一种提高碳化硅纤维强度和模量的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种提高碳化硅纤维强度和模量的制备方法，以二氯二甲基硅烷为原料，合成聚碳硅烷，熔融纺丝得到聚碳硅烷原丝，再经过不熔化处理和高温烧结，在高温烧结过程，施加张力，负牵伸率控制在3％～5％，最后制备得到高强高模的碳化硅纤维。以进一步提高了普通碳化硅的强度和模量，适应航天航空领域对新材料的性能的要求。

【技术实现步骤摘要】
一种提高碳化硅纤维强度和模量的制备方法
本专利技术涉及一种提高碳化硅纤维强度和模量的制备方法，属于耐高温陶瓷纤维制备领域。
技术介绍
随着国防空间技术的快速发展，对新材料的性能要求愈来愈苛刻，迫切需要开发高性能新型材料。SiC陶瓷纤维具有耐高温、低密度、高强度、高模量、耐磨损、抗腐蚀等优异性能，使其作为热结构材料在诸多领域具有广泛的应用前景。如可用于制造先进航空航天器结构部件、高温发动机、涡轮机、原子能反应堆壁、催化剂热交换器及燃烧系统，高温传感器等，在冶金、兵器、电子等工业上也有很多用途。SiC纤维是航天和军事等领域高技术新装备发展的战略性材料，美、日等国对此纤维实行垄断，对我国实行严密的技术封锁和出口限制，国内必须独立自主的开发和研究SiC纤维，尤其是高强高模SiC纤维，才能促进国内先进复合材料的发展和武器装备的研制，提高我国军事实力和综合国力。目前，普通SiC纤维的强度不高，而对于陶瓷基复合材料等应用领域，需要更高的强度和模量。因此，研发提高碳化硅纤维强度和模量是一直是主要发展方向之一。
技术实现思路
为了进一步提高了普通碳化硅的强度和模量，适应航天航空领域对新材料的性能的要求。本专利技术的目的在于提供一种提高碳化硅纤维强度和模量的制备方法。本专利技术的要点是以二氯二甲基硅烷为原料，合成聚碳硅烷，熔融纺丝得到聚碳硅烷原丝，再经过不熔化处理和高温烧结，在高温烧结过程，施加张力，负牵伸率控制在3％～5％，最后制备得到强度和模量提高的碳化硅纤维。一种提高碳化硅纤维强度和模量的制备方法，包括以下步骤：(1)以二氯二甲基硅烷为原料，采用钠砂进行脱氯反应，得到聚二甲基硅烷，在500℃以上发生裂解重排，保温10-15小时后，在320-360℃，进行减压蒸馏除去低分子聚合物，制备得到聚碳硅烷，数均分子量为1200-1600，软化点在200-230℃；(2)将步骤(1)的聚碳硅烷置于熔融纺丝装备中，在氮气保护下加热至完全熔融后，进行脱泡处理，在300-320℃，0.05-0.6MPa压力下，以400-600m/min进行熔融纺丝，得到聚碳硅烷原丝；(3)将步骤(2)得到的原丝进行不熔化处理，在空气气氛下，100-150℃，保温20-24小时，在氮气气氛下，200-250℃，保温10-12小时，得到聚碳硅烷不熔化纤维，不熔化程度在60-80％，上述的不熔化处理可用电子束辐照代替；(4)将步骤(3)得到的聚碳硅烷不熔化纤维，在氮气气氛下，0.4-1m/min的速度连续通过，负牵伸率控制在3％～5％，1300℃左右烧结后，上胶烘干，得到强度和模量提高的碳化硅纤维。其中，上胶过程的胶水为环氧树脂或聚乙烯醇。上述制备过程中所述的氮气的纯度是99.999％。本专利技术公开的一种提高碳化硅纤维强度和模量的制备方法，与现有技术的相比，具有以下积极效果：步骤(1)采用常压中温合成聚碳硅烷，并减压蒸馏，有效控制聚碳硅烷的分子量分布，步骤(3)不熔化过程先后通过空气和氮气气氛，既起到交联作用还可以控制纤维的含氧量，最后，步骤(4)高温烧结过程，负牵伸率控制在3％～5％。以上三个步骤的改进显著提高了碳化硅纤维的拉伸强度和模量。普通碳化硅纤维的平均拉伸强度为2.2GPa，平均模量170GPa，本专利技术制备的强度和模量提高的碳化硅纤维直径为9-13um(如图1)，拉伸强度为2.6-2.8GPa(如图2)，较普通碳化硅纤维提高18-27％，模量200-240GPa(如图3)，较普通碳化硅纤维提高17-41％。附图说明图1强度和模量提高的碳化硅纤维的SEM图图2两种纤维的拉伸强度对比图(A：强度和模量提高的碳化硅纤维；B：普通碳化硅纤维)图3两种纤维的模量对比图(A：强度和模量提高的碳化硅纤维；B：普通碳化硅纤维)具体实施方式下面结合附图对本专利技术的较佳实施例进行详细阐述，以使本专利技术的优点和特征能够被本领域技术人员更好地理解，并对本专利技术的保护范围做出更清楚的界定。实施例1(1)以二氯二甲基硅烷为原料，采用钠砂进行脱氯反应，得到聚二甲基硅烷，在500℃以上发生裂解重排，保温10小时后，在320℃，进行减压蒸馏除去低分子聚合物，制备得到聚碳硅烷，数均分子量为1264，软化点在208℃；(2)将步骤(1)的聚碳硅烷置于熔融纺丝装备中，在氮气保护下加热至完全熔融后，进行脱泡处理，在300℃，0.05MPa压力下，以400m/min进行熔融纺丝，得到聚碳硅烷原丝；(3)将步骤(2)得到的原丝进行不熔化处理，在空气气氛下，120℃，保温24小时，在氮气气氛下，220℃，保温12小时，得到聚碳硅烷不熔化纤维，不熔化程度在64％；(4)将步骤(3)得到的聚碳硅烷不熔化纤维，在氮气气氛下，0.4m/min的速度连续通过，负牵伸率控制在3％，1300℃烧结后，上胶烘干，胶水为环氧树脂，得到强度和模量提高的碳化硅纤维。本实施例之强度和模量提高的碳化硅纤维平均直径为12.4μm，平均拉伸强度为2.63GPa，平均模量为204GPa。实施例2(1)以二氯二甲基硅烷为原料，采用钠砂进行脱氯反应，得到聚二甲基硅烷，在500℃以上发生裂解重排，保温12小时后，在350℃，进行减压蒸馏除去低分子聚合物，制备得到聚碳硅烷，数均分子量为1356，软化点在215℃；(2)将步骤(1)的聚碳硅烷置于熔融纺丝装备中，在氮气保护下加热至完全熔融后，进行脱泡处理，在310℃，0.2MPa压力下，以500m/min进行熔融纺丝，得到聚碳硅烷原丝；(3)将步骤(2)得到的原丝进行不熔化处理，在空气气氛下，150℃，保温20小时，在氮气气氛下，250℃，保温10小时，得到聚碳硅烷不熔化纤维，不熔化程度在72％；(4)将步骤(3)得到的聚碳硅烷不熔化纤维，在氮气气氛下，0.6m/min的速度连续通过，负牵伸率控制在4％，1350℃左右烧结后，上胶烘干，胶水为聚乙烯醇，得到强度和模量提高的碳化硅纤维。本实施例之强度和模量提高的碳化硅纤维平均直径为10.7μm，平均拉伸强度为2.72GPa，平均模量为227GPa。实施例3(1)以二氯二甲基硅烷为原料，采用钠砂进行脱氯反应，得到聚二甲基硅烷，在500℃以上发生裂解重排，保温15小时后，在360℃，进行减压蒸馏除去低分子聚合物，制备得到聚碳硅烷，数均分子量为1537，软化点在220℃；(2)将步骤(1)的聚碳硅烷置于熔融纺丝装备中，在氮气保护下加热至完全熔融后，进行脱泡处理，在320℃，0.6MPa压力下，以600m/min进行熔融纺丝，得到聚碳硅烷原丝；(3)将步骤(2)得到的原丝进行不熔化处理，在空气气氛下，150℃，保温20小时，在氮气气氛下，230℃，保温10小时，得到聚碳硅烷不熔化纤维，不熔化程度在78％；(4)将步骤(3)得到的聚碳硅烷不熔化纤维，在氮气气氛下，1m/min的速度连续通过，负牵伸率控制在5％，1300℃左右烧结后，上胶烘干，胶水为环氧树脂，得到强度和模量提高的碳化硅纤维。本实施例之强度和模量提高的碳化硅纤维平均直径为9.2μm，平均拉伸强度为2.83GPa，平均模量为239GPa。实施例4(1)以二氯二甲基硅烷为原料，采用钠砂进行脱氯反应，得到聚二甲基硅烷，在500℃发生裂解重排，保温12小时后，在330℃，进行减压蒸馏除去低分子聚合物，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高碳化硅纤维强度和模量的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)以二氯二甲基硅烷为原料，采用钠砂进行脱氯反应，得到聚二甲基硅烷，在超过500℃的温度发生裂解重排，保温10‑15小时后，在320‑360℃，进行减压蒸馏除去低分子聚合物，制备得到聚碳硅烷。(2)将步骤(1)的聚碳硅烷置于熔融纺丝装备中，在氮气保护下加热至完全熔融后，进行脱泡处理，在300‑320℃，0.05‑0.6MPa压力下，以400‑600m/min进行熔融纺丝，得到聚碳硅烷原丝。(3)将步骤(2)得到的原丝进行不熔化处理，在空气气氛下，100‑150℃，保温20‑24小时，在氮气气氛下，200‑250℃，保温10‑12小时，得到聚碳硅烷不熔化纤维。(4)将步骤(3)得到的聚碳硅烷不熔化纤维，在氮气气氛下，0.4‑1m/min的速度连续通过，负牵伸率控制在3％～5％，1300℃烧结后，上胶烘干，得到强度和模量提高的碳化硅纤维。

【技术特征摘要】
1.一种提高碳化硅纤维强度和模量的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)以二氯二甲基硅烷为原料，采用钠砂进行脱氯反应，得到聚二甲基硅烷，在超过500℃的温度发生裂解重排，保温10-15小时后，在320-360℃，进行减压蒸馏除去低分子聚合物，制备得到聚碳硅烷；(2)将步骤(1)的聚碳硅烷置于熔融纺丝装备中，在氮气保护下加热至完全熔融后，进行脱泡处理，在300-320℃，0.05-0.6MPa压力下，以400-600m/min进行熔融纺丝，得到聚碳硅烷原丝；(3)将步骤(2)得到的原丝进行不熔化处理，在空气气氛下，100-150℃，保温20-24小时，在氮气气氛下，200-250℃，保温10-12小时，得到聚碳硅烷不熔化纤维；(4)将步骤(3)得到的聚碳硅烷不熔化纤维，在氮气气氛下，0.4-1m/min的速度连续通过，负牵伸率控制在3％～5％，1300℃烧结后，上胶烘干，得到强度和模...

【专利技术属性】
技术研发人员：李凯娜，冯春祥，马小民，田秀梅，杜亮，
申请(专利权)人：江苏赛菲新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32