耐超高温碳化硅纤维新型先驱体研究及纤维制备

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1、垦堕坠垫奎兰堑塞生堕兰堡垒奎摘要高性能的连续SiC纤维是制备耐高温复合材料的关键。先驱体法是目前制备此类纤维最成功的方法，制备基本原理和步骤是：(i)合成含有Si、C的先驱体聚合物；(ii)将先驱体纺制成纤维；(iii)利用化学反应使纺制的纤维交联成“热固性”纤维；(iv)在1300。C以上的惰性气氛中煅烧得到陶瓷纤维。(即：合成、纺丝、交联、烧成)。先驱体是制备SiC纤维的关键。目前SiC纤维的主要产品由于含有大量的氧和富余碳以及在高温下晶粒快速增长使其使用温度限制在1200。C以下；提高纤维的耐高温性能是SiC纤维的主要发展方向。本文合成了SiC纤维的两种新型先驱体PACS和

2、BN．PCS．PMS，并分别制备成含少量铝的SiC(AI)$1]含少量B和N的SiC(BN)耐超高温陶瓷纤维。研究了先驱体合成机理、结构及性质，探讨了陶瓷纤维的组成、结构与性能，及其它们之间的相互关系。／PACS先驱体采用PSCS与AI(AcAc)，在常压500‘C反应合成，反应机理是Kumada重排以及PACS中的Si．H与AI(AcAc)，反应生成Si．O．AI键和少量Si—Al—si键。PACS的软化点在200℃左右可调，流变性能良好，可以纺制成连续的PACS纤维。为降低陶瓷纤维中的氧含量，先驱体纤维的交联采用轻度空气交联和热交联相结合。交联后的PACS纤维在1300"C烧

3、成后得到SiC(OAI)陶瓷纤维，然后在l800"C烧成得到具有耐超高温性能的SiC(A1)陶瓷纤维。BN—PCS．PMS杂化先驱体的合成主要有三步：第一步是合成PCS、PMS、Borazine及其聚合物PBN；第二步是合成BN．PCS和BN—PMS；第三步是将BN．PCS和BN．PMS杂化成BN．PCS．PMS先驱体。PCS采用裂解PDMS合成：PMS采用Na缩合MeHSiCl2合成：Borazine的合成通过NaBH4和(NH4)2S04反应来实现；将PCS与1wt．％PBN在300℃反应得到BN．PCS；PMS与1wt．％Borazine在70℃反应得到BN—PMS。BN．

4、PCS与BN．PMS以重量比1／4在loo℃反应得到BN．PCS．PMS杂化先驱体。BN．PCS比PCS的陶瓷产率提高10wt．％，分子量高出两倍以上，机理是PBN与PCS反应后，SiC。／SiC，H比例明显提高，同时PBN中的N—H键与PCS中的Si—H等反应生Si—N键。PMS与1wt．％Borazine第viii页里堕型垫查兰丝查尘堕兰堡笙塞反应得到BN—PMS后，由油状液体PMS变成可溶固态的BN—PMS，陶瓷产率从30wt．％提高到83wt．％，数均分子量从700左右提高到3000以上：其主要反应机理主要有两方面：一是Borazine作为催化剂促使PMS发生自交联；二是

5、Borazine中的N—H键等与PMS中的Si．H键等反应生成Si—N键。BN—PCS—PMS杂化先驱体的合成主要通过分子量相近的BN—PCS和BN．PMS先驱体混合后形成一种均二J、稳定的杂和相以及两者之间的反应来实现。其陶瓷产率和分子量均比两种q，间先驱体高。BN．PCS．PMS是一种可溶但不熔融的先驱体，制备BN．PCS—PMS纤维采用适当粘度的溶液拔丝来实现，然后进行热交联，最后在1400*C烧成得到SiC(BN)陶瓷纤维，其具有耐超高温性能。SiC(A1)陶瓷纤维的化学组成为Si，C。，00．026A10013：其主要结构是p-SiC，同时含有少量铝元素和Ⅱ．SiC。氧

6、含量和游离碳含量均大大低于Nicalon纤维，纤维表层O含量和si含量略高于纤维内部，纤维内部Si、C、O、AI元素分布均匀。SiC(BN)纤维主要由13-SiC组成，同时含有很少量的O、B和N；纤维表层O含萤和si含量略高于纤维内部，纤维内部Si、C、O、B、N元素分布均匀。SiC(AI)纤维的平均直径为129m，平均强度为1．4GPa。SiC(BN)纤维的平均直径为139m，平均强度为1。8GPa。在1400℃氩气中处理1小时后，两者的强度保留率均在95％以上，前者略高于后者；在1800"(2氩气中处理1小时后，前者的强度保留率为71％，后者的为80％。两种纤维的高温稳定性高

7、于NicalonNL201、Tyranno(LowM)和Tyranno(ZMI)等商品SiC纤维，但低于TyrannoSA纤维。SiC(A0纤维的高温抗蠕变性能明显高于Nicalon纤维。SiC(A1)纤维和SiC(BN)纤维耐超高温性能决定于两者的低氧含量、低富余碳含量以及异元素Al、B的助烧结作用和在高温下抑制SiC晶粒长大的作用。SiC(A1)纤维良好的抗蠕变性能主要决定于其高结晶度和低含量的SiC。O。相。沙L关键词：聚铝碳硅烷jBN—PCS-PMS杂化先驱体歹Boraz