[发明专利]轴向梯度的碳化硅纤维及其制备方法和装置

说明书

技术领域

本发明属于功能梯度材料领域，具体涉及一种功能梯度的碳化硅纤维及其制备方法和装置。

背景技术

先驱体法碳化硅（SiC）纤维具有高强度（1GPa～4GPa）、高模量（150GPa～400GPa）、耐高温（>1000℃）、抗氧化、耐腐蚀、低密度（< 3.5g/cm²）等优异性能，在高温高强复合材料、高温高压气体过滤装置、高温隔热材料以及抗辐射核能材料等方面已得到了广泛应用。近年来，随着科学技术的不断进步，开发新型功能的SiC纤维成为SiC纤维研制领域的另一个热点。

先驱体法SiC纤维是一种n型半导体材料，其电阻率受纤维组成、结构的影响，在10^-1Ω·cm～10⁶Ω·cm范围内连续可调。电阻率的调节方式包括化学改性、表面处理和高温热处理等。如日本宇部公司通过化学改性在聚碳硅烷先驱体中引入Ti、Zr等异质元素，由此制备了含异质元素的Si-Ti-C-O和Si-Zr-C-O纤维，其电阻率可在10^-3Ω·cm～10⁴Ω·cm范围内调整[J.Mater.Sci.42:1116～1121(2007)]。而日本碳公司生产的Nicalon NL-607系列功能型SiC纤维，则是通过改变纤维表面碳层厚度实现纤维电阻率在10^-1Ω·cm～10³Ω·cm范围内连续可调[Compos.Sci.Tech.51:135～144 (1994)]。专利号为US4507354的美国专利文献公开了一种通过调整热处理温度和时间可获得电阻率在10⁰Ω·cm～10⁴Ω·cm之间的SiC纤维。这些电阻率可调的SiC纤维兼具独特的电学性能和优良的力学性能，目前已经广泛用做功能复合材料的增强体。

功能梯度材料是指沿着某一方向其物理、化学等单一或多项性能发生连续或梯度变化，以适应不同环境，实现某种特殊功能的先进材料。这种材料可集合多种材料的优点且内部不存在明显的界面，在功能材料领域极具应用潜力。在SiC纤维制备方面，T.Ishikawa已成功制备SiC/ZrO₂径向梯度纤维，该纤维具有高强度、高耐温性、高抗氧化性等优点[Nature.416: 64～67(2002)]，然而，目前尚未见到有轴向电阻率呈周期性梯度变化的SiC纤维材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：将梯度材料的结构控制理念引入到SiC纤维，提供一种结构和性能沿轴向梯度变化的SiC纤维，并相应提供一种该SiC纤维的制备方法和制备装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种轴向梯度的SiC纤维，所述SiC纤维呈连续纤维状，所述SiC纤维的轴向电阻率呈周期性梯度变化，所述轴向电阻率呈周期性梯度变化的变化范围为10⁰Ω·cm～10⁶Ω·cm，所述周期性梯度变化沿SiC纤维长度方向上的变化周期为10cm～25cm。

进一步，所述SiC纤维表面沉积有碳层，所述碳层的厚度沿所述SiC纤维的轴向呈周期性梯度变化，所述碳层的厚度在轴向上呈周期性梯度变化的变化范围为30nm～2nm，所述轴向电阻率呈周期性梯度变化的变化范围为10⁰Ω·cm～10³Ω·cm。 

进一步，所述SiC纤维表面含有2nm～6nm厚的富氧层，所述轴向电阻率呈周期性梯度变化的变化范围为10²Ω·cm～10⁶Ω·cm。

作为一个总的发明构思，本发明还提供上述的轴向梯度的SiC纤维的制备方法。

一种上述的轴向梯度的SiC纤维的制备方法，包括以下工艺步骤：在高纯氮气保护下，牵引聚碳硅烷预氧化纤维以周期性梯度变化的运动速度通过一出口处带有陶瓷套管的高温烧成炉进行烧成，得到轴向梯度的SiC纤维。

上述的制备方法中，优选地，所述聚碳硅烷预氧化纤维通过以下工艺得到：将聚碳硅烷先驱体（由中国专利文献CN 85108006A或CN1569926A公开的制备方法制得）进行熔融或溶液纺丝处理，得到直径为5μm～20μm的聚碳硅烷原纤维，再将所述聚碳硅烷原纤维置于氧化炉中，在空气气氛中按10℃/h～30℃/h的升温速度加热到180℃～250℃，并保温0～6小时即得到聚碳硅烷预氧化纤维；所述烧成时的温度为1000℃～1400℃。