聚碳硅烷纤维的不熔化与SiC纤维制备研究

以聚二甲基硅烷(PDMS)为原料,在高压釜内高温高压反应制备了聚碳硅烷(PCS)先驱体,经熔融纺丝制备了PCS纤维,研究了在190 C下不同不熔化时间对PCS纤维氧化增重、Si-H键反应程度、凝胶含量、氧含量及最终SiC纤维氧含量与性能的影响.研究表明,在不熔化过程中,PCS结构中的Si-H键与氧反应,在PCS分子间形成Si-O-Si交联结构.随着不熔化时间的延长,PCS纤维发生氧化增重、Si-H键反应程度提高、凝胶含量增加,SiC纤维中氧含量也逐渐增加.在不熔化保温3h,制备的SiC纤维强度可达2.52GPa.随着不熔化时间的进一步延长,SiC纤维氧含量增加,其强度逐渐降低.     

干法纺丝法制备低氧含量SiC纤维

通过粘度、凝胶含量和XRD等手段研究了聚碳硅烷(PCS)纺丝原液的干法纺丝性能和干纺PCS纤维的自交联过程, 并对所制得的低氧含量SiC纤维的组成、结构和性能进行了表征. 结果表明, PCS/二甲苯纺丝原液的最佳纺丝粘度范围在18.0～22.0Pa·s; 干纺PCS纤维在烧成温度超过250℃后开始发生自交联反应, 在烧成温度超过550℃后, 干纺PCS纤维完全交联形成了“不熔不溶”的网状结构; 干法纺丝法制备得到的SiC纤维与空气不熔化法制得的SiC纤维相比, 氧含量大幅降低, 仅在3.6wt%左右, 结晶度较高, 其耐高温抗氧化性也有明显的改善.     

含Ti的SiC纤维的先驱体的合成

通过聚碳硅烷与钛酸丁酯的反应,合成了含钛聚碳硅烷 PTC-Ⅰ(Ti/Si 原子比=0.02—0.04)。PTC-Ⅰ的可纺性与熔点随 Ti 含量增加而有规律地变化。由二苯基硅二醇与钛酸丁酯的反应,可制得低聚体的聚钛硅氧烷,将其与聚碳硅烷反应,可以合成具有更高 Ti 含量的聚合物PTC-Ⅱ(Ti/Si 原子比=0.10)。PTC-Ⅰ与 PTC-Ⅱ都具有良好的可纺性,以它们作为先驱体制得了含 Ti 的 SiC 纤维。     

静电纺丝法制备SiC纤维

以聚碳硅烷(PCS)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为原料制得前躯体溶液,采用静电纺丝法制备出PCS/PVP前驱体纤维,经高温分解得到SiC纤维.X射线衍射证实纤维中生成了立方结构β-SiC相.采用扫描电子显微镜(SEM)对前驱体纤维及煅烧后SiC纤维的形貌进行了观察,所制备的SiC纤维直径很小,但均匀性不是很高,且表面依附一层非晶形SiO2薄膜层.     

固/液态聚碳硅烷共混制备碳化硅纤维的研究

以超支化液态聚碳硅烷(LPCS)与固态聚碳硅烷(纯PCS)的共混物作先驱体,熔融纺丝;所得原丝再在热空气气氛中氧化交联,在高温氮气气氛中热裂解,得到碳化硅纤维。研究表明,15%(质量分数)LPCS的加入,可使纯PCS先驱体的纺丝温度,从285℃降低到225℃;纺丝性能和纤维表面质量明显提高;还可以提高氧化交联的效率,降低交联温度,从而减少纤维部分融并、粘结的弊端;虽然纤维的室温力学强度有所降低,但抗氧化性能提高,1400℃氧化交联后,力学性能几乎不变;而纯PCS的力学性能却降为原来的50%。     

聚碳硅烷,聚硅氮烷纤维电子束辐射交联的对比研究

研究了聚碳硅烷纤维和聚硅氮烷纤维电子束辐射交联的交联效果,分析了交联机理并提出了两种不同先驱体辐射交联的差异所在。结果表明,ＰＳＺ的不熔化剂量比ＰＣＳ低得多,但陶瓷产率不如ＰＣＳ提高得快;与ＰＣＳ相比,ＰＳＺ因含有大量活泼的Ｎ－Ｈ键,易于辐照交联不熔化,但也易于热分解,失重率较高。     

组成和结构对连续SiC纤维电阻率的影响

通过烧成制备了电阻率量级大小不同的三种连续SiC纤维, 对纤维的元素组成、结晶性能和表面结构进行了分析. 结果表明: 通过调整不熔化及烧成工艺参数可以获得电阻率量级不同的连续SiC纤维. 当纤维表层具有一定厚度的高富碳层结构时, 纤维的电阻率受整体自由碳含量与结晶性能的影响不再显著, 此时, 纤维将具有较低的电阻率. 富碳层的产生与不熔化纤维烧成时分解产生的烃类小分子的重新裂解沉积有关. 通过低温氧化除去纤维表面的富碳层可以使纤维电阻率增大. 表面结构对连续SiC纤维的电阻率大小有重要影响.     

自由基引发活性聚碳硅烷交联及其在制备SiC纤维中的应用

在基于先驱体聚碳硅烷转化制备SiC陶瓷纤维过程中,交联过程是保持纤维形貌和提高陶瓷产率的必要条件。本研究以含丙烯酸酯基的聚碳硅烷(A-PCS)为原料,通过引入自由基热引发剂在热解升温过程中实现原料的交联成型。采用红外光谱仪(FT-IR)和差示扫描量热仪(DSC)研究了引发剂含量对A-PCS交联程度、交联速率以及热降解速率的影响规律;采用热失重(TG)、元素分析仪和X射线衍射仪(XRD)分析了陶瓷产率、陶瓷产物组成以及无定形态随温度的变化。研究结果表明:加入自由基热引发剂可提高A-PCS中的丙烯酸酯基的交联速率,减少交联阶段的热失重;将质量百分比为1%自由基热引发剂的A-PCS以5℃/min升至250℃时,丙烯酸酯基反应完全,1500℃的陶瓷产率为69.5%;通过静电纺丝加工工艺可获得直径介于2～5μm的A-PCS原丝,并通过后续升温热解转化为SiC纤维;所得SiC纤维形貌规整、无熔并现象,且随着热解温度的升高从无定形态向结晶形态转变。     

电子束辐射交联制备低氧含量SiC纤维的研究

本文作者研究了电子束辐射交联对PCS纤维不熔化效果、热分解特性的影响,探讨了辐射交联机理,并制得了低氧含量的SiC纤维,研究了其耐高温性能。结果显示,PCS辐照纤维开始实现不熔化的吸收剂量是15MGy。所得纤维的氧含量为3.3wt%,抗拉强度为1.65GPa,晶粒尺寸3.4nm。在He气氛下1600℃处理30min后失重8wt%,强度保留80%,晶粒长大到16.3nm。     

O—Y型SiC纤维制备及吸波性能研究

为了进一步提高异形SiC纤维的吸波性能，以阻抗匹配理论为指导，设计了O—Y型（喷丝板上由外往里，分别排布了圆形和三叶形两种喷丝孔），通过熔融纺丝、不熔化和烧成，制备了O—Y型同板多形SiC纤维，并对纤维的介电和吸波性能进行了研究。研究表明，在X波段，O—Y型SiC纤维的tanδ0.3～1.3，具有较好的频响效应；O-Y型SiC纤维中三叶形纤维异形度的变化，会引起介电参数的较大变化，异形度在0．9左右时，其tan8最高；O-Y型SiC纤维吸波性能优于纯三叶形SiC纤维和同质量比的圆形和三叶形混杂SiC纤维。     

SiBN三元陶瓷纤维的聚硼硅氮烷裂解转化制备和性能

以三氯硅烷、六甲基二硅氮烷、三氯化硼和甲胺为原料合成聚硼硅氮烷前驱体,对前驱体进行熔融纺丝和不熔化处理,将其高温裂解后制备出SiBN陶瓷纤维。使用FT-IR、NMR、XRD、TEM、TGA等表征手段研究了在不同聚合温度下聚硼硅氮烷前驱体的化学结构特征、SiBN陶瓷纤维的高温热稳定性、介电性能以及力学性能。结果表明：在不同温度下制备的聚硼硅氮烷前驱体的骨架为Si-N-B,均含有HSiN₃、BN₃及NCH₃等结构。在1400℃热处理后SiBN陶瓷纤维仍保持无定形态,直径为14 μm,拉伸强度达到0.91 GPa。在氮气气氛中SiBN陶瓷纤维从室温到1400℃的失重为1.5%,表明这种纤维具有较高的热稳定性。SiBN陶瓷纤维的介电常数为2.6~2.8,损耗角正切的数量级为10^-2。     

碳化硅纤维增强陶瓷基复合材料的研究进展

对碳化硅纤维（SiCf)增强陶瓷基复合材料（CMCS）的研究现状与进展作了较系统的论述。讨论了SiCf增强CMCS的界面层作用,热膨胀系数不匹配对材料的影响,高温抗蠕变抗疲劳性能及抗氧化性能等。最后指出了SiCf增强CMCS作为高温结构陶瓷材料的研究方向以及尚等解决的问题。     

短碳纤维增强碳化硅基复合材料的制备与力学性能

利用注浆成型结合反应烧结的方法制备了高强度短碳纤维增强碳化硅基复合材料, 研究了分散剂(四甲基氢氧化铵)的含量和混料时间对浆料粘度的影响; 短碳纤维的体积分数、碳化硅粉的粒径对复合材料微观结构和力学性能的影响。结果表明, 添加0.1wt%的四甲基氢氧化铵得到的浆料粘度最低, 混料时间控制在6 h为佳。添加35vol%短碳纤维的复合材料的弯曲强度达到(412±47) MPa。由5 μm粒径碳化硅粉制备的复合材料的力学性能最佳, 其弯曲强度可达(387±40) MPa。将5与50 μm粒径的碳化硅粉进行2 : 1混合后得到的复合材料的力学性能优异, 弯曲强度可达(357±41) MPa。     

硅源对植物纤维制备SiC纤维的影响

将植物纤维转化为陶瓷是一种新型的、极具发展潜力的多孔陶瓷制备方法。本研究探索了将植物纤维转化为多孔SiC纤维的方法, 并分析了硅源对其反应产物的影响。结果表明, 由于密度效应, 气相硅陶瓷化相比液相而言, 具有更慢的反应速率, 表面所含的杂质也更少, 而且具有更可控的反应过程、更高的力学强度等优势。不同种类的硅源对反应速率、反应所需温度和产物的晶粒尺寸都有一定的影响, 研究发现SiO是一种较为理想的硅源物质。     

SiC薄膜制备工艺进展

本文综述了ＳｉＣ薄膜的制备工艺及进展，介绍了物理气相沉积、化学气相沉积、等离子化学气相沉积及光化学气相沉积等各种ＳｉＣ薄膜的制备方法，简单阐述了各种工艺对薄膜性能的影响，评述了各种制备工艺的优缺点。     

Analysis of Microstructure of Silicon Carbide Fiber by Raman Spectroscopy

The SiC fiber was prepared by chemical vapour depostion, which consists of tungsten core, SiC layer and carbon coating. The microstructure of the fiber was investigated using Raman spectroscopy, illustrating SiC variation in different region of the fiber. The result shows that the SiC layer can be subdivided into two parts in the morphologies of SiC grains; their sizes increase and their orientations become order with increasing distance from the fiber center. It is demonstrated that the mount of free carbon in the fiber is responsible for the variation of SiC grains in sizes and morphologies. The analysis of Raman spectra shows that the predominant β-SiC has extensive stacking faults within the crystallites and mixes other polytypes and amorphous SiC into the structure in the fiber.     

半导体制造业用微纳米碳化硅粉体制备工艺研究

采用水流分级和高能纳米冲击磨对原始SiC粉料进行微纳米粉体加工。研究结果表明:水流分级得到纯度98.42%、中位粒径0.404μm的SiC粉体,比表面积由0.8879m2/g提高到8.0321m2/g;高能冲击磨得到纯度95.5%、中位粒径0.257μm的SiC粉体,比表面积由0.8879m2/g提高到8.2773m2/g,SiC的粒径及比表面积达到半导体制造业用微纳米碳化硅粉体的技术标准。纯度分析表明碳化硅粉体的水流分级未引入杂质,化学成分基本不变;SiC粉体冲击磨加工纯度下降,其他杂质含量偏高。粉体形貌分析表明原始SiC粉料形貌为非球形,粒度分布不均匀,水流分级和冲击磨加工碳化硅粉体形貌为非球形,粒度分布较加工前更均匀。     

氢气气氛下SiC纤维的热稳定性

采用XRD和扫描电镜等分析方法,对国产SiC纤维进行氢气气氛下除去游离碳及纤维高温稳定性的实验研究.在氢气气氛下,将国产SiC纤维分别在900,1200,1500℃和1800℃保温4h,随着温度的升高,纤维质量不断流失,同时纤维结构遭到破坏, 但β-SiC晶化转变不明显,表明国产纤维存在较多的因氧的介入所形成的Si-O-C键,从而影响了纤维在氢气气氛下的高温稳定性.     

Silicon Carbide Polycrystalline Fibers and Single-Crystal Whiskers

The origin of the high inhomogeneity of powders of nonoxide refractory compounds, related to the chemical nature of the compounds and the preparation procedure (usually, solid-state reactions) is considered. Conclusive evidence is presented that vapor transport reactions have considerable potential for the reproducible synthesis of such compounds. It is shown that carbothermic reduction of silicon dioxide can be run as a vapor transport reaction using activated carbon fibers as a reductant. The forming polycrystalline SiC fibers are similar in particle morphology to the parent carbon fibers, suggesting that the reaction proceeds through the incorporation of silicon into the lattice of amorphous carbon. Experimental data are presented for the first time which demonstrate that, under similar process conditions, silicon carbide can be obtained in the form of polycrystalline fibers, single-crystal whiskers, or fine powder. The reaction products differ not only in morphology but also in the crystal structure of SiC ( or form). The mechanisms of - and -SiC nucleation and growth are discussed.