專利名稱：一種摻雜金屬的碳化硅基纖維的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種摻雜金屬的碳化硅基纖維的制備方法。
背景技術(shù)：
碳化硅纖維是用于金屬基、陶瓷基復(fù)合材料的一種重要的高性能增強(qiáng)陶瓷纖維， 主要用作耐高溫材料和增強(qiáng)材料，與其它高性能纖維相比，在抗拉強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕性 以及抗氧化性等方面表現(xiàn)出一系列的優(yōu)異性能。摻雜金屬的碳化硅基纖維兼具金屬的性能 和陶瓷的優(yōu)點(diǎn)，引起了陶瓷材料領(lǐng)域研究者的極大興趣。目前制備摻雜金屬的碳化硅基纖 維的方法主要有化學(xué)氣相沉積法、先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法，熔融紡絲法等，而通過(guò)這些方法制備的摻 雜金屬的碳化硅基纖維，存在著原料價(jià)格昂貴，制備工藝繁雜，實(shí)驗(yàn)條件苛刻，纖維直徑較 粗，纖維質(zhì)量不容易控制等問(wèn)題，在應(yīng)用中受到了極大的限制。近年來(lái)，利用靜電紡絲技術(shù)可以制備高質(zhì)量的陶瓷纖維，是一種值得深入研究的 方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種成本低廉且容易操作的制備摻雜金屬的碳化硅基纖 維的方法。本發(fā)明采用靜電紡絲的方法，將含金屬的聚碳硅烷和聚乙烯吡咯烷酮的四氫呋喃 和無(wú)水乙醇混合溶液進(jìn)行紡絲制得前驅(qū)體纖維，然后分別在空氣、氬氣及氨氣氣氛下高溫 處理得到摻雜金屬的碳化硅基纖維。具體地講，本發(fā)明將含金屬的聚碳硅烷和聚乙烯吡咯烷酮溶于四氫呋喃和無(wú)水乙 醇的混合溶液，充分?jǐn)嚢柚频糜糜诩徑z的前驅(qū)體溶液。將配制的前驅(qū)體溶液用靜電紡絲法 制備出含有聚合物的前驅(qū)體纖維。然后依次在空氣、氬氣和氨氣氣氛下高溫?zé)崽幚?，最終得 到摻雜金屬的碳化硅基纖維?！N摻雜金屬的碳化硅基纖維的制備方法，其特征在于該方法按照下列順序步驟 進(jìn)行的a.前驅(qū)體溶液的配制將含金屬的聚碳硅烷溶于四氫呋喃中，向溶液中加入無(wú)水 乙醇，然后將聚乙烯吡咯烷酮溶于溶液中，攪拌均勻制得前驅(qū)體溶液；b.靜電紡絲將前驅(qū)體溶液置入具有噴絲頭的注射器中，進(jìn)行紡絲，紡絲的條件 為進(jìn)樣速率為0. 3 lml/h，板間電壓為1 ^v/cm，以得到前驅(qū)體纖維；C.將制備的前驅(qū)體纖維前驅(qū)體纖維在空氣中160 210°C下預(yù)氧化，保持3 6 小時(shí)，然后自然冷卻至室溫；d.將在空氣中預(yù)氧化的纖維分別在氬氣和氨氣氣氛中高溫處理制得摻雜金屬的 碳化硅基纖維。在上述a步驟中，將含有金屬的聚碳硅烷溶于四氫呋喃中，向溶液中加入無(wú)水 乙醇，其中含有金屬的聚碳硅烷與混合溶液的質(zhì)量體積比為0. 01 0. 06，四氫呋喃與無(wú)水乙醇得體積比為1. 25 2 ；然后向其中加入聚乙烯吡咯烷酮，其摩爾濃度為0. 003
0.006mol/L，攪拌均勻，從而制得用于靜電紡絲的前驅(qū)體溶液。在上述a步驟中，所述金屬為鋁或鉭。在上述b步驟中，將前驅(qū)體溶液置入注射器中，注射器前段連接直徑為0. 5
1.6mm的噴絲頭，注射器置于醫(yī)用微量注射泵中。在上述d步驟中，將在空氣中預(yù)氧化所得的纖維置于真空管式爐中，在氬氣保護(hù) 下進(jìn)行高溫處理，溫度為950 1050°C，時(shí)間2 5小時(shí)，自然冷卻至室溫；向其中通入氨 氣，950 1050°C下高溫處理保持2 5小時(shí)，除去多余的碳，自然冷卻至室溫；然后將所得 的非結(jié)晶的摻雜金屬的碳化硅基纖維分別置于真空管式爐中，溫度為1200 1600°C下高 溫處理，得到結(jié)晶的摻雜金屬的碳化硅基纖維。本發(fā)明制備的摻雜金屬的碳化硅基纖維具有純度高，纖維直徑細(xì)，分布均勻等特 征。本發(fā)明的制備方法與化學(xué)氣相沉積、先驅(qū)體轉(zhuǎn)化，熔融紡絲等方法相比較，工藝過(guò)程簡(jiǎn) 單，設(shè)備易于操作，實(shí)驗(yàn)可控性好，制備成本低，纖維質(zhì)量較好。在航天、航空、汽車等方面中 有著廣泛的應(yīng)用前景。本發(fā)明制備的摻雜金屬的碳化硅基纖維通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)、透射電鏡 (TEM)和X射線衍射(XRD)等證明了其均勻細(xì)長(zhǎng)的纖維結(jié)構(gòu)及結(jié)晶程度。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 稱取0.5g聚鋁碳硅烷溶于5ml四氫呋喃，待溶解后加入無(wú)水乙醇，然后向其 中加入0. 5g聚乙烯吡咯烷酮，攪拌12h。將噴絲溶液置入具有噴絲頭的注射器中，施加直流 高壓電源20KV，調(diào)節(jié)噴絲頭與接收板之間的距離為15cm，設(shè)定溶液流速為0. 5ml/h。從而可 以實(shí)現(xiàn)前驅(qū)體溶液的連續(xù)成絲。將紡絲所得的前驅(qū)體纖維裝入磁舟，然后將磁舟置于箱式 爐中，在空氣氣氛中，200°C預(yù)氧化保持5h，自然冷卻至室溫。然后將其置于真空管式爐中， 在氬氣氣氛保護(hù)下，溫度為1000°C下高溫?zé)崽幚?，保溫池后，自然冷卻至室溫。向其中通入 氨氣，100(TC下高溫處理保持池，除去多余的碳，自然冷卻至室溫。然后在氬氣氣氛下高溫 處理，保持溫度1200 1600°C，自然冷卻至室溫。最終得到鋁碳化硅纖維。實(shí)施例2 稱取0. 5g聚鉭碳硅烷溶于5ml四氫呋喃，待溶解后加入無(wú)水乙醇，然后后向 其中加入0. 5g聚乙烯吡咯烷酮，攪拌12h。將噴絲溶液置入具有噴絲頭的注射器中，施加直 流高壓電源20KV，調(diào)節(jié)噴絲頭與接收板之間的距離為15cm，設(shè)定溶液流速為0. 5ml/h。從而 可以實(shí)現(xiàn)前驅(qū)體溶液的連續(xù)成絲。將紡絲所得的前驅(qū)體纖維裝入磁舟，然后將磁舟置于箱 式爐中，在空氣氣氛中，200°C預(yù)氧化保持5h，自然冷卻至室溫。然后將其置于真空管式爐 中，在氬氣氣氛保護(hù)下，溫度為1000°C下高溫?zé)崽幚?，保溫池后，自然冷卻至室溫。向其中 通入氨氣，100(TC下高溫處理保持池，除去多余的碳，自然冷卻至室溫。然后在氬氣氣氛下 高溫處理，保持溫度1200 1600°C，自然冷卻至室溫。最終得到鉭碳化硅纖維。通過(guò)實(shí)施例1和實(shí)施例2，利用FE-SEM和TEM測(cè)試表明，靜電紡絲法制備的摻雜金 屬的碳化硅基纖維尺寸較為均勻，纖維直徑為1 μ m左右；通過(guò)XRD測(cè)試證明低的熱處理溫 度(1000 1200°C )可以得到無(wú)定形摻雜金屬的碳化硅基纖維，高的熱處理溫度(1200 1600°C )則可以得到含晶體金屬碳化物納米顆粒的碳化硅基纖維。
權(quán)利要求
1.一種摻雜金屬的碳化硅基纖維的制備方法，其特征在于該方法按照下列順序步驟進(jìn) 行的a.前驅(qū)體溶液的配制將含金屬的聚碳硅烷溶于四氫呋喃中，向溶液中加入無(wú)水乙 醇，然后將聚乙烯吡咯烷酮溶于溶液中，攪拌均勻制得前驅(qū)體溶液；b.靜電紡絲將前驅(qū)體溶液置入具有噴絲頭的注射器中，進(jìn)行紡絲，紡絲的條件為進(jìn) 樣速率為0. 3 lml/h，板間電壓為1 ^v/cm，以得到前驅(qū)體纖維；c.將制備的前驅(qū)體纖維前驅(qū)體纖維在空氣中160 210°C下預(yù)氧化，保持3 6小時(shí)， 然后自然冷卻至室溫；d.將在空氣中預(yù)氧化的纖維分別在氬氣和氨氣氣氛中高溫處理制得摻雜金屬的碳化 硅基纖維。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在a步驟中，將含有金屬的聚碳硅烷溶于四 氫呋喃中，向溶液中加入無(wú)水乙醇，其中含有金屬的聚碳硅烷與混合溶液的質(zhì)量體積比為 0. 01 0. 06，四氫呋喃與無(wú)水乙醇得體積比為1. 25 2 ；然后向其中加入聚乙烯吡咯烷 酮，其摩爾濃度為0. 003 0. 006mol/L，攪拌均勻，從而制得用于靜電紡絲的前驅(qū)體溶液。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在a步驟中，金屬為鋁或鉭。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在b步驟中，將前驅(qū)體溶液置入注射器中， 注射器前段連接直徑為0. 5 1. 6mm的噴絲頭，注射器置于醫(yī)用微量注射泵中。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在d步驟中，將在空氣中預(yù)氧化所得的纖維 置于真空管式爐中，在氬氣保護(hù)下進(jìn)行高溫處理，溫度為950 1050°C，時(shí)間2 5小時(shí)， 自然冷卻至室溫；向其中通入氨氣，950 1050°C下高溫處理保持2 5小時(shí)，除去多余的 碳，自然冷卻至室溫；然后將所得的非結(jié)晶的摻雜金屬的碳化硅基纖維分別置于真空管式 爐中，溫度為1200 1600°C下高溫處理，得到結(jié)晶的摻雜金屬的碳化硅基纖維。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種摻雜金屬的碳化硅基纖維的制備方法。本發(fā)明將含金屬的聚碳硅烷和聚乙烯吡咯烷酮溶于四氫呋喃和無(wú)水乙醇的混合溶液，充分?jǐn)嚢柚频糜糜诩徑z的前驅(qū)體溶液。將配制的前驅(qū)體溶液用靜電紡絲法制備出含有聚合物的前驅(qū)體纖維。然后依次在空氣、氬氣和氨氣氣氛下高溫?zé)崽幚?，最終得到摻雜金屬的碳化硅基纖維。優(yōu)點(diǎn)是快速，高效，過(guò)程簡(jiǎn)便，設(shè)備易于操作；可以得到均勻的摻雜金屬的碳化硅基纖維。
文檔編號(hào)D01D5/00GK102094260SQ20091011769
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2009年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月9日
發(fā)明者孫東飛, 薛群基, 閻興斌 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所