[发明专利]铍、铪共掺杂的碳化硅/氮化硼纤维及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种铍、铪共掺杂的碳化硅/氮化硼纤维及其制备方法与应用。包括以下步骤：首先制备铍、铪共掺杂的碳化硅/氮化硼先驱体，之后进行先驱体的熔融纺丝和碳化硅/氮化硼纤维的烧结处理。本发明在先驱体中引入铍、铪，硼和氮元素，在烧结过程中再次引入N元素，制备的碳化硅/氮化硼纤维中含有铍、铪，力学性能好，耐高温性能极佳；特别是碳化硅/氮化硼纤维界面处有碳氮化硅纳米，制备的碳化硅/氮化硼纤维常温下强度3.7±0.2GPa，弹性模量270±20GPa；在1100℃空气环境中处理100h后，强度保留率仍能达到86％以上，在高性能纤维领域内，例如电磁波透过材料的天线窗和天线罩等具有广泛的实用价值和应用前景。

技术领域

本发明涉及高性能陶瓷纤维技术领域，具体涉及一种铍、铪共掺杂的碳化硅/氮化硼纤维及其制备方法与应用。

背景技术

碳化硅(SiC)纤维是一种高强高模、抗氧化、耐磨、耐腐蚀、比重小等优良性的陶瓷纤维。世界各国先后对制备连续SiC纤维开展了广泛的研究，在航空、机械、化工、航天、武器等高尖端领域具有极为广泛的应用前景。目前，SiC纤维的强度可达3.0±0.4GPa，模量可达200±20GPa，使用温度可达1000℃。由于其室温强度较低及韧性不足而使其应用受到一定限制，为了提高碳化硅材料的强度和韧性，SiC纤维通过不同的界面处理，可适用于不同的聚合物基、金属基、陶瓷基复合材料增强材料的强度和韧性。

目前，制备连续SiC纤维的主要方法有4种：先驱体转化法(Polymer-Derived，PD)、化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，CVD)、活性碳纤维转化法和超微细粉高温烧结法，其中，只有先驱体转化法(PD)和化学气相沉积法(CVD)实现了商品化制备。活性碳纤维转化法，所得纤维的强度和模量均不高；超细微粉烧结法制备的纤维大量富碳、丝径较粗、强度较低，抗氧化性较差。CVD法是以连续的碳纤维和甲基硅烷类化合物为原料，在氮气流下于灼热的芯丝表面上反应，裂解为SiC并沉积在芯丝上而制得。CVD法制备的连续SiC纤维直径较粗(100μm)，主要以单丝形式增强金属基材料。PD法是目前制备细直径连续SiC纤维的主要方法，已实现工业化生产，其工艺路线包括先驱体的合成、先驱体的熔融纺丝、将可溶可熔的原纤维进行不熔化处理及不熔化纤维的高温烧成等四大工序。先驱体法具有纤维直径细、可制备不同截面形状、成本低、极适合工业化生产等特点，并且弥补了CVD法不易编织、难于制造复杂形状构件的不足。但是先驱体转化法在不熔化处理过程中，若采用经济的空气交联法，容易引入大量氧元素。SiC纤维中大量氧以SiCxOy的无定型态存在，高温下极易发生热分解，使得SiC纤维高温下性能急剧下降。改进纤维不熔化工艺，降低SiC纤维中的氧含量，对提高SiC纤维高温性能具有重要意义。

含B的SiC纤维具有良好的高温性能，B的引入可有效抑制高温烧结过程中SiC晶粒长大，保证了纤维的高温力学性能。金属铍具有密度低、熔点高、导电性好、抗腐蚀性强等优点，含铍碳化硅纤维具有高导热性，据报道，含铍碳化硅的传热系数比传热性能最好的氧化铍高20％，是碳化硅的传热系数的3～4倍。

此外，虽然SiC纤维都已被广泛研究，但从高温性能、热稳定性和编织性能等方面考虑，由于目前已有的超高温陶瓷存在抗热冲击性差或者热导率低等缺点。因此，设计和制备纤维增强超高温陶瓷基复合材料是超高温陶瓷发展的必然趋势。

发明内容