專利名稱：鍍氮化鈦碳化硅纖維的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種碳化硅纖維的制備方法。
背景技術：
碳化硅又稱碳硅石。在當代C、N、B等非氧化物高技術耐火原料中，碳化硅為應用 最廣泛、最經濟的一種。可以稱為金鋼砂或耐火砂。碳化硅纖維因其化學性能穩定、熱膨脹 系數小、耐磨性能好、耐熱性和耐氧化性均優于碳纖維，強度達I960 4410MPa等優點，得 到 了廣泛的應用(Th. Schubert, et al. Mater. Sci. Eng.，A，475 (2008) 39-44)。碳化硅纖 維是以有機硅化合物為原料經紡絲、碳化或氣相沉積而制得具有0 -碳化硅結構的無機纖 維，屬陶瓷纖維類。連續纖維是碳化硅包覆在鎢絲或碳纖維等芯絲上而形成的連續絲或紡 絲和熱解而得到純碳化硅長絲。普通碳化硅纖維由于含有較多的SixCy0z相，在1200°C以上容易發生分解而使強 度急劇下降；隨著碳化硅纖維研究的迅猛發展，在耐高溫技術領域取得了很大的進展，日本 碳公司采用電子輻射來取代常規的空氣預氧化，從而極大幅度地降低了纖維中的含氧量， 所生產的 Hi-Nicalon 纖維的使用溫度可達到 1400°C (H. P. Baldus, et al. Jansen. Angew. Chem. Int. Ed. ,36(1997)328-333)。但該法成本很高。制備耐高溫SiC纖維最經濟實用 的方法是在SiC纖維的先驅體中引入少量異元素，起到助燒結劑的作用，再進行高溫脫氧 燒結處理。美國Sylramic和日本Tyrarmo SA纖維是在制備過程分別引入一定量的助燒 結劑B和A1的耐超高溫SiC纖維。日本宇部興產公司在碳化硅纖維的先驅體聚碳硅烷 (PCS)中引入硼來抑制碳化硅纖維在高溫下的析晶，使纖維的使用溫度提高到1500°C左右 (K. Kumagawa，et al. Ceram. Eng. Sci. Proc.，1998，19 (3) 65-72)。碳化硅纖維主要用作耐高溫材料和增強材料，耐高溫材料包括熱屏蔽材料、耐高 溫輸送帶、過濾高溫氣體或熔融金屬的濾布等。用做增強材料時，常與碳纖維或玻璃纖維 合用，以增強金屬(如鋁)和陶瓷為主，如做成噴氣式飛機的剎車片、發動機葉片、著陸齒 輪箱和機身結構材料等，還可用做體育用品，其短切纖維則可用做高溫爐材等。碳化硅纖 維因其優異的物理化學性能和力學性能在銅基熱沉材料中作為增強增韌材料得到較為廣 泛的研究(X. Luo，et al. Scripta Mater.，56 (2007) 569-572)。但是，碳化硅纖維在合成 銅基復合金屬材料的過程中，最大的問題是發生界面反應，反應產生Si元素將大大降低 復合材料的熱導和電導率(X. Luo, et al. Mater. Sci. Eng.，A，459 (2007) 244-250)。為了 盡量降低界面反應，可用金屬鍍層來阻止銅與碳化硅發生界面反應，例如電鍍M鍍層 (X. Luo,et al. J. Alloys Compd.，469 (2009) 237-243)，氣相沉積 Mo 鍍層(Th. Schubert, et al. CompositesPart A，38 (2007) 2398-2403)，磁控溉射 Ti 鍍層(A. Brende l，et al. Surf. Coat. Techno 1.，200 (2005) 161-164)，磁控溉射 Cr 和 W 鍍層(T. K5ck; et al. J. Nucl. Mater. ,362(2007) 197-201)和激光鍍覆 Fe-Cr-Mo 層(A. Basu，et al. Surf. Coat. Technol. ,202(2008)2623-2631)等。目前，關于鍍鈦的方法中應用較成熟的方法有真空微 蒸發鍍鈦技術，主要應用在金剛石表面金屬化，可以大大提高金剛石的熱穩定性，使金剛石表面的缺陷得以彌合、裂紋尖端鈍化(王艷輝等，金剛石與磨料磨具工程，169 (2009) 5-8)。 種方法的主要優點是鍍覆質量較高、單次鍍覆量大等優點(李國彬等，金剛石與磨料磨 具工程，158(2007) 14-19)，但是高真空條件比較苛刻、設備相對昂貴。另一種常用的磁控濺 射鍍鈦方法所需的設備、濺射條件及參數也相對較復雜，生產成本高、不易大批量生產。

發明內容
本發明的目的是提供一種成本低、工藝簡單、容易控制和規模化生產的鍍氮化鈦 碳化硅纖維的制備方法。為了實現本發明的目的，本發明的技術方案是鍍氮化鈦碳化硅纖維的制備方法， 其特征在于它包括如下步驟1)按碳化硅纖維金屬鈦粉的質量比=1 6，稱取碳化硅纖維和金屬鈦粉，按 碳化硅纖維酒精的配比=5 6g 150mL，選取酒精，備用；其中碳化硅纖維的直徑約為 14 μ m、長度為5 15謹，金屬鈦粉的粒度為300 400目；將碳化硅纖維和金屬鈦粉混合后加入酒精濕磨，得到混合粉末A ；2)按碳化硅纖維鹽酸(HCl)的配比=5 6g 30mL，選取鹽酸；按鹽酸丙酮 (CH3COCH3)的體積比=2 10 15，選取丙酮；將鹽酸與丙酮混合，得到混合溶液；3)將濕磨好的混合粉末A在混合溶液中超聲分散5 10分鐘，然后強烈攪拌10 20分鐘，得到懸濁溶液； 4)懸濁溶液過濾，去除濾液后，真空干燥，干燥溫度為50 70°C，得到預處理好的 混合粉末B ；5)氮氣保護下微波加熱處理將預處理好的混合粉末B放入氧化鋁坩堝中，置于 微波燒結裝置腔體中，在氮氣保護環境下進行鍍膜處理，以升溫速率50 200°C /分鐘升溫 到800 100(TC，保溫5 20分鐘，待爐溫降低到室溫后，取出氧化鋁坩堝，得到混合粉末 C ；6)將混合粉末C經過200目的篩子過篩后，得到鍍氮化鈦碳化硅纖維。所述的超聲條件功率為60 100W，頻率為20 40KHz。所述的強烈攪拌是指轉速在500轉/分鐘以上。所述的微波加熱處理工藝條件微波頻率為2. 45GHz，功率為0. 5 4KW。本發明的有益效果是1、成本低制備過程中使用的原材料組份少，工藝簡單、設備簡單，因此具有成本 低的特點。2、制備過程工藝步驟少，所需設備簡單，充分利用了微波燒結工藝的特點；因此具 有合成時間短、工藝簡單、容易控制和規模化生產的特點。3、得到的鍍氮化鈦碳化硅纖維其鈦膜致密，可廣泛應用于增強增韌熱沉材料等材 料。


圖1是本發明的制備工藝流程圖；圖2是原始碳化硅纖維及本發明實施例1制得鍍氮化鈦碳化硅纖維的X射線衍射圖譜；圖3a是原始碳化硅纖維的掃描電鏡圖；圖3b是圖3a的放大圖； 圖4a是本發明實例1制得鍍氮化鈦碳化硅纖維的掃描電鏡圖；圖4b是圖4a的放大圖。
具體實施例方式以下結合附圖和實施例進一步對本發明進行說明，但本發明的內容不僅僅局限于 下面的實施例。實施例1 如圖1所示，鍍氮化鈦碳化硅纖維的制備方法，它包括如下步驟1)稱取5g的碳化硅纖維(直徑約為14 μ m、長度約為5 15mm)和30g、約400 目金屬鈦粉，加入150mL的酒精濕磨，得到混合粉末A ;2)量取30mL鹽酸、150mL丙酮，配置 成混合溶液；3)將混合粉末A在混合溶液中超聲分散5分鐘，然后繼續強烈攪拌10分鐘， 得到懸濁溶液；4)懸濁溶液過濾后(去除濾液)，真空干燥，干燥溫度為50°C，得到預處理 好的混合粉末B ；5)將預處理好的混合粉末B放入氧化鋁坩堝中，置于微波燒結裝置腔體 中，在氮氣保護環境下進行鍍膜處理，使用的頻率在2. 45GHz，功率控制在4KW，以升溫速率 2000C /分鐘升溫到100(TC，保溫5分鐘，待爐溫降低到室溫后，取出氧化鋁坩堝，得到混合 粉末C ；6)將混合粉末C經過200目的篩子過篩后，得到鍍氮化鈦碳化硅纖維。圖2為鍍氮化鈦碳化硅纖維的X射線衍射圖譜，顯示采用這種鍍氮化鈦工藝在碳 化硅纖維表面已經包覆了氮化鈦膜。圖3(a)為原始碳化硅纖維的掃描電鏡圖，圖3(b)為 其放大圖。圖4(a)為鍍氮化鈦之后的碳化硅纖維的掃描電鏡圖，圖4(b)為鍍氮化鈦碳化 硅纖維的局部放大圖，表明碳化硅表面鍍覆了一層氮化鈦膜，表面氮化鈦層致密、均勻。實施例2 如圖1所示，鍍氮化鈦碳化硅纖維的制備方法，它包括如下步驟1)稱取6g的碳化硅纖維(直徑約為14 μ m、長度約為5 15mm)和36g、約300目 金屬鈦粉，加入150mL的酒精濕磨，得到混合粉末A ;2)量取30mL鹽酸、225mL丙酮，配置成 混合溶液；3)將混合粉末A在混合溶液中超聲分散10分鐘，然后繼續強烈攪拌20分鐘，得 到懸濁溶液；4)懸濁溶液過濾后(去除濾液)，真空干燥，干燥溫度為70°C，得到預處理好 的混合粉末B ;5)將預處理好的混合粉末B放入氧化鋁坩堝中，置于微波燒結裝置腔體中， 在氮氣保護環境下進行鍍膜處理，使用的頻率在2. 45GHz,功率控制在0. 5KW，以升溫速率 500C /分鐘升溫到800°C，保溫20分鐘，待爐溫降低到室溫后，取出氧化鋁坩堝，得到混合粉 末C;6)將混合粉末C經過200目的篩子過篩后，得到鍍氮化鈦碳化硅纖維。實施例3 如圖1所示，鍍氮化鈦碳化硅纖維的制備方法，它包括如下步驟1)稱取6g的碳化硅纖維(直徑約為14 μ m、長度約為5 15mm)和36g、約400目 金屬鈦粉，加入150mL的酒精濕磨，得到混合粉末A ;2)量取30mL鹽酸、200mL丙酮，配置成 混合溶液；3)將混合粉末A在混合溶液中超聲分散8分鐘，然后繼續強烈攪拌15分鐘，得到懸濁溶液；4)懸濁溶液過濾后(去除濾液)，真空干燥，干燥溫度為60°C，得到預處理好的混合粉末B ；5)將預處理好的混合粉末B放入氧化鋁坩堝中，置于微波燒結裝置腔體中， 在氮氣保護環境下進行鍍膜處理，使用的頻率在2. 45GHz，功率控制在2. 5KW，以升溫速率 IOO0C /分鐘升溫到90(TC，保溫15分鐘，待爐溫降低到室溫后，取出氧化鋁坩堝，得到混合 粉末C ；6)將混合粉末C經過200目的篩子過篩后，得到鍍氮化鈦碳化硅纖維。實施例4 如圖1所示，鍍氮化鈦碳化硅纖維的制備方法，它包括如下步驟1)稱取5g的碳化硅纖維(直徑約為14 μ m、長度約為5 15mm)和30g、300目 金屬鈦粉，加入150mL的酒精濕磨，得到混合粉末A ;2)量取30mL鹽酸、ISOmL丙酮，配置成 混合溶液；3)將混合粉末A在混合溶液中超聲分散8分鐘，然后繼續強烈攪拌20分鐘，得 到懸濁溶液；4)懸濁溶液過濾后(去除濾液)，真空干燥，干燥溫度為65°C，得到預處理好 的混合粉末B ;5)將預處理好的混合粉末B放入氧化鋁坩堝中，置于微波燒結裝置腔體中， 在氮氣保護環境下進行鍍膜處理，使用的頻率在2. 45GHz,功率控制在3. OKff,以升溫速率 150°C /分鐘升溫到850°C，保溫18分鐘，待爐溫降低到室溫后，取出氧化鋁坩堝，得到混合 粉末C;6)將混合粉末C經過200目的篩子過篩后，得到鍍氮化鈦碳化硅纖維。本發明所列舉的各原料都能實現本發明，以及各原料的上下限取值、區間值都能 實現本發明，本發明的工藝參數(如溫度、時間、真空度等)的上下限取值以及區間值都能 實現本發明，在此不一一列舉實施例。
權利要求
鍍氮化鈦碳化硅纖維的制備方法，其特征在于它包括如下步驟1)按碳化硅纖維∶金屬鈦粉的質量比＝1∶6，稱取碳化硅纖維和金屬鈦粉，按碳化硅纖維∶酒精的配比＝5～6g∶150mL，選取酒精，備用；將碳化硅纖維和金屬鈦粉混合后加入酒精濕磨，得到混合粉末A；2)按碳化硅纖維∶鹽酸的配比＝5～6g∶30mL，選取鹽酸；按鹽酸∶丙酮的體積比＝2∶10～15，選取丙酮；將鹽酸與丙酮混合，得到混合溶液；3)將濕磨好的混合粉末A在混合溶液中超聲分散5～10分鐘，然后強烈攪拌10～20分鐘，得到懸濁溶液；4)懸濁溶液過濾，去除濾液后，真空干燥，干燥溫度為50～70℃，得到預處理好的混合粉末B；5)氮氣保護下微波加熱處理將預處理好的混合粉末B放入氧化鋁坩堝中，置于微波燒結裝置腔體中，在氮氣保護環境下進行鍍膜處理，以升溫速率50～200℃/分鐘升溫到800～1000℃，保溫5～20分鐘，待爐溫降低到室溫后，取出氧化鋁坩堝，得到混合粉末C；6)將混合粉末C經過200目的篩子過篩后，得到鍍氮化鈦碳化硅纖維。
2.根據權利要求1所述的鍍氮化鈦碳化硅纖維的制備方法，其特征在于所述碳化硅 纖維的直徑為14 μ m、長度為5 15mm。
3.根據權利要求1所述的鍍氮化鈦碳化硅纖維的制備方法，其特征在于所述金屬鈦 粉的粒度為300 400目。
全文摘要
本發明涉及一種碳化硅纖維的制備方法。鍍氮化鈦碳化硅纖維的制備方法，其特征在于它包括如下步驟1)按碳化硅纖維∶金屬鈦粉的質量比＝1∶6，按碳化硅纖維∶酒精的配比＝5～6g∶150mL，選取酒精；將碳化硅纖維和金屬鈦粉混合后加入酒精濕磨，得到混合粉末A；2)按碳化硅纖維∶鹽酸的配比＝5～6g∶30mL，選取鹽酸；按鹽酸∶丙酮的體積比＝2∶10～15，選取丙酮；將鹽酸與丙酮混合，得到混合溶液；3)將濕磨好的混合粉末A在混合溶液中超聲分散，得到懸濁溶液；4)真空干燥；5)氮氣保護下微波加熱處理，得到混合粉末C；6)將混合粉末C經過200目的篩子過篩后，得到鍍氮化鈦碳化硅纖維。本發明具有成本低、工藝簡單、容易控制和規模化生產的特點。
文檔編號C04B41/85GK101870592SQ20101021362
公開日2010年10月27日 申請日期2010年6月30日 優先權日2010年6月30日
發明者史曉亮, 楊行勇, 段興龍, 王書偉, 王玉伏, 章橋新, 陶劍青 申請人:武漢理工大學