聚碳硅烷热解氮化法制备氮化硅纤维的性能研究

摘要

氮化硅(Si3N4)纤维作为一种重要的陶瓷纤维,具有优越的力学性能、良好的耐热冲击性、耐氧化性,同时由于SiaN4纤维具有较高的高温电阻率和良好的高温介电性能,使其成为了理想的高温透波陶瓷基复合材料的增强体,在航天及先进国防装备上具有重要的用途。由于涉及国家安全等问题,自主研发连续SiaN4纤维具有巨大的军事意义及发展前景。先驱体转化法是制备连续Si3N4纤维的主要方法,本文采用无氧电子束辐射交联的PCS纤维经热解氮化制备Si3N4纤维。
　　 本文主要研究了热解氮化的反应机理以及热解工艺对纤维结构和性能的影响。热解氮化过程是采用NH3进行脱碳氨化,然后在N2气氛下高温热引发缩合/转氨基反应产生硅氮烷并最终形成氮化硅。结果表明,经热解氮化过程制备的Si3N4纤维呈白色透明状,纤维横截面和表面光滑致密,无明显缺陷和孔洞;红外分析和元素分析的结果显示,热解氮化过程脱碳效果彻底,制得的Si3N4纤维的C含量＜1％,而N含量随着热解温度的提高而增加,O含量则先增加后减少,在1300℃达到最大值为13.8％,高于文献中报道Sinber(R) Si3N4纤维(O含量为3％);但EPMA结果显示,各个元素在纤维中的分布均匀:不同热解温度下XRD结果显示纤维均为无定型结构,而力学性能结果分析表明,随热解温度的提高,纤维的力学性能先提高再降低,1300℃时达到最大值,拉伸强度为0.80GPa,杨氏模量为120.29GPa。
　　 另外,为了研究O元素对纤维结构和性能的影响,本文采用不同O含量的交联丝制备不同O含量的Si-N-O纤维。结果表明,所制得的纤维均如前所述,呈现出致密光滑的表面且截面无明显缺陷;元素分析结果显示Si-N-O纤维的O含量随着交联丝O含量的增加而增加,N含量则随之降低;制得的Si-N-O纤维在1500℃高温处理后仍为无定型结构,但是通常纯Si3N4在1200℃便开始结晶,因此,可推测O元素在Si-N-O纤维起到了抑制结晶的作用。但是,过高的O含量形成的Si2N2O相在高温下容易发生相分解,从而损害纤维的性能。
　　 为了降低纤维中的O含量,本文还使用Ar气代替N2气进行热解氮化处理,结果显示制备的纤维呈淡黄色,且O含量低于N2气氛烧结得到的纤维。XRD结果显示,纤维为无定型结构,但是观察形貌发现纤维已经粉化。SEM结果显示,在烧结过程中,纤维表面形成了Si3N4纳米线,这可能是纤维相分解的产物。因此Ar不适合作为热解氮化制备Si3N4纤维的热解保护气氛。