[发明专利]一种含铝碳化硅纤维及其制备方法

说明书

本发明公开了一种含铝碳化硅纤维及其制备方法。所述含铝碳化硅纤维包含(Al₄C₃)_m(SiC)_n结构单元，其中m指代铝硅碳单胞中Al₄C₃的层数，m＝1或2，n指代铝硅碳单胞中SiC的层数，n＝1、2、3或4。所述制备方法包括：使低分子聚碳硅烷、含铝化合物、纳米铝粉混合，并将所获混合物于保护性气氛中进行高温反应，得到含铝聚碳硅烷先驱体；将所述含铝聚碳硅烷先驱体进行熔融纺丝、不熔化、高温烧成与烧结处理，制得含铝碳化硅纤维。本发明所获含铝碳化硅纤维具有高化学稳定性、低热膨胀系数、优异的抗氧化和抗辐照性能，具有潜在的应用前景。

技术领域

本发明属于碳化硅纤维制备技术领域，具体涉及一种含铝碳化硅纤维及其制备方法。

背景技术

碳化硅纤维因具有高强度、高模量、低密度、优异的抗腐蚀和抗蠕变性能，以及耐高温氧化性能，并且与金属、陶瓷等具有很好的复合相容性，被用于耐高温陶瓷基复合材料的增强体。此外，连续碳化硅纤维增强碳化硅基(SiC_f/SiC)复合材料具有耐中子辐照能力，同时克服了单体SiC陶瓷的脆性，被认为是下一代核结构材料应用的最佳候选材料之一。

根据纤维组成、结构和性能的发展变化过程，可将先驱体法制备的SiC纤维分为三代(Bunsell A.et al,J.Mater.Sci.,2006,41(3):823-839.)。第一、二代SiC纤维通常使用聚碳硅烷作为先驱体，其突出的特点是C/Si比较高，接近于2，导致最终的SiC纤维具有非化学计量比；第一代SiC纤维一般采用空气进行不熔化(交联)处理，纤维中存在无定形的SiC_xO_y，使得纤维的模量低和高温抗蠕变性能差，且使用温度不超过1300℃；第二代SiC纤维一般采用电子束辐照的方式实现纤维的不熔化，避免引入过多的氧。第二代纤维中β-SiC晶相比例增加，其模量、热导率和高温抗蠕变性能有所提高，但其结构中富余碳的存在使得抗氧化性依然不够理想；第三代SiC纤维为近化学计量比纤维，所用先驱体一般是通过引入异质元素对PCS进行改性，可抑制SiC纤维高温下的晶粒粗化，提高SiC纤维的致密程度，从而提高其耐高温性能。

不同类型SiC纤维及其复合材料的耐辐照性能也不同。在高温(1000℃)、高辐射剂量(80dpa)的条件下对SiC纤维辐照后发现(Youngblood G.E.et al.,J.Nucl.Mater.,1998,258-263:1551-1556)，第一代的高氧高碳型SiC纤维以及第二代的低氧高碳型SiC纤维均呈现不同程度的收缩、密度增大以及结晶和晶粒增大的现象，第三代的近化学计量比SiC纤维呈现略微胀大、密度稍微降低，呈现出与CVD(化学气相沉积)或CVC(化学气相渗透)法制备的β-SiC晶体类似的辐照行为。连续碳化硅纤维增强碳化硅基(SiC_f/SiC)复合材料经辐照后，纤维与基体不同的收缩行为导致复合材料性能的降低。在中度辐照条件下，第一代和第二代的非化学计量比纤维经辐照后呈现出收缩行为，而β-SiC晶体通常呈现出胀大行为，结果造成纤维从复合材料界面处脱粘，造成复合材料力学性能明显下降，而第三代近化学计量比SiC纤维制备的SiC基复合材料表现出优异的抗辐射性能(Koyanagi K.et al.,J.Nucl.Mater.,2017,194:46-54.)。但是在高度辐照条件下，由典型的第三代SiC纤维Tyranno-SA和Hi-Nicalon-S制备的SiC_f/SiC复合材料的性能也具有一定程度的下降(Koyanagi T.et al.,J.Nucl.Mater.,2018,511:544-555)。