SiC先驱体合成及其纤维成形技术研究

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高性能的连续SiC纤维是制备耐高温复合材料的关键。先驱体法是目前制备此类纤维最成功的方法,制备基本原理和步骤是:(1)合成含有Si、C的先驱体聚合物;(2)将先驱体纺制成纤维;(3)利用化学反应使纺制的纤维交联成“热固性”纤维;(4)在1300℃以上的惰性气氛中煅烧得到陶瓷纤维。(即:合成、纺丝、交联、烧成)。先驱体是制备SiC纤维的关键。目前SiC纤维的主要产品由于含有大量的氧和富余碳以及在高温下晶粒快速增长使其使用温度限制在1200℃以下;提高纤维的耐高温性能是SiC纤维的主要发展方向。采用熔法纤维成形工艺,所制得的SiC纤维含氧量较高,制约了其力学性能和耐温性能的提高,从而使它的应用受到限制。而采用干法纤维成形工艺,所得到的先驱体纤维可以直接进行高温烧成,减少含氧量,提高耐温性能。通过干法纺丝制备SiC先驱体纤维,既有助于提高先驱体纤维成形性能,又是一种探索高软化点PCS纺丝的方法。本论文围绕高分子量聚碳硅烷(HMW-PCS)粉体的合成、不同溶剂的HMW-PCS溶液体系的流变性能、HMW-PCS纤维的成型及其影响因素进行了研究。通过调节不同的反应条件改善HMW-PCS的分子量及其分子量分布,利用IR、GPC、NMR等分析方法探讨了HMW-PCS的组成和结构,从中选出适合干法纺丝的工艺条件;系统地研究了不同溶剂的HMW-PCS溶液体系流变性能以及对其干法纺丝的影响;研究了纺丝温度、压力及卷绕速度对HMW-PCS干法纺丝的影响;本论文首次采用静电纺丝设备纺制出不同溶剂体系的细直径HMW-PCS纤维。研究发现,HMW-PCS分子链的支化度随着反应温度的提高逐渐增加(反应温度:450℃,支化度为28.9%;反应温度:470℃,支化度为46%)。HMW-PCS/二甲苯溶液属于假塑性流体,流动指数n在0.9左右,随着体系质量分数的增加,HMW-PCS/二甲苯溶液更加接近于牛顿流体的特性;在HMW-PCS/二甲苯溶液中,质量分数从38%增大到68%时,Eη相应地从15.38 kJ·mol-1增至80.16kJ·mol-1。在静电纺丝中,采用混合溶剂体系制备HMW-PCS纤维的表面较光滑。
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