非氧化物烧结的陶瓷纤维制造技术

一种直径选择在１至２００微米之间的高温多晶陶瓷纤维，它在温度１７００℃以上在一种惰性气氛中是稳定的，在温度１５００℃以上甚至在空气中通常也是稳定的。该纤维包括最大粒径小于纤维直径，并且平均粒径小于纤维直径０．２倍的一种烧结陶瓷粉末。至少９０％的陶瓷材料是选自硼化物，碳化物，氮化物和硅化物。纤维的圆度大于１．１５，并具有平滑的表面。（*该技术在2008年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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.pat4071594;4250131;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.pat3529044;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.pat4559191)，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。因此根据本专利技术，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。这种纤维及其制备是特别意想不到的，因为在本专利技术以前未能预料到一种制品能具有如此的特性，以及这样小的横截面能从一种非常氧化物陶瓷粉末烧结而成。本专利技术进一步包括一种可烧结的可纺织单丝，即可机械织造、可纺纱和可针织的单丝，包括含有高温可烧结陶瓷粉末颗粒的一种屈挠性聚合物基质。颗粒的平均粒径小于可烧结单丝的直径的0.15倍，最好是亚微米细粒。这种陶瓷粉末颗粒选自适于制陶瓷的硼化物，氮化物，碳化物，碳化物和硅化物。单丝的直径为2至300微米。本专利技术亦包括如前所描述通过可烧结的可纺织单丝的烧结来制备高温陶瓷纤维的方法，并且包括含有这种单丝的复合物。附图说明图1-6为根据本专利技术制备的纤维的显微照片。前面已讨论过，现已意外地发现可从未经涂覆的非氧化物陶瓷粉末烧结成直径为1至200微米之间的非氧化物陶瓷纤维。这纤维通常包括另一种元素的硼化物，碳化物，氮化物或硅化物，即当这种化合物是硅化合物时这种另一种元素不是硅，当化合物是硼化物时这种另一种元素不是硼，这些另一种元素选自铝、硼、铬、铪、钼、铌、硅、钽、钛、钨、钒和锆。合适的陶瓷粉末，例如可以选自B4C、HfC、NbC、SiC、TaC、VC、WC、ZrC、CrB2、HfB2、NbB2、TaB2、TiB2，VB、WB、ZrB2、AlN、HfN、NbN、Si3N4、TaN、TiN、VN、ZrN、Mo5Si3、MoSi2和ZrSi以及它们的混合物等陶瓷物料粉末。根据本专利技术特别希望使用的陶瓷是二硼化钛(TiB2)，碳化硅(SiC)和碳化硼(B4C)。已经发现根据本专利技术的要求这些物质加进小量的烧结助剂是可以烧结的，并且所有这些物质在超过2200℃温度是稳定的。因此根据本专利技术的纤维可以主要由非氧化物陶瓷材料所组成，即几乎总是含有大于90%和最好大于95%的非氧化物。因此本专利技术氧化物的特性并不因氧化物相的操作而受到重大的影响，而现有技术中通过其它方法，例如使用前体制备的非氧化物陶瓷纤维就不能免受影响。烧结的方法除存在屈挠性聚合物基质以外，与美国专利U.S.pat4123286中所示描述的方法类似。聚合物基质可以包括任何合适的聚合物，包括酚醛，聚烯烃，包括聚氯乙烯在内的聚囟代烯或不含在高温会使陶瓷材料分解的原子的其它聚合物。树脂本身必须能在烧结温度或低于烧结温度分解形成挥发性产物或在一些情况下生成有助烧结过程的少量残余碳。特别理想的聚烯烃是聚乙烯和聚丙烯。包括在形成该可纺织纤维组合物中的烧结助剂是那些为本专业人士所熟悉的烧结助剂。这类烧结助剂中不包括碳(因为碳通常至少可以部分地通过在体系中的聚合物和其它有机化合物来提供，有时至少亦可由亚微米的碳粉来提供，而是那些为本专业人士所熟悉的专用于涂层的烧结助剂。当陶瓷粉末是碳化硅的时候，一种特别理想的烧结助剂是碳化硼，其用量通常为碳化硅用量的0.2-1%(重量)。颗粒的平均粒径本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高温多晶陶瓷纤维，其中该纤维包括选自铝、硼、铬、铪、钼、铌、硅、钽、钛、钨、钒和锆不同元素所组成的一种硼化物，碳化物、氮化物或硅化物，并且其中所述纤维的直径在１至２００微米之间，所述纤维在温度约１７００℃以上在一种惰性气氛中是稳定的，所述的纤维包括一种具有最大粒径小于纤维直径并且平均粒径少于纤维直径的０．２倍的烧结陶瓷粉末，所述的纤维的圆度大于１．１５，所述的纤维具有平滑的表面，所述的陶瓷粉末在温度１７００℃以上，在一种惰性气氛中是稳定的，所述的陶瓷中至少９０％选自Ｂ↓〔４〕Ｃ，ＨｆＣ，ＮｂＣ，ＳｉＣ，ＴａＣ，ＶＣ，ＷＣ，ＺｒＣ，ＣｒＢ↓〔２〕，ＨｆＢ↓〔２〕，ＮｂＢ↓〔２〕，ＴａＢ↓〔２〕，ＴｉＢ↓〔２〕，ＶＢ，ＷＢ，ＺｒＢ↓〔２〕，ＡＩＮ，ＨｆＮ，ＮｂＮ，Ｓｉ↓〔３〕Ｎ↓〔４〕，ＴａＮ，ＴｉＮ，ＶＮ，ＺｒＮ，Ｍｏ↓〔５〕Ｓｉ↓〔３〕，ＭｏＳｉ↓〔３〕，Ｚｒ↓〔５〕Ｓｉ↓〔３〕和它们的混合物。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：弗朗西斯J弗雷谢特，沃尔夫纲DG博卡，卡尔休斯麦克默特里，马丁理查德卡斯普里赛克，
申请(专利权)人：斯坦科尔公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]