陶瓷纖維的合成研究進(jìn)展

1、1陶瓷陶瓷纖維纖維的合成研究的合成研究進(jìn)展摘要：陶瓷纖維具有許多優(yōu)異的性能如高比強(qiáng)度、高比模量、低密度、高硬度、高導(dǎo)熱系數(shù)、低的熱膨脹系數(shù)、耐腐蝕、抗氧化等，從而被廣泛用作高溫結(jié)構(gòu)部件。本文綜述了近幾十年來主要陶瓷纖維的合成工藝，并簡要介紹了各類方法制得的纖維的性能。陶瓷纖維硬度較強(qiáng)，又具有一定彈性及很好的絕熱性能，因此被廣泛用于制造高溫爐壁以及汽車或飛機(jī)的輕型組件。對于在航空和地面的兩類汽油渦輪機(jī)、熱交換器、聚變反應(yīng)堆中的防護(hù)墻以及在

2、高溫氣體過濾燭形濾器等無需基體的應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)材料必須承受很高的溫度，所以排除了采用有機(jī)或是玻璃纖維的可能。同時(shí)，它必須在氧化和腐蝕性的環(huán)境中運(yùn)行，所以也不能使用在300℃以上就降解的碳纖維。而陶瓷纖維，由于其本體的高強(qiáng)度和高溫空氣中的良好機(jī)械性能，以及優(yōu)異的抗氧化、耐化學(xué)腐蝕性能，使得它們被廣泛的采用。1SiC纖維纖維近年來陶瓷纖維增強(qiáng)基復(fù)合材料有了迅猛的發(fā)展。碳化硅纖維是其最重要的增強(qiáng)材料之一。作為一種新型的無機(jī)纖維SiC纖維具有耐高

3、溫、抗氧化、耐腐蝕以及力學(xué)性能優(yōu)良等特性，它是目前使用增強(qiáng)材料中工作溫度最高的復(fù)合材料增強(qiáng)纖維。在高技術(shù)領(lǐng)域特別是航天航空、導(dǎo)彈等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。用作先進(jìn)復(fù)合材料增強(qiáng)用的碳化硅纖維主要是連續(xù)纖維和晶須。晶須是尺寸非常小的高純單晶，直徑0.1~1.0μm，長度為20~50μm，通常采用化學(xué)氣相沉積法(CVD)法制得；連續(xù)SiC纖維制備方法很多，如CVD法、超微細(xì)粉燒結(jié)法(PowderSintering)、碳纖維轉(zhuǎn)化法(CVR)和先

4、驅(qū)體轉(zhuǎn)化法(PreceramicPolymerPyrolysis)等。下面分別介紹幾種主要方法。3先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法中最關(guān)鍵的因素是先驅(qū)體的合成和性質(zhì)，它的好壞直接決定了所制備的SiC陶瓷纖維性能的優(yōu)劣。先驅(qū)體的合成工藝主要有：矢島法、開環(huán)聚合法、硅氫化法、聚合物金屬化法、共混法等，在此不作詳細(xì)論述。通常空氣氧化是PCS原絲不熔化處理的最簡單易行的方法，但同時(shí)也在纖維中引入大量氧雜質(zhì)，SiC纖維中氧元素含量過高會對纖維性能有不利影響。所以先后

5、出現(xiàn)了等離子體源不熔化法，紫外光照射交聯(lián)法、化學(xué)氣相不熔化法(CVC)、NO2及BCl3氣體不熔化法以及電子輻照不熔化法等[6]。國防科技大學(xué)的王亦菲[7]等人采用熱交聯(lián)法，二步燒成制備出的低含氧量SiC纖維，性能優(yōu)于一步燒成；熱交聯(lián)纖維經(jīng)過1000℃預(yù)燒、1250℃終燒，平均直徑為13.8μm，抗拉強(qiáng)度可達(dá)1141GPa。研究人員通過在PCS中引入金屬元素來提高SiC纖維的機(jī)械性能。如日本宇部興產(chǎn)株氏會社開發(fā)并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的含鈦的SiC

6、纖維，商品名為Tyranno。其絲徑在10μm以下，強(qiáng)度為3.0~3.5GPa，模量為170~230GPa[8]。美國DowCning公司生產(chǎn)的Sylramic纖維，采用NO2BCl3交聯(lián)處理，不僅強(qiáng)度高，而且彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他交聯(lián)方法所制得的SiC纖維，在1800℃Ar中經(jīng)12h，強(qiáng)度保持率87%(即2.0GPa)，并且沒有微觀結(jié)構(gòu)的變化；在空氣中1370℃下暴露12h后，強(qiáng)度保持率66%[9]。由于前驅(qū)體法制備的連續(xù)SiC纖維比C

7、VD法的制備成本低、生產(chǎn)效率高，更適用于工業(yè)化生產(chǎn)，因此前驅(qū)體法制得的SiC纖維正逐漸成為研究與應(yīng)用的主流。1.3超微細(xì)粉燒結(jié)法傳統(tǒng)的熔融紡絲要求材料具有較低的熔點(diǎn)，但是一般陶瓷纖維的熔點(diǎn)都在2000℃以上，難以直接在熔融狀態(tài)拉制纖維。為此研究人員為此研究人員在紡絲助劑(可熱分解的有機(jī)聚合物)的作用下，將陶瓷超細(xì)微粉配成漿料，經(jīng)擠出、蒸發(fā)溶劑、煅燒、燒結(jié)等過程便可得到所需的陶瓷纖維。雖然得到的纖維大量富碳、絲徑較粗、強(qiáng)度較低、抗氧化性差