[发明专利]低氧含量碳化硅纤维及其制备方法

说明书

本发明涉及一种低氧含量碳化硅纤维及其制备方法。制备方法包括：S101：将乙酰丙酮铝与聚硅碳硅烷进行反应，得到聚铝碳硅烷粗料；将粗料经二甲苯溶解、过滤、减压蒸馏，得到聚铝碳硅烷细料；S102：将细料进行熔融纺丝处理，得到聚铝碳硅烷纤维束；S103：之后进行空气不熔化处理，得到交联纤维；S104：将交联纤维在惰性气氛下高温烧结，得到碳化硅纤维。本发明制备得到的低氧含量碳化硅纤维具有优异的力学性能和耐高温性能，其在常温下强度可达2.8±0.3GPa，弹性模量为210±10GPa；且在1000℃空气环境中处理100h后，强度保留率仍能达到80％以上，从而在高性能纤维领域内具有广泛的实用价值和应用前景。

技术领域

本发明涉及高性能纤维技术领域，具体涉及一种低氧含量碳化硅纤维及其制备方法。

背景技术

碳化硅(SiC)纤维作为一种高强高模、耐高温氧化性能极佳的陶瓷纤维，在航空、航天、武器等高尖端领域具有极为广泛的应用前景。具体地，SiC纤维强度高，可编织性能好，通过不同的界面处理，可适用于不同的聚合物基、金属基、陶瓷基复合材料。

由于SiC纤维优异的性能，世界各国先后对连续SiC纤维的制备开展了广泛的研究。目前，制备连续SiC纤维的主要方法有：化学气相沉积法(CVD法)、化学气相反应法(CVR法)以及先驱体法(PD法)。先驱体法作为目前研究最多的制备方法，一般是利用含有目标元素的有机聚合物作为先驱体，利用其可溶可熔的性质进行熔融纺丝、通过交联反应进行不熔化处理、再经高温烧结使有机纤维无机化成陶瓷纤维。先驱体法可制得传统方法难以得到的细直径连续SiC纤维；且可通过分子设计获得含有不同元素的先驱体聚合物，经热分解转化成多元复相纤维，制备功能陶瓷纤维。

但是先驱体转化法在不熔化处理过程中，若采用经济的空气交联法，容易引入大量氧元素；由于SiC纤维中大量氧以SiC_xO_y的无定型态存在，高温下极易发生热分解，从而使得SiC纤维高温下性能急剧下降。

基于此，提供一种改进纤维不熔化工艺，降低SiC纤维中的氧含量的方法对提高SiC纤维高温性能具有重要意义。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明旨在提供一种低氧含量碳化硅纤维及其制备方法。采用本发明方法制备得到的低氧含量碳化硅纤维具有优异的力学性能和耐高温性能，其在常温下强度可达2.8±0.3GPa，弹性模量为210±10GPa；且在1000℃空气环境中处理100h后，强度保留率仍能达到80％以上，从而在高性能纤维领域内具有广泛的实用价值和应用前景。具体地，本发明SiC纤维制备过程中，在先驱体中引入异质元素Al，起到烧结助剂的作用；在不熔化过程中采用低温预交联工艺，在初期引入适量的氧元素；同时添加少量的B₄C无机颗粒，在烧结过程中消耗纤维内部氧，弥补纤维烧结过程中的收缩缺陷，以此提高SiC纤维的力学性能和耐高温性能。

为此，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种碳化硅纤维的制备方法，包括以下步骤：S101：将乙酰丙酮铝(Al(AcAc)₃)与聚硅碳硅烷在惰性气氛下进行反应，得到聚铝碳硅烷粗料；之后将粗料经二甲苯溶解、过滤、减压蒸馏，得到聚铝碳硅烷细料；S102：将聚铝碳硅烷细料进行熔融纺丝处理，得到聚铝碳硅烷纤维束；S103：将聚铝碳硅烷纤维束进行空气不熔化处理，得到交联纤维；S104：将交联纤维在惰性气氛下高温烧结，之后冷却，得到碳化硅纤维。

优选地，S101中，聚硅碳硅烷为：以聚二甲基硅烷(PDMS)为原料合成聚碳硅烷(PCS)过程中，且优选分子量为2500～3000的聚二甲基硅烷为原料，收集到的副产物聚硅碳硅烷(PSCS)经提纯之后得到，且优选软化点为180～200℃，数均分子量为1600～2200的副产物聚硅碳硅烷；其中，提纯具体包括：将副产物聚硅碳硅烷溶于二甲苯溶剂中，之后经过滤和减压蒸馏处理；二甲苯与副产物聚硅碳硅烷的体积比为(1～2):1。