耐高温碳化硅纤维的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种耐高温碳化硅纤维的制备方法，包括步骤：将聚二甲基硅烷和铝粉反应得到含铝聚硅烷；将含铝聚硅烷、硼烷和二甲苯混合均匀，加热至80‑100℃后保温预设时间；保温结束后升温并进行加压蒸馏，将蒸馏产物冷却至室温，得到含硼单体；将含铝聚硅烷、含硼单体和二乙烯基苯反应得到粗产物聚碳硅烷；将粗产物聚碳硅烷溶解、过滤、蒸馏，经熔融纺丝、不熔化处理和高温裂解，得到碳化硅纤维。本发明专利技术制备得到的碳化硅纤维表面光滑，力学性能优异，耐高温性能极佳；在1200℃空气环境中处理48h后，强度保留率仍能达到85％以上，瞬时使用温度可达1800℃，在高性能纤维领域内具有广泛的实用价值和应用前景。 1

【技术实现步骤摘要】
耐高温碳化硅纤维的制备方法
本专利技术涉及高性能纤维
，具体涉及一种耐高温碳化硅纤维的制备方法。
技术介绍
SiC纤维是一种新型高技术陶瓷纤维，其具有比强度高、比模量大、线膨胀系数小、耐高温性能好等优点。且其与金属、陶瓷、聚合物具有良好的相容性，在航空航天、武器船舶制造等领域具有极为广泛的应用前景。目前，SiC纤维的制备方法通常有以下几种：超细微粉烧结法、化学气相沉积法、先驱体转化法、活性炭纤维转化法等。其中，先驱体转化法是较为成熟且已实现工业化生产的方法，是SiC纤维制备的主流方法。先驱体转化法制备SiC纤维大致分为四大工序：PCS先驱体的合成、PCS纤维的熔融纺丝、PCS原纤维的不熔化处理以及不熔化纤维的高温烧成。利用有机物热分解转化，可制得细直径、均匀性好的连续SiC纤维。但是目前先驱体转化法制备的SiC纤维仍然存在含氧量高、富含游离碳等问题，同时在高温下β-SiC晶粒迅速长大，严重影响了SiC纤维的高温性能。在SiC纤维中引入异质元素是提高SiC纤维高温性能的可行因素。研究表明，异质元素能有效抑制高温下β-SiC晶粒的长大，愈合纤维在烧成过程中产生的裂纹，成为SiC纤维发展的新趋势。目前已有商品名为TyrannoLox、ZE、SA、Sylramic等一系列含有Ti、Zr、Al、B的SiC纤维。Al、B是SiC粉体在烧结过程中最有效的助剂之一，已被广泛应用于SiC纤维的生产。但是Al、B元素的引入是阻碍其发展的关键问题。目前，铝元素的引入主要由液态聚硅烷和乙酰丙酮铝反应获得；硼元素的引入一般有三种方法：(1)利用硼烷或硼氮烷改性SiC先驱体PCS；(2)将含硼物质与聚碳硅烷共混，获得含硼先驱体；(3)采用含硼气氛对原丝进行不熔化处理。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术目的在于提供一种耐高温碳化硅纤维的制备方法，制备得到的SiC纤维表面光滑，力学性能优异，耐高温性能极佳；在1200℃空气环境中处理48h后，强度保留率仍能达到85％以上，瞬时使用温度可达1800℃，在高性能纤维领域内具有广泛的实用价值和应用前景。为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案为：第一方面，本专利技术提供了一种碳化硅纤维的制备方法，包括步骤：S1：将聚二甲基硅烷和铝粉反应得到含铝聚硅烷；S2：将含铝聚硅烷、硼烷和二甲苯混合均匀，加热至80-100℃后保温预设时间；保温结束后升温至120-140℃进行加压蒸馏，将蒸馏产物冷却至室温，得到含硼单体；S3：将含铝聚硅烷、含硼单体和二乙烯基苯反应得到粗产物聚碳硅烷；S4：将粗产物聚碳硅烷溶解、过滤、蒸馏，经熔融纺丝、不熔化处理和高温裂解，得到碳化硅纤维。优选地，本专利技术采用的聚二甲基硅烷的分子量为2600-3300，硼烷为二甲基胺硼烷。步骤S4中，溶解、过滤具体包括：将粗产物聚碳硅烷经二甲苯溶解、过滤、减压蒸馏，得聚碳硅烷细料。熔融纺丝具体包括：将聚碳硅烷细料置于熔融纺丝筒，惰性气氛下1-2小时加热至200-220℃保温，随后加压至3-4MPa，熔体流经过滤网、喷丝板流出，得纤维束。不熔化处理具体包括：将上述所得纤维束放入丝盘空气环境中进行不熔化处理，得到交联纤维，其中温度控制为：1小时升温至160-180℃保温2-4小时，随后在N2或Ar气氛中400-420℃保温6-8小时。高温裂解具体包括：将交联纤维放在烧结炉中，通N2或Ar，3-5小时升温至1100-1200℃，保温2-4小时；1-2小时升温至1800℃，保温1小时，2小时降至室温。S1中，聚二甲基硅烷和铝粉的质量比为(2-5):100。S1具体包括步骤：将聚二甲基硅烷与纳米铝粉均匀地置于高压釜中，通入N2置换3-5次，并预加压强1-2MPa；然后于2h时升温至450-480℃，保温6-8小时；再随炉冷却，所得液态产物，即为含铝聚硅烷。S2中，含铝聚硅烷、硼烷和二甲苯的体积比为(2-1):1:(2-3)。S2中，保温的时间为10-12h，保温过程保持匀速搅拌。S2中，升温的速率为2-3℃/min，加压蒸馏的压强为0.2-0.5MPa。S3中，含铝聚硅烷、含硼单体和二乙烯基苯的体积比为(1-3):1:(0.05-0.1)。S3具体包括步骤：将含铝聚硅烷、含硼单体和二乙烯基苯均匀混合置于高压釜中，通入N2置换3-5次，然后在常压下升温至420-460℃后保温4-6小时；再随炉冷却至室温，得到粗产物聚碳硅烷。S3中，升温的速率为100-150℃/h。第二方面，本专利技术还保护通过上述方法制备得到的碳化硅纤维。本专利技术也保护碳化硅纤维在航空航天、武器船舶制造等
中的应用。本专利技术以物理共混的方式在PDMS中引入纳米铝粉，以化学反应的方式在反应中间过程制备含硼单体，以含铝液态聚硅烷和含硼单体共同反应制备SiC纤维。引入Al和B异质元素，可以有效抑制SiC纤维中β-SiC晶粒在高温下的急剧长大，提高了SiC纤维的力学性能；同时，高温反应过程中形成流动性良好的B、Al陶瓷相，愈合高温下体积收缩产生的裂纹，提高了SiC纤维的耐高温性能。本专利技术提供的技术方案，具有如下的有益效果：(1)本专利技术在原料PDMS中以物理共混的方式引入异质元素Al；随后在中间反应过程中引入硼元素，抑制β-SiC晶粒在烧结过程中的晶粒长大；同时形成流动性良好的Al、B陶瓷相，弥补纤维烧结过程中因体积收缩造成的缺陷，以此提高SiC纤维的力学性能和耐高温性能；本专利技术提供的制备方法简单，生产过程中不产生有毒、有害物质；(2)本专利技术制备得到的SiC纤维表面光滑，力学性能优异，耐高温性能极佳；在1200℃空气环境中处理48h后，强度保留率仍能达到85％以上，瞬时使用温度可达1800℃，在高性能纤维领域内具有广泛的实用价值和应用前景。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为自常规商店购买得到的。以下实施例中的定量试验，均设置三次重复实验，数据为三次重复实验的平均值或平均值±标准差。本专利技术提供一种碳化硅纤维的制备方法，包括步骤：S1：将聚二甲基硅烷(PDMS)与纳米铝粉以(2-5):100的质量比均匀地置于高压釜中，通入高纯N2置换3-5次，并预加压强1-2MPa；然后于2h时升温至450-480℃，保温6-8小时；再随炉冷却，所得液态产物，即为含铝聚硅烷。S2：将含铝聚硅烷、硼烷和二甲苯以(2-1):1:(2-3)的体积比混合均匀，加热至80-100℃后保温10-12h，保温过程保持匀速搅拌；保温结束后以2-3℃/min的速率升温至120-140℃进行加压蒸馏，压强为0.2-0.5MPa，将蒸馏产物冷却至室温，得到含硼单体。S3：将含铝聚硅烷、含硼单体和二乙烯基苯(DVB)以(1-3):1:(0.05-0.1)的体积比均匀混合，置于高压釜中，通入N2置换3-5次，然后在常压下以100-150℃/h的速率升温至420-460℃，保温4-6小时；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳化硅纤维的制备方法，其特征在于，包括步骤：

【技术特征摘要】
1.一种碳化硅纤维的制备方法，其特征在于，包括步骤：S1：将聚二甲基硅烷和铝粉反应得到含铝聚硅烷；S2：将所述含铝聚硅烷、硼烷和二甲苯混合均匀，加热至80-100℃后保温预设时间；保温结束后升温至120-140℃进行加压蒸馏，将蒸馏产物冷却至室温，得到含硼单体；S3：将所述含铝聚硅烷、所述含硼单体和二乙烯基苯反应得到粗产物聚碳硅烷；S4：将所述粗产物聚碳硅烷溶解、过滤、蒸馏，经熔融纺丝、不熔化处理和高温裂解，得到碳化硅纤维。2.根据权利要求1所述的碳化硅纤维的制备方法，其特征在于：S1中，所述聚二甲基硅烷和所述铝粉的质量比为(2-5):100。3.根据权利要求1所述的碳化硅纤维的制备方法，其特征在于，S1具体包括步骤：将聚二甲基硅烷与纳米铝粉均匀地置于高压釜中，通入N2置换3-5次，并预加压强1-2MPa；然后于2h时升温至450-480℃，保温6-8小时；再随炉冷却，所得液态产物，即为含铝聚硅烷。4.根据权利要求1所述的碳化硅纤维的制备方法，其特征在于：S2中，所述含铝聚硅烷...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴宝林，侯振华，
申请(专利权)人：江西嘉捷信达新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江西,36