一種製備碳化矽纖維或織物的方法與流程

2023-05-11 05:40:56

本發明屬於一種製備碳化矽纖維或織物的方法。

背景技術：

碳化矽(SiC--Silicon Carbide)是一種具有高強度、高硬度、耐磨 和抗氧化、共價鍵鍵合的陶瓷材料。SiC由於其在高溫下良好的機械性能， 這使得其常作為金屬基、陶瓷基的增強材料。以SiC、硼化物等為代表的 非氧化物系統陶瓷是繼陶瓷器、玻璃等依靠燒結天然無機材料的傳統陶 瓷和以氧化鋁為主的氧化物系統陶瓷之後的第三代陶瓷，它們的機械性 能還超過了耐熱性、耐蝕性、耐磨性均優異的超高溫合金材料，因此有 關產業將其用作結構材料為目標。也正是由於非氧化物陶瓷具有如此出 眾的機械性能，故又被稱為工程陶瓷，在精細陶瓷中它是最具有前途和 最令人矚目的領域。

SiC由於具有優異的高溫力學性能、抗氧化性、耐腐蝕性等特點，近 年來成為人們研究的熱點。SiC纖維主要採用前驅體轉化法(Yajima S.， Okamura K.，Hasegawa Y.And Yamura，T.，高強SiC連續纖維的製備，美 國陶瓷學會志，1976，59(7-8)，324-327)和CVD法(Gulden T.D.， 氣相沉積碳化矽纖維及其微觀結構，美國陶瓷學會志，1968，51(8)， 424-429)。前驅體轉化法是以有機矽化合物二甲基二氯矽烷為原料，在有 機溶劑中與金屬納發生反應，脫氯生成聚二甲基二氯矽烷。聚二甲基二 氯矽烷在400℃以上發生重排反應生成聚碳矽烷。聚碳矽烷在300℃下熔 融紡絲，在空氣中加熱到280℃進行不熔化處理，然後在1100-1150℃的 惰性氣氛下燒結，聚碳矽烷分解，支鏈上的甲基、氫脫除，而只殘存Si-C鍵骨架，得到β-SiC結構的SiC連續纖維。前驅體法製備SiC連續纖 維具有工藝較為繁雜，性能不太容易控制等缺點。CVD法制SiC纖維是 以鎢絲(W)或炭纖維(CF--Carbon Fiber)為芯材，以有機矽如CH3SiCl3、CH3SiHCl2、Si(CH3)4、(CH3)2SiCl2等為原料在芯材纖維上蒸鍍SiC。 CVD法生產的SiC纖維不適合進行彎曲加工和形成編織物，另外價格也較高。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種工藝簡單、性能穩定、價格低的碳化矽纖 維或織物的製備方法。

本發明的目的是這樣實現的，以炭纖維、活性炭纖維及其織物為碳 源，SiO2和Si的混合物在一定溫度下反應生成SiO為矽源，在惰性氣氛 中，碳源與矽源在一定溫度下反應生成SiC，從而製得SiC纖維或織物。

反應式如下：

Si+SiO2―2SiO

SiO+2C―SiC+CO

本發明的製備方法包括如下步驟：

(1) 炭纖維、活性炭纖維或其織物、SiO2和Si按摩爾比為 C∶SiO2∶Si＝1∶1～2∶2～4，將SiO2和Si放置在剛玉反應舟的下部，上部放置 炭纖維、活性炭纖維或其織物；

(2) 將裝有原料的反應舟放入反應器中，通入惰性氣體Ar，升溫至 1473-1673K，反應1-15小時，在惰性氣氛下冷卻至室溫獲得樣品；

(3)將樣品在室溫用20％的HF溶液清洗後，在873-1073K下空 氣中煅燒2小時，得到碳化矽纖維或碳化矽織物。

如上所述的炭纖維或其織物的原料可以是粘膠或聚丙烯腈基炭纖維。

如上所述的活性炭纖維或其織物的原料是粘膠或聚丙烯腈基活性炭 纖維，粘膠基活性炭纖維的比表面積在1000-1500m2/g，聚丙烯腈基活性 炭纖維的比表面積在500-800m2/g。

本發明與現有技術相比具有如下優點：

1. 工藝簡單，易操作，成本低廉；

2. 所製備的碳化矽纖維或碳化矽織物的性能穩定；

3.可直接製備成碳化矽織物，避免了現有技術所獲得的碳化矽纖維 無法彎曲加工的缺點。

本發明的實施例如下：

實施例1

聚丙烯腈活性炭纖維、SiO2、矽粉按摩爾比為1∶1∶2，將SiO2和矽粉 放置在剛玉反應舟下部，上部放置聚丙烯腈活性炭纖維。之後放入反應 器中，通過Ar氣升溫至1473K，反應10小時，在Ar氣保護下冷卻至室 溫，得到SiC含量為93％的樣品，在室溫用20％HF溶液清洗，在873K 空氣中煅燒2小時，剩餘的物質為碳化矽。

實施例2

聚丙烯腈活性炭纖維布、SiO2、矽粉按摩爾比為1∶1∶2，將SiO2和矽 粉放置在剛玉反應舟下部，上部放置聚丙烯腈活性炭纖維。之後放入反 應器中，通過Ar氣升溫至1473K，反應12小時，在Ar氣保護下冷卻至 室溫，得到SiC含量為94.5％的樣品，在室溫用20％HF溶液清洗，在873K 空氣中煅燒2小時，剩餘的物質為碳化矽，得到碳化矽布。

實施例3

粘膠活性炭纖維、SiO2、矽粉按摩爾比為1∶1∶2，將SiO2和矽粉放置 在剛玉反應舟下部，上部放置聚丙烯腈活性炭纖維。之後放入反應器中， 通過Ar氣升溫至1473K，反應10小時，在Ar氣保護下冷卻至室溫，得 到SiC含量為95％的樣品，在室溫用20％HF溶液清洗，在873K空氣中 煅燒2小時，剩餘的物質為碳化矽。

實施例4

聚丙烯腈活性炭纖維氈、SiO2、矽粉按摩爾比為1∶2∶4，將SiO2和矽 粉放置在剛玉反應舟下部，上部放置聚丙烯腈活性炭纖維。之後放入反 應器中，通過Ar氣升溫至1473K，反應15小時，在Ar氣保護下冷卻至 室溫，得到SiC含量為96％的樣品，在室溫用20％HF溶液清洗，在873K 空氣中煅燒2小時，剩餘的物質為碳化矽，得到碳化矽氈。

實施例5

聚丙烯腈活性炭纖維、SiO2、矽粉按摩爾比為1∶1∶2，將SiO2和矽粉 放置在剛玉反應舟下部，上部放置聚丙烯腈活性炭纖維。之後放入反應 器中，通過Ar氣升溫至1573K，反應2小時，在Ar氣保護下冷卻至室 溫，得到SiC含量為95.2％的樣品，在室溫用20％HF溶液清洗，在873K 空氣中煅燒2小時，剩餘的物質為碳化矽。

實施例6

聚丙烯腈炭纖維、SiO2、矽粉按摩爾比為1∶2∶4，將SiO2和矽粉放置 在剛玉反應舟下部，上部放置聚丙烯腈活性炭纖維。之後放入反應器中， 通過Ar氣升溫至1673K，反應2小時，在Ar氣保護下冷卻至室溫，得 到SiC含量為95.8％的樣品，在室溫用20％HF溶液清洗，在873K空氣 中煅燒2小時，剩餘的物質為碳化矽。