[发明专利]铝、锆共掺杂的碳化硅/氮化硼纤维及其制备方法

说明书

本发明公开了一种铝、锆共掺杂的碳化硅/氮化硼纤维及其制备方法，包括步骤：将乙酸铝、乙酰丙酮锆和聚硼硅氮烷混合，然后注入聚二甲基硅烷并均匀覆盖在混合物表面，加热后保温，之后经二甲苯溶解、过滤、减压蒸馏，得到细料；将细料进行熔融纺丝，之后进行烧结，得到铝、锆共掺杂的碳化硅/氮化硼纤维。本发明在先驱体中引入铝、锆、硼和氮元素，在烧结过程中再次引入N元素，特别是碳化硅/氮化硼纤维的界面处有碳氮化硅纳米，制备的碳化硅/氮化硼纤维常温下强度3.5±0.3GPa，弹性模量280±20GPa；在1100℃空气环境中处理100h后，强度保留率仍能达到85％以上，在高性能纤维领域内有广泛的实用价值和应用前景。

技术领域

本发明涉及高性能陶瓷纤维技术领域，具体涉及一种铝、锆共掺杂的碳化硅/氮化硼纤维及其制备方法。

背景技术

碳化硅(SiC)纤维是一种高强高模、抗氧化、耐磨、耐腐蚀、比重小等优良性的陶瓷纤维。世界各国先后对制备连续SiC纤维开展了广泛的研究，在航空、机械、化工、航天、武器等高尖端领域具有极为广泛的应用前景。目前，SiC纤维的强度可达3.0±0.4GPa，模量可达200±20GPa，使用温度可达1000℃。由于其室温强度较低及韧性不足而使其应用受到一定限制，为了提高碳化硅材料的强度和韧性，SiC纤维通过不同的界面处理，可适用于不同的聚合物基、金属基、陶瓷基复合材料增强材料的强度和韧性。

目前，制备连续SiC纤维的主要方法有4种：先驱体转化法(Polymer-Derived，PD)、化学气相沉积法(ChemicalVaporDeposition，CVD)、活性碳纤维转化法和超微细粉高温烧结法，其中，只有先驱体转化法(PD)和化学气相沉积法(CVD)实现了商品化制备。活性碳纤维转化法，所得纤维的强度和模量均不高；超细微粉烧结法制备的纤维大量富碳、丝径较粗、强度较低，抗氧化性较差。CVD法是以连续的碳纤维和甲基硅烷类化合物为原料，在氮气流下于灼热的芯丝表面上反应，裂解为SiC并沉积在芯丝上而制得。CVD法制备的连续SiC纤维直径较粗(100μm)，主要以单丝形式增强金属基材料。PD法是目前制备细直径连续SiC纤维的主要方法，已实现工业化生产，其工艺路线包括先驱体的合成、先驱体的熔融纺丝、将可溶可熔的原纤维进行不熔化处理及不熔化纤维的高温烧成等四大工序。先驱体法具有纤维直径细、可制备不同截面形状、成本低、极适合工业化生产等特点，并且弥补了CVD法不易编织、难于制造复杂形状构件的不足。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。SiC纤维中大量氧以SiCxOy的无定型态存在，高温下极易发生热分解，使得SiC纤维高温下性能急剧下降。改进纤维不熔化工艺，降低SiC纤维中的氧含量，对提高SiC纤维高温性能具有重要意义。

含B的SiC纤维具有良好的高温性能，B的引入可有效抑制高温烧结过程中SiC晶粒长大，保证了纤维的高温力学性能。美国DowCorning公司依据引入烧结助剂制备多晶纤维的创新方法，在SiC纤维的制备过程中引入B，再经1800℃高温烧结制得含B的SiC纤维。另外，由于目前已有的超高温陶瓷存在抗热冲击性差或者热导率低等缺点，因此设计和制备纤维增强超高温陶瓷基复合材料是超高温陶瓷发展的必然趋势。

虽然SiC纤维都已被广泛研究，但从高温性能、热稳定性和编织性能等方面考虑，选用氮化硼纤维作为超高温陶瓷基复合材料的增强体比较合适。因为超高温陶瓷基复合材料的抗热冲击性，需要引入低弹性模量的氮化硼以降低基体的弹性模量。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种铝、锆共掺杂的碳化硅/氮化硼纤维及其制备方法，以在先驱体中引入铝、锆、硼和氮元素，在烧结过程中再次引入N元素，特别是碳化硅/氮化硼纤维的界面处有碳氮化硅纳米，制备的碳化硅/氮化硼纤维常温下强度3.5±0.3GPa，弹性模量280±20GPa；在1100℃空气环境中处理100h后，强度保留率仍能达到85％以上，在高性能纤维领域内有广泛的实用价值和应用前景。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：