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宁波材料所在碳化硅先驱体制备技术方面取得进展
来源:宁波材料所  2016-01-08 09:00:09
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原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?news_id=2517

  碳化硅(SiC)纤维是继碳纤维之后开发的一种高性能陶瓷纤维,它具有高强度、高模量、耐化学腐蚀、耐高温、抗氧化、抗蠕变等性能。在应用方面,SiC纤维与陶瓷基体具有良好的兼容性,是重要的高性能陶瓷基复合材料的增强体。目前,SiC纤维增强的陶瓷基复合材料已被应用于航空航天发动机的耐热部件、可重复使用的运载器的热防护材料、高超音速运输推进系统、原子核反应堆材料等。此外,其还在高温烧结炉用的加热棒、冶金高温碳套、高速刹车盘、燃汽轮机热端部件、高温气体过滤和热交换器等领域具有应用价值。

  SiC纤维的制备方法有:有机先驱体转化法、化学气相沉积法、超细微粉烧结法和活性碳纤维转化法等。有机先驱体转化法是以有机聚合物为先驱体,利用其可溶或可熔等性质实现成型后,经高温处理,使之从有机物转变为无机陶瓷材料的方法。与其它方法相比,有机先驱体转化法制备SiC纤维具有显著的优点,包括:(1)通过分子设计,可控制有机先驱体的组成,从而获得具有不同功能的SiC纤维或改善SiC纤维的性能;(2)易成型,适于制备细直径的连续SiC纤维;(3)生产效率较高和成本较低。日本和美国基于有机先驱体转化法研制SiC纤维的实力处于国际领先地位,主要有日本Nippon Carbon公司开发的Nicalon系列SiC纤维、日本Ube Industries公司开发的Tyranno系列SiC纤维和美国COI ceramics公司开发的Sylramic系列SiC纤维。

  上世纪70年代末,我国开始基于有机先驱体转化法研制自己的SiC纤维。但是,与国际上高性能SiC纤维的技术指标相比,当前仍存在不小的差距。在产量方面,据不完全统计,当前,全球连续SiC纤维的总产量达300吨,产量最大的是日本Nippon Carbon公司和Ube Industries公司,均达到120吨/年,而我国的产量约占全球的1%,连国内市场都无法满足,进而严重影响到我国在SiC纤维增强的陶瓷基复合材料的研制。因此,对我国而言,高性能SiC纤维及其增强的陶瓷基复合材料的制备与量产化迫在眉睫。鉴于SiC纤维及其增强的陶瓷基复合材料在核能和航空航天等高技术领域的战略性地位,美国和日本对它们实行垄断政策,并对我国进行技术封锁。为了促进我国核能、航空航天等重要领域的发展,必须加快高性能SiC纤维及其增强的陶瓷基复合材料的研制步伐。在此背景下,中科院宁波材料所特种纤维事业部、特种纤维与核能材料工程实验室开展了SiC纤维和SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料关键制备技术的研制工作。该项工作获得国家自然科学基金重大研究计划项目、中科院先导项目等的支持。

  SiC有机先驱体是影响SiC纤维和SiC纤维增强的SiC陶瓷基复合材料的制备工艺与性能的关键因素之一,在2015年,在SiC有机先驱体制备方面,项目组取得了以下成绩:

  1、成功制备出聚硅烷(PMS):为了解决PMS来源困难的问题,项目组开展了PMS的研制工作。在2个半月的时间内,完成反应条件探索、中试设备采购和成功制备出公斤级且品质合格的PMS,满足了项目运行对原料的需求,并且形成了可工程化制备的技术。

  2、利用PMS成功合成聚碳硅烷(PCS):PCS是SiC纤维重要的有机先驱体,通过摸索工艺条件对PCS的分子量大小及分布、软化点和可纺性等影响规律的研究;设计制造了PCS中试合成装置,在安装、调试过程中解决了设备配置和温度控制等问题;目前,项目组利用中试合成装置制备出公斤级可纺性良好的PCS,并成功纺出连续长度超过2万米的SiC纤维原丝。

  3、解决某种液态超支化聚碳硅烷(LHBPCS)的制备技术:LHBPCS作为SiC陶瓷基体的先驱体,因具有流动性好、可自交联、陶瓷产率高以及热解产物接近SiC化学计量比等优点而备受关注。项目组成功合成了某种LHBPCS,目前正在进行中试放大合成。

  项目组在SiC纤维有机先驱体及SiC陶瓷基体有机先驱体的成果为下一步SiC纤维的工程化制备及SiC纤维增强的SiC陶瓷基复合材料的制备和研究奠定了坚实的基础。
 

文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?news_id=2517