[科普中国]-氮化硅纤维

氮化硅纤维一种耐高温、高强度陶瓷纤维，其化学式为Si3N4，在氧化性气氛中，其最高使用温度为1300℃；在非氧化性气氛中，其最高使用温度1800℃。拉伸强度和弹性模量分别可达到1000MPa和300GPa，热膨胀系数低，磨损抗力优良，主要用来增强金属和陶瓷。

发展历程氮化硅纤维按其组成来说包括Si-C-N，由于氮化硅陶瓷材料的诸多优异性能倍受各国材料科学家们的关注，研究十分活跃。作为陶瓷纤维的研究经历了一些曲折过程。1974年W.Verbeek等利用烷基胺与烷基氯硅烷反应制得硅氮树脂，经熔融纺丝，不熔化处理后在N2中加热裂解获得Si-N-C纤维，收率为40%~60%，拉伸强度为1.3~ 2.5GPa，拉伸模量为160~250GPa。该纤维在1600℃处理，其XRD表明含有碳化硅和氮化硅。Verbeek的工作对于开发利用有机硅氮聚合物具有重大意义。但当时未引起人们的重视，80 年代初B.G.Penn等人用过量甲胺与甲基三氯硅烷反应得到三(N-甲胺基)甲基硅烷，再经520℃，1.5h、3.0h及4.5h加热，得到分子量分别为1533、2742及4222的聚合物。采用与先驱体法制备SiC纤维类似的方法制得的Si-N-C纤维，收率仅38%，纤维直径10μm，拉伸强度为704MPa，拉伸模量为200GPa。为了制得高收率和高性能的氮化硅纤维，Seyferth 等人和新井乾郎将H2SiCl2先与吡啶络合，然后通入NH3，制得聚硅氮烷，将之溶于CH2Cl2中，并添加一定量的聚氧化乙烯进行干法纺丝,得到直径13μm的连续纤维，经惰性气氛中1300℃烧成得到高纯的氮化硅纤维。该纤维在1400℃于N2中热处理12h，抗拉强度降低40%，XRD指出，此时微晶开始增长，若引入硼(B)到聚硅氮烷中，用同样的制备工艺得到的氮化硅纤维，在1700℃N2中保持1h，仍保持非晶态。1

特点氮化硅是一种高度共价键的化合物，这种强共价键性使得氮化硅具有以下优异特性：高硬度、在高温下的高强度、良好的耐热冲击性、高耐氧；化性、高绝缘性以及良好的弹性模量。氮化硅纤维具有同样优异的性能，适于用作塑料、金属、玻璃以及陶瓷的增强材料，但是，从工艺制造的观点来看，由于强共价键导致氮化硅极脆，受热难于熔融，氮化硅难于采用通常的工艺技术(如在玻璃纤维成形中采用的熔融纺丝技术)成形为连续纤维。氮化硅连续纤维可以采用硅纤维直接氨化法和有机聚合物纤维热解转化法制备，后一方法的研究开发具有工业应用价值。2

制备方法与由有机硅聚合物制备碳化硅纤维相似，采用先驱体聚合物热解转化法制备氮化硅纤维也由聚合物(聚硅氮烷、聚碳硅氨烷等)合成、原纤维纺制、不熔化处理、高温烧成等四步工序组成，在采用干法纺丝工艺时，由于无须进行不熔化处理可以简化为三步制备工序。先驱体聚合物有不同的合成路线与方法，所制得的陶瓷纤维的组成、结构与性能也各有不同，一般采用有机氯硅烷进行氨解或胺解制得聚硅氮烷，或由有机硅氮烷的反应制得聚硅氮烷，再经过纺丝、不熔化、高温烧成处理制得氮化硅纤维，在制备目标上分为制备高纯氮化硅纤维和制备氮化硅-碳化硅复合纤维两种趋势。2

应用制备氮化硅纤维除上述采用聚硅氮烷作为先驱体的方法外，还可以采用聚碳硅烷纤维用电子束照射交联或空气氧化后再将该纤维在NH3气流中高温侥成，可以获得几乎纯的力学性能优越的氩化硅纤维。氮化硅纤维具有类似于碳化硅纤维的力学性能和应用领域，耐化学腐蚀和耐高温性能好，是高性能陶瓷基复合材料的增强纤维之一。该材料是未来航天航空、汽车发动机等耐高温部件最有希望的候选材料，有着广泛的应用前景。1

本词条内容贡献者为:

黄伦先 - 副教授 - 西南大学