[发明专利]一种碳化硅亚微米纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳化硅纤维的制备方法，尤其是一种碳化硅亚微米纤维的制备方法。

背景技术

碳化硅(SiC)具有高硬度、优异的抗氧化性能、耐腐蚀性能、力学性能、导热性能，以及高抗磨损、低热膨胀系数、低摩擦系数等优点。此外，碳化硅还是一种宽禁带半导体材料，具有宽带隙、高临界击穿电压、高热导率、高载流子迁移率等特点，在高频、大功率、耐高温、抗辐射的半导体器件及紫外探测器和短波发光二极管等方面具有广泛的应用前景。碳化硅纤维作为一种新型陶瓷纤维，与碳纤维和氧化物纤维相比，在抗拉强度、抗蠕变性能、耐高温、抗氧化性以及与陶瓷基体良好相容性方面表现出一系列优异的性能，其在军事、航空、航天、汽车、电子和核工业等高技术领域具有广泛的应用前景。

目前制备碳化硅纤维最主要的方法是先驱体转化法，如日本Tohoku大学的Seishi Yajima采用先驱体转化法以二氯二甲基硅烷为原料，先合成碳化硅的先驱体，然后在1000℃的真空条件下进行2小时的热处理，得到了拉伸强度为350Kg/mm²，直径为10-20μm，β晶型的碳化硅纤维(Chem.Lett.[J]，1975，931-934)。该方法制备的碳化硅纤维直径粗、过程较为繁琐、成本较高。我国国防科技大学的彭善勇等通过高压合成得到了平均分子量在4000～12000范围内的聚碳硅烷，采用高分子量聚碳硅烷(HM-PCS)干法纺丝法，制备出了氧含量较低、耐高温性能较好的碳化硅纤维，具有低氧含量和较高的耐高温性能(彭善勇，干法纺丝法制备低氧含量碳化硅纤维，国防科技大学，2005)，该方法获得的SiC纤维直径较粗，其直径在15-50微米之间。为降低纤维直径，众多研究团队开展了利用静电纺丝方法制备碳化硅亚微米纤维的研究：美国加州大学戴维斯分校的Ping Lu等将先驱体聚合物聚脲硅烷分别与聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯混合，通过静电纺丝制备得到初生复合纤维，再在氩气保护下经过1560℃的高温煅烧，制备得到了形态各异的碳化硅纳米纤维，纤维的直径约为100nm(J.Mater.Chem.[J]2011，21：1005-1012)。美国Texas大学的Harvey A.Liu等使用同轴静电纺丝技术，以聚苯乙烯溶液为皮层，聚碳硅烷溶液为芯层，制备得到聚苯乙烯/聚碳硅烷复合纤维，再将此纤维在氩气保护下经过1600-1650℃的高温热处理6小时，得到了直径为1-2nm的β型碳化硅纳米纤维(Mater.Lett.[J]2009，63：2361-2364)。杨大祥等人利用聚碳硅烷的二甲苯溶液进行静电纺丝，获得了表面光滑的碳化硅亚微米纤维(中国表面工程[J]，2010，23：39-44)。尽管利用静电纺丝技术可以获得直径较小的纳米纤维，但目前该方法则存在纤维产率低、纤维直径不均匀等缺点。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种利用溶液喷射纺丝方法制备碳化硅先驱体纤维，再经不熔化处理、高温煅烧处理制得碳化硅亚微米纤维的方法，该制备方法具有生产效率高、工艺简单、纤维直径分布均匀等优点，适于规模化生产。

一种碳化硅亚微米纤维的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

(1)纺丝溶液的配制：将先驱体聚合物和成纤高聚物按质量比5∶20～20∶5混合，将其溶解于溶剂中，制成均匀稳定的纺丝溶液；

所述纺丝溶液的浓度质量分数为5～20％；

所述先驱体聚合物为聚脲硅烷、聚碳硅烷、聚碳甲基硅烷、聚硅氮烷和聚甲基硅烷中的一种或两种及以上的混合物；

所述的成纤聚合物为聚苯乙烯、聚苯乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸酯共聚物和聚乳酸中的一种或两种及以上的混合物；

所述的纺丝溶液配制所使用的溶剂为二甲苯、甲苯、四氢呋喃、环己烷、四氯化碳、氯仿、乙腈、丙酮的一种或两种及以上的混合物；

(2)溶液喷射纺丝方法制备先驱体纤维：将纺丝溶液以5-30mL/h/喷丝孔的速率供应到喷丝模头，使纺丝溶液从喷丝孔中挤出，形成溶液细流，同时利用至少一股喷射压力为0.1～1.5MPa的高速喷射气流牵伸细化所述的纺丝溶液细流，使之形成直径50nm～10μm的先驱体纤维；