氮化矽纖維

氮化矽纖維一種耐高溫、高強度陶瓷纖維，其化學式為Si₃N₄，在氧化性氣氛中，其最高使用溫度為1300℃；在非氧化性氣氛中，其最高使用溫度1800℃。拉伸強度和彈性模量分別可達到1000MPa和300GPa，熱膨脹係數低，磨損抗力優良，主要用來增強金屬和陶瓷。

基本介紹

• 中文名：氮化矽纖維
• 外文名：silicon nitride fiber
• 特點：耐高溫、高強度
• 化學式：Si3N4
• 最高使用溫度：1300℃
• 作用：增強金屬和陶瓷

發展歷程

氮化矽纖維按其組成來說包括Si-C-N，由於氮化矽陶瓷材料的諸多優異性能倍受各國材料科學家們的關注，研究十分活躍。作為陶瓷纖維的研究經歷了一些曲折過程。1974年W.Verbeek等利用烷基胺與烷基氯矽烷反應製得矽氮樹脂，經熔融紡絲，不熔化處理後在N₂中加熱裂解獲得Si-N-C纖維，收率為40%~60%，拉伸強度為1.3~ 2.5GPa，拉伸模量為160~250GPa。該纖維在1600℃處理，其XRD表明含有碳化矽和氮化矽。Verbeek的工作對於開發利用有機矽氮聚合物具有重大意義。但當時未引起人們的重視，80 年代初B.G.Penn等人用過量甲胺與甲基三氯矽烷反應得到三(N-甲胺基)甲基矽烷，再經520℃，1.5h、3.0h及4.5h加熱，得到分子量分別為1533、2742及4222的聚合物。採用與先驅體法製備SiC纖維類似的方法製得的Si-N-C纖維，收率僅38%，纖維直徑10μm，拉伸強度為704MPa，拉伸模量為200GPa。為了製得高收率和高性能的氮化矽纖維，Seyferth 等人和新井乾郎將H₂SiCl₂先與吡啶絡合，然後通入NH₃，製得聚矽氮烷，將之溶於CH₂Cl₂中，並添加一定量的聚氧化乙烯進行乾法紡絲,得到直徑13μm的連續纖維，經惰性氣氛中1300℃燒成得到高純的氮化矽纖維。該纖維在1400℃於N₂中熱處理12h，抗拉強度降低40%，XRD指出，此時微晶開始增長，若引入硼(B)到聚矽氮烷中，用同樣的製備工藝得到的氮化矽纖維，在1700℃N₂中保持1h，仍保持非晶態。

特點

氮化矽是一種高度共價鍵的化合物，這種強共價鍵性使得氮化矽具有以下優異特性：高硬度、在高溫下的高強度、良好的耐熱衝擊性、高耐氧；化性、高絕緣性以及良好的彈性模量。氮化矽纖維具有同樣優異的性能，適於用作塑膠、金屬、玻璃以及陶瓷的增強材料，但是，從工藝製造的觀點來看，由於強共價鍵導致氮化矽極脆，受熱難於熔融，氮化矽難於採用通常的工藝技術(如在玻璃纖維成形中採用的熔融紡絲技術)成形為連續纖維。氮化矽連續纖維可以採用矽纖維直接氨化法和有機聚合物纖維熱解轉化法製備，後一方法的研究開發具有工業套用價值。

製備方法

與由有機矽聚合物製備碳化矽纖維相似，採用先驅體聚合物熱解轉化法製備氮化矽纖維也由聚合物(聚矽氮烷、聚碳矽氨烷等)合成、原纖維紡制、不熔化處理、高溫燒成等四步工序組成，在採用乾法紡絲工藝時，由於無須進行不熔化處理可以簡化為三步製備工序。先驅體聚合物有不同的合成路線與方法，所製得的陶瓷纖維的組成、結構與性能也各有不同，一般採用有機氯矽烷進行氨解或胺解製得聚矽氮烷，或由有機矽氮烷的反應製得聚矽氮烷，再經過紡絲、不熔化、高溫燒成處理製得氮化矽纖維，在製備目標上分為製備高純氮化矽纖維和製備氮化矽-碳化矽複合纖維兩種趨勢。

套用

製備氮化矽纖維除上述採用聚矽氮烷作為先驅體的方法外，還可以採用聚碳矽烷纖維用電子束照射交聯或空氣氧化後再將該纖維在NH₃氣流中高溫僥成，可以獲得幾乎純的力學性能優越的氬化矽纖維。氮化矽纖維具有類似於碳化矽纖維的力學性能和套用領域，耐化學腐蝕和耐高溫性能好，是高性能陶瓷基複合材料的增強纖維之一。該材料是未來航天航空、汽車發動機等耐高溫部件最有希望的候選材料，有著廣泛的套用前景。