专利名称：一种掺杂金属的碳化硅基纤维的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种掺杂金属的碳化硅基纤维的制备方法。
背景技术：
碳化硅纤维是用于金属基、陶瓷基复合材料的一种重要的高性能增强陶瓷纤维， 主要用作耐高温材料和增强材料，与其它高性能纤维相比，在抗拉强度、耐高温、耐腐蚀性 以及抗氧化性等方面表现出一系列的优异性能。掺杂金属的碳化硅基纤维兼具金属的性能 和陶瓷的优点，引起了陶瓷材料领域研究者的极大兴趣。目前制备掺杂金属的碳化硅基纤 维的方法主要有化学气相沉积法、先驱体转化法，熔融纺丝法等，而通过这些方法制备的掺 杂金属的碳化硅基纤维，存在着原料价格昂贵，制备工艺繁杂，实验条件苛刻，纤维直径较 粗，纤维质量不容易控制等问题，在应用中受到了极大的限制。近年来，利用静电纺丝技术可以制备高质量的陶瓷纤维，是一种值得深入研究的 方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低廉且容易操作的制备掺杂金属的碳化硅基纤 维的方法。本发明采用静电纺丝的方法，将含金属的聚碳硅烷和聚乙烯吡咯烷酮的四氢呋喃 和无水乙醇混合溶液进行纺丝制得前驱体纤维，然后分别在空气、氩气及氨气气氛下高温 处理得到掺杂金属的碳化硅基纤维。具体地讲，本发明将含金属的聚碳硅烷和聚乙烯吡咯烷酮溶于四氢呋喃和无水乙 醇的混合溶液，充分搅拌制得用于纺丝的前驱体溶液。将配制的前驱体溶液用静电纺丝法 制备出含有聚合物的前驱体纤维。然后依次在空气、氩气和氨气气氛下高温热处理，最终得 到掺杂金属的碳化硅基纤维。—种掺杂金属的碳化硅基纤维的制备方法，其特征在于该方法按照下列顺序步骤 进行的a.前驱体溶液的配制将含金属的聚碳硅烷溶于四氢呋喃中，向溶液中加入无水 乙醇，然后将聚乙烯吡咯烷酮溶于溶液中，搅拌均勻制得前驱体溶液；b.静电纺丝将前驱体溶液置入具有喷丝头的注射器中，进行纺丝，纺丝的条件 为进样速率为0. 3 lml/h，板间电压为1 ^v/cm，以得到前驱体纤维；C.将制备的前驱体纤维前驱体纤维在空气中160 210°C下预氧化，保持3 6 小时，然后自然冷却至室温；d.将在空气中预氧化的纤维分别在氩气和氨气气氛中高温处理制得掺杂金属的 碳化硅基纤维。在上述a步骤中，将含有金属的聚碳硅烷溶于四氢呋喃中，向溶液中加入无水 乙醇，其中含有金属的聚碳硅烷与混合溶液的质量体积比为0. 01 0. 06，四氢呋喃与无水乙醇得体积比为1. 25 2 ；然后向其中加入聚乙烯吡咯烷酮，其摩尔浓度为0. 003
0.006mol/L，搅拌均勻，从而制得用于静电纺丝的前驱体溶液。在上述a步骤中，所述金属为铝或钽。在上述b步骤中，将前驱体溶液置入注射器中，注射器前段连接直径为0. 5
1.6mm的喷丝头，注射器置于医用微量注射泵中。在上述d步骤中，将在空气中预氧化所得的纤维置于真空管式炉中，在氩气保护 下进行高温处理，温度为950 1050°C，时间2 5小时，自然冷却至室温；向其中通入氨 气，950 1050°C下高温处理保持2 5小时，除去多余的碳，自然冷却至室温；然后将所得 的非结晶的掺杂金属的碳化硅基纤维分别置于真空管式炉中，温度为1200 1600°C下高 温处理，得到结晶的掺杂金属的碳化硅基纤维。本发明制备的掺杂金属的碳化硅基纤维具有纯度高，纤维直径细，分布均勻等特 征。本发明的制备方法与化学气相沉积、先驱体转化，熔融纺丝等方法相比较，工艺过程简 单，设备易于操作，实验可控性好，制备成本低，纤维质量较好。在航天、航空、汽车等方面中 有着广泛的应用前景。本发明制备的掺杂金属的碳化硅基纤维通过场发射扫描电镜(FE-SEM)、透射电镜 (TEM)和X射线衍射(XRD)等证明了其均勻细长的纤维结构及结晶程度。
具体实施例方式实施例1 称取0.5g聚铝碳硅烷溶于5ml四氢呋喃，待溶解后加入无水乙醇，然后向其 中加入0. 5g聚乙烯吡咯烷酮，搅拌12h。将喷丝溶液置入具有喷丝头的注射器中，施加直流 高压电源20KV，调节喷丝头与接收板之间的距离为15cm，设定溶液流速为0. 5ml/h。从而可 以实现前驱体溶液的连续成丝。将纺丝所得的前驱体纤维装入磁舟，然后将磁舟置于箱式 炉中，在空气气氛中，200°C预氧化保持5h，自然冷却至室温。然后将其置于真空管式炉中， 在氩气气氛保护下，温度为1000°C下高温热处理，保温池后，自然冷却至室温。向其中通入 氨气，100(TC下高温处理保持池，除去多余的碳，自然冷却至室温。然后在氩气气氛下高温 处理，保持温度1200 1600°C，自然冷却至室温。最终得到铝碳化硅纤维。实施例2 称取0. 5g聚钽碳硅烷溶于5ml四氢呋喃，待溶解后加入无水乙醇，然后后向 其中加入0. 5g聚乙烯吡咯烷酮，搅拌12h。将喷丝溶液置入具有喷丝头的注射器中，施加直 流高压电源20KV，调节喷丝头与接收板之间的距离为15cm，设定溶液流速为0. 5ml/h。从而 可以实现前驱体溶液的连续成丝。将纺丝所得的前驱体纤维装入磁舟，然后将磁舟置于箱 式炉中，在空气气氛中，200°C预氧化保持5h，自然冷却至室温。然后将其置于真空管式炉 中，在氩气气氛保护下，温度为1000°C下高温热处理，保温池后，自然冷却至室温。向其中 通入氨气，100(TC下高温处理保持池，除去多余的碳，自然冷却至室温。然后在氩气气氛下 高温处理，保持温度1200 1600°C，自然冷却至室温。最终得到钽碳化硅纤维。通过实施例1和实施例2，利用FE-SEM和TEM测试表明，静电纺丝法制备的掺杂金 属的碳化硅基纤维尺寸较为均勻，纤维直径为1 μ m左右；通过XRD测试证明低的热处理温 度(1000 1200°C )可以得到无定形掺杂金属的碳化硅基纤维，高的热处理温度(1200 1600°C )则可以得到含晶体金属碳化物纳米颗粒的碳化硅基纤维。
权利要求
1.一种掺杂金属的碳化硅基纤维的制备方法，其特征在于该方法按照下列顺序步骤进 行的a.前驱体溶液的配制将含金属的聚碳硅烷溶于四氢呋喃中，向溶液中加入无水乙 醇，然后将聚乙烯吡咯烷酮溶于溶液中，搅拌均勻制得前驱体溶液；b.静电纺丝将前驱体溶液置入具有喷丝头的注射器中，进行纺丝，纺丝的条件为进 样速率为0. 3 lml/h，板间电压为1 ^v/cm，以得到前驱体纤维；c.将制备的前驱体纤维前驱体纤维在空气中160 210°C下预氧化，保持3 6小时， 然后自然冷却至室温；d.将在空气中预氧化的纤维分别在氩气和氨气气氛中高温处理制得掺杂金属的碳化 硅基纤维。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于在a步骤中，将含有金属的聚碳硅烷溶于四 氢呋喃中，向溶液中加入无水乙醇，其中含有金属的聚碳硅烷与混合溶液的质量体积比为 0. 01 0. 06，四氢呋喃与无水乙醇得体积比为1. 25 2 ；然后向其中加入聚乙烯吡咯烷 酮，其摩尔浓度为0. 003 0. 006mol/L，搅拌均勻，从而制得用于静电纺丝的前驱体溶液。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于在a步骤中，金属为铝或钽。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于在b步骤中，将前驱体溶液置入注射器中， 注射器前段连接直径为0. 5 1. 6mm的喷丝头，注射器置于医用微量注射泵中。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于在d步骤中，将在空气中预氧化所得的纤维 置于真空管式炉中，在氩气保护下进行高温处理，温度为950 1050°C，时间2 5小时， 自然冷却至室温；向其中通入氨气，950 1050°C下高温处理保持2 5小时，除去多余的 碳，自然冷却至室温；然后将所得的非结晶的掺杂金属的碳化硅基纤维分别置于真空管式 炉中，温度为1200 1600°C下高温处理，得到结晶的掺杂金属的碳化硅基纤维。
全文摘要
本发明公开了一种掺杂金属的碳化硅基纤维的制备方法。本发明将含金属的聚碳硅烷和聚乙烯吡咯烷酮溶于四氢呋喃和无水乙醇的混合溶液，充分搅拌制得用于纺丝的前驱体溶液。将配制的前驱体溶液用静电纺丝法制备出含有聚合物的前驱体纤维。然后依次在空气、氩气和氨气气氛下高温热处理，最终得到掺杂金属的碳化硅基纤维。优点是快速，高效，过程简便，设备易于操作；可以得到均匀的掺杂金属的碳化硅基纤维。
文档编号D01D5/00GK102094260SQ20091011769
公开日2011年6月15日 申请日期2009年12月9日 优先权日2009年12月9日
发明者孙东飞, 薛群基, 阎兴斌 申请人:中国科学院兰州化学物理研究所