聚碳硅烷纖維在含氧氣氛下電子束輻射交聯(lián)和熱氧化交聯(lián)的研究.pdf

1、碳化硅(SiC)纖維具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐高溫性能，是理想的陶瓷基復(fù)合材料增韌補(bǔ)強(qiáng)材料。先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法是制備連續(xù)SiC纖維的重要方法，該方法主要包括先驅(qū)體聚碳硅烷(PCS)的合成、熔融紡絲、不熔化處理及高溫?zé)伤膫€(gè)步驟。其中，不熔化處理是整個(gè)工藝中一個(gè)必不可少的關(guān)鍵步驟。PCS的紡絲性能極差，實(shí)驗(yàn)表明摻雜少量聚丙烯(PP)對(duì)PCS進(jìn)行改性可明顯改善其紡絲性能，所以本文對(duì)PCS和共混5％PP的PCS(PCS-5P)進(jìn)行了同步研究。

2、本論文主要應(yīng)用了兩種交聯(lián)工藝(低氧氣氛下(1％)電子束輻射交聯(lián)、空氣中熱氧化交聯(lián))對(duì)兩種PCS纖維(PCS、PCS-5P)進(jìn)行處理，然后將交聯(lián)后的纖維在不同溫度下進(jìn)行退火以及在高溫下燒成制備SiC纖維。兩種工藝都以氧元素的變化規(guī)律和作用機(jī)制為主軸，通過失重分析、凝膠含量測(cè)試、元素分析、紅外(IR)、核磁共振(NMR)、熱分析(TG-DTA)等手段探討了纖維交聯(lián)前后、退火前后的物理化學(xué)性能變化和結(jié)構(gòu)變化，并對(duì)可能的反應(yīng)進(jìn)行了預(yù)測(cè)；通過拉伸

3、測(cè)試、掃描電鏡(SEM)、X-射線粉末衍射(XRD)、電子探針(EPMA)對(duì)熱解得到的SiC纖維進(jìn)行了表征。主要結(jié)論如下： 在低氧氣氛(1％)下電子束輻射交聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)PCS纖維不熔化處理，不過劑量應(yīng)不低于2GMy。交聯(lián)絲在惰性氣氛下退火(200～500℃)，可以進(jìn)一步發(fā)生交聯(lián)?？刂戚椪談┝浚醴謮?，退火溫度等工藝條件可以控制纖維的不熔化程度和氧含量。PCS和PCS-5P熱解后得到的SiC纖維拉伸強(qiáng)度分別為2.40GPa，1.81

4、GPa；彈性模量分別為170.1 GPa和168.7 GPa。電鏡和電子探針結(jié)果顯示，在含氧氣氛中輻照交聯(lián)制得的SiC纖維呈芯-殼結(jié)構(gòu)：表面的殼富氧，芯部氧含量較低，氧含量呈梯度分布。 PCS纖維也可以在空氣中通過熱氧化交聯(lián)實(shí)現(xiàn)不熔化處理，不過熱氧化交聯(lián)溫度應(yīng)不低于170℃，退火處理也可以進(jìn)一步發(fā)生交聯(lián)。PCS-5P則不能在空氣中進(jìn)行熱氧化交聯(lián)，其在這一過程中會(huì)并絲。與電子束輻照氧化交聯(lián)不同，熱氧化交聯(lián)制得的SiC纖維表面也是

5、富氧，但并沒有出現(xiàn)明顯的分層；得到的SiC纖維平均拉伸強(qiáng)度和模量分別為2.27GPa和145.15GPa，比輻照氧化交聯(lián)略低，但纖維的耐高溫性能更好。 交聯(lián)過程中，兩種工藝都是通過Si-H、Si-CH3與O2發(fā)生自由基反應(yīng)生成Si-OH和帶C=O結(jié)構(gòu)的化合物。惰性氣氛下退火可以分成兩個(gè)階段，溫度低于400℃，主要是Si-OH發(fā)生脫水縮合，形成Si-O-Si的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，同時(shí)含C=O結(jié)構(gòu)的化合物也會(huì)分解，生成含碳小分子和其它交聯(lián)結(jié)構(gòu)