[发明专利]非氧化物烧结的陶瓷纤维

说明书

本发明涉及用于绝缘和增强目的的陶瓷纤维，更具体讲是涉及适用于这些用途的非氧化物纤维。

陶瓷纤维在现有技术中用于包括绝缘和一定范围的增强等多种用途中已有相当长久的时期。可考虑作为陶瓷纤维的例子是天然产出的石棉纤维，但由于有损健康现已不宜使用。另外，很长时间以来，氧化铝，氧化硅，铝硅酸盐纤维已被用于多种用途，包括用于增强、绝缘和作为填料。然而，这种含氧的纤维并不具备用于某些高性能用途所需要的特性。具体地说，这类氧化物型纤维常常达不到与用其增强的基质材料热膨胀系数尽可能相近的要求，和通常不具备在很高温度操作所希望有的耐热性能。另外，氧化物纤维的抗腐蚀性在某些环境中，例如在熔融金属中常常达不到要求。再者，在增强应用中，很多氧化物并不具有按增加劲度所希望高的弹性模量。可在美国专利（U.S.pat    4071594;4250    131;3808015和3992498中找到这种氧化物型纤维的例子。

在现有技术中的这类氧化物纤维一般通过对前体物质的熔融纺丝，或吹制或拉伸来制备，该前体物质中有时包括氧化物粉末，然后一般转化成氧化铝物质。这类方法，对于极高温度的非氧化物陶瓷来讲，一般并不适用。这类极高温度非氧化物陶瓷在可操作的温度并不熔融，而事实上在熔融前它们会分解或升华。曾经尝试通过某些前体的方法来制备非氧化物陶瓷纤维，例如在美国专利U.S.pat    3529044;4117057和4158687中所描述。然而，这类纤维并不如所希望的那样好，因为这类前体倾向在纤维中留下大量的物质，例如氧、常常会损害纤维的特性，通常会降低强度，耐温性能和抗化学侵蚀性能。

不过亦曾尝试将非氧化物陶瓷材料用于高温绝缘或高性能增强方面。这种增强材料的一个例子是碳化硅单晶纤维，有些人认为应列入纤维的总类别中。这种单晶纤维事实上被认为是一种单一的伸长晶体，而这种晶体即使用分批式方法也十分难制备，并且十分昂贵。另外，这类能够制备的单晶纤维的直径和长度都受很大限制。另外一些制备非氧化物陶瓷纤维的尝试通常并不很成功，因为一般有物料掺进纤维中，使纤维并不具有高性能特征。

因此需要一种最好能够连续制备成各种规格，包括横截面形状和长度具各种规格的高纯度高性能非氧化物陶瓷纤维。希望有这样一种纤维，该纤维在1700℃和更高的温度在一种惰性气体气氛中具有化学和物理稳定性，并且甚至在1500℃和更高的温度在空气中也是稳定的。

另外，现有技术制备的陶瓷纤维一般都难以处理，特别是希望利用这类纤维来生产纺织物时，尤其如此。因此希望有一种方法和一种产品，能够使准备研制的织造物含有非氧化物陶瓷纤维。

一种特别使人注意的现有技术专利是美国专利（U.S.pat    4559191），该专利描述了通过静水压将一种陶瓷粉末压制成一种纤维，以之作为一种中空聚合物纤维的核心。这种方法的缺点是明显的，即很难将粉末压进中心，且并水压加工设备及费用昂贵。另外，预期此纤维不能具备高的横截面纵横比以使得沿长轴方向达到改进的抗弯强度。再者，美国专利4559191号的纤维预期不具备平滑的表面，这种平滑表面对于减少缺陷是需要的。事实上，因为一般都知道各向等压烧结的制件比拉制或挤出烧结的制件具有较粗糙的表面。因此这里所说的“平滑”是指比用同一材料制成同一形状的各向等压制件的表面更为平滑。当这类平滑的制作足够大时，表面的特征一般是不会散射光线，因此能明亮的反射光线，即表面呈现光泽并且一般会反射影像。另一方面，一种烧结的各向等压制品的“粗糙”表面由于光散射的结果而倾向于是无光泽。然而，“平滑”并不意味着排除那些不是圆形或椭圆形的横截面。沿着纵向轴具有比较均匀横截面的表面能够从其表面反射光，例如星形横截面。

因此根据本发明，提供一种高温的，最好是多晶的，具有可选择直径在1至200微米之间的陶瓷纤维。这种纤维在温度约1700℃以上在一种惰性气体气氛中是稳定的，在温度1500℃以上甚至在空气中通常是稳定的。此纤维包括一种烧结的陶瓷粉末，该粉末的最大粒径小于纤维的直径，平均粒径小于纤维直径的0.2倍。此陶瓷粉末在温度约1700℃以上在一种惰性气体气氛中亦是稳定的。陶瓷中至少90%是选自硼化物，氮化物，碳化物和硅化物。这种纤维的特征是与通常由各向等压加工所得的粗糙表面相比具有平滑的表面。这种纤维最好具有高的横截面纵横比并且具有不圆度以在增强中提高劲度。此纤维亦因表面为锯齿形而具有能更好地粘结的优点。