CN116041072B - 一种中空SiCN陶瓷纤维及其制备方法、应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种中空SiCN陶瓷纤维及其制备方法、应用，该制备方法以富含氮元素的SiCN陶瓷纤维为起始纤维，经过操作简便的高温氩气气氛处理过程，使纤维发生高温热分解反应，分解产物在纤维外层重新发生气固反应，形成高温稳定的外层结构，而纤维芯部则不断发生高温分解反应，最终导致纤维芯部物质全部转化为纤维外层结构，得到具有中空结构的SiCN纤维，其在15.04GHz处的最小反射系数可达‑59.59dB。本发明提出的中空SiCN纤维制备方法操作简单，所得纤维不但能够具有优异的电磁吸波性能，还能够减轻纤维的重量，因此可以作为集耐高温、电磁吸波和轻量化的高温吸波结构部件的较理想增强体材料。

Description

一种中空SiCN陶瓷纤维及其制备方法、应用

技术领域

本发明涉及SiCN陶瓷纤维技术领域，尤其是一种中空SiCN陶瓷纤维及其制备方法、应用。

背景技术

先驱体转化法制备的SiC和SiCN等硅基陶瓷具有优异的高温稳定性能和宽域可调控的半导体特性，是目前最具发展前景的高温电磁吸波材料。硅基陶瓷纤维是陶瓷基复合材料的重要增强体，不但可以发挥高温吸波作用，还可以作为主要承力组分，对于制备先进高温吸波结构部件具有更明显的实际意义。

目前，可以作为高温吸波应用的硅基陶瓷纤维主要有SiC和SiCN纤维，但是两种纤维的阻抗与自由空间失配较严重，表现出较差的电磁吸波性能。

发明内容

本发明提供一种中空SiCN陶瓷纤维及其制备方法、应用，用于克服现有技术中的SiCN纤维电磁吸波性能不佳等缺陷。

为实现上述目的，本发明提出一种中空SiCN陶瓷纤维的制备方法，包括以下步骤：

S1：将原始SiCN陶瓷纤维置于高温热解炉中，抽真空，用氩气置换2～3次；所述原始SiCN陶瓷纤维中氮含量在30wt％以上；

S2：在流动的氩气气氛中，升温至设定温度，并在设定温度下保温，随炉冷却，形成具有中空结构的SiCN陶瓷纤维。

为实现上述目的，本发明还提出一种中空SiCN陶瓷纤维，由上述所述制备方法制备得到；所述SiCN陶瓷纤维呈中空微结构。

为实现上述目的，本发明还提出一种中空SiCN陶瓷纤维的应用，将上述所述制备方法制备得到的中空SiCN陶瓷纤维或者上述所述中空SiCN陶瓷纤维应用于增强集耐高温、电磁吸波和轻量化的高温吸波结构部件。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

本发明提供的中空SiCN陶瓷纤维的制备方法，以富含氮元素的SiCN陶瓷纤维为起始纤维，经过操作简便的高温氩气气氛处理过程，使纤维发生高温热分解反应，分解产物在纤维外层重新发生气固反应，形成高温稳定的外层结构，而纤维芯部则不断发生高温分解反应，最终导致纤维芯部物质全部转化为纤维外层结构，得到具有中空结构的SiCN纤维，其在15.04GHz处的最小反射系数可达-59.59dB，即有99.9999％的入射电磁波可以被其吸收。本发明提出的中空SiCN纤维制备方法操作简单，所得纤维不但能够具有优异的电磁吸波性能，还能够减轻纤维的重量，因此可以作为集耐高温、电磁吸波和轻量化的高温吸波结构部件的较理想增强体材料。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为实施例1所得中空SiCN纤维反射系数与电磁波频率的关系曲线。

图2为实施例1所得中空SiCN纤维的表面SEM图片。

图3为实施例1所得中空SiCN纤维的截面SEM图片，由图可以观察到明显的中空微结构特征。

图4为对照例所得高温热处理SiCN纤维的表面SEM图片。

图5为对照例所得高温热处理SiCN纤维的截面SEM图片，从图中未观察到明显的中空微结构特征。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

无特殊说明，所使用的药品/试剂均为市售。

本发明提出一种中空SiCN陶瓷纤维的制备方法，包括以下步骤：

S1：将原始SiCN陶瓷纤维置于高温热解炉中，抽真空，用氩气置换2～3次；所述原始SiCN陶瓷纤维中氮含量在30wt％以上；

S2：在流动的氩气气氛中，升温至设定温度，并在设定温度下保温，随炉冷却，形成具有中空结构的SiCN陶瓷纤维。

基于解决SiCN纤维阻抗失配严重而导致的电磁吸波性能较差的问题，本发明提供一种中空SiCN纤维的制备方法。该方法形成的中空结构不但可以改善SiCN纤维与自由空间的阻抗匹配，提高SiCN纤维的电磁吸波性能，还能够减轻纤维的重量，因此可以作为集耐高温、电磁吸波和轻量化的高温吸波结构部件的较理想增强体材料。

优选地，在步骤S1中，所述原始SiCN陶瓷纤维包括氮、硅和碳等。

优选地，在步骤S1中，所述原始SiCN陶瓷纤维中氮含量为30wt～40wt％。

优选地，在步骤S1中，所述氩气纯度在99.999％以上。

优选地，在步骤S2中，所述氩气气氛的流速为0.5～10L/min。氩气气氛的流速太大浪费，太小不利于热解废气的排出。

优选地，在步骤S2中，升温至设定温度的升温速率为100～300℃/h，设定温度为1500～1800℃。

优选地，在步骤S2中，升温至设定温度的升温速率为100℃/h，设定温度为1600℃。

优选地，在步骤S2中，所述保温的时间为1～10h。

本发明还提出一种中空SiCN陶瓷纤维，由上述所述制备方法制备得到；所述SiCN陶瓷纤维呈中空微结构。

本发明还提出一种中空SiCN陶瓷纤维的应用，将上述所述制备方法制备得到的中空SiCN陶瓷纤维或者上述所述中空SiCN陶瓷纤维应用于增强集耐高温、电磁吸波和轻量化的高温吸波结构部件。

实施例1

本实施例提供一种中空SiCN陶瓷纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)将10g富含氮元素的SiCN陶瓷纤维(氮含量：34.2wt％，硅含量：55.9wt％，碳含量8.82wt％)置于高温热解炉中，抽真空，用纯度为99.999％的高纯氩气置换3次；

(2)在流速为1L/min的流动氩气气氛中，以100℃/h升温速率升温至1600℃；

(3)在1600℃下保温1h后随炉冷却，利用高温诱导SiCN纤维发生分解和气固反应，最终形成具有中空结构的SiCN陶瓷纤维。

图1为本实施例所得中空SiCN纤维的反射系数与电磁波频率的关系曲线，可以看出，SiCN纤维在15.04GHz处的最小反射系数可达-59.59dB，意味着有99.9999％的入射电磁波可以被其吸收，表现出优异的电磁吸波性能。

图2为本实施例中空SiCN纤维的表面SEM图片，存在明显的中空结构。

图3为本实施例中空SiCN纤维的截面SEM图片，由图可以观察到，本实施例制备的SiCN陶瓷纤维具有明显的中空微结构特征。

实施例2

本实施例提供一种中空SiCN陶瓷纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)将10g富含氮元素的SiCN陶瓷纤维(氮含量：31.2wt％，硅含量：52.5wt％，碳含量10.53wt％)置于高温热解炉中，抽真空，用纯度为99.999％的高纯氩气置换2次；

(2)在流速为10L/min的流动氩气气氛中，以200℃/h升温速率升温至1500℃；

(3)在1500℃下保温4h后随炉冷却，利用高温诱导SiCN纤维发生分解和气固反应，最终形成具有中空结构的SiCN陶瓷纤维。

本实施例所得中空SiCN纤维的最小反射系数为-32.38dB，意味着有近99.9％的入射电磁波可以被其吸收。

实施例3

本实施例提供一种中空SiCN陶瓷纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)将10g富含氮元素的SiCN陶瓷纤维(氮含量：34.2wt％，硅含量：55.9wt％，碳含量8.82wt％)置于高温热解炉中，抽真空，用纯度为99.999％的高纯氩气置换3次；

(2)在流速为5L/min的流动氩气气氛中，以300℃/h升温速率升温至1700℃；

(3)在1700℃下保温2h后随炉冷却，利用高温诱导SiCN纤维发生分解和气固反应，最终形成具有中空结构的SiCN陶瓷纤维。

本实施例所得中空SiCN纤维的最小反射系数为-26.57dB，意味着有近99.5％的入射电磁波可以被其吸收。

实施例4

本实施例提供一种中空SiCN陶瓷纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)将10g富含氮元素的SiCN陶瓷纤维(氮含量：31.2wt％，硅含量：52.5wt％，碳含量10.53wt％)置于高温热解炉中，抽真空，用纯度为99.999％的高纯氩气置换3次；

(2)在流速为2L/min的流动氩气气氛中，以200℃/h升温速率升温至1800℃；

(3)在1800℃下保温1h后随炉冷却，利用高温诱导SiCN纤维发生分解和气固反应，最终形成具有中空结构的SiCN陶瓷纤维。

本实施例所得中空SiCN纤维的最小反射系数为-21.33dB，意味着有近99％的入射电磁波可以被其吸收。

对比例1

本对比例提供一种SiCN陶瓷纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)将10g氮元素较低的SiCN陶瓷纤维(氮含量：19.5wt％，硅含量：55.6wt％，碳含量22.3wt％)置于高温热解炉中，抽真空，用纯度为99.999％的高纯氩气置换3次；

(2)～(3)同实施例1。

图4为本对比例所得高温热处理SiCN纤维的表面SEM图片，截面无中空结构。

图5为本对比例所得高温热处理SiCN纤维的截面SEM图片，从图中未观察到明显的中空微结构特征。

本对比例所得SiCN纤维的最小反射系数为-12.28dB，意味着只有有近90％的入射电磁波可以被其吸收，电磁吸波性能最差。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种中空SiCN陶瓷纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将原始SiCN陶瓷纤维置于高温热解炉中，抽真空，用氩气置换2~3次；所述原始SiCN陶瓷纤维中氮含量在30 wt%以上；

S2：在流动的氩气气氛中，升温至设定温度，并在设定温度下保温，随炉冷却，形成具有中空结构的SiCN陶瓷纤维；所述氩气气氛的流速为0.5~10L/min；升温至设定温度的升温速率为100~300℃/h，设定温度为1500~1800℃。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述原始SiCN陶瓷纤维包括氮、硅和碳。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述原始SiCN陶瓷纤维中氮含量为30~40wt%。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述氩气纯度在99.999%以上。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，升温至设定温度的升温速率为100℃/h，设定温度为1600℃。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述保温的时间为1~10h。

7.一种中空SiCN陶瓷纤维，其特征在于，由权利要求1~6任一项所述制备方法制备得到；所述SiCN陶瓷纤维呈中空微结构。

8.一种中空SiCN陶瓷纤维的应用，其特征在于，将权利要求1~6任一项所述制备方法制备得到的中空SiCN陶瓷纤维或者权利要求7所述中空SiCN陶瓷纤维应用于增强集耐高温、电磁吸波和轻量化的高温吸波结构部件。