新型石英纤维的表征及其石英基复合材料的制备与性能

摘要

石英纤维综合性能优良，是高马赫数导弹天线罩透波材料的理想增强体。本文以新型石英纤维和普通石英纤维为研究对象，通过对比分析热处理过程对两种石英纤维力学性能及组成、结构和形貌的影响，探究了新型石英纤维耐温性能增强的机理。通过溶胶-凝胶工艺制备了2.5D新型石英纤维增强 SiO2复合材料并研究了工艺条件对复合材料力学性能的影响，并对复合材料的介电性能和热物理性能进行了表征。
　　对比研究了不同温度(未处理及200℃～1400℃)热处理后两种石英纤维的力学性能。当热处理温度超过200℃后，新型石英纤维的断裂强力和强度保留率开始明显大于普通石英纤维，1000℃时，新型石英纤维的断裂强力及强度保留率分别可达100.65N、33.8％，而普通石英纤维只有56.74N、19.1%。当热处理温度升高到1200℃时，两种纤维均会丧失力学性能。整体而言，普通石英纤维的力学性能对热处理过程更加敏感。
　　对比研究了不同温度热处理后两种石英纤维的组成，结构及形貌。新型石英纤维中存在少量的Al元素，以铝氧化物的形式存在且在浸润剂之下纤维本体表面的含量最高。随着热处理温度的上升，两种石英纤维的结晶度逐渐提高，且1400℃热处理后的两种石英纤维均已析晶完全。当热处理温度处于600℃～1000℃时，两种纤维的表面形貌出现明显区别，主要体现在新型石英纤维表面存在疏松多孔结构。
　　对比研究了两种石英纤维的析晶过程。新型石英纤维在热处理温度升高过程中并未体现出明显的表面析晶和内部析晶两个阶段。进一步推断了新型石英纤维耐温性能提高的机理，即新型石英纤维表面浸润剂层以下纤维本体表面的掺铝层在一定温度以下可以起到延缓石英纤维表面析晶的作用。
　　研究了纬向纤维体积分数、浸渍-烧结循环次数、烧结温度等工艺条件对2.5D新型石英纤维增强 SiO2复合材料力学性能的影响。研究发现，复合材料的纬向纤维体积分数越高，纬向弯曲强度就越大，而随着浸渍-烧结循环次数(1～4)的增加，复合材料的致密化程度不断增高，力学性能逐渐增强。同时，烧结温度(800℃～1000℃)的提高也会使得试样的密度不断增加，但强度先增加后减小。采用新型石英纤维作为增强体制备2.5D SiO2f/SiO2复合材料的最佳烧结温度可提升至900℃，此时复合材料的弯曲强度、弹性模量分别可达89.9MPa、17.2GPa，密度为1.74g/cm3。
　　制备2.5D新型石英纤维增强SiO2复合材料的较优工艺条件为：纬向纤维密度2.6根/c m，浸渍烧结循环4轮，烧结温度800℃～900℃。此工艺条件下制备的复合材料介电性能和热物理性能良好，介电常数ε在3.19至3.21之间，损耗角正切值tgδ在1.9×10-3至2.2×10-3之间，热导率在0.60至0.62W/(m·K)之间，热膨胀系数在0.52×10-6 K-1至0.54×10-6 K-1之间，均能够满足导弹天线罩对材料的性能要求。

目录

封面

声明

目录

中文摘要

英文摘要

第一章 绪论

1.1 导弹天线罩及其材料概述

1.2 连续纤维增强陶瓷基透波复合材料体系及国内外发展现状

1.3 石英纤维的研究现状

1.4 选题依据和研究内容

第二章 实验与研究方法

2.1 实验试剂与原料

2.2 实验研究过程

2.3 分析与表征方法

第三章 新型石英纤维与普通石英纤维的对比研究

3.1 不同温度热处理对两种石英纤维力学性能影响的对比研究

3.2 不同温度热处理对两种纤维组成、结构与形貌的影响对比研究

3.3 新型石英纤维耐温性能提高的机理研究

3.4 本章小结

第四章 新型石英纤维增强石英基复合材料的制备与性能表征

4.1 工艺条件对复合材料力学性能的影响

4.2 2.5D SiO2f/SiO2复合材料的介电性能和热物理性能

4.3 本章小结

结论

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果