聚合物转化法制备碳纤维表面SiBNC涂层及其复合材料

摘要

碳纤维作为增强材料在航空航天、武器装备领域具有巨大的应用前景。但碳纤维与基体之间存在着一系列的界面问题，妨碍了碳纤维与基体的直接复合。同时，碳纤维在高温下易与空气发生反应，降低其力学性能。因此，制备碳纤维增强陶瓷基复合材料的关键问题时解决碳纤维与陶瓷基体的相容性，在碳纤维与基体复合之前，预先在碳纤维表面涂覆一层陶瓷化合物，既可以改善碳纤维与基体的润湿性，又能保护碳纤维避免氧气的入侵。SiBNC具有良好的高温抗氧化性，在超高温环境下其表面形成抗氧化层，减少向碳纤维扩散的氧气量。碳纤维表面涂层的制备工艺主要有化学气相沉积法、溶胶凝胶法和浸渍裂解法等，其中浸渍裂解法由于其工艺简单、成本低廉、容易操作等优点适合工业工业化制备碳纤维表面涂层。
　　本文对碳纤维表面涂层技术的发展、国内外研究动态进行了论述，总结前人研究的基础上，确定了聚合物转化法制备碳纤维表面SiBNC涂层的工艺路线。主要研究了聚硼硅氮烷的交联与裂解机理、聚合物溶液浓度和涂覆周期对涂层的影响。采用 XRD、SEM、EDS、XPS和TG等技术手段对涂层相组成、形貌和抗氧化性能进行了表征和分析，采用单丝拉伸仪对涂层碳纤维的力学性能进行了研究。并探索了碳纤维短纤增强SiBNC复合材料的制备。得出以下结论：
　　1、交联温度在200℃时，凝胶含量迅速上升到90％以上，随着交联温度的提高，凝胶含量均有上升，但交联温度240℃以后，凝胶含量核和瓷产率上升幅度越来越小。
　　2、裂解过程第一阶段活化能为161.39kJ/mol，遵循Avrami-Erofeev方程，由随机成核步骤控制裂解反应。这一阶段主要是Si-C键、C-N键和C-C键断裂，释放出碳氢化合物和氮氢化合物气体。第二阶段的活化能为379.42kJ/mol，由一维扩散过程控制裂解反应。
　　3、采用聚硼硅氮烷转化法制备碳纤维涂层，浓度为0.01%~3%时，涂层均匀致密，可以直观的看出涂层具有一定的厚度，为30~150nm。
　　4、不同浓度制备的涂层碳纤维强度降幅都不大，低浓度制备的涂层碳纤维基本保持了原碳纤维的力学性能。涂覆周期对涂层碳纤维的强度有一定影响。
　　5、未涂层碳纤维的氧化活化能为87.29kJ/mol，5%、0.5%、0.05%涂层碳纤维的氧化活化能分别为167.52kJ/mo、178.42kJ/mol、163.19kJ/mol。
　　6、通过对制备工艺的探索，发现前驱体240℃交联3h，热压压力为150MPa，热压温度为220℃制备的的复合材料完整致密。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 碳纤维表面结构与形态

1.3 纤维表面涂层方法

1.4 硅硼氮碳（SiBNC）体系的优点

1.5 纤维增强陶瓷基复合材料的增韧机理

1.6 本课题的选题依据和研究内容

第二章 实验与研究方法

2.1 实验材料及设备

2.2 实验方法

2.4 分析测试及性能表征

第三章 聚硼硅氮烷的交联与裂解

3.1 聚硼硅氮烷的结构分析

3.2 交联程度与裂解陶瓷产率

3.3 裂解产物表征

3.4 裂解过程分析

第四章 碳纤维表面SiBNC涂层的制备及性能表征

4.1 前言

4.2 碳纤维表面预处理研究

4.3 SiBNC涂层的制备及性能表征

第五章 聚合物转化法制备SiBNC复合材料

5.1 聚合物预交联对复合材料的影响

5.2 热压工艺对复合材料的影响

第六章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文情况

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