專利名稱：一種涂層碳化硅纖維的生產(chǎn)方法及反應器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用化學氣相沉積技術(shù)制備碳化硅纖維的方法及反應器。
碳化硅纖維通常采用鎢絲或碳纖維作基體，通過化學氣相沉積的方法在其表面沉積SiC而制成。目前較為普遍的方法是采用直流電加熱鎢絲基體，用水銀密封反應管，同時用水銀作為加熱鎢絲的電接觸點。由于使用水銀觸點加熱法制備碳化硅纖維會產(chǎn)生水銀蒸汽，不僅會污染環(huán)境和危害人體健康，而且也常常污染鎢絲基體，使生產(chǎn)的碳化硅纖維產(chǎn)生缺陷。中國專利申請90106461.0公開一種“連續(xù)碳化硅纖維的制備方法及裝置”。在這一方法中，申請人采用高頻無接觸加熱12μm鎢絲基體，CH3SiCl3和CH3SiHCl2為碳化硅沉積原料，沉積溫度1270℃，此外，還在碳化硅的外表面用C2H2為原料氣進行碳涂層。該方法所采用的高頻加熱裝置中其管狀反應器的兩端采用氫氣密封，在反應器上分別設有沉積碳化硅用氯硅烷加氫氣的入口、涂層氣體C2H2的入口及尾氣排出口。上述方法克服了以往直流加熱基體、水銀觸點及水銀密封的蔽端，但是還存在下面一些問題，如鎢絲表面的污染得不到清理，影響沉積質(zhì)量；沉積溫度高，沒有給出原料的最佳比例；SiC纖維表面涂層采用C2H2，這樣不但使SiC纖維表面涂層不均勻，而且在進一步與金屬復合時，碳與金屬在高溫下發(fā)生反應，會降低復合材料的質(zhì)量。
本發(fā)明的目的在于提供一種帶有梯度涂層的高強度的碳化硅纖維的生產(chǎn)方法，并提供改進了的反應器。
本發(fā)明涂層碳化硅纖維的生產(chǎn)方法采用高頻加熱鎢絲基體，以CH3SiCl3和CH3SiHCl2為反應原料，在基體上沉積SiC，同時在SiC纖維外表面施以涂層，其特征是(1)將10-12.5μm的鎢絲用高頻加熱至1100-1200℃，(2)在反應管內(nèi)通入氫氣以清除鎢絲表面被污染的物質(zhì)，(3)在1100～1200℃下通入氣相沉積SiC的反應氣體，其組成比例為H2∶CH3SiCl3∶CH3SiHCl2＝60-72∶20-30∶6-15，(4)鎢絲在沉積段的停留時間為20-30秒，(5)在反應管的尾部通入少量其組成和比例為H2∶C2H8∶CH3SiHCl2＝3.0-4.5∶0.5-1.5∶0.1-0.5的表面涂層原料氣，涂層溫度為1200-1300℃，所述的碳化硅纖維可以用直徑10-12.5μm的鎢絲作為基體。在制備碳化硅纖維時將其連續(xù)地通過管狀反應器，鎢絲用高頻加熱。在加熱的同時向反應管內(nèi)通入氫氣以清除鎢絲表面被污染的物質(zhì)。然后再通入混合硅烷和氫的混合氣體，在1100-1200℃的溫度下，硅烷在清潔的鎢絲表面熱解并沉積成SiC，從而獲得含有鎢芯的SiC復合纖維。為了增強碳化硅纖維進一步與金屬鋁和鈦在高溫復合時的潤濕性，本發(fā)明還在反應器尾部通入氫氣、丙烷和CH3SiHCl2體，在1100-1300℃的溫度下，使SiC表面具有梯度涂層的外保護層。
本發(fā)明亦采用高頻加熱裝置來制備涂層碳化硅纖維，并對該裝置中的管狀反應器作了改進。
本發(fā)明為上述方法而設計的管狀反應器包括氣相沉積SiC原料氣入口、涂層原料氣入口及尾氣排出口，其特征是在管狀反應器的前端增加了一個清洗段，用擋板與沉積段隔開，在清洗段上有氫氣入口及排放口。
本發(fā)明與已有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點1.在反應管的上部增加了清洗段，使沉積前的鎢絲表面清潔，提高了沉積質(zhì)量。
2.使用了合理的工藝參數(shù)、原料的配比和在沉積區(qū)的停留時間，因此制備碳化硅纖維性能好(直徑110μm，強度4100MPa，模量＞415Gpa)。
3.具有梯度涂層，改善了SiC纖維在進一步與鋁、鈦在復合時的潤濕性。
下面結(jié)合附圖
及實施例對本發(fā)明的方法及反應器作進一步說明。
附圖所示為反應器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1是氣封頭，2是鎢絲，3是氫氣入口，4是氫氣出口，5是SiC沉積原料混合氣入口，6是涂層原料混合氣入口，7是尾氣排出口，8是放絲輪，9是收絲輪，10是清洗段，11是清洗段與沉積段的擋板，12是沉積段，13是涂層段。
實施例市售直徑12.5μm的鎢絲作碳化硅纖維的基體。采用高頻加熱裝置將連續(xù)通入管狀反應器的鎢絲加熱至1160℃。反應器(見附圖)的兩端是兩個對稱的氣封頭1，用氬氣進行氣封。氫氣(清潔氣)從入口3進入，清除鎢絲上的污染物，經(jīng)過清潔段10從氫氣出口4排出。反應氣體混合硅烷和氫氣以CH3SiHCl3∶CH3SiHCl2∶H2＝25∶10∶65的比例從入口5進入，經(jīng)過沉積段12從尾氣排出口7排出。涂層原料氣則以H2∶C3H8∶CH3SiHCl2＝4∶1∶0.2的比例從入口6進入，經(jīng)過涂層段13從尾氣排出口7排出。沉積段反應溫度1160℃，涂層段反應溫度1280℃。經(jīng)過沉積段和涂層段之后的碳化硅纖維經(jīng)收絲輪9收絲，纖維在沉積段的停留時間為10-30秒。
采用上述方法和反應器制備的碳化硅纖維，具有如下技術(shù)指標直徑110μm，最佳室溫平均抗拉強度4100MPa。
室溫彈性模量＞415Gpa，外表面涂層厚度1-3μm。
權(quán)利要求
1.一種涂層碳化硅纖維的生產(chǎn)方法，采用高頻加熱鎢絲基體，以CH3SiCl3和CH3SiHCl3為反應原料，在基體上沉積SiC，同時在SiC纖維外表面施以碳涂層，其特征是(1)將10-12.5μm的鎢絲用高頻加熱至1100-1200℃，(2)在反應管內(nèi)通入氫氣以清除鎢絲表面被污染的物質(zhì)，(3)在1100～1200℃下通入氣相沉積SiC的反應氣體，其組成比例為H2∶CH3SiCl3∶CH3SiHCl2＝60-72∶20-30∶6-15，(4)鎢絲在沉積段的停留時間為20-30秒，(5)在反應管的尾部通入少量其組成和比例為H2∶C2H8∶CH3SiHCl2＝3.0-4.5∶0.5-1.5∶0.1-0.5的表面涂層原料氣，涂層溫度為1200-1300℃，
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法而設計的管狀反應器，包括氣相沉積SiC原料氣入口(5)、涂層混合原料氣入口(6)及尾氣排出口(7)，其特征是在管狀反應器的前端增加了一個清洗段(10)，用擋板(11)與沉積段(12)隔開，在清洗段上設氫氣入口(3)及氫氣排放口(4)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種涂層碳化硅纖維的生產(chǎn)方法，采用高頻加熱鎢絲基體，以組成比例為H
文檔編號C01B31/36GK1146428SQ9511564
公開日1997年4月2日 申請日期1995年9月29日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月29日
發(fā)明者張蓬洲, 任兆鑫, 宋麗萍, 溫月芳 申請人:中國科學院山西煤炭化學研究所