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碳化硅纖維國內外研究進展

文章出處:網責任編輯:作者:人氣:-發表時間:2018-09-18 09:00:00【

使命召唤ol共享 www.wjhmd.icu  碳化硅纖維是一種以碳和硅為主要成分的高性能陶瓷材料,從形態上分為晶須和連續碳化硅纖維,具有高溫耐氧化性、高硬度、高強度、高熱穩定性、耐腐蝕性和密度小等優點。與碳纖維相比,在極端條件下,碳化硅纖維能夠保持良好的性能。由于其具有良好的性能,在航空航天、軍工武器裝備等高科技領域備受關注,常用作耐高溫材料和增強材料。此外,隨著制備技術的發展,碳化硅纖維的應用逐漸拓展到高級運動器材、汽車廢煙氣收塵等民用工業方面。

 

一、 碳化硅纖維的制備方法

  碳化硅纖維的制備方法主要有先驅體轉化法、化學氣相沉積法(CVD)和活性炭纖維轉化法3種。3種制備方法各有優缺點,而且使用不同制備方法制備的碳化硅纖維也具有不同的性能。

 

1.先驅體轉化法

  先驅體轉化法是由日本東北大學矢島教授等人于1975年研發,包括先驅體合成、熔融紡絲、不熔化處理與高溫燒結4大工序,具體工藝流程如圖1所示。先驅體轉化法制備碳化硅纖維需要先合成先驅體——聚碳硅烷(PCS),矢島教授以二甲基二氯硅烷等為原料,通過脫氯聚合為聚二甲基硅烷,再經過高溫(450~500℃)分解處理轉化為PCS,采用熔融法在250~350℃下將PCS紡成連續PCS纖維,然后經過空氣中約200℃的氧化交聯得到不熔化PCS纖維,最后在高純氮氣?;は? 300℃左右裂解得到碳化硅纖維[3]。先驅體轉化法制備原理其實就是將含有目標元素的高聚物合成先驅體,再將先驅體紡絲成有機纖維,然后通過一些列化學反應將有機纖維交聯成無機陶瓷纖維。

圖1 先驅體轉化法制備碳化硅纖維的過程

 

  自矢島教授在實驗室利用先驅體轉化法成功制備碳化硅纖維后,日本、美國等國家的材料制造公司嘗試利用先驅體轉化法將碳化硅纖維進行工業化生產。日本碳公司在1980年首次采用先驅體轉化法制備碳化硅纖維,但尚未形成工業化生產水平。1985年該公司開始利用該方法進行工業化生產。隨著各家公司不斷改進碳化硅的制備技術,逐漸形成了3代碳化硅纖維。第1代碳化硅纖維是以日本碳公司生產的Nicalon 200和TyrannoLOX-M為代表。Nicalon 200采用矢島教授研發的方法制備而成。由于在制備過程中引入了氧,纖維中的氧質量分數為10%~15%,在高溫下碳化硅纖維的穩定性變差,影響了纖維在高溫環境下的強度和彈性模量。因此,為改善這個問題研制了第2代碳化硅纖維。第2代碳化硅纖維以日本碳公司的Hi-Nicalon與宇部興產公司的Tyranno LOX-E、Tyranno ZM和Tyranno ZE為代表,在無氧氣氛中采用電子輻照對原纖維進行不熔化處理,利用這種方式來降低碳化硅纖維中的氧含量,從而保障其在高溫環境下的穩定性。為滿足航空和軍工領域對高溫材料性能的更高要求,日本和美國分別開發了第3代碳化硅纖維,以日本碳公司的Hi-Nicalon S和宇部興產公司的Tyranno SA,以及美國道康寧公司的Sylramic纖維為代表。第3代碳化硅纖維中的雜質氧、游離碳含量進一步降低,接近碳化硅的化學計量比[4]。雖然第3代碳化硅纖維的雜質氧、游離碳含量減少,但是目前控制纖維中的硅(Si)和碳(C)的比例,減少氧含量依舊是該制備方法研究的重點。

 

  先驅體轉化法制備碳化硅纖維是目前采用比較廣泛的一種方法,技術相對成熟、生產效率高、成本低,適合于工業化生產。目前,我國的技術與日本、美國等國家還存在一定差距。國防科技大學是國內最早開始研發碳化硅纖維制備的高校,制得了具有較好力學性能的連續碳化硅纖維及含鈦碳化硅纖維。廈門大學在張立同院士的帶領下建立專門的實驗室,與國際合作共同研發碳化硅纖維的制備方法,以電子束輻射和熱化學交聯的方式,制得低氧含量的交聯纖維[5]。實驗室研發的產品與日本同類型產品水平相近,但是生產水平還尚未達到工業化生產規模,有待進一步研究。

 

此文關鍵字:碳化硅 碳化硅纖維

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