重要的应用前景。理论上，碳与硅元素以sp3杂化排列成共价键，形成具有金刚石结构的SiC晶体，纯β-SiC晶体的耐温性能可高达2600℃。但是，目前现有的SiC纤维的耐温性能却远达不到此理论温度，根本原因在于先驱体转化法制备的SiC纤维并不是由纯β-SiC晶体组成。以日本碳公司Nicalon NL202纤维为例，该纤维属于实现工业化生产的第一代SiC纤维，是由聚碳硅烷(Polycarbonsilane,PCS)纤维经过空气不熔化处理和1200～1300℃烧成，是一种富C(C/Si原子比约为1.4)、富O(氧含量>10wt％)的Si-C-O纤维。纤维呈无定形状态，其中存在少量的SiC微晶，微晶尺寸约1～2nm，纤维中多余的氧和碳均以SiC_xO_y复合相的形式存在，而SiC微晶分散在由SiC_xO_y复合相构成的连续相中。当这种纤维被热处理到1300℃以上时，发生如下式反应，纤维中的SiC_xO_y复合相便会剧烈分解产生CO和SiO：

SiC_xO_y(s)→SiC(s)+CO(g)+SiO(g)

分解产生的CO和SiO气体从纤维中逸出，留下大量孔洞缺陷。在高温下，纤维中的游离碳还会与SiO(g)发生碳热还原反应：

C+SiO(g)→SiC+CO(g)

这一反应同样会产生微孔等缺陷，同时也会导致β-SiC晶粒迅速长大，纤维表面粗糙化。随着热处理温度的提高，纤维形状不再保留，成为疏松的晶粒团聚体，这会导致纤维强度下降以至完全丧失。因此，制备致密的、高结晶的、C/Si为近化学计量比的连续SiC纤维，才能进一步提高纤维的耐高温性能。