[发明专利]一种碳化硅纤维及其制备方法

说明书

本发明涉及一种碳化硅纤维及其制备方法，以市售通用级聚碳硅烷为原料，经溶解、过滤、层析等多种工艺手段获得了纺丝性良好的纯化前驱体，一次成丝密度可达1000～1200根/束，断丝率低于3％。不熔化交联环节采用电子束辐照辅助空气有氧热反应，充分发挥了两种处理方式的优越性，扬长避短，确保了不熔化纤维的低含氧量和高交联度，同时提升了连续碳化硅纤维的力学强度和耐高温稳定性。

技术领域

本发明涉及碳化硅领域，具体涉及一种提高连续碳化硅纤维强度和耐温性的制备方法，及采用该方法制备得到的碳化硅纤维。

背景技术

高性能连续碳化硅纤维相对于碳纤维，具备在有氧环境中更高的耐温性能，与陶瓷基体(如碳化硅陶瓷)相容性好，受冷热冲击时不易产生界面分离；且体积电阻率人为可调，易于制造结构功能一体化材料，历来在航空航天、核工业等领域有着广阔应用前景。

作为高精尖武器装备的关键战略原料，氧含量直接影响碳化硅纤维在高温下的稳定性和强度保持率，是界定纤维代级的核心指标之一。含氧过高，交联过度，则纤维硬脆，缺乏韧性，不仅容易断丝，高温受热时也极易造成碳化硅晶粒分解，力学性能强烈弱化；含氧过低，交联不足，则在烧结制备过程中纤维可能熔化，出现粘连、并丝现象。不熔化处理的常规工艺多以空气有氧交联和电子束辐照为主，空气有氧交联虽能显著改善其强度，但原丝中含氧偏高，往往导致最终纤维的耐热稳定性下降；电子束辐照虽可精确调控氧的摄入剂量，但所获得的连续纤维拉伸强度有限，且设备投资巨大。近年来，该领域科研人员不断尝试新的处理手段，力图获得强度与耐温性的综合提升，并逐渐发展出第一代(含氧量10～13wt％，以日本碳素公司“Nicalon”和宇部兴产“Tyranno Lox-M”牌号通用纤维为代表，有氧环境下可耐热1050℃)、第二代(含氧量2～5wt％，以日本碳素公司“Hi-Nicalon”、宇部兴产“Tyranno Lox-E”牌号特种纤维为代表，有氧环境下可耐热1200～1300℃)，目前已进入第三代近化学计量比型(含氧量＜1wt％，以日本碳素公司“Hi-Nicalon S”、宇部兴产“Tyranno SA”及美国道康宁“Sylramic-iBN”牌号纤维为代表，有氧环境下可耐热1500～1600℃)。因其明确的军事用途，美日企业对我国实行严格的技术封锁和产品禁运，国内相关机构仅突破了第2.5代连续碳化硅纤维制备技术。

高性能碳化硅纤维的制备工艺复杂，影响因素众多，如何制备高性能连续的碳化硅纤维一直是行业的难点。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明目的之一在于经过预处理，获得可满足纺丝要求的聚碳硅烷前驱体；目的之二在于采用电子束辐照和空气有氧热交联有机结合的工艺，提供一种能够同时提高连续碳化硅纤维强度和耐温性的制备方法；目的之三在于采用电子束辐照和空气有氧热交联有机结合的工艺，提供一种性能优异的碳化硅纤维。

为实现以上的一个或多个目的，本发明提供一种提高连续碳化硅纤维强度和耐温性的制备方法，包含如下步骤：

(1)聚碳硅烷预处理，获得纺丝级聚碳硅烷；

(2)聚碳硅烷熔融纺丝，得到聚碳硅烷纤维原丝；

(3)聚碳硅烷纤维原丝不熔化处理，氮气保护下采用电子束辐照辅助空气有氧热交联，获得不熔化纤维；

(4)高温烧结与上浆：在1200～1300℃活性气氛中对不熔化纤维初步预烧1～3hr，再以0.4～0.5m/min的移动速率缓慢通过1400～1500℃氮气保护的5m长度高温管式炉，得到的连续烧结纤维在氮气保护气氛中自然冷却后利用上浆剂上浆处理，即得最终成品。

步骤(1)中，可采用自行合成的聚碳硅烷，也可以市售通用级聚碳硅烷为原料，经溶解、过滤、层析、筛分等工艺处理后得到纺丝级的聚碳硅烷。