耐超高温碳化硅基陶瓷纤维的制备探索与性能研究

发布时间：2020-11-23 11:39

　　 碳化硅纤维因具有高强度、高模量、耐高温和抗氧化等性能,使其常被作为纤维增强体应用于耐高温陶瓷基复合材料。该类复合材料在航空航天等领域有着广泛的应用,例如,碳化硅纤维碳化硅复合材料已被尝试应用于热结构件上。然而,该热结构件的主要关键性能仍依赖于碳化硅纤维增强体的性能(特别是耐温性能)。经过近几十年的发展,碳化硅纤维已经发展到第三代产品,当前主要研究方向和重点在于使其可耐更高的温度。提高碳化硅纤维耐温性能的主要有效方法之一是将异质元素引入其高分子先驱体的方式,使其作为烧结助剂来实现高性能碳化硅纤维的制备以及使其在较高使用温度下可抑制其内部的β-SiC晶粒长大,来实现碳化硅纤维的高温力学稳定性。在引入异质元素的改进方面,本课题组的王波伟合成了新型的含钛硼有机硅高分子,并以其为高分子先驱体,通过先驱体转化法制备了含钛硼元素的碳化硅纤维(TB-I型)。为了评价该碳化硅纤维在较高温度下的使用性能,本论文首先研究了不同钛硼含量的碳化硅纤维(TB-I型)在不同氧化温度和氧化时间下的高温氧化行为。结果表明,不同钛硼含量的碳化硅纤维随着氧化温度和氧化时间的增加,有较好的耐高温氧化性能。其中,钛硼含量分别为2.9%和0.80%的TB-I型碳化硅纤维,经1300℃C高温氧化5 h后,其拉伸强度损失率仅为24%。且随着钛硼含量的增加,TB-I型碳化硅纤维还表现出更好的力学性能。相比之下,未含钛硼元素的碳化硅纤维经1300℃C高温氧化5 h后,其拉伸强度损失率达60%!这是因为,未含钛硼元素的碳化硅纤维氧化后,其亚稳态的无定形Si-C-O相发生分解,形成的断裂源主要集中于氧化层与纤维原芯界面处,使得纤维力学强度主要受界面微裂纹的影响。同等氧化条件,由于钛硼元素的引入抑制了亚稳态无定形Si-C-O相的分解,使得我们的TB-I型碳化硅纤维仍保持较少的反应缺陷,因此拉伸强度保持率较高。然而,上述TB-I型碳化硅纤维在1800℃C烧结后,其力学性能消失殆尽。针对TB-I型碳化硅纤维的这种问题,本论文通过改变硼源的方法成功制备了的新型含钛硼碳化硅纤维(TB-Ⅱ型碳化硅纤维)。做法为:首先将液态聚硅烷(LPS)和钛酸丁酯(Ti(OBu)4)混合反应制备出聚钛碳硅烷(PTCS)先驱体;然后向聚钛碳硅烷先驱体中加入一定量的聚碳硅烷(PCS)和化学改性的邻碳硼烷混合物,得到硼改性聚钛碳硅烷先驱体(TB-Ⅱ型高分子);最后,将所得TB-Ⅱ型高分子先驱体进行熔融纺丝,空气不熔化处理,高温烧结,即可制备出含钛硼元素的TB-Ⅱ 型烧结碳化硅纤维。本论文对所制备的不同钛硼含量 TB-Ⅱ 型高分子进行了相关表征,结果表明,TB-Ⅱ型高分子与聚钛碳硅烷具有相似的结构,且其分子量随着钛硼含量的增加而升高。此外,为了降低纤维中的氧含量,我们采用氧化预交联结合热交联的方法来取代传统的氧化不熔化处理工艺。并对所选定氧化预交联结合热交联工艺制得TB-Ⅱ型碳化硅纤维的力学性能进行了研究。结果表明,当氧化预交联温度为200℃且保温2 h处理后,再经440℃C热交联和1200℃C热解后得到的TB-Ⅱ型碳化硅纤维具有更好的力学性能。该TB-Ⅱ型碳化硅纤维在1000～1300℃热解之后均呈现为无定形结构,且在1200℃热解得到的含钛硼碳化硅纤维强度最高。最后,我们还对190℃氧化交联后不同含量的含钛硼TB-Ⅱ型高分子纤维直接进行1800℃高温烧结。烧结后所得TB-Ⅱ型烧结碳化硅纤维的拉伸强度分别为427 MPa和624 Mpa。与TB-Ⅰ型烧结碳化硅纤维相比,该硼源的引入可有效促进了纤维的致密,起到了烧结助剂的作用。化学改性邻碳硼烷的成本较高,这可能会限制其以后的工业化发展。为此,本论文还进一步尝试探索了成本较低的苯硼酸作为硼源取代化学改性邻碳硼烷,来制备含钛硼的碳化硅纤维(TB-Ⅲ型碳化硅纤维)。研究表明,苯硼酸作为硼源所制备的硼改性聚钛碳硅烷(TB-Ⅲ型)高分子纺丝性能较差。这可能是因为在熔融脱泡过程中温度过高,先驱体持续发生反应导致高分子熔融脱泡不完全,进而影响了纺丝性能。
【学位单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ174.758.21
【部分图文】：

２．２．１含钱的有机硅高分子合成??将５ｇ液态聚硅烷（ＬＰＳ），６．６ｇ钛酸丁酯Ｔｉ（ＯＢｕ）４分别加入到ｌ〇〇ｍｌ单口??圆底烧瓶中，按图２－１所示连接反应装置。然后在氩气保护下开始按所设置的升??２２??

（ＴＢ－ＩＩ型）先驱体，压实固定后放入熔融脱泡炉中，在惰性气氛保护下，于负??压状态下根据所测得的软化点设置升温程序进行加热脱泡。脱泡结束后，根据针??筒内熔体的脱泡情况（观察熔体内有无气泡），确定合适的融熔脱泡温度。图２－??２?（Ａ）和（Ｂ）分别为高分子融熔脱泡失败和脱泡成功的示意图。??Ｉ?Ｉ??Ｉ—?Ｉ??ｔ??图２－２改制针简模拟纺丝桶内髙分子融熔脱泡示意图：??融恪脱泡失败（图Ａ）与成功脱泡（图Ｂ）??２．３．２离分子先驱体的熔触纺丝??首先将一定量的硼改性聚钛碳硅烷（ＴＢ－ＩＩ型）先驱体装于纺丝桶中，在脱??泡炉内进行熔融脱泡处理。在氩气保护下加热至适当的温度保温４ｈ，使ＴＢ－ＩＩ型??先驱体充分熔融脱泡。待熔融脱泡结束之后，将该纺丝桶迅速转移到小型纺丝机??上，调节合适的纺丝温度、纺丝机挤压速度和收丝辊筒缠绕速度进行熔融纺丝，??以控制该高分子纤维的直径。??２４??

Ｃｅｒａｍｉｃ?Ｙｉｅｌｄ?＝?—?ｘ?１００％??ｍ〇??．５力学性能测试??力学性能的测试主要包括拉伸强度（〇）和杨氏模量（Ｅ）两个对象。本日本岛津生产的万能材料试验机对纤维的强度进行测试［４］，标距为２５?ｍ速度为１?ｍｍ／ｍｉｎ，传感器最大载荷为１０Ｎ。纤维拉伸强度的测试主要、测直径、拉伸测试三个步骤。具体操作步骤如下：??（１）粘丝??首先将平直的纤维平铺在标距为２５?ｍｍ的纸框上，保证纤维与纸框中，采用少量１：１混合均匀的ＡＢ胶将其粘在纸框上（如图２－３所示）。然后，的陶瓷纤维置ｆ?６０°Ｃ烘箱中加热至ＡＢ胶完全凝固。??
【参考文献】

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本文编号：2894688