高能微波辐照法快速制备C/SiC同轴纤维及其抗氧化性能研究

摘要

碳纤维因其高强度、高模量、低密度、强耐腐蚀性，以及低热膨胀系数等优势，被广泛应用于航空航天、汽车制造和生物医疗等领域。但碳纤维在氧气气氛中超过400℃时即开始被氧化，使材料的综合性能降低甚至失效，限制了碳纤维增强复合材料在高温氧化气氛下的安全稳定应用。对碳纤维进行表面涂层保护，是改善碳纤维高温抗氧化性能最有效的途径之一。
　　目前碳纤维表面涂层处理方法普遍存在工艺复杂、制备周期长、成本高和能耗大等缺陷。本课题基于高能微波辐照技术，对快速高效合成C/SiC同轴纤维进行了探索。该方法具有加热速度快、热效率高、加热均匀以及热惯性小等优势，可在较低温度下快速合成目标产物，缩短生产周期，降低制备成本，节能环保。并综合运用多种检测方法如XRD、SEM、EDS、TEM和TG-DSC等，对C/SiC同轴纤维的晶体结构、微观形态、生长过程以及高温抗氧化性能等进行了分析和评价。主要研究成果如下:
　　(1)采用高能微波辐照法快速制备出了C/SiC同轴纤维。以Si粉、SiO2粉为硅源，按一定比例与碳纤维均匀混合后，基于高能微波辐照技术，在真空气压为5～10kPa，微波功率为3kW，加热温度为1100～1250℃，在微波及其诱导产生的等离子体环境下，激发活化并进行数分钟的合成反应，即可快速高效地制备出C/SiC同轴纤维。壳层厚度为数百纳米，成分为结晶良好的β-SiC。整个实验过程中无需对原材料进行预处理，也不需要催化剂，工艺简单，操作简便，表现出较为理想的制备效率和效果。
　　(2)通过调节硅源组成、微波功率、微波辐照时间以及碳纤维的放置方式等工艺参数，初步实现了合成产物在尺寸及形态上的可控合成。实验数据表明，以Si粉、无定形态SiO2粉为硅源，当微波条件为4kW/3min时所获得的SiC涂层结构最为理想;以Si粉、纳米级SiO2粉为硅源，可以在更短时间内形成大量的SiC产物，得到的SiC晶粒尺寸更小，表面致密度更高。但另一方面由于纳米级SiO2的活性较高，SiC的合成速度过快，不利于实现对反应进程和产物形态的控制;以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源，相比于碳纤维悬空放置，将碳纤维浸泡在TEOS溶液里的放置方式，能有效增加与硅源的直接接触面积，提高反应速率，得到的产物壳层厚度明显增大，但同时也容易有剩余原料的附着残留。
　　(3)C/SiC同轴纤维具有一定的高温抗氧化效果。以TEOS为硅源得到的C/SiC同轴纤维，初始氧化温度提高了100℃，但800℃时碳纤维基本被完全氧化，仅仅起到延缓碳纤维被氧化的作用。以Si粉和无定型态的SiO2粉为硅源得到的C/SiC同轴纤维，其初始氧化温度与未涂层碳纤维的基本相同，但高温下的抗氧化效果更佳，并且800℃氧化处理后时仍有16％的质量残留率。分析原因，一方面主要是由于涂层材料和少量的残留硅被氧化成SiO2，进一步实现对碳纤维的抗氧化保护;另一方面碳纤维表面被SiC涂层包覆的均匀完整性较高，同时在成分及结构组织上还具有一定梯度分布的趋势，提高了SiC涂层与碳纤维之间的界面结合性，呈现出一定的高温抗氧化效果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 碳纤维概述

1．1．1 碳纤维的定义及分类

1．1．2 碳纤维的优异性质

1．1．3 碳纤维的发展

1．1．4 碳纤维的应用

1．1．5 碳纤维的缺点

1．1．6 提高碳纤维抗氧化性能的途径

1．2 碳纤维表面涂层体系

1．2．1 玻璃涂层

1．2．2 金属涂层

1．2．3 陶瓷涂层

1．2．4 复合涂层

1．3 碳纤维表面SiC涂层的制备方法

1．3．1 溶胶-凝胶法

1．3．2 化学气相沉积法

1．3．3 前驱体浸渍裂解法

1．3．4 碳热还原法

1．3．5 熔融盐法

1．4 微波技术的发展及应用

1．4．1 微波技术的发展

1．4．2 微波加热的特点

1．4．3 微波技术在陶瓷材料中的应用

1．5 研究内容

1．5．1 基于高能微波辐照技术快速合成C／SiC同轴纤维

1．5．2 C／SiC同轴纤维的结构表征与性能测试

1．5．3 创新点

第二章 实验方案及方法

2．1 实验原料及仪器

2．1．1 实验原料

2．1．2 实验仪器

2．2 样品制备方法

2．2．1 以硅粉、二氧化硅粉等作为硅源

2．2．2 以正硅酸乙酯溶液作为硅源

2．3 微观结构表征

2．3．1 X射线衍射分析仪

2．3．2 透射电子显微镜

2．3．3 扫描电子显微镜

2．4 抗氧化性能测试方法

2．4．1 等温氧化测试

2．4．2 同步热分析仪

第三章 高能微波辐照法合成C／SiC同轴纤维的微观结构表征

3．1 高能微波辐照法快速制备C／SiC同轴纤维

3．2 C／SiC同轴纤维的产物形貌与元素分析

3．3 C／SiC同轴纤维的XRD物相分析

3．4 C／SiC同轴纤维的TEM分析

3．5 C／SiC同轴纤维的生长过程分析

3．6 本章小结

第四章 影响C／SiC同轴纤维合成效果的因素分析

4．1 以Si粉+SiO2粉(无定形态)为硅源

4．1．1 微波功率的影响

4．1．2 微波辐照时间的影响

4．2 以Si粉+SiO2粉(纳米级)为硅源

4．2．1 微波功率的影响

4．2．2 微波辐照时间的影响

4．3 以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源

4．3．1 微波参数的影响

4．3．2 碳纤维放置方式的影响

4．3．3 以TEOS为硅源合成C／SiC同轴纤维的生长机理

4．4 本章小结

第五章 C／SiC同轴纤维的高温抗氧化性能分析

5．1 C／SiC同轴纤维的静态等温氧化测试

5．2 C／SiC同轴纤维的TG-DSC测试

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士期间的学术成果

致谢