摘　要：本文分含铍先驱体合成、先驱体熔融纺丝、先驱体纤维的预氧化和陶瓷化这三个步骤介绍了含铍碳化硅纤维的制备程序，并对制得的纤维的力学性能和耐高温性能进行了检测，分析了该纤维的优缺点和应用前景。
关键词：含铍碳化硅纤维；耐高温

1　引言

　　碳化硅纤维具有高强度、高模量、热稳定好、抗高温蠕变、抗高温氧化、低密度和电阻率可调控等性能优点，从航空航天军事领域到民用的汽车等生领域产都有广泛的应用，主要用作耐高温材料和金属基、聚合物基和陶瓷基复合材料的增强体。目前，国内外制备碳化硅纤维的方法有以下几种：超微细粉烧结法、化学气相反应法(CVR)、化学气相沉积法(CVD)和先驱体转化法。其中，制备连续碳化硅纤维常用的是先驱体转化法，其主要步骤是以有机硅聚合物为先驱体，经过熔融纺丝，不熔化处理和高温烧结等一系列工艺得到成品陶瓷纤维。国内外碳化硅纤维的发展经历了三代，代是高氧碳含量碳化硅纤维，由于氧碳含量高，当其热处理温度达到1200℃时，纤维会释放出SiO、CO等气体，引起纤维内部缺陷，导致高温力学性能差，弹性模量降低。第二代为低氧高碳含量碳化硅纤维，为降低氧含量，引入了以电子束照射的不熔化处理方法，使高温下的力学性能得到提高。第三代碳化硅纤维为碳硅原子比近似为1：1的碳化硅纤维，该纤维是由β-SiC纤维微晶、少量碳和氧组成，该纤维体现出高的杨氏模量、高的蠕变和抗氧化性能口，引。为了提高碳化硅纤维的抗氧化性能，往往在碳化硅中掺杂异质元素，目前添加的异质元素有铝、钛、钇、铁、碳纳米管、锆等等。掺杂异质元素后，纤维中的氧含量降低，高温性能提高。然而，将铍元素作为异质元素加入碳化硅纤维的研究在国内外都鲜有报道。铍作为一种具有高熔点、低密度、高热导率等优异性能的金属，在作为异质元素添加进碳化硅纤维后，有望得到高热导率、低密度、高强度并拥有优异高温力学性能的含铍碳化硅纤维。

2　含铍碳化硅纤维的制备方法

2.1　含铍高聚物先驱体的合成
　　将适量的聚碳硅烷(PCS)和乙酰丙酮铍(Be(AcAc)2)置于三口烧瓶中，加入二甲苯或正己烷溶解，检查装置气密性，在氮气的保护下，通过搅拌器不断搅拌，先缓慢升温，将溶剂蒸馏出，然后再以合适的升温制度升高到反应温度，保温一段时间，反应结束后，冷却至室温，所得到的橙黄色固体，即为含镀聚碳硅烷(PBeCS)。
2.2　先驱体的熔融纺丝
　　采用单孔熔融纺丝机对PBCS进行纤维化处理。本纺丝装置由以下几个部分组成：高纯氮气瓶，温度调控系统，压力控制系统，纺丝料筒，加热装置，升降台，喷丝孔，卷绕机。将PBeCS研磨成粉状倒入料筒，打开料筒的出气口阀门，通氮气将料筒中的空气排出，防止PBeCS在加热时与氧气反应交联固化。以一定的升温制度将先驱体加热至高于软化点30℃左右使其熔融，保温1h左右除去气泡。关闭料筒的出气口阀门，加大氮气压强至0.2～0.3MPa使熔融的PBeCS通过料筒下方的喷丝孔挤出。确定先驱体的粘度和挤出速率适宜后，启动卷绕筒，使其以100～300m／min的线速度转动，具体速度根据不同先驱体的情况确定。手动将挤出的熔融先驱体拉伸牵引至卷绕筒使其卷绕。对于纺丝性能好的先驱体，其连续纺丝长度可以达到1000m以上。如图1所示，得到的PBeCS原丝为无色到浅黄色的透明纤维，表面光滑，内部有少量气泡。
　　在PCS中加入铍元素后，先驱体的软化点明显升高，且所用的PCS的软化点越高，加入铍元素后软化点的升高就越明显。在同样的熔融温度下，PBeCS的挤出膨胀明显比PCS严重，故PBeCS的可纺性比PCS差。得到的PBeCS原丝强度极低，受外力容易碎成粉末。

2.3　先驱体纤维的预氧化和陶瓷化
　　PBeCS通过高温烧结可得到含铍碳化硅，但为了防止先驱体纤维在加热过程中熔融变形，需要先通过预氧化使PBeCS分子氧化交联转变成热固性的高聚物。
　　使用恒温鼓风烘箱对PBeCS纤维进行预氧化处理。将PBeCS盘成环状置于鼓风烘箱中，以一定的升温制度升温至200℃左右并保温一段时间。使用鼓风烘箱是为了确保氧气的充足供应。预氧化后的纤维透明度降低，强度较预氧化前有明显提升。
　　将预氧化后的纤维置于管式炉中，在氮气保护下以一定的升温速率加热并保温一段时间，可得到黑色的含铍碳化硅纤维。

3　含铍碳化硅纤维的性能

　　现阶段实验室可制得拉伸强度200～300MPa，直径20～40μm的含铍碳化硅纤维。将含铍碳化硅纤维置于空气中加热至1100℃并保温2h后，纤维强度可保持90％以上，但在空气中加热至1200℃并保温2h后，强度仅为原先的50％左右。
　　通过SEM观察放到2000倍后的纤维表面，发现在1100℃空气中热处理后纤维没有明显变化，但经过1200℃热处理后，纤维表面出现了明显的裂纹甚至剥落。可以推测在1100℃～1200℃的高温下，含铍碳化硅纤维在空气中内部会有大量气体逸出，导致表面出现裂纹，使纤维强度降低。

4　结论

　　含铍碳化硅纤维可以通过与碳化硅纤维类似的制备方法制得，但由于先驱体性质的不同，含铍碳化硅纤维的制备难度要高于碳化硅纤维。含铍碳化硅纤维可在空气中长时间承受1100℃的高温且强度能保持90％以上，但目前得到的纤维还无法在空气中长时间承受1200℃的高温。虽然目前得到的含铍碳化硅纤维强度还不高，但已经显示出较为出色的耐高温性能。通过改进制备工艺，可以进一步提高含铍碳化硅纤维的力学和耐高温，在航空航天等领域有很好的应用前景。