本發明涉及SiC纖維制備技術領域，具體涉及一種直流加熱法制備連續鎢芯SiC纖維的短流程一體化裝置和方法。

背景技術：

航空、航天等領域的迅猛發展，對材料提出了更高、更多的要求，單一的材料體系很難滿足需求。新型復合材料將備受關注并獲得大量應用。作為增強體之一的連續單絲SiC纖維屬于高技術產品，具有高比強度、高比模量、抗腐蝕、耐磨損、熱穩定性好等性能優點，適于增強樹脂、金屬和陶瓷等多種基體，可用于制備鎂基復合材料衛星探測平臺、鈦基復合材料整體葉環、低壓渦輪軸、SiC纖維增強碳化硅整流罩等多種復合材料結構件，是一類重要的高技術結構材料，在航空航天工業中具有明確的應用前景。

連續、大直徑(>100μm)單絲SiC纖維都是采用化學氣相沉積法(CVD)制備的，就是反應氣體在熱絲(鎢芯或碳芯)表面熱解沉積生成SiC。鎢絲是采用熱拉拔的工藝制備的，而碳芯是瀝青經過熔融紡絲、固化和碳化工藝制備的。目前只有英(鎢芯)、美(碳芯)兩國有同類產品，已形成商品，并可大規模生產。但由于其高技術應用背景，其技術和產品均對我國保密和封鎖。

目前，國內生產碳芯的技術還不成熟，只能采用鎢絲作為載體，生產鎢芯SiC纖維。該種纖維主要由鎢芯、內部SiC沉積層和外部涂層及層間界面層組成，高性能SiC纖維特征在于：芯材表面光滑沒有污染、界面層匹配良好、沉積層晶粒細小缺陷少、表面涂層與沉積層的物理和化學相容性好。因此，生產過程中必須對芯材進行高溫清洗、精確控制沉積溫度和纖維表面涂層。芯材清洗在600～900℃之間進行，SiC沉積和表面涂層分別在1250～1350℃之間和1300～1500℃之間進行，這樣的要求在直流電阻加熱工藝中難于實現。因為通過整個纖維的電流恒定，前端纖維直徑小、電阻大、溫度高；后端直徑粗、電阻小、溫度低。開始時的高溫容易造成鎢絲的斷裂，前后較大的溫差會造成纖維性能下降。

國外采用分段加熱法解決了這一技術難題，即將已有的工藝中各工序分開在不同反應容器中進行，將整根絲材分成幾段單獨進行密封加熱，該法易于分別調控溫度但流程長、設備成本高、所占空間大且操作復雜，國內相關單位也都采用該法進行纖維生產。如果上述多工序在同一個反應器上進行，則可大幅度節約空間、縮短流程、提高生產效率并降低成本。但各工序的適宜工作溫度不同，其不同工序如果在同一反應器中可能會存在的反應氣體交互作用，影響纖維質量。

技術實現要素：

為了克服現有技術中存在的上述不足之處，本發明的目的是提供一種直流加熱法制備連續鎢芯SiC纖維的短流程一體化裝置和方法，本發明通過對反應容器的形狀和結構進行了設計，對氣體流動路徑的控制，結合對反應氣體種類、濃度、流量、流速、沉積溫度、收絲速度的綜合精細關聯調控，消除了反應氣體的交互作用，從而使纖維制備效率和性能穩定性大幅度提高。

為了實現上述目的，本發明的技術方案是：

一種直流加熱法制備連續鎢芯SiC纖維的短流程一體化裝置，該裝置包括放絲裝置、一體化反應器和收絲裝置；其中：所述一體化反應器分為三段，由上至下依次為鎢絲清洗段、SiC沉積段和涂層沉積段；所述鎢絲清洗段、SiC沉積段和涂層沉積段都為石英玻璃管，其中：鎢絲清洗段石英玻璃管的直徑為18～25mm，長度為300～500mm；SiC沉積段石英玻璃管的直徑為25～30mm，長度為1500～1800mm；涂層沉積段石英玻璃管的直徑為18～25mm，長度為200～400mm。

本發明裝置還設有上穿絲孔和下穿絲孔，分別設置在鎢絲清洗段的頂端和涂層沉積段的底端，所述放絲裝置放出的鎢絲穿過鎢絲清洗段上的上穿絲孔后，依次經過鎢絲清洗段、SiC沉積段和涂層沉積段，再由涂層沉積段上的下穿絲孔穿出，進入收絲裝置。

所述SiC沉積段的上部和中部分別設置進氣口；所述SiC沉積段的下部設有排氣口；所述鎢絲清洗段的上部和涂層沉積段的中部分別設置進氣口；所有進氣口上都設有調流閥，用于調節進氣的流量。

所述放絲裝置中設有張力調節系統，用于調節鎢絲的張力。

利用所述裝置進行直流加熱法制備連續鎢芯SiC纖維的方法，具體包括如下步驟：

(1)將整盤鎢絲固定在放絲裝置上，鎢絲的一端由一體化反應器的上穿絲孔進入，下穿絲孔穿出，并粘結在收絲裝置上；

(2)從鎢絲清洗段上的進氣口和涂層沉積段上的進氣口同時通入高純氬氣，排空一體化反應器內的空氣，其中通入氬氣的流量為1～2L/min，時間為5～10min；

(3)一體化反應器內的空氣排除后，從鎢絲清洗段的進氣口通入氫氣，用于鎢絲的清洗，氫氣通至制備過程結束，其中通入氫氣的流量0.05L/min～0.3L/min；

(4)從SiC沉積段上部進氣口、SiC沉積段中部進氣口和涂層沉積段上的進氣口分別通入所需反應氣體，待各路氣體通入3～5min后，啟動收絲裝置，收絲輪的轉速在2～5rpm。其中：從SiC沉積段上部進氣口和SiC沉積段中部進氣口通入的兩路氣體用于SiC的沉積，從涂層沉積段上的進氣口通入的氣體用于最外層碳層的沉積；

(5)啟動直流電源對鎢絲進行加熱，通過調整電流大小調控鎢絲清洗段的溫度在600～900℃之間、SiC沉積段溫度在1250～1350℃之間、涂層沉積段溫度在1300～1500℃之間；

(6)各段溫度達到規定范圍5min后，SiC纖維制備及收絲過程正式開始，經過一體化裝置內腔的鎢絲依次進行鎢絲清洗、SiC沉積和SiC表面碳涂層沉積三個過程；其中制備時間可根據具體纖維需求長度設定。

步驟(1)中，鎢絲的張力控制在1.0×10^-3-5.5×10^-3N·m，收絲裝置中收絲輪的直徑為200mm。

步驟(4)中通入氣體的過程具體按照以下(a)～(c)中進行：

(a)在SiC沉積段的上部進氣口通入一甲基三氯硅烷、甲基二氯氫硅烷和氫氣的混合氣體，混合氣體中各組分的體積百分比為：氫氣5％～15％，甲基二氯氫硅烷5％～10％，余量為一甲基三氯硅烷，混合氣體流量為1L/min～4L/min；

(b)在SiC沉積段的中部進氣口通入一甲基三氯硅烷、甲基二氯氫硅烷和氬氣的混合氣體，混合氣體中各組分的體積百分比為：氬氣10％～20％，甲基二氯氫硅烷20％～30％，余量為一甲基三氯硅烷，混合氣體流量為2L/min～3L/min；

(c)從涂層沉積段上的進氣口通入乙炔、氬氣和氫氣的混合氣體，混合氣體中各組分的體積百分比為：氬氣5％～15％，乙炔50％～60％，余量為氫氣，混合氣體流量為0.5L/min～2L/min。

步驟(5)中，電流大小在0.3～0.8A之間，調流速率為0.05～0.1A/min。

本發明具有如下優點和有益效果：

1.對連續SiC纖維反應容器的形狀和結構進行了精心設計，使鎢絲清洗、SiC沉積和涂層制備過程在一個反應器中完成，節約了空間和設備成本，縮短了制備工藝流程，提高了生產效率，減少了控制環節，使纖維的性能穩定性進一步提升。

2.通過多路通入反應氣體的方式，調控反應氣體的配比、流量和流速以及沉積溫度，獲得了適于SiC沉積穩定生長的濃度場和溫度場分布，保證了SiC纖維的低缺陷細小晶粒組織，纖維強度高。所制備纖維的直徑范圍95～110μm，纖維強度大于3650MPa，強度離散系數9～12％。

3根據氫氣的比熱容大、氬氣的比熱容小的特性，提出了基于氣流控制的溫度調控方法，可適度調控各工作區的溫度。

附圖說明

圖1為本發明一體化裝置結構圖。

圖2為實施例1制備的SiC纖維斷口形貌。

圖3為實施例2制備的SiC纖維斷口形貌。

圖4為實施例3制備的SiC纖維斷口形貌。

其中：1-放絲裝置，2-一體化反應器，3-收絲裝置，4-調流閥，5-進氣口，6-排氣口，7-鎢絲清洗段，8-SiC沉積段，9-涂層沉積段，10-上穿絲孔，11-下穿絲孔。

具體實施方式

下面結合實施例和附圖對本發明做更進一步的解釋，應該理解以下實施例僅旨在說明，不應被視為對本發明范圍的限制。

本發明為直流加熱法制備連續鎢芯SiC纖維的短流程一體化裝置和方法，該裝置結構如圖1所示，包括放絲裝置1、一體化反應器2、收絲裝置3；一體化反應器由上至下分為三段，依次為鎢絲清洗段7、SiC沉積段8和涂層沉積段9；一體化反應器的三段都為石英玻璃管，其中：鎢絲清洗段7石英玻璃管的直徑為18～25mm，長度為300～500mm；SiC沉積段8石英玻璃管的直徑為25～30mm，長度為1500～1800mm；涂層沉積段9石英玻璃管的直徑為18～25mm，長度為200～400mm。

所述放絲裝置1放出的鎢絲穿過一體化反應器的上穿絲孔10后，依次經過鎢絲清洗段7、SiC沉積段8和涂層沉積段9，再由一體化反應器的下穿絲孔11穿出，進入收絲裝置。

所述SiC沉積段的上部和中部分別設置進氣口5；所述SiC沉積段的下部設有排氣口6；所述鎢絲清洗段的上部和涂層沉積段的中部分別設置進氣口5；所有進氣口上都設有調流閥4，用于調節進氣的流量。

實施例1

步驟一：將鎢絲從張力裝置中引出，由上穿絲孔進入一體化反應器，再由下穿絲孔穿出，并固定在收絲盤上。從鎢絲清洗段和涂層沉積段上的進氣口同時通入高純氬氣，排空一體化反應器內的空氣，通入氬氣的流量為1.3L/min，時間為6min，鎢絲的張力控制在2.0×10^-3N·m。

步驟二：排除空氣后，從鎢絲清洗段上的進氣口通入氫氣進行鎢絲的清洗，氣體流量0.08L/min；在SiC沉積段上部進氣口通入混合氣體的體積比為：氫氣占總體積的7％，甲基二氯氫硅烷占總體積的7％，余量為一甲基三氯硅烷，混合氣體流量為2L/min。在SiC沉積段中部進氣口通入的混合氣體的體積比為：氬氣占總體積的10％，甲基二氯氫硅烷占總體積的20％，余量為一甲基三氯硅烷，混合氣體流量2L/min。從涂層沉積段上的進氣口通入的混合氣體體積比為：氬氣占總體積的5％，乙炔占總體積的50％，余量為氫氣，混合氣體流量為0.5L/min。

步驟三：各路氣體通入5min后，啟動收絲裝置，收絲輪的轉速在4rpm；啟動直流電源對鎢絲進行加熱，調流速率為0.05A/min，電流大小在0.5A。芯材清洗段溫度為650℃，SiC沉積段和涂層沉積段溫度分別在1280℃和1350℃。最終制得SiC纖維，如圖2所示。

實施例2

SiC纖維的制方法與實施例1不同之處在于：步驟二和三中氣體流量變化，具體變化如下：

步驟二：排除空氣后，從鎢絲清洗段上的進氣口通入氫氣，氣體流量0.15L/min；在SiC沉積段上部進氣口通入混合氣體的體積比為：氫氣占總體積的10％，甲基二氯氫硅烷占總體積的9％，余量為一甲基三氯硅烷，混合氣體流量為3L/min。在SiC沉積段中部進氣口通入的混合氣體的體積比為：氬氣占總體積的10％，甲基二氯氫硅烷占總體積的25％，余量為一甲基三氯硅烷，混合氣體流量為2.5L/min。從涂層沉積段上的進氣口通入的混合氣體體積比為：氬氣占總體積的10％，乙炔占總體積的50％，余量為氫氣，混合氣體流量為1.0L/min。

步驟三：各路氣體通入5min后，啟動收絲裝置，收絲輪的轉速在4rpm；啟動直流電源對鎢絲進行加熱，調流速率為0.05A/Min，電流大小在0.55A。芯材清洗段溫度為750℃，SiC沉積段和涂層沉積段溫度分別在1290℃和1360℃。最終制得SiC纖維，如圖3所示。

實施例3

SiC纖維的制備與實施例1不同之處在于：步驟一中張力變化，步驟二和三中氣體流量變化也發生變化，具體變化如下：

步驟一中鎢絲的張力控制在5.0×10^-3N·m。

步驟二：排除空氣后，從鎢絲清洗段上的進氣口通入氫氣，氣體流量0.20L/min；在SiC沉積段上部進氣口通入混合氣體的體積比為：氫氣占總體積的15％，甲基二氯氫硅烷占總體積的10％，余量為一甲基三氯硅烷，混合氣體流量為3.5L/min。在SiC沉積段中部進氣口通入的混合氣體的體積比為：氬氣占總體積的18％，甲基二氯氫硅烷占總體積的26％，余量為一甲基三氯硅烷，混合氣體流量為2.8L/min。從涂層沉積段上的進氣口通入的混合氣體體積比為：氬氣占總體積的12％，乙炔占總體積的58％，余量為氫氣，混合氣體流量為1.5L/min。

步驟三：各路氣體通入5min后，啟動收絲裝置，收絲輪的轉速在4rpm；啟動直流電源對鎢絲進行加熱，調流速率為0.05A/min，電流大小在0.60A。芯材清洗段溫度為800℃，SiC沉積段和涂層沉積段溫度分別在1310℃和1390℃。最終制得SiC纖維，如圖4所示。

實施例4

SiC纖維的制備過程與實施例1不同的是電流大小在0.7A。

實施例5

SiC纖維的制備過程與實施例2不同的是收絲輪的轉速在5rpm。

表1給出了各實施例中纖維的直徑和強度。

表1 實施例1-5得到的SiC纖維直徑和強度

以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋范圍。各項實施例的結果說明，本發明所生產的SiC強度高，滿足制備金屬基復合材料材料增強體需求，尤其適用于制備航空航天用高性能鈦基復合材料結構件。