先驱体转化法制备碳掺杂和硼碳掺杂碳化硅纤维的研究

摘要

先驱体转化法是制备连续SiC纤维的主要方法，SiC纤维的先驱体聚碳硅烷通过物理或化学方法改性，可以制备出耐高温和吸波性能良好的掺杂碳化硅复合纤维，因此相关的工作一直是该领域的研究热点。本论文系统地研究了碳掺杂碳化硅纤维及硼碳掺杂碳化硅纤维的制备，通过FTIR、XRD、SEM、TEM、Raman等表征方法对纤维的组成、结构进行了分析，并对纤维的力学性能、电磁性能和抗氧化性能进行了测试。主要结果和结论如下:
　　(1)以聚碳硅烷、沥青二甲苯可溶组分及聚硼硅氮烷为原料，通过溶解共混方式得到了C掺杂SiC及B-C掺杂SiC先驱体，沥青二甲苯可溶组分及硼含量对C掺杂SiC及B-C掺杂SiC先驱体的纺丝性能有重要影响。当沥青二甲苯可溶组分含量为20wt％时，C掺杂SiC先驱体纺丝性能最好;硼含量为0.08wt％时，B-C掺杂SiC先驱体纺丝性能最好，随着硼含量的进一步增加，先驱体纺丝性能变差。C掺杂SiC及B-C掺杂SiC先驱体先驱体经熔融纺丝、预氧化及高温热处理后制得了碳掺杂碳化硅纤维和硼碳掺杂碳化硅纤维。
　　(2)热处理温度对碳掺杂碳化硅纤维和硼碳掺杂碳化硅纤维的结构和性能具有重要影响。碳掺杂碳化硅纤维和硼碳掺杂碳化硅纤维的拉伸强度随热处理温度的增加而上升，热处理温度达到1300℃时，纤维拉伸强度最大。此后，纤维拉伸强度随热处理温度的增加迅速下降。硼碳掺杂碳化硅纤维中掺杂少量B元素可以明显地抑制高温热处理过程中SiC晶粒的生长，提高纤维的拉升强度。
　　(3)碳掺杂碳化硅纤维对电磁波具有一定的频散效应，其在X频段(8.2～12.4GHz)对电磁波反射率均低于-5dB，对电磁波反射率低于-10dB的频宽为8.7～12.4GHz，最大吸收值可达-14.5dB，拓宽了碳化硅纤维对电磁波吸收的频宽，提高了其吸波性能。
　　(4)硼碳掺杂碳化硅纤维与碳掺杂碳化硅纤维相比，具有更好的抗氧化性能和热稳定性，这是由于纤维在高温氧化过程中可以同时生成B2O3和SiO2玻璃相，它们能够相互反应和相互溶解，形成具有较好的流动性和较低的氧扩散系数的硼硅酸盐保护膜。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 SiC纤维的特性及应用

1．2 连续SiC纤维的制备方法

1．2．1 化学气相沉积法

1．2．2 化学气相反应法

1．2．3 粉末烧结法

1．2．4 先驱体转化法

1．3 先驱体转化法制备连续SiC纤维的研究进展

1．4 改性SiC纤维的研究

1．4．1 改性SiC纤维制备概况

1．4．2 改性SiC纤维的应用概况

1．5 选题背景与研究内容

1．5．1 选题背景

1．5．2 研究内容

第二章 实验及分析测试方法

2．1 实验材料与设备

2．1．1 实验原料及试剂

2．1．2 实验仪器与设备

2．2．1 二甲苯可溶煤沥青的提取

2．2．2 沥青掺杂聚碳硅烷的合成

2．2．3 聚硼硅氮烷／沥青掺杂聚碳硅烷的合成

2．2．4 熔融纺丝

2．2．5 不熔化处理

2．2．6 热解与烧成

2．3 分析表征方法

2．3．1 傅里叶变换红外光谱分析

2．3．2 元素组成分析

2．3．4 X射线光电子能谱(XPS)分析

2．3．5 拉曼光谱(Raman)分析

2．3．6 扫面电子显微镜(SEM)分析

2．3．7 高分辨率透射电镜(HRTEM)分析

2．3．8 软化点测定

2．3．9 直径测定

2．3．10 电阻率测定

2．3．11 力学性能测定

2．3．12 热重分析

2．3．13 电磁参数测试

第三章 碳掺杂碳化硅纤维的制备及性能研究

3．1 前言

3．2 沥青掺杂聚碳硅烷先驱体的制备

3．3 纺丝工艺研究

3．3．1 共混先驱体的可纺性研究

3．3．2 收丝速率对纤维直径的影响

3．3．3 Ar气压力对纤维直径的影响

3．4 不熔化处理

3．5 纤维裂解过程研究

3．6 碳掺杂碳化硅纤维结构、组成及性能分析

3．6．1 碳掺杂碳化硅纤维结构、组成分析

3．6．2 碳掺杂碳化硅纤维性能分析

3．7 本章小结

第四章 硼碳掺杂碳化硅纤维的制备及性能研究

4．1 前言

4．2 聚硼硅氮烷／沥青掺杂聚碳硅烷先驱体的制备

4．3 聚硼硅氮烷／沥青掺杂聚碳硅烷先驱体熔融纺丝

4．3．1 硼含量对纺丝温度和纺丝性能的影响

4．4 预氧化处理

4．5 高温热处理

4．6 硼碳掺杂碳化硅纤维结构、组成及性能分析

4．6．1 热处理温度对纤维结构和组成分析

4．6．2 热处理温度对纤维性能的影响

4．6．3 抗氧化性和热稳定性分析

4．7 本章小结

5．1 论文结论

5．2 本论文的创新之处

5．3 今后的工作展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表的论文