聚碳硅烷熱解氮化法制備氮化硅纖維的性能研究.pdf

1、氮化硅(Si3N4)纖維作為一種重要的陶瓷纖維,具有優(yōu)越的力學(xué)性能、良好的耐熱沖擊性、耐氧化性,同時(shí)由于SiaN4纖維具有較高的高溫電阻率和良好的高溫介電性能,使其成為了理想的高溫透波陶瓷基復(fù)合材料的增強(qiáng)體,在航天及先進(jìn)國(guó)防裝備上具有重要的用途。由于涉及國(guó)家安全等問(wèn)題,自主研發(fā)連續(xù)SiaN4纖維具有巨大的軍事意義及發(fā)展前景。先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法是制備連續(xù)Si3N4纖維的主要方法,本文采用無(wú)氧電子束輻射交聯(lián)的PCS纖維經(jīng)熱解氮化制備Si3N4纖維

2、。
　　 本文主要研究了熱解氮化的反應(yīng)機(jī)理以及熱解工藝對(duì)纖維結(jié)構(gòu)和性能的影響。熱解氮化過(guò)程是采用NH3進(jìn)行脫碳氨化,然后在N2氣氛下高溫?zé)嵋l(fā)縮合/轉(zhuǎn)氨基反應(yīng)產(chǎn)生硅氮烷并最終形成氮化硅。結(jié)果表明,經(jīng)熱解氮化過(guò)程制備的Si3N4纖維呈白色透明狀,纖維橫截面和表面光滑致密,無(wú)明顯缺陷和孔洞;紅外分析和元素分析的結(jié)果顯示,熱解氮化過(guò)程脫碳效果徹底,制得的Si3N4纖維的C含量＜1％,而N含量隨著熱解溫度的提高而增加,O含量則先增加后減

3、少,在1300℃達(dá)到最大值為13.8％,高于文獻(xiàn)中報(bào)道Sinber(R) Si3N4纖維(O含量為3％);但EPMA結(jié)果顯示,各個(gè)元素在纖維中的分布均勻:不同熱解溫度下XRD結(jié)果顯示纖維均為無(wú)定型結(jié)構(gòu),而力學(xué)性能結(jié)果分析表明,隨熱解溫度的提高,纖維的力學(xué)性能先提高再降低,1300℃時(shí)達(dá)到最大值,拉伸強(qiáng)度為0.80GPa,楊氏模量為120.29GPa。
　　 另外,為了研究O元素對(duì)纖維結(jié)構(gòu)和性能的影響,本文采用不同O含量的交聯(lián)絲制

4、備不同O含量的Si-N-O纖維。結(jié)果表明,所制得的纖維均如前所述,呈現(xiàn)出致密光滑的表面且截面無(wú)明顯缺陷;元素分析結(jié)果顯示Si-N-O纖維的O含量隨著交聯(lián)絲O含量的增加而增加,N含量則隨之降低;制得的Si-N-O纖維在1500℃高溫處理后仍為無(wú)定型結(jié)構(gòu),但是通常純Si3N4在1200℃便開(kāi)始結(jié)晶,因此,可推測(cè)O元素在Si-N-O纖維起到了抑制結(jié)晶的作用。但是,過(guò)高的O含量形成的Si2N2O相在高溫下容易發(fā)生相分解,從而損害纖維的性能。