[发明专利]一种复合有机前驱体法制备BN-Si3N4复相陶瓷连续纤维的方法

说明书

一种复合有机前驱体法制备BN‑Si₃N₄复相陶瓷连续纤维的方法，本发明以聚硼氮烷和聚硅氮烷所制备的复合有机前驱体为原料，聚硅氮烷有机前驱体的含量占有机前驱体总量的5～25wt％；该复合有机前驱体经熔融纺丝、不熔化以及1500℃以上高温热裂解后得到力学性能和介电性能均优异的BN‑Si₃N₄复相陶瓷连续纤维。

技术领域

本发明涉及一种复合有机前驱体法制备BN-Si₃N₄复相陶瓷连续纤维的新方法，属于耐高温透波陶瓷纤维材料技术领域。

背景技术

随着高超声速飞行器特别是再入飞行器研制的发展，对于飞行器的天线罩(窗)的耐热性能、抗热冲击性能及综合性能提出了更高的要求，以保障飞行器能够在气动热环境下电磁信号的正常传输。当马赫数在10以上时，连续纤维增强的复合材料成为高热力状态下天线罩材料的首要选择。目前，能够用于热透波复合材料的增强纤维主要有石英纤维、氧化铝纤维、氮化硼纤维、氮化硅纤维和硅硼氮纤维等，其中BN纤维是一种能够兼顾低介电损耗、优异力学性能的耐高温陶瓷纤维。

BN纤维在900℃氧气条件下不发生氧化，在惰性气氛下高温稳定性能非常好，2500℃时仍不分解或升华，且高温介电性能尤其突出。然而，熔融纺丝、不熔化后的BN纤维需要经过1800℃以上的高温热处理才能得到拉伸强度大于1.0GPa的高性能陶瓷纤维。

其中，要达到1800℃以上的温度常用的高温电阻炉已经不能满足，通常需要采用(石墨中频)感应加热的方式来满足需求。然而感应加热的方式一方面使得纤维容易受到设备中碳的污染；另一方面由于热处理温度高、加热设备较复杂且耗能高，因而极大地增加了纤维的制造成本。

发明内容

针对现有技术中有机前驱体法制备高性能BN透波陶瓷纤维的热裂解温度过高的问题，本发明的目的是提供一种复合有机前驱体法制备BN-Si₃N₄复相陶瓷连续纤维的新方法。其中，Si₃N₄陶瓷相的量可根据需求通过调节复合有机前驱体的配比而得到调整；采用该方法制得的连续纤维在较低的热处理温度(1600℃)下即可制得，纤维由 BN和Si₃N₄双晶相组成，其中BN相为主相，Si₃N₄为颗粒增强相，使纤维具有优异的介电性能和力学性能。

根据本发明的第一方面，提供一种BN-Si₃N₄复相陶瓷连续纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)将聚硼氮烷有机前驱体和聚硅氮烷有机前驱体在容器中进行混合交联预处理，得到软化点60-80℃的复合有机前驱体；

(2)将所述复合有机前驱体经熔融纺丝获得直径小于20微米的连续原纤维；

(3)对所得原纤维进行不熔化处理；

(4)以连续不熔化纤维为原料，在NH₃下以0.5-5℃/min升温至 900-1000℃，恒温1h-2h；然后在N₂下以0.5-5℃/min升温至 1500-1600℃，恒温1h-5h，得到BN-Si₃N₄复相陶瓷纤维。

优选情况下，步骤(1)中聚硅氮烷有机前驱体占总前驱体质量的5～25wt％。

优选情况下，步骤(1)中所述混合交联预处理工艺为：经165-220℃、真空度为-0.09MPa以下热处理混合2-10h。