[发明专利]一种梯度变化的硅氮碳陶瓷纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及无机非金属材料，尤其是涉及一种梯度变化的硅氮碳陶瓷纤维的制备方法。

背景技术

连续吸波纤维增强的结构型吸波复合材料具有耐高温、轻质、高强、高模特性，又兼备吸收电磁波功能，是高温隐身轻质材料的重要发展方向。如碳纤维增强树脂基吸波复合材料对红外信号和雷达信号的衰减效果显著，化学稳定性和力学性能优，美国的F-117A、B-2、YF-22、F-22以及先进巡航导弹等大量采用该复合材料(梁春华.纤维增强陶瓷基复合材料在国外航空发动机上的应用[J].航空制造技术,2006,(03),40-45.)。然而，碳纤维在氧化气氛400℃开始氧化，难以满足高温构件长时700℃以上氧化性气氛的使用要求。高温构件雷达隐身问题是我国战机和导弹等先进武器装备发展的瓶颈。发展耐高温抗氧化的吸波型陶瓷纤维增强陶瓷基复合材料是解决这一问题的关键。急需发展耐高温、抗氧化、力学性能优异的吸波型陶瓷纤维。

碳化硅(SiC)纤维其具有耐高温、高比强度、高比模、抗氧化和耐化学腐蚀等优点，可作为高性能增强纤维用于耐热、抗氧化聚合物基、金属基和陶瓷基复合材料(Kaenitz M.A.,Craig D.F.,Richlen S.L.Continuous fiber ceramic composite program[J].American Ceramic Society Bullentin,1991,70(3):430-435.)。当SiC纤维的电阻率可降至1～10³Ωcm，对于X波段(8.2～12.4GHz)雷达波的吸收效果最佳，还可有效衰减高温红外信号(谢雄军，曹运红，王蕾.雷达吸波纤维复合材料研制现状及在航空航天器上的应用[J].飞航导弹,2003,(10),56-60.)。因此，SiC纤维是目前国际公认的用于吸波/承载复合构件的最优纤维。氮化硅(Si₃N₄)纤维不但具有优越的力学性能，而且还具有良好的耐热冲击性、高耐氧化性、高绝缘性等，是综合性能最为优异的透波陶瓷纤维(Stao K.,Morozumi H.,Funayama O.,et al.Mechanical properties and Oxidation resistence of C-B-Si coater silicon nitride fiber reinforced Si-N-C composites with cross-ply structure[J].Composites Part A:Applied Science and Manufacturing,1999,30(4):577-581.)。

为了提高纤维的吸波性能，从材料角度，关键需要满足两个条件：一是具有合适的界面阻抗，允许绝大部分电磁波进入材料内部，不发生显著地界面反射；二是材料本身具有优异的吸波性能，使进入材料内部的电磁波能够迅速吸收并转化成为热量耗散掉。为了满足第一个条件，需要界面材料具有高电阻率(ρ)、较高的介电常数实部(ε’)以及较低的介电常数虚部(ε”)，也就是说基本是透波的；为了满足第二个条件，材料需要具有相对低得多的电阻率、较低的ε’和尽可能高的ε”。由于先驱体转化法制备的陶瓷纤维最大的特点就是具有高度的可设计性，使全面满足这些要求成为可能。

因此，设计一种以透波Si₃N₄陶瓷作为纤维的表层，以吸波SiC陶瓷作为纤维的芯层，当电磁波传播入射到该陶瓷纤维表面时，能最大限度地进入到材料内部，减少电磁波的直接反射。电磁波一旦进入复合材料内部，并在其中传播时，吸波增强体又能够迅速将其衰减，有望在成为新一代吸波纤维。

聚碳硅烷(PCS)是先驱体转化法制备SiC陶瓷的先驱体，其经熔融纺丝，交联，氮气氛下高温热解可以制备SiC纤维。同时，PCS的交联产物再一定的温度下氨气气氛下氨解脱碳，再经高温氮气氛下处理，还可以制备Si₃N₄纤维。在氨解氮化的过程中，脱碳速度和温度关系非常大，研究表明，脱碳开始的温度约为500℃，随着温度的升高，脱碳速度逐渐加快，当温度达到800℃，脱碳基本完成。因此，若控制氨解温度，有望制备出表面到纤维内部氮元素和碳元素含量分别由高到低和由低到高的梯度变化的硅氮碳陶瓷纤维，即是纤维表层以透波的Si₃N₄陶瓷为主，纤维芯部以吸波的SiC陶瓷为主。

发明内容

本发明的目的在于提供一种梯度变化的硅氮碳陶瓷纤维的制备方法。

本发明包括以下步骤：