3.34碳化硅纤维的制备.

碳化硅纤维增韧碳化硅复合材料结构
碳化硅纤维增韧碳化硅复合材料结构是由碳化硅纤维和碳化硅基体组成的复合材料。

碳化硅纤维是一种高强度、高模量的纤维材料，具有优异的耐高温性能和化学稳定性。

碳化硅基体是一种高温陶瓷材料，具有优异的耐高温性能、耐腐蚀性能和机械性能。

碳化硅纤维增韧碳化硅复合材料结构的制备过程包括以下几个步骤：
1. 准备碳化硅纤维。

碳化硅纤维可以通过化学气相沉积、热解碳化等方法制备。

2. 制备碳化硅基体。

碳化硅基体可以通过烧结、反应烧结等方法制备。

3. 将碳化硅纤维与碳化硅基体组合在一起。

可以采用浸渍、层压、热压等方法将碳化硅纤维与碳化硅基体组合在一起。

4. 烧结。

将组合好的材料进行烧结处理，使其形成完整的复合材料结构。

碳化硅纤维增韧碳化硅复合材料结构具有优异的高温性能和耐腐蚀性能，可以用于制造高温结构件、热处理器件、化学反应器件等。

碳纤维增强碳化硅复合材料制备原理今天来聊聊碳纤维增强碳化硅复合材料制备原理的那些事儿。

你看啊，我们生活中经常能看到钢筋混凝土结构的建筑。

混凝土就好比是碳化硅，它本身有一定的强度，但是比较脆。

而钢筋呢，就像是碳纤维，韧性比较好。

当把钢筋加到混凝土里，就组成了一种很厉害的建筑材料，能够承受更大的压力和拉力。

碳纤维增强碳化硅复合材料也是一样的道理。

说到这，你可能会问，那具体是怎么把碳纤维加到碳化硅里的呢？这就要说到制备的原理了。

首先呢，有一个重要的方法叫化学气相渗透（CVI）。

我一开始接触这个的时候也很困惑，这名字听起来就很专业、很复杂。

我就把它想象成蒸馒头的过程，馒头是在蒸汽的包围下逐渐成型的。

在化学气相渗透中呢，碳化硅是以气相的形式存在的，就像馒头周围的蒸汽一样，然后这些气相的碳化硅分子一点点地渗透到碳纤维的结构里，就像蒸汽渗透到馒头的面粉结构里一样，最后冷却凝固，就得到了碳纤维增强碳化硅复合材料。

还有一种方法叫先驱体浸渍裂解法（PIP）。

我学习这个的时候觉得这像是给香肠灌肉的过程。

把碳纤维当作是香肠的肠衣，先驱体就像是要灌进去的肉糜。

先把先驱体浸渍到碳纤维里，然后通过加热让先驱体裂解转化成碳化硅，就像肉糜在加工后变成香肠内部的肉质一样。

这种碳纤维增强碳化硅复合材料有很大的实用价值。

比如说在航空航天领域，飞机发动机在高速运转的时候面临着高温、高速气流、巨大压力等极端条件。

这个复合材料就像我们上面说的钢筋混凝土一样，既有碳化硅耐高温的特性，又有碳纤维的韧性，能够很好地承受这些极端条件，让发动机运行得更稳定，还能减轻重量提高燃油效率呢。

不过呢，这种制备也有注意事项。

它对原料的纯度要求比较高，如果原料中有杂质，就像我们蒸馒头时面粉里夹杂着沙子，那就会使做出来的复合材料性能大打折扣。

老实说，虽然我研究了一些制备原理，但这领域还有很多未知的地方呢。

比如怎么进一步优化制备工艺，降低成本。

这就给我们留下了很多思考的空间，也希望大家能一起来讨论呀。

碳化硅纤维制备工艺有哪些？碳化硅纤维是一种高性能陶瓷材料，从形态上分为晶须和连续碳化硅纤维，具有高温耐氧化性、高硬度、高强度、高热稳定性、耐腐蚀性和密度小等优点，在航空航天、军工武器等领域备受关注。

碳化硅纤维的制备方法主要有三种，分别是先驱体转化法、化学气相沉积法（CVD)和活性炭纤维转化法：先驱体转化法先驱体转化法由日本东北大学矢岛教授等人于1975年研发，主要包括先驱体合成、熔融纺丝、不熔化处理与高温烧结四大工序，是目前比较广泛的一种方法，技术相对成熟、生产效率高、成本低，适合于工业化生产。

先驱体转化法制备原理是将含有目标元素的高聚物合成先驱体——聚碳硅烷（PCS)，再将先驱体纺丝成有机纤维，然后通过一些列化学反应将有机纤维交联成无机陶瓷纤维。

先驱体转化法制备碳化硅纤维工艺流程随着碳化硅纤维制备工艺的改善，目前已经形成了三代产品。

第一代碳化硅纤维是以日本碳公司生产的Nicalon 200和Tyranno LOX-M为代表，由于在其制备过程中引入了氧，纤维中的氧质量分数为10%～15%，在高温下碳化硅纤维的稳定性变差，影响了纤维在高温环境下的强度和弹性模量。

为改善该问题研制了第二代碳化硅纤维，以日本碳公司的Hi-Nicalon与宇部兴产公司的Tyranno LOX-E、Tyranno ZM和Tyranno ZE为代表，通过在无氧气氛中采用电子辐照对原纤维进行不熔化处理来降低碳化硅纤维中的氧含量，从而保障其在高温环境下的稳定性。

为满足航空和军工领域对高温材料性能的更高要求，日本和美国分别开发了第三代碳化硅纤维，以日本碳公司的Hi-Nicalon S、宇部兴产公司的Tyranno SA以及美国道康宁公司的Sylramic纤维为代表，第三代碳化硅纤维中的杂质氧、游离碳含量进一步降低，接近碳化硅的化学计量比。

国外3代碳化硅纤维的基本情况我国对高性能连续碳化硅纤维产品的研究始于上世纪 80年代，经过 30 余年的发展，目前已经实现了多项关键技术的实质性突破，但与日本、美国等国家还存在一定差距。

334碳化硅纤维的制备碳化硅纤维是一种高强度、高模量、耐高温的纤维材料，具有优异的力学和热学性能，被广泛应用于航空航天、高温高压设备等领域。

本文将详细介绍碳化硅纤维的制备方法。

碳化硅纤维的制备方法可以分为化学气相沉积法（CVD法）和热解聚合物前驱体法（HTP法）两种。

化学气相沉积法是将硅源和碳源的气体在高温下反应生成碳化硅纤维。

制备过程中，首先需要制备气相反应物，例如硅源可以选择氯化硅（SiCl4）、硅烷（SiH4）等，碳源可以选择甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）等。

然后，在高温反应炉中，将反应物注入，使其在催化剂的作用下发生气相反应，生成碳化硅纤维。

制备过程中，需要控制反应温度、流量和时间等参数，以获得理想的碳化硅纤维。

热解聚合物前驱体法是通过热解聚合物预体的热解和碳化过程制备碳化硅纤维。

该方法的制备过程相对复杂，首先需要选择合适的聚合物作为前驱体，常用的有聚甲硅氧烷（polymethylsiloxane，简称PMPS）、聚硅氧烷等。

然后，将聚合物前驱体加热至高温，使其发生热解和碳化反应，生成碳化硅纤维。

制备过程中，需要控制加热温度和时间，以及选择合适的助剂来改善纤维的力学性能。

碳化硅纤维的制备过程中，还需要注意以下几点。

首先，需要选择合适的催化剂或助剂，以提高纤维的结晶程度和力学性能。

其次，需要控制制备过程中的温度和压力等参数，以获得理想的纤维结构。

同时，还需要考虑纤维的后续处理，例如热处理、表面处理等，以获得更好的性能。

总之，碳化硅纤维的制备方法包括化学气相沉积法和热解聚合物前驱体法。

两种方法各有优劣，可以根据具体需求选择适合的方法。

在制备过程中，需要控制反应条件和选择合适的助剂，以获得理想的碳化硅纤维性能。

未来，随着材料科学的进步，碳化硅纤维的制备方法和性能还将不断改进，为各个领域的应用提供更多可能性。

聚碳硅烷性能特点：本产品是以碳—硅键为主链，含活泼的Si—H键的有机硅聚合物，通常为淡黄色玻璃状固体。

纯度高，含氧量低，可以在一定范围内调控分子量以适应不同的用途，加热可熔，可以溶于常用的有机溶剂。

主要用途：1）陶瓷纤维的先驱体：制备以碳化硅纤维为代表的高温抗氧化陶瓷纤维。

2）陶瓷涂层：将聚碳硅烷以溶液方式涂于金属、陶瓷、石墨等基体材料或构件表面，经干燥、交联、高温无机化后形成陶瓷涂层。

3）陶瓷多孔材料或泡沫体：制备高渗透性、高比表面积、高反射性能、较好的绝缘性能陶瓷多孔体。

4）陶瓷微粉：其粒径小（可达纳米—微米级）5）无机材料粘结剂：聚碳硅烷熔体或溶液可作为陶瓷粘结剂的主要成分。

6）陶瓷基复合材料：聚碳硅烷制备碳化硅基复合材料基体，制备碳—陶、陶—陶复合材料。

聚二甲基硅烷聚二甲基硅烷是一种主链由硅原子组成的高分子材料。

由于Si的低电负性并具有3d空轨道，因此，电子可沿着51—Si主链广泛离域，从而使聚二甲基硅烷具有光电导、三阶非线性光学、光致发光和电致发光等一些特性，在光电导、发光二极管、非线性光学材料等方面有广阔的应用前景，这也是它引起人们广泛关注的重要原因。

聚二甲基硅烷的应用（1）制备SiC陶瓷。

（2）作为烯烃聚合的引发剂。

（3）作为光电导及电荷转移复合物材料。

（4）作为高分辨光致抗蚀剂。

（5）作为非线性光学材料。

（6）制造发光二极管。

（7）开发新型光记忆材料。

（8）聚二甲基硅烷在其他光电材料中也得到了广泛应用。

近年来，聚二甲基硅烷膜用于接触式扫描探针显微镜（SPM）纳米平板印刷术，其优点在于在样品成型时具有更高的溶解度和更少的辐射损失。

聚二甲基硅烷作为一种新型功能高分子材料，对其进行研究不论是理论上还是实践上都有重要的意义，聚二甲基硅烷化学已成为有机硅领域中的一个热点，对它的研究十分活跃。

随着研究的不断深入，聚二甲基硅烷有望在许多领域里得到更为广泛的应用。

纳米碳化硅微粉性能特点碳化硅粉体纯度高、粒径小[30nm~几微米(可控)]、分布均匀，比表面积大、表面活性高，松装密度低，具有极好的力学、热学、电学和化学性能，即具有高硬度、高耐磨性和良好的自润滑、高热传导率、低热膨胀系数及高温强度大特点。

碳化硅纤维的制造、性能及应用第二十六卷第四期2001年8月高甜拉讦谁白庄胃)Hi-TechFiber&ApplicationV o1.26.No.4Aug.,2001碳化硅纤维的制造,性能及应用碳化硅纤维是重要的高科技纤维之一,其英文名为SiliconCarbidefibers.日文名为炭化,素纤维.化学式为si—c或sj—c—o.该纤维是由日本东北大学金属材料研究所矢岛圣使教授于1975年发明的,然后,日本碳公司承接新技术发展事业团的委托于1989年实现工业化,并以商品名"尼卡纶(:口,,英文为Nicalon)"开始销售.因碳化硅纤维具有高强度,高模量,耐高温,抗腐蚀,易加工织布,编甥等特性,所以已在尖端科技领域,例如航空航天,火箭发动机,核聚变炉等方面展开应用.今后,期待往民品方向应用,诸如汽车废烟气收尘,高效率燃气发电机耐热部件等扩展使用.1碳化硅纤维的主要生产方法及品级一种方法是采用有机硅聚合物先驱体制造碳化硅纤维方法:另一种方法是CVD法制造碳化硅纤维.先驱体法即首先将有机硅化合物原料制成聚碳硅烷,然后经熔融拉丝,不熔化处理而烧结成为碳化硅纤维.CVD法即采用微细的钨丝或碳纤维细丝等为芯线作为载体,使有机硅烷等化合物在氮气流中,在灼热的芯线表面进行反应,裂解,并沉积于芯线表面上而制成碳化硅纤维,因含有不同材质的芯线,所以是一种复合纤维.关于碳化硅纤维的品级与性能,现仅对日本碳公司的产品予以简介.日本碳公司生产的碳化硅纤维主要有3个品级,即二力口,,,二才口(高级碳化硅纤维),,,二才口S型其中,;口>级碳化硅纤维在制造过程中采用空气熟氧化.产生si—o—si交联.使其不熔化,引入了氧原子同sj原子牢固结合, 烧结后氧残留在纤维中,当受到1300"C左右的高温,氧同游离的碳发生反应.变成一氧化碳而脱离,使纤维结构产生缺陷.导致纤维在高温状态下性能劣化.因此该品级碳化硅纤维使用温度为1200℃以下为宜.为了提高碳化硅纤维耐热问题,日本碳公司又同日本原子能研究所及大阪府立大学共同合作开发出,,:口级碳化硅纤维.其特点是.在纤维制造过程中不进行热空气氧化,而是在惰性气体(如氮)环境下使用电子束照射,可进行批量生产.据介绍.这个品级碳化硅纤维中氧含量可降至1%以下,耐热温度可超过1500℃,纤维中CtSi原子比为1.39.,,:口>S型是日本碳公司开发的性能更好的碳化硅纤维.在该纤维制造过程中.采用氢气处理经电子束照射的碳化硅不熔化纤维,这样使纤维中过剩的碳与氢反应而除去.纤维中C/Si原子比接近于1.0.带来的效果是碳化硅纤维的密度与弹性模量都增加了.据介绍,,=口,S型碳化硅纤维中CtSi原子比为1.05,现已进行商业性生产.并在国内外销售.该品级纤维适用于超高温陶瓷复合材料的增强纤维品质需要.以上3种品级碳化硅纤维价格都很昂贵,价格都在l3万日元/kg以上.随着碳化硅纤维在各个领域扩展使用,价格将会降下来2日本碳公司所产碳化硅纤维的一般性能日本碳公司所产碳化硅纤维有如下特点, (1)质量轻,强度好,模量高;(2)因其耐热性与耐氧化性优异,所以即使在高温大气中仍能保持高强度,高模量i(3)纤维细而柔软叉富有弹性,可适用于加工布类,编织物,毡,垫等各种形态连续纤维制品;(4)化学稳定性极好;(5)对树脂,金属,陶瓷等适应性很强.是纤维增强树脂(FRP),纤维增强金属(FRM),纤维增强陶瓷(FRC)等复合材料的优异增强材料.日本碳公司所产3个品级碳化硅连续纤维一般性能如表1所示.从表1来看.3个品级的碳化硅纤维单丝直径都为l412m的连续纤维,每根纱线的单丝根数都为500根."4:身口品级碳化硅纤维的氧含量为O.5mass%及以下.拉伸强度与:ja品级碳化硅纤维大致相同,弹性模量较高.,,:力口,S型碳化硅纤维虽然拉伸强度低于前3个品级,但弹性模量很高,纤维中氧含量仅为0.2mass%.这样使其耐高温蠕变性和耐氧化性也相应提高.S型品级能满足超高温陶瓷基复台材料用增强纤维品质的要求. 3碳化硅纤维的用途碳化硅纤维由于自身的优异性能可用作高温耐热材料,树脂,金属,陶瓷基复合材料的增强剂等.3.1用作高温耐热材料碳化硅纤维可用作耐高温传送带,金属熔体过滤材料,高温烟尘过滤器,汽车尾气收尘过滤器等.例如.日本东京都采用碳化硅纤维毡过滤器用于柴油汽车排放烟尘收集装置( DPF).据说.随着环保事业的强化.防止公害条例的制定,需求碳化硅纤维量将要增加.3.2用作树脂基复合材料碳化硅纤维可与环氧等树脂复合,制作优异的复合材料.例如,喷气式发动机涡轮叶片.直升机螺旋桨,飞机与汽车构件等.3.3用作金属基复合材料碳化硅纤维可与金属铝等复合,具有轻质,耐热,高强度,耐疲劳等优点.可用作飞机,汽车,机械等部件及体育运动器材等.3.4用作陶瓷基复合材料采用碳化硅纤维增强陶瓷(CMC),因为它比超耐热合金的质量轻,具有高温耐热性,并显着地改善了陶瓷固有的脆性.所以CMC 可用作宇宙火箭,航空喷气式发动机等耐热部件以及高温耐腐蚀化学反应釜材料等.根据美国NASA的评价,J,:女口碳化硅复合材料在1200℃下.可用作超高温耐热结构材料.第二代超高速运输飞机发动机部第五期科普之窗一37.件及核聚变炉防护层材料等.4碳化硅纤维其他品种发展动向除上述介绍的碳化硅纤维之外,世界有关科技人员还将某些金属引入纤维结构之中.开发出像si—Ti—c—O,si—zn—c—O,si～M—c—O,si—AI—c—o等含金属的碳化硅纤维.据说,采用铝置抉_ri的sj—Al—c—o纤维经进行高温处理的sA纤维有很高的高温强度,非常引人注目,即使在高达2000℃下,其强度降低很少.展望21世纪,将是高科技纤维材料大显神通的时代,相信在世界科技工作人员的努力下,碳化硅纤维的性能,品质将会改善与提高,产量,用量将会增加,成本也将会下降人们期待碳化硅纤维材料今后不仅在尖端科技领域,而且在民品领域也将逐步扩展使用.近年来,我国有关科技人员也为发展碳化硅纤维事业积极奋斗,如中国科学院金属研究所,国防科技大学等单位,在研制,开发碳化硅纤维方面,作出可喜的成绩(南京玻纤院毕鸿章)欢迎订阅《高斜丝讦谁与应用》杂志《毫辩挂讦谁与商月)》创刊于1976年,是我国高科技纤维及其新材料领域唯一综合性大型科技期刊.本刊绸委会由国家科技部等有关部委,高校和科研院所的有关领导,专家,学者组成,使本刊集权威性,政策性,学术性,创新性和指导性为一体.《高科挂讦谁与序用》设有【专家论坛l,【专题综述】,【考察报告l,【技术讲座】,【新产品新材料l,【新技术新工艺】,【信息动态l等主要专栏,以最快速度报道国内外高科技纤维研究,发展的前沿动态和趋势;全方位论遗和揭示高科技纤维及其新材料在各个领域研究,应用,开发的现状和前景;交流和促进高科技纤维及其新材料,新技术在技术创新和工业化生产方面的惰报雷息.本刊可供各相关领域的官产,学,研等方面的领导,企业家,科技人员,院校师生和广大技术工人参阅,收藏;敬请海内外专家,学者和工程技术人员为本刊撰稿.《高科挂讦谁与应用》经国家科技部拙准,国内外公开发行,国际标准刊号ISSN1007?9815.国内统一刊号CN11—3926EFQ,广告许可证京朝工商广字第0193 号,六16开本,全年订价60元(含邮资).欢迎读者通过邮局直接汇款至本刊编辑部订阅,诚邈国内外客商在本刊刊载广告.编辑部地址:浙江富阳巨利路25号邮编:311400电话:(0571)6337323663382369传瞧:63372466电子信箱:**********.zj.CI3。

专利名称：一种中空碳化硅纤维的制备方法
专利类型：发明专利
发明人：黎阳,李晓鸿,帅树乙,刘卫,冉坤,陈璐,杨波申请号：CN202010787165.3
申请日：20200807
公开号：CN111979607A
公开日：
20201124
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种中空碳化硅纤维的制备方法，包括如下步骤：步骤（1）、将一定质量的聚碳硅烷纤维置于通入含氧气氛的加热设备中进行热氧化交联处理，通过条件控制使聚碳硅烷纤维表层热氧化交联，而芯部未交联或低度交联；步骤（2）、将（1）所制得的聚碳硅烷纤维使用有机溶剂萃取除去未交联或交联程度低的芯部；步骤（3）、将（2）得到聚碳硅烷纤维在真空条件下按照一定的升温程序从环境温度升温至目标温度，从而制备出中空碳化硅纤维。

本发明具有低成本、环境友好、操作简单、所需设备简单、中空纤维管壁厚度可控、形貌规整等优点。

申请人：贵州师范大学
地址：550000 贵州省贵阳市云岩区宝山北路116号
国籍：CN
代理机构：东莞市中正知识产权事务所(普通合伙)
代理人：徐康
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图片简介:本技术介绍了一种中空碳化硅纤维的制备方法，包括如下步骤：步骤（1）、将一定质量的聚碳硅烷纤维置于通入含氧气氛的加热设备中进行热氧化交联处理，通过条件控制使聚碳硅烷纤维表层热氧化交联，而芯部未交联或低度交联；步骤（2）、将（1）所制得的聚碳硅烷纤维使用有机溶剂萃取除去未交联或交联程度低的芯部；步骤（3）、将（2）得到聚碳硅烷纤维在真空条件下按照一定的升温程序从环境温度升温至目标温度，从而制备出中空碳化硅纤维。

本技术具有低成本、环境友好、操作简单、所需设备简单、中空纤维管壁厚度可控、形貌规整等优点。

技术要求1.一种中空碳化硅纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤（1）、将一定质量的聚碳硅烷纤维置于通入含氧气氛的加热设备中进行热氧化交联处理，通过条件控制使聚碳硅烷纤维表层热氧化交联，而芯部未交联或低度交联；步骤（2）、将（1）所制得的聚碳硅烷纤维使用有机溶剂萃取除去未交联或交联程度低的芯部；步骤（3）、将（2）得到聚碳硅烷纤维在真空条件下按照一定的升温程序从环境温度升温至目标温度，从而制备出中空碳化硅纤维。

2.根据权利要求1所述的一种中空碳化硅纤维的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，热氧化交联目标温度为230～330℃。

3.根据权利要求1所述的一种中空碳化硅纤维的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，热氧化交联升温速率为0.1～3℃/min。

4.根据权利要求1所述的一种中空碳化硅纤维的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，保温时间为0～2h。

5.根据权利要求1所述的一种中空碳化硅纤维的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，热氧化交联所用气体氧分压在0.1%～3%之间。

6.根据权利要求1所述的一种中空碳化硅纤维的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，加热设备中含氧气体为含0.1～3%氧气的氮气、氩气中的一种，含氧分压气氛的流速为2 mL/min～10 L/min。

7.根据权利要求1所述的一种中空碳化硅纤维的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，萃取剂为四氢呋喃、苯等中的一种。