一種采用空氣不熔化進(jìn)行低氧含量連續(xù)SiC纖維制備的方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供一種采用空氣不熔化進(jìn)行低氧含量連續(xù)SiC纖維制備的方法，通過連用低溫空氣不熔化和熱交聯(lián)，相對現(xiàn)有制備方法在空氣不熔化步驟后增加了熱交聯(lián)處理，避免了僅通過提高空氣不熔化處理溫度導(dǎo)致的纖維氧含量過高的問題，同時也避免了低溫空氣不熔化處理后直接進(jìn)行高溫裂解導(dǎo)致的纖維并絲的問題，從而制得了氧含量在10wt％以下且纖維各項性能較好的連續(xù)SiC纖維。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及連續(xù)SiC纖維
，具體的涉及一種采用空氣不熔化進(jìn)行低氧含量連續(xù)SiC纖維制備的方法
技術(shù)介紹
連續(xù)SiC纖維具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、抗氧化、抗蠕變、耐腐蝕、陶瓷基體相容性好等一系列優(yōu)異的性能，是一種非常理想的增強(qiáng)纖維，在航天、兵器、船舶和核工業(yè)等一些高
具有廣泛的應(yīng)用前景，是武器裝備以及航空航天事業(yè)的戰(zhàn)略性原材料。例如，由連續(xù)SiC纖維增強(qiáng)的碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(SiCf/SiC)，具有強(qiáng)度高、密度低、使用溫度高等特點。將其運用于高重比發(fā)動機(jī)，能實現(xiàn)顯著減重，是替代現(xiàn)有超高溫耐熱合金的最佳選擇。目前，SiCf/SiC復(fù)合材料已被廣泛應(yīng)用于航空航天發(fā)動機(jī)的耐熱部件、超音速運輸推進(jìn)系統(tǒng)、原子核反應(yīng)堆材料等領(lǐng)域中。綜合國內(nèi)外的文獻(xiàn)報道[Bunsell,A.R.；Piant,A.A review of the development of three generations of small diameter silicon carbide fibres,J.Mater.Sci.2006,41,823–839.和Colombo,P.；Mera,G.；Riedel,R.；Sorarù,G.D.Polymer-derived ceramics:40years of research and innovation in advanced ceramics.J.Am.Ceram.Soc.2010,93,1805-1837.]可知，以聚碳硅烷(PCS)作為先驅(qū)體，制備連續(xù)SiC纖維的方法可分為三代：(1)第一代產(chǎn)品的制備采用的是空氣不熔化，典型代表為日本碳公司(Nippon Carbon)的Nicalon NL202纖維和日本宇部興產(chǎn)公司(Ube Industries)的Tyranno LoxM纖維，Tyranno LoxM纖維在空氣中1000℃時仍然保持穩(wěn)定，但由于該纖維中含有較多的氧和游離碳，在空氣中1000℃以上或者惰性氣氛中1200℃以上時，該纖維將發(fā)生顯著的分解反應(yīng)并伴隨結(jié)晶的迅速生長，從而導(dǎo)致纖維的強(qiáng)度急劇降低，嚴(yán)重限制了該纖維在陶瓷基復(fù)合材料上的應(yīng)用。(2)針對第一代連續(xù)SiC纖維所存在的問題，采用不同的技術(shù)路線，研制了低氧含量的第二代SiC纖維，典型代表是日本碳公司采用電子束輻照方法替代原有的空氣不熔化處理后制得的Hi-Nicalon纖維和日本宇部興產(chǎn)公司的Tyranno ZE纖維，這種低氧含量的纖維在1300℃的空氣中或者1600℃的惰性氣氛中能夠保持穩(wěn)定。(3)隨后，在此基礎(chǔ)上為使纖維中的雜質(zhì)氧、游離碳含量進(jìn)一步降低，碳硅比接近化學(xué)計量比，結(jié)構(gòu)上也由原來的β-SiC微晶狀態(tài)、中等程度結(jié)晶變?yōu)楦呓Y(jié)晶狀態(tài)，從而研發(fā)出能耐受更高溫度的第三代連續(xù)SiC纖維。其典型代表是日本碳公司的Hi-Nicalon S纖維、日本宇部興產(chǎn)公司的Tyranno SA纖維以及美國COI Ceramics的Sylramic纖維。從連續(xù)SiC纖維的發(fā)展來看，雖然第二代和第三代連續(xù)SiC纖維的氧含量更低、且具有更高的耐溫性能和高溫抗氧化性能，但其制備條件更為苛刻，所用設(shè)備更為復(fù)雜，比如第二代連續(xù)SiC纖維需要通過電子束輻照進(jìn)行不熔化處理，而第三代連續(xù)SiC纖維則需要在1700℃以上的高溫下進(jìn)行燒結(jié)等處理。因此，相比之下，采用空氣不熔化處理、在1200℃左右制備得到的第一代連續(xù)SiC纖維，制備過程最為簡單、制備條件最為溫和。但是，目前將PCS原纖維在200℃以上進(jìn)行空氣不熔化處理，然后將不熔化纖維連續(xù)通過管式爐裂解得到的連續(xù)SiC纖維氧含量高達(dá)20wt％左右。即使是目前采用空氣不熔化處理進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)的Nicalon NL202和Tyranno LoxM纖維中的氧含量也高達(dá)約12wt％。氧含量過高，會使纖維中的SiCxOy相在1200℃以上劇烈分解，產(chǎn)生CO和SiO氣體從纖維中逸出，從而在纖維中留下大量孔洞缺陷，使纖維強(qiáng)度急劇降低，嚴(yán)重影響了所得纖維在高溫下的穩(wěn)定性。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種采用空氣不熔化進(jìn)行低氧含量連續(xù)SiC纖維制備的方法，該專利技術(shù)解決了現(xiàn)有方法制備得到的連續(xù)SiC纖維中因氧含量過高，導(dǎo)致1200℃以上纖維的力學(xué)強(qiáng)度劇烈降低；現(xiàn)有制備方法中低氧含量連續(xù)SiC纖維制備條件苛刻、對設(shè)備要求過高的技術(shù)問題。本專利技術(shù)提供一種采用空氣不熔化進(jìn)行低氧含量連續(xù)SiC纖維制備的方法，包括以下步驟：對連續(xù)PCS原纖維在第一溫度條件下進(jìn)行低溫空氣不熔化處理，制得不熔化纖維；對所得不熔化纖維進(jìn)行500℃以下的熱交聯(lián)反應(yīng)后，繼續(xù)在1000℃以上進(jìn)行靜態(tài)燒成制得低氧含量連續(xù)SiC纖維；其中，第一溫度條件為：低溫空氣不熔化處理開始后1小時內(nèi)升溫至100℃并保溫1～3小時，然后以2～15℃/小時的升溫速度升至140～190℃后保溫0.5～5小時。進(jìn)一步地，熱交聯(lián)反應(yīng)在第二溫度條件下進(jìn)行，第二溫度條件為：開始熱交聯(lián)反應(yīng)后，1小時內(nèi)升溫至100℃并保溫1～3小時，然后以50～100℃/小時的升溫速度升溫至500℃。進(jìn)一步地，靜態(tài)燒成在第三溫度條件下進(jìn)行，第三溫度條件為：以100～200℃/小時的升溫速度升至1000～1300℃，保溫0.5～2小時完成靜態(tài)燒成。進(jìn)一步地，連續(xù)PCS原纖維按以下步驟制得：在惰性氣氛保護(hù)下將PCS聚合物加熱升溫至300～380℃，待其完全熔融成為均勻熔體后，在250～300℃、0.1～0.5MPa的壓力下，以300～550m/分鐘的速度進(jìn)行牽伸紡絲，并將紡得的PCS原纖維卷繞在筒上，得到連續(xù)PCS原纖維。進(jìn)一步地，連續(xù)PCS原纖維的平均直徑為10～15um，500～1000根/束，連續(xù)長度為500～1000m。進(jìn)一步地，PCS聚合物的軟化點為180～250℃。進(jìn)一步地，惰性氣氛是指氮氣、氬氣或者氦氣。本專利技術(shù)的另一方面還提供了一種連續(xù)SiC纖維，連續(xù)SiC纖維按上述任一項方法制備得到。進(jìn)一步地，連續(xù)SiC纖維的氧含量為10wt％以下。相對現(xiàn)有技術(shù)，本專利技術(shù)的技術(shù)效果：1、本專利技術(shù)提供的空氣不熔化進(jìn)行低氧含量連續(xù)SiC纖維制備的方法，工藝簡便、操作方便，易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)、制備成本低，所得連續(xù)SiC纖維的耐溫性能和力學(xué)性能較好。2、本專利技術(shù)提供的空氣不熔化進(jìn)行低氧含量連續(xù)SiC纖維制備的方法，所需設(shè)備簡單，采用纖維制備的常規(guī)設(shè)備便可實施，易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，能大幅度降低連續(xù)SiC纖維的生產(chǎn)成本。3、本專利技術(shù)提供的空氣不熔化低氧含量連續(xù)SiC纖維制備的方法，通過連用低溫空氣不熔化和熱交聯(lián)，相對現(xiàn)有制備方法在空氣不熔化步驟后增加了熱交聯(lián)處理，避免了僅通過提高空氣不熔化處理溫度導(dǎo)致的纖維氧含量過高的問題，同時也避免了低溫空氣不熔化處理后直接進(jìn)行高溫裂解導(dǎo)致的纖維并絲的問題，從而制得了氧含量在10wt％以下且纖維各項性能較好的連續(xù)SiC纖維。4、本專利技術(shù)提供的采用空氣不熔化低氧含量連續(xù)SiC纖維制備的方法，能有效降低SiC纖維的氧含量，制備得到的SiC纖維不僅具有優(yōu)異的力學(xué)性能，而且具有較高的耐高溫性能。具體請參考根據(jù)本專利技術(shù)的采用空氣不熔化進(jìn)行低氧含量連續(xù)SiC纖維制備的方法提出的各種實施例的如下描述，將使得本專利技術(shù)的上述和其他方面顯而易見。附圖說明圖1是本專利技術(shù)提供的采用空氣不熔化進(jìn)本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
一種采用空氣不熔化進(jìn)行低氧含量連續(xù)SiC纖維制備的方法，其特征在于，包括以下步驟：對連續(xù)PCS原纖維在第一溫度條件下進(jìn)行低溫空氣不熔化處理，制得不熔化纖維；對所得不熔化纖維進(jìn)行500℃以下的熱交聯(lián)反應(yīng)后，繼續(xù)在1000℃以上進(jìn)行靜態(tài)燒成制得所述低氧含量連續(xù)SiC纖維；其中，所述第一溫度條件為：所述低溫空氣不熔化處理開始后1小時內(nèi)升溫至100℃并保溫1～3小時，然后以2～15℃/小時的升溫速度升至140～190℃后保溫0.5～5小時。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種采用空氣不熔化進(jìn)行低氧含量連續(xù)SiC纖維制備的方法，其特征在于，包括以下步驟：對連續(xù)PCS原纖維在第一溫度條件下進(jìn)行低溫空氣不熔化處理，制得不熔化纖維；對所得不熔化纖維進(jìn)行500℃以下的熱交聯(lián)反應(yīng)后，繼續(xù)在1000℃以上進(jìn)行靜態(tài)燒成制得所述低氧含量連續(xù)SiC纖維；其中，所述第一溫度條件為：所述低溫空氣不熔化處理開始后1小時內(nèi)升溫至100℃并保溫1～3小時，然后以2～15℃/小時的升溫速度升至140～190℃后保溫0.5～5小時。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用空氣不熔化進(jìn)行低氧含量連續(xù)SiC纖維制備的方法，其特征在于，所述熱交聯(lián)反應(yīng)在第二溫度條件下進(jìn)行，所述第二溫度條件為：開始所述熱交聯(lián)反應(yīng)后，1小時內(nèi)升溫至100℃并保溫1～3小時，然后以50～100℃/小時的升溫速度升溫至500℃。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的采用空氣不熔化進(jìn)行低氧含量連續(xù)SiC纖維制備的方法，其特征在于，所述靜態(tài)燒成在第三溫度條件下進(jìn)行，所述第三溫度條件為：以100～200℃/小時的升溫速度升至1000～1300℃，保溫0.5～2小時完成所述靜態(tài)燒成。4.根據(jù)權(quán)利要求1～3中任一項所述的采...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：茍燕子，王應(yīng)德，王軍，王浩，簡科，
申請(專利權(quán))人：中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：湖南;43