用于交联碳化硅纤维前体聚合物的方法和设备的制造方法
【技术领域】
[0001 ]本发明大体上涉及用于交联碳化娃纤维前体聚合物(precursor polymer)的方法和设备。更具体而言，本发明涉及用于通过电子束辐射有效地交联碳化硅纤维前体聚合物的方法和设备。
【背景技术】
[0002]碳化硅(SiC)为若干高级陶瓷材料中的一者，它们目前作为电子材料、作为发动机中的金属的潜在替换物和用于期望或需要与低密度和高温下的抗氧化性、抗腐蚀和抗热降解组合的高强度的多种其它应用而受到相当多的关注。令人遗憾的是，这些极硬的非熔化陶瓷难以通过常规的成形、加工或纺纱应用来处理，致使其对于这些潜在应用中的许多的使用成问题。具体而言，经由电子束照射交联SiC纤维聚合物前体(聚碳硅烷(po lycarbosi lane)和聚二甲娃基胺(po Iydi si Iazane))是碳化娃纤维生产过程中的最大瓶颈。
[0003]交联SiC纤维聚合物前体(例如，聚碳硅烷和聚二甲硅基胺)使得聚合物不可熔，所以纤维的空间完整性将在随后的高温分解期间保持。目前，电子束是用于实行SiC纤维聚合物前体的交联的典型机构。然而，当前交联过程的产量严重受到照射期间吸收的能量引起的纤维导致的温度升高限制。结果，辐射剂量必须以足够慢的速率输送，以确保SiC纤维聚合物前体不会达到其熔点，且因此失去其形状和/或熔化在一起。
[0004]在典型的布置中，辐射剂量通过使用传送器系统来调节或限制。在照射陶瓷先驱体(Preceramic)SiC纤维的一部分之后，其围绕长传送器跨置，以在回到电子束来用于另一小剂量辐射之前在环境大气中冷却。陶瓷先驱体SiC纤维的部分在电子束下经过足够的时间，以接收有效交联所需的累积剂量，由此使纤维的整个长度交联。当需要大剂量(若干MGy)来有效交联聚合物纤维时，辐射过程由于很长的传送器系统所需的较大资金投入和很长生产时间而变得很昂贵。
[0005]因此，对用于经由电子束有效地交联SiC纤维聚合物前体(例如，聚碳硅烷和聚二甲硅基胺)同时保持纤维的空间完整性的方法和设备存在需要。有助于此纤维在比现有技术方法和设备高得多的速率下电子束固化的方法和设备将在减小占地面积要求的情况下提供有价值的高产量、成本效益合算的商业碳化硅纤维生产。
【发明内容】
[0006]在一方面，公开了一种交联碳化硅纤维前体聚合物的方法。该方法包括使设在平台上的碳化娃纤维前体聚合物的第一部分暴露于来自电子束福射机构的电子束。该方法还包括使平台和电子束辐射中的一者相对于另一者平移，以及将碳化硅前体聚合物的第二部分暴露于电子束辐射。该方法还包括调节平台的温度，以由此防止碳化物纤维前体聚合物的第一部分和第二部分的温度由于电子束辐射而达到其软化点。
[0007]在另一方面，公开了一种用于利用电子束辐射来交联碳化硅纤维前体聚合物的设备。该设备包括平台，其包括处理表面和冷却剂通道。该设备还包括定位在平台的处理表面上的多层碳化硅纤维前体聚合物。在一些实施例中，冷却剂通道构造成在交联期间通过使用热传递流体调节处理表面的温度，且由此调节定位在其上的多层碳化硅纤维前体聚合物的温度。
[0008]在另一方面，公开了一种用于交联碳化硅纤维前体聚合物的设备。设备包括平台、平移机构和构造成投射电子束辐射的电子束辐射机构。平台包括处理表面、定位在处理表面上的多层碳化硅纤维前体聚合物，以及延伸穿过平台的冷却剂通道。平移机构构造成使平台和从电子束辐射机构投射的电子束辐射中的至少一者相对于另一者平移，使得在第一构造下，电子束福射机构将第一剂量的电子束福射施加到碳化娃纤维前体聚合物的第一部分上，且在第二构造下，电子束福射机构将第一剂量的电子束福射施加到碳化娃纤维前体聚合物的第二部分上。
[0009]本公开内容的这些及其它目的、特征和优点将从连同附图的本公开内容的各种方面的以下详细描述中变得清楚。
【附图说明】
[0010]图1为按照本公开内容的示例性实施例的陶瓷先驱体SiC纤维交联设备的透视图；图2A和2B为图1的示例性陶瓷先驱体SiC纤维交联设备的示例性平台上的陶瓷先驱体
SiC纤维的示例性布置的顶视图；
图3A和3B为图1中的示例性陶瓷先驱体SiC纤维交联设备的示例性平台的示例性温度调节底座的透视图；
图4为按照本公开内容的示例性实施例的另一陶瓷先驱体SiC纤维交联设备的透视图；
以及图5A和5B为图4的示例性陶瓷先驱体SiC纤维交联设备的示例性温度调节平台的透视图。
【具体实施方式】
[0011]下文提出的各个实施例便于阐释本公开内容的某些方面，且不应当理解为限制本公开内容的范围。此外，如本文在说明书和权利要求各处使用的近似语言可用于改变可允许在不导致其涉及的基本功能的变化的情况下改变的任何数量表示。因此，由一个或更多个用语如〃大约〃修饰的值不限于指定的精确值。在一些情况下，近似语言可对应于用于测量值的器具的精确性。当介绍各种实施例的元件时，词语〃一个〃、〃一种〃、〃该〃和〃所述〃旨在表示存在一个或更多个元件。用语"包括"、"包含"和"具有"旨在为包含性的，且意思是可存在除所列元件之外的附加元件。如本文使用的用语〃可〃和〃可为〃是指出现在一组环境中的可能性;拥有指定性质、特征或功能;或/或通过表示与合格动词相关联的能力、性能或可能性中的一个或更多个使另一个动词合格。因此，"可"和"可为"的使用是指修饰的用语表面上是适合、有能力或适用于指出的容量、功能或使用，同时考虑了在一些情况中，修饰的用语有时可不是适合、有能力或适用的。操作参数的任何实例并未排除公开的实施例的其它参数。本文参照任何特定实施例描述、示出或以其它方式公开的构件、方面、特征、构造、布置、使用等可类似地应用于本文公开的任何其它实施例。
[0012]用语〃陶瓷先驱体SiC纤维〃(和其语法上的变体)在本文中用于表示具有或没有一定百分比的交联的碳化硅(SiC)纤维聚合物前体或碳化硅未加工纤维。
[0013]本公开内容的方法及设备提供了经由电子束照射在比可由当前技术水平实现的更高的速率下交联碳化硅(SiC)纤维聚合物前体(例如，聚碳硅烷和聚硅胺烷)。在一些实施例中，聚硅胺烷为聚二甲硅基胺。本文公开的方法及设备可能能够使用单个电子束设备生产每年至少大约20吨交联陶瓷先驱体SiC纤维，且更优选每年至少大约30吨交联陶瓷先驱体SiC纤维。交联的陶瓷先驱体SiC纤维的此生产率提供了优于当前典型SiC纤维聚合物前体电子束设备和方法的至少大约500%的性能优点。在一些实施例中，测试导致了相比于典型陶瓷先驱体SiC纤维交联电子束设备和方法的交联陶瓷先驱体SiC纤维的产量的600%的增长。本公开内容的陶瓷先驱体SiC纤维或SiC纤维聚合物前体交联方法和设备还相比于传送器系统中的典型散装容器，向处理或交联的陶瓷先驱体SiC纤维提供了更大的辐射剂量均匀性。更进一步，本公开内容的陶瓷先驱体SiC纤维或SiC纤维聚合物前体交联方法和设备相比于现有的陶瓷先驱体SiC纤维聚合物前体交联设备和方法，在交联过程期间的相同辐射剂量率下提供了陶瓷先驱体SiC纤维的较低操作温度。在又一个方面中，本公开内容的陶瓷先驱体SiC纤维交联方法和设备相比于现有SiC纤维聚合物前体交联设备和方法提供了较低资金投入(例如，更少的电子束单元、较少基础结构、更小的占地面积等)。
[0014]在一个方面，本公开内容的方法及设备向SiC纤维聚合物前体提供在其上/其中且经历电子束辐射的平台提供了主动温度调节或保持。以此方式，平台的温度调节既在电子束辐射期间又在电子束辐射之后主动地且连续地调节设在其上的陶瓷先驱体SiC纤维(例如，通过传导)。在交联处理期间，吸收的辐射在陶瓷先驱体SiC纤维中产生热，且温度调节包括冷却平台，以由此冷却部分地交联的陶瓷先驱体SiC纤维。温度调节可有效保持陶瓷先驱体SiC纤维的温度低于聚合物前体的软化点。辐射过程可包括照射设在平台上的SiC聚合物前体的第一部分。平台和/或发射电子束辐射的辐射机构的移动可引起SiC纤维聚合物前体的第二部分被照射，且第一部分不再经历辐射。当热可从平台且由此从陶瓷先驱体SiC纤维连续地取得时，电子束辐射的更高剂量率可在交联过程期间实现。此外，陶瓷先驱体SiC纤维经由平台的温度调节相比于现有技术的交联方法和设备可增加产量。本公开内容的方法及设备由此消除了对冷却传送器系统的需要，且由此降低了与现有技术的陶瓷先驱体SiC纤维交联方法和设备相关联的投资成本和所需占地面积。
[0015]用于交联陶瓷先驱体SiC纤维的示例性设备、系统、方法等在图1-3B中示出，且大体上由参考标号10标记。如图1中所示，陶瓷先驱体SiC纤维交联设备和方法10可包括若干构件、特征等。图1中所示的示例性SiC纤维聚合物前体交联设备和方法10包括电子束发射机构12、纤维平台14、陶瓷先驱体S i C纤维16和平移机构18。
[0016]电子束发射机构12可为将至少一个剂量的电子束辐射有效发射至设在平台14上/中的陶瓷先驱体S i C纤维16的任何机构。从电子束发射机构12发射的电子束福射20的剂量的束电流和电子能量的量度可在至少部分地交联SiC纤维聚合物前体16中有效，且由此可取决于或至少关于一定数目的变量。例如，SiC纤维聚合物前体16的物理性能(例如，软化点、熔点等)、平台14上的陶瓷先驱体SiC纤维16的堆积厚度和/或布置、陶瓷先驱体SiC纤维16与电子束辐射20之间的相对平移速度和定向、由平台14提供的温度保持或冷却的水平或有效性、施加到陶瓷先驱体SiC纤维16上的电子束辐射的剂量数目，以及期望水平的交联是可影响交联过程期间从电子束发射机构12发射的电子束福射20的最小、最大或最有效剂量的的一些因素或变量。
[0017]在一些实施例中，电子束发射