[发明专利]一种含硼碳化硅纤维及其制备方法

说明书

本发明揭示了一种含硼碳化硅纤维及其制备方法。所述含硼碳化硅纤维的制备方法包括如下步骤：以有机硅聚合物为原料，依次经过纺丝、不熔化和热解处理制得热解纤维；在超声波作用下，以含硼化合物溶液对热解纤维进行改性处理，之后烘干，获得改性纤维；对改性纤维进行烧成处理，制得含硼碳化硅纤维。本发明提供的含硼碳化硅纤维及其制备方法，具有简单高效、绿色环保的优点，可显著提高碳化硅纤维的力学性能并赋予碳化硅纤维一些特殊功能。

技术领域

本发明属于高性能纤维技术领域，具体涉及一种含硼碳化硅纤维及其制备方法。

背景技术

碳化硅纤维具有高强度、高模量、耐高温、抗氧化和抗蠕变等优异性能，是制备先进陶瓷基复合材料的重要增强体。连续碳化硅纤维的制备方法主要有化学气相沉积法和先驱体转化法两种。先驱体转化法是目前制备细直径连续碳化硅纤维的主要方法，已实现工业化生产，并发展形成了三代系列化的产品。第一代连续碳化硅纤维是一种高氧含量(≈12wt％)、高碳含量(C/Si≈1.3)的无定形纤维；第二代连续碳化硅纤维降低了氧含量(≤1wt％)，但碳含量仍然偏高(C/Si≈1.4)；第三代连续碳化硅纤维具有低氧含量 (＜1wt％)、近化学计量比组成(C/Si＜1.1)和高结晶结构。与前两代纤维相比，第三代连续碳化硅纤维的模量、耐高温、抗氧化和抗蠕变性能都得到显著提升，其代表产品有 Hi-Nicalon Type S、Tyranno SA和Sylramic等纤维(现代技术陶瓷，2018，39(3)：151-222.)。连续碳化硅纤维主要用作耐高温结构与功能材料。引入铝、硼等异质元素并通过高温处理可以显著提高碳化硅纤维的耐高温性能。Tyranno SA和Sylramic是两种典型的掺杂高温烧结型连续碳化硅纤维，两者都具有优异的耐高温性能。Tyranno SA纤维是以聚铝碳硅烷为先驱体，经过熔融纺丝、空气不熔化、烧成和高温烧结制得的。Sylramic纤维是以聚钛碳硅烷为先驱体，经过熔融纺丝和空气不熔化，然后在含硼化合物气氛中烧成、引入硼元素，最后进行高温烧结处理制得的。在氮气气氛中对Sylramic纤维继续进行高温处理，能够在纤维表面生成BN涂层，得到Sylramic-iBN纤维。该纤维具有良好的抗氧化、抗蠕变和复合材料界面性能。

引入适量的硼元素对提升碳化硅纤维的耐高温性能具有积极作用。目前主要采用三种方式在连续碳化硅纤维中引入硼元素。一是在先驱体中引入硼元素，通过分子设计接枝含硼基团或者与含硼化合物共混纺丝(US4152509，US5071600，US5958324)。这种方法可以制得硼元素均匀分布的连续碳化硅纤维，但工艺较为复杂，对纺丝工艺影响较大。二是在不熔化气氛中通入含硼化合物气体，如三氯化硼、三氟化硼、氧化硼、硼烷 B_nH_2n等，通过气-固相扩散反应将硼元素引入到纤维内部(US505 1215，US6261509，CN201910013023.9)。这种方法工艺较为简单，但所用含硼化合物气体均具有较高毒性，对操作人员、生产设备和生态环境都会产生严重危害。三是采用含硼化合物溶液浸渍碳化硅纤维(CN201910438526.0)，这种方法工艺简单、成本低廉，但需要首先对碳化硅纤维进行表面活化处理，而且所用活化剂通常为强腐蚀性的酸(浓硫酸、氢氟酸)和碱 (氢氧化钠、氢氧化钾)。另外，由于丝束中包含数百甚至上千根纤维，该方法很难使每根纤维都浸渍均匀。因此，非常有必要开发简单高效、绿色环保的硼改性方法来制备含硼碳化硅纤维。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种含硼碳化硅纤维及其制备方法，以克服现有技术中存在的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种含硼碳化硅纤维的制备方法，包括如下步骤：

以有机硅聚合物为原料，依次经过纺丝、不熔化和热解处理制得热解纤维；

在超声波作用下，以含硼化合物溶液对热解纤维进行改性处理，之后烘干，获得改性纤维；

对改性纤维进行烧成处理，制得含硼碳化硅纤维。