[科普中國]-氮化硅纖維

氮化硅纖維一種耐高溫、高強(qiáng)度陶瓷纖維，其化學(xué)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(qiáng)度和彈性模量分別可達(dá)到1000MPa和300GPa，熱膨脹系數(shù)低，磨損抗力優(yōu)良，主要用來增強(qiáng)金屬和陶瓷。

發(fā)展歷程氮化硅纖維按其組成來說包括Si-C-N，由于氮化硅陶瓷材料的諸多優(yōu)異性能倍受各國材料科學(xué)家們的關(guān)注，研究十分活躍。作為陶瓷纖維的研究經(jīng)歷了一些曲折過程。1974年W.Verbeek等利用烷基胺與烷基氯硅烷反應(yīng)制得硅氮樹脂，經(jīng)熔融紡絲，不熔化處理后在N2中加熱裂解獲得Si-N-C纖維，收率為40%~60%，拉伸強(qiáng)度為1.3~ 2.5GPa，拉伸模量為160~250GPa。該纖維在1600℃處理，其XRD表明含有碳化硅和氮化硅。Verbeek的工作對于開發(fā)利用有機(jī)硅氮聚合物具有重大意義。但當(dāng)時(shí)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硅烷反應(yīng)得到三(N-甲胺基)甲基硅烷，再經(jīng)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。采用與先驅(qū)體法制備SiC纖維類似的方法制得的Si-N-C纖維，收率僅38%，纖維直徑10μm，拉伸強(qiáng)度為704MPa，拉伸模量為200GPa。為了制得高收率和高性能的氮化硅纖維，Seyferth 等人和新井乾郎將H2SiCl2先與吡啶絡(luò)合，然后通入NH3，制得聚硅氮烷，將之溶于CH2Cl2中，并添加一定量的聚氧化乙烯進(jìn)行干法紡絲,得到直徑13μm的連續(xù)纖維，經(jīng)惰性氣氛中1300℃燒成得到高純的氮化硅纖維。該纖維在1400℃于N2中熱處理12h，抗拉強(qiáng)度降低40%，XRD指出，此時(shí)微晶開始增長，若引入硼(B)到聚硅氮烷中，用同樣的制備工藝得到的氮化硅纖維，在1700℃N2中保持1h，仍保持非晶態(tài)。1

特點(diǎn)氮化硅是一種高度共價(jià)鍵的化合物，這種強(qiáng)共價(jià)鍵性使得氮化硅具有以下優(yōu)異特性：高硬度、在高溫下的高強(qiáng)度、良好的耐熱沖擊性、高耐氧；化性、高絕緣性以及良好的彈性模量。氮化硅纖維具有同樣優(yōu)異的性能，適于用作塑料、金屬、玻璃以及陶瓷的增強(qiáng)材料，但是，從工藝制造的觀點(diǎn)來看，由于強(qiáng)共價(jià)鍵導(dǎo)致氮化硅極脆，受熱難于熔融，氮化硅難于采用通常的工藝技術(shù)(如在玻璃纖維成形中采用的熔融紡絲技術(shù))成形為連續(xù)纖維。氮化硅連續(xù)纖維可以采用硅纖維直接氨化法和有機(jī)聚合物纖維熱解轉(zhuǎn)化法制備，后一方法的研究開發(fā)具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。2

制備方法與由有機(jī)硅聚合物制備碳化硅纖維相似，采用先驅(qū)體聚合物熱解轉(zhuǎn)化法制備氮化硅纖維也由聚合物(聚硅氮烷、聚碳硅氨烷等)合成、原纖維紡制、不熔化處理、高溫?zé)傻人牟焦ば蚪M成，在采用干法紡絲工藝時(shí)，由于無須進(jìn)行不熔化處理可以簡化為三步制備工序。先驅(qū)體聚合物有不同的合成路線與方法，所制得的陶瓷纖維的組成、結(jié)構(gòu)與性能也各有不同，一般采用有機(jī)氯硅烷進(jìn)行氨解或胺解制得聚硅氮烷，或由有機(jī)硅氮烷的反應(yīng)制得聚硅氮烷，再經(jīng)過紡絲、不熔化、高溫?zé)商幚碇频玫枥w維，在制備目標(biāo)上分為制備高純氮化硅纖維和制備氮化硅-碳化硅復(fù)合纖維兩種趨勢。2

應(yīng)用制備氮化硅纖維除上述采用聚硅氮烷作為先驅(qū)體的方法外，還可以采用聚碳硅烷纖維用電子束照射交聯(lián)或空氣氧化后再將該纖維在NH3氣流中高溫僥成，可以獲得幾乎純的力學(xué)性能優(yōu)越的氬化硅纖維。氮化硅纖維具有類似于碳化硅纖維的力學(xué)性能和應(yīng)用領(lǐng)域，耐化學(xué)腐蝕和耐高溫性能好，是高性能陶瓷基復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維之一。該材料是未來航天航空、汽車發(fā)動機(jī)等耐高溫部件最有希望的候選材料，有著廣泛的應(yīng)用前景。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

黃倫先 - 副教授 - 西南大學(xué)