摘　要：本文分含鈹先驅體合成、先驅體熔融紡絲、先驅體纖維的預氧化和陶瓷化這三個步驟介紹了含鈹碳化硅纖維的制備程序，并對制得的纖維的力學性能和耐高溫性能進行了檢測，分析了該纖維的優缺點和應用前景。
關鍵詞：含鈹碳化硅纖維；耐高溫

1　引言

　　碳化硅纖維具有高強度、高模量、熱穩定好、抗高溫蠕變、抗高溫氧化、低密度和電阻率可調控等性能優點，從航空航天軍事領域到民用的汽車等生領域產都有廣泛的應用，主要用作耐高溫材料和金屬基、聚合物基和陶瓷基復合材料的增強體。目前，國內外制備碳化硅纖維的方法有以下幾種：超微細粉燒結法、化學氣相反應法(CVR)、化學氣相沉積法(CVD)和先驅體轉化法。其中，制備連續碳化硅纖維常用的是先驅體轉化法，其主要步驟是以有機硅聚合物為先驅體，經過熔融紡絲，不熔化處理和高溫燒結等一系列工藝得到成品陶瓷纖維。國內外碳化硅纖維的發展經歷了三代，代是高氧碳含量碳化硅纖維，由于氧碳含量高，當其熱處理溫度達到1200℃時，纖維會釋放出SiO、CO等氣體，引起纖維內部缺陷，導致高溫力學性能差，彈性模量降低。第二代為低氧高碳含量碳化硅纖維，為降低氧含量，引入了以電子束照射的不熔化處理方法，使高溫下的力學性能得到提高。第三代碳化硅纖維為碳硅原子比近似為1：1的碳化硅纖維，該纖維是由β-SiC纖維微晶、少量碳和氧組成，該纖維體現出高的楊氏模量、高的蠕變和抗氧化性能口，引。為了提高碳化硅纖維的抗氧化性能，往往在碳化硅中摻雜異質元素，目前添加的異質元素有鋁、鈦、釔、鐵、碳納米管、鋯等等。摻雜異質元素后，纖維中的氧含量降低，高溫性能提高。然而，將鈹元素作為異質元素加入碳化硅纖維的研究在國內外都鮮有報道。鈹作為一種具有高熔點、低密度、高熱導率等優異性能的金屬，在作為異質元素添加進碳化硅纖維后，有望得到高熱導率、低密度、高強度并擁有優異高溫力學性能的含鈹碳化硅纖維。

2　含鈹碳化硅纖維的制備方法

2.1　含鈹高聚物先驅體的合成
　　將適量的聚碳硅烷(PCS)和乙酰丙酮鈹(Be(AcAc)2)置于三口燒瓶中，加入二甲苯或正己烷溶解，檢查裝置氣密性，在氮氣的保護下，通過攪拌器不斷攪拌，先緩慢升溫，將溶劑蒸餾出，然后再以合適的升溫制度升高到反應溫度，保溫一段時間，反應結束后，冷卻至室溫，所得到的橙黃色固體，即為含鍍聚碳硅烷(PBeCS)。
2.2　先驅體的熔融紡絲
　　采用單孔熔融紡絲機對PBCS進行纖維化處理。本紡絲裝置由以下幾個部分組成：高純氮氣瓶，溫度調控系統，壓力控制系統，紡絲料筒，加熱裝置，升降臺，噴絲孔，卷繞機。將PBeCS研磨成粉狀倒入料筒，打開料筒的出氣口閥門，通氮氣將料筒中的空氣排出，防止PBeCS在加熱時與氧氣反應交聯固化。以一定的升溫制度將先驅體加熱至高于軟化點30℃左右使其熔融，保溫1h左右除去氣泡。關閉料筒的出氣口閥門，加大氮氣壓強至0.2～0.3MPa使熔融的PBeCS通過料筒下方的噴絲孔擠出。確定先驅體的粘度和擠出速率適宜后，啟動卷繞筒，使其以100～300m／min的線速度轉動，具體速度根據不同先驅體的情況確定。手動將擠出的熔融先驅體拉伸牽引至卷繞筒使其卷繞。對于紡絲性能好的先驅體，其連續紡絲長度可以達到1000m以上。如圖1所示，得到的PBeCS原絲為無色到淺黃色的透明纖維，表面光滑，內部有少量氣泡。
　　在PCS中加入鈹元素后，先驅體的軟化點明顯升高，且所用的PCS的軟化點越高，加入鈹元素后軟化點的升高就越明顯。在同樣的熔融溫度下，PBeCS的擠出膨脹明顯比PCS嚴重，故PBeCS的可紡性比PCS差。得到的PBeCS原絲強度極低，受外力容易碎成粉末。

2.3　先驅體纖維的預氧化和陶瓷化
　　PBeCS通過高溫燒結可得到含鈹碳化硅，但為了防止先驅體纖維在加熱過程中熔融變形，需要先通過預氧化使PBeCS分子氧化交聯轉變成熱固性的高聚物。
　　使用恒溫鼓風烘箱對PBeCS纖維進行預氧化處理。將PBeCS盤成環狀置于鼓風烘箱中，以一定的升溫制度升溫至200℃左右并保溫一段時間。使用鼓風烘箱是為了確保氧氣的充足供應。預氧化后的纖維透明度降低，強度較預氧化前有明顯提升。
　　將預氧化后的纖維置于管式爐中，在氮氣保護下以一定的升溫速率加熱并保溫一段時間，可得到黑色的含鈹碳化硅纖維。

3　含鈹碳化硅纖維的性能

　　現階段實驗室可制得拉伸強度200～300MPa，直徑20～40μm的含鈹碳化硅纖維。將含鈹碳化硅纖維置于空氣中加熱至1100℃并保溫2h后，纖維強度可保持90％以上，但在空氣中加熱至1200℃并保溫2h后，強度僅為原先的50％左右。
　　通過SEM觀察放到2000倍后的纖維表面，發現在1100℃空氣中熱處理后纖維沒有明顯變化，但經過1200℃熱處理后，纖維表面出現了明顯的裂紋甚至剝落?？梢酝茰y在1100℃～1200℃的高溫下，含鈹碳化硅纖維在空氣中內部會有大量氣體逸出，導致表面出現裂紋，使纖維強度降低。

4　結論

　　含鈹碳化硅纖維可以通過與碳化硅纖維類似的制備方法制得，但由于先驅體性質的不同，含鈹碳化硅纖維的制備難度要高于碳化硅纖維。含鈹碳化硅纖維可在空氣中長時間承受1100℃的高溫且強度能保持90％以上，但目前得到的纖維還無法在空氣中長時間承受1200℃的高溫。雖然目前得到的含鈹碳化硅纖維強度還不高，但已經顯示出較為出色的耐高溫性能。通過改進制備工藝，可以進一步提高含鈹碳化硅纖維的力學和耐高溫，在航空航天等領域有很好的應用前景。