聚碳硅烷纖維在含氧氣氛下電子束輻射交聯和熱氧化交聯的研究.pdf

1、碳化硅(SiC)纖維具有優(yōu)異的力學性能和耐高溫性能，是理想的陶瓷基復合材料增韌補強材料。先驅體轉化法是制備連續(xù)SiC纖維的重要方法，該方法主要包括先驅體聚碳硅烷(PCS)的合成、熔融紡絲、不熔化處理及高溫燒成四個步驟。其中，不熔化處理是整個工藝中一個必不可少的關鍵步驟。PCS的紡絲性能極差，實驗表明摻雜少量聚丙烯(PP)對PCS進行改性可明顯改善其紡絲性能，所以本文對PCS和共混5％PP的PCS(PCS-5P)進行了同步研究。

2、本論文主要應用了兩種交聯工藝(低氧氣氛下(1％)電子束輻射交聯、空氣中熱氧化交聯)對兩種PCS纖維(PCS、PCS-5P)進行處理，然后將交聯后的纖維在不同溫度下進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)律和作用機制為主軸，通過失重分析、凝膠含量測試、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前后、退火前后的物理化學性能變化和結構變化，并對可能的反應進行了預測；通過拉伸

3、測試、掃描電鏡(SEM)、X-射線粉末衍射(XRD)、電子探針(EPMA)對熱解得到的SiC纖維進行了表征。主要結論如下： 在低氧氣氛(1％)下電子束輻射交聯可以實現PCS纖維不熔化處理，不過劑量應不低于2GMy。交聯絲在惰性氣氛下退火(200～500℃)，可以進一步發(fā)生交聯?？刂戚椪談┝?，氧分壓，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。電鏡和電子探針結果顯示，在含氧氣氛中輻照交聯制得的SiC纖維呈芯-殼結構：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實現不熔化處理，不過熱氧化交聯溫度應不低于170℃，退火處理也可以進一步發(fā)生交聯。PCS-5P則不能在空氣中進行熱氧化交聯，其在這一過程中會并絲。與電子束輻照氧化交聯不同，熱氧化交聯制得的SiC纖維表面也是

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