用于交聯(lián)碳化硅纖維前體聚合物的方法和設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明大體上涉及用于交聯(lián)碳化娃纖維前體聚合物(precursor polymer)的方法和設(shè)備。更具體而言，本發(fā)明涉及用于通過電子束輻射有效地交聯(lián)碳化硅纖維前體聚合物的方法和設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]碳化硅(SiC)為若干高級陶瓷材料中的一者，它們目前作為電子材料、作為發(fā)動機中的金屬的潛在替換物和用于期望或需要與低密度和高溫下的抗氧化性、抗腐蝕和抗熱降解組合的高強度的多種其它應(yīng)用而受到相當(dāng)多的關(guān)注。令人遺憾的是，這些極硬的非熔化陶瓷難以通過常規(guī)的成形、加工或紡紗應(yīng)用來處理，致使其對于這些潛在應(yīng)用中的許多的使用成問題。具體而言，經(jīng)由電子束照射交聯(lián)SiC纖維聚合物前體(聚碳硅烷(po lycarbosi lane)和聚二甲娃基胺(po Iydi si Iazane))是碳化娃纖維生產(chǎn)過程中的最大瓶頸。
[0003]交聯(lián)SiC纖維聚合物前體(例如，聚碳硅烷和聚二甲硅基胺)使得聚合物不可熔，所以纖維的空間完整性將在隨后的高溫分解期間保持。目前，電子束是用于實行SiC纖維聚合物前體的交聯(lián)的典型機構(gòu)。然而，當(dāng)前交聯(lián)過程的產(chǎn)量嚴(yán)重受到照射期間吸收的能量引起的纖維導(dǎo)致的溫度升高限制。結(jié)果，輻射劑量必須以足夠慢的速率輸送，以確保SiC纖維聚合物前體不會達到其熔點，且因此失去其形狀和/或熔化在一起。
[0004]在典型的布置中，輻射劑量通過使用傳送器系統(tǒng)來調(diào)節(jié)或限制。在照射陶瓷先驅(qū)體(Preceramic)SiC纖維的一部分之后，其圍繞長傳送器跨置，以在回到電子束來用于另一小劑量輻射之前在環(huán)境大氣中冷卻。陶瓷先驅(qū)體SiC纖維的部分在電子束下經(jīng)過足夠的時間，以接收有效交聯(lián)所需的累積劑量，由此使纖維的整個長度交聯(lián)。當(dāng)需要大劑量(若干MGy)來有效交聯(lián)聚合物纖維時，輻射過程由于很長的傳送器系統(tǒng)所需的較大資金投入和很長生產(chǎn)時間而變得很昂貴。
[0005]因此，對用于經(jīng)由電子束有效地交聯(lián)SiC纖維聚合物前體(例如，聚碳硅烷和聚二甲硅基胺)同時保持纖維的空間完整性的方法和設(shè)備存在需要。有助于此纖維在比現(xiàn)有技術(shù)方法和設(shè)備高得多的速率下電子束固化的方法和設(shè)備將在減小占地面積要求的情況下提供有價值的高產(chǎn)量、成本效益合算的商業(yè)碳化硅纖維生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]在一方面，公開了一種交聯(lián)碳化硅纖維前體聚合物的方法。該方法包括使設(shè)在平臺上的碳化娃纖維前體聚合物的第一部分暴露于來自電子束福射機構(gòu)的電子束。該方法還包括使平臺和電子束輻射中的一者相對于另一者平移，以及將碳化硅前體聚合物的第二部分暴露于電子束輻射。該方法還包括調(diào)節(jié)平臺的溫度，以由此防止碳化物纖維前體聚合物的第一部分和第二部分的溫度由于電子束輻射而達到其軟化點。
[0007]在另一方面，公開了一種用于利用電子束輻射來交聯(lián)碳化硅纖維前體聚合物的設(shè)備。該設(shè)備包括平臺，其包括處理表面和冷卻劑通道。該設(shè)備還包括定位在平臺的處理表面上的多層碳化硅纖維前體聚合物。在一些實施例中，冷卻劑通道構(gòu)造成在交聯(lián)期間通過使用熱傳遞流體調(diào)節(jié)處理表面的溫度，且由此調(diào)節(jié)定位在其上的多層碳化硅纖維前體聚合物的溫度。
[0008]在另一方面，公開了一種用于交聯(lián)碳化硅纖維前體聚合物的設(shè)備。設(shè)備包括平臺、平移機構(gòu)和構(gòu)造成投射電子束輻射的電子束輻射機構(gòu)。平臺包括處理表面、定位在處理表面上的多層碳化硅纖維前體聚合物，以及延伸穿過平臺的冷卻劑通道。平移機構(gòu)構(gòu)造成使平臺和從電子束輻射機構(gòu)投射的電子束輻射中的至少一者相對于另一者平移，使得在第一構(gòu)造下，電子束福射機構(gòu)將第一劑量的電子束福射施加到碳化娃纖維前體聚合物的第一部分上，且在第二構(gòu)造下，電子束福射機構(gòu)將第一劑量的電子束福射施加到碳化娃纖維前體聚合物的第二部分上。
[0009]本公開內(nèi)容的這些及其它目的、特征和優(yōu)點將從連同附圖的本公開內(nèi)容的各種方面的以下詳細(xì)描述中變得清楚。
【附圖說明】
[0010]圖1為按照本公開內(nèi)容的示例性實施例的陶瓷先驅(qū)體SiC纖維交聯(lián)設(shè)備的透視圖；圖2A和2B為圖1的示例性陶瓷先驅(qū)體SiC纖維交聯(lián)設(shè)備的示例性平臺上的陶瓷先驅(qū)體
SiC纖維的示例性布置的頂視圖；
圖3A和3B為圖1中的示例性陶瓷先驅(qū)體SiC纖維交聯(lián)設(shè)備的示例性平臺的示例性溫度調(diào)節(jié)底座的透視圖；
圖4為按照本公開內(nèi)容的示例性實施例的另一陶瓷先驅(qū)體SiC纖維交聯(lián)設(shè)備的透視圖；
以及圖5A和5B為圖4的示例性陶瓷先驅(qū)體SiC纖維交聯(lián)設(shè)備的示例性溫度調(diào)節(jié)平臺的透視圖。
【具體實施方式】
[0011]下文提出的各個實施例便于闡釋本公開內(nèi)容的某些方面，且不應(yīng)當(dāng)理解為限制本公開內(nèi)容的范圍。此外，如本文在說明書和權(quán)利要求各處使用的近似語言可用于改變可允許在不導(dǎo)致其涉及的基本功能的變化的情況下改變的任何數(shù)量表示。因此，由一個或更多個用語如〃大約〃修飾的值不限于指定的精確值。在一些情況下，近似語言可對應(yīng)于用于測量值的器具的精確性。當(dāng)介紹各種實施例的元件時，詞語〃一個〃、〃一種〃、〃該〃和〃所述〃旨在表示存在一個或更多個元件。用語"包括"、"包含"和"具有"旨在為包含性的，且意思是可存在除所列元件之外的附加元件。如本文使用的用語〃可〃和〃可為〃是指出現(xiàn)在一組環(huán)境中的可能性;擁有指定性質(zhì)、特征或功能;或/或通過表示與合格動詞相關(guān)聯(lián)的能力、性能或可能性中的一個或更多個使另一個動詞合格。因此，"可"和"可為"的使用是指修飾的用語表面上是適合、有能力或適用于指出的容量、功能或使用，同時考慮了在一些情況中，修飾的用語有時可不是適合、有能力或適用的。操作參數(shù)的任何實例并未排除公開的實施例的其它參數(shù)。本文參照任何特定實施例描述、示出或以其它方式公開的構(gòu)件、方面、特征、構(gòu)造、布置、使用等可類似地應(yīng)用于本文公開的任何其它實施例。
[0012]用語〃陶瓷先驅(qū)體SiC纖維〃(和其語法上的變體)在本文中用于表示具有或沒有一定百分比的交聯(lián)的碳化硅(SiC)纖維聚合物前體或碳化硅未加工纖維。
[0013]本公開內(nèi)容的方法及設(shè)備提供了經(jīng)由電子束照射在比可由當(dāng)前技術(shù)水平實現(xiàn)的更高的速率下交聯(lián)碳化硅(SiC)纖維聚合物前體(例如，聚碳硅烷和聚硅胺烷)。在一些實施例中，聚硅胺烷為聚二甲硅基胺。本文公開的方法及設(shè)備可能能夠使用單個電子束設(shè)備生產(chǎn)每年至少大約20噸交聯(lián)陶瓷先驅(qū)體SiC纖維，且更優(yōu)選每年至少大約30噸交聯(lián)陶瓷先驅(qū)體SiC纖維。交聯(lián)的陶瓷先驅(qū)體SiC纖維的此生產(chǎn)率提供了優(yōu)于當(dāng)前典型SiC纖維聚合物前體電子束設(shè)備和方法的至少大約500%的性能優(yōu)點。在一些實施例中，測試導(dǎo)致了相比于典型陶瓷先驅(qū)體SiC纖維交聯(lián)電子束設(shè)備和方法的交聯(lián)陶瓷先驅(qū)體SiC纖維的產(chǎn)量的600%的增長。本公開內(nèi)容的陶瓷先驅(qū)體SiC纖維或SiC纖維聚合物前體交聯(lián)方法和設(shè)備還相比于傳送器系統(tǒng)中的典型散裝容器，向處理或交聯(lián)的陶瓷先驅(qū)體SiC纖維提供了更大的輻射劑量均勻性。更進一步，本公開內(nèi)容的陶瓷先驅(qū)體SiC纖維或SiC纖維聚合物前體交聯(lián)方法和設(shè)備相比于現(xiàn)有的陶瓷先驅(qū)體SiC纖維聚合物前體交聯(lián)設(shè)備和方法，在交聯(lián)過程期間的相同輻射劑量率下提供了陶瓷先驅(qū)體SiC纖維的較低操作溫度。在又一個方面中，本公開內(nèi)容的陶瓷先驅(qū)體SiC纖維交聯(lián)方法和設(shè)備相比于現(xiàn)有SiC纖維聚合物前體交聯(lián)設(shè)備和方法提供了較低資金投入(例如，更少的電子束單元、較少基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、更小的占地面積等)。
[0014]在一個方面，本公開內(nèi)容的方法及設(shè)備向SiC纖維聚合物前體提供在其上/其中且經(jīng)歷電子束輻射的平臺提供了主動溫度調(diào)節(jié)或保持。以此方式，平臺的溫度調(diào)節(jié)既在電子束輻射期間又在電子束輻射之后主動地且連續(xù)地調(diào)節(jié)設(shè)在其上的陶瓷先驅(qū)體SiC纖維(例如，通過傳導(dǎo))。在交聯(lián)處理期間，吸收的輻射在陶瓷先驅(qū)體SiC纖維中產(chǎn)生熱，且溫度調(diào)節(jié)包括冷卻平臺，以由此冷卻部分地交聯(lián)的陶瓷先驅(qū)體SiC纖維。溫度調(diào)節(jié)可有效保持陶瓷先驅(qū)體SiC纖維的溫度低于聚合物前體的軟化點。輻射過程可包括照射設(shè)在平臺上的SiC聚合物前體的第一部分。平臺和/或發(fā)射電子束輻射的輻射機構(gòu)的移動可引起SiC纖維聚合物前體的第二部分被照射，且第一部分不再經(jīng)歷輻射。當(dāng)熱可從平臺且由此從陶瓷先驅(qū)體SiC纖維連續(xù)地取得時，電子束輻射的更高劑量率可在交聯(lián)過程期間實現(xiàn)。此外，陶瓷先驅(qū)體SiC纖維經(jīng)由平臺的溫度調(diào)節(jié)相比于現(xiàn)有技術(shù)的交聯(lián)方法和設(shè)備可增加產(chǎn)量。本公開內(nèi)容的方法及設(shè)備由此消除了對冷卻傳送器系統(tǒng)的需要，且由此降低了與現(xiàn)有技術(shù)的陶瓷先驅(qū)體SiC纖維交聯(lián)方法和設(shè)備相關(guān)聯(lián)的投資成本和所需占地面積。
[0015]用于交聯(lián)陶瓷先驅(qū)體SiC纖維的示例性設(shè)備、系統(tǒng)、方法等在圖1-3B中示出，且大體上由參考標(biāo)號10標(biāo)記。如圖1中所示，陶瓷先驅(qū)體SiC纖維交聯(lián)設(shè)備和方法10可包括若干構(gòu)件、特征等。圖1中所示的示例性SiC纖維聚合物前體交聯(lián)設(shè)備和方法10包括電子束發(fā)射機構(gòu)12、纖維平臺14、陶瓷先驅(qū)體S i C纖維16和平移機構(gòu)18。
[0016]電子束發(fā)射機構(gòu)12可為將至少一個劑量的電子束輻射有效發(fā)射至設(shè)在平臺14上/中的陶瓷先驅(qū)體S i C纖維16的任何機構(gòu)。從電子束發(fā)射機構(gòu)12發(fā)射的電子束福射20的劑量的束電流和電子能量的量度可在至少部分地交聯(lián)SiC纖維聚合物前體16中有效，且由此可取決于或至少關(guān)于一定數(shù)目的變量。例如，SiC纖維聚合物前體16的物理性能(例如，軟化點、熔點等)、平臺14上的陶瓷先驅(qū)體SiC纖維16的堆積厚度和/或布置、陶瓷先驅(qū)體SiC纖維16與電子束輻射20之間的相對平移速度和定向、由平臺14提供的溫度保持或冷卻的水平或有效性、施加到陶瓷先驅(qū)體SiC纖維16上的電子束輻射的劑量數(shù)目，以及期望水平的交聯(lián)是可影響交聯(lián)過程期間從電子束發(fā)射機構(gòu)12發(fā)射的電子束福射20的最小、最大或最有效劑量的的一些因素或變量。
[0017]在一些實施例中，電子束發(fā)射