碳化硅纖維因具有高強度、高模量、耐高溫和抗氧化等性能,使其常被作為纖維增強體應用于耐高溫陶瓷基復合材料。該類復合材料在航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應用,例如,碳化硅纖維碳化硅復合材料已被嘗試應用于熱結(jié)構(gòu)件上。然而,該熱結(jié)構(gòu)件的主要關(guān)鍵性能仍依賴于碳化硅纖維增強體的性能(特別是耐溫性能)。經(jīng)過近幾十年的發(fā)展,碳化硅纖維已經(jīng)發(fā)展到第三代產(chǎn)品,當前主要研究方向和重點在于使其可耐更高的溫度。提高碳化硅纖維耐溫性能的主要有效方法之一是將異質(zhì)元素引入其高分子先驅(qū)體的方式,使其作為燒結(jié)助劑來實現(xiàn)高性能碳化硅纖維的制備以及使其在較高使用溫度下可抑制其內(nèi)部的β-SiC晶粒長大,來實現(xiàn)碳化硅纖維的高溫力學穩(wěn)定性。在引入異質(zhì)元素的改進方面,本課題組的王波偉合成了新型的含鈦硼有機硅高分子,并以其為高分子先驅(qū)體,通過先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備了含鈦硼元素的碳化硅纖維(TB-I型)。為了評價該碳化硅纖維在較高溫度下的使用性能,本論文首先研究了不同鈦硼含量的碳化硅纖維(TB-I型)在不同氧化溫度和氧化時間下的高溫氧化行為。結(jié)果表明,不同鈦硼含量的碳化硅纖維隨著氧化溫度和氧化時間的增加,有較好的耐高溫氧化性能。其中,鈦硼含量分別為2.9%和0.80%的TB-I型碳化硅纖維,經(jīng)1300℃C高溫氧化5 h后,其拉伸強度損失率僅為24%。且隨著鈦硼含量的增加,TB-I型碳化硅纖維還表現(xiàn)出更好的力學性能。相比之下,未含鈦硼元素的碳化硅纖維經(jīng)1300℃C高溫氧化5 h后,其拉伸強度損失率達60%!這是因為,未含鈦硼元素的碳化硅纖維氧化后,其亞穩(wěn)態(tài)的無定形Si-C-O相發(fā)生分解,形成的斷裂源主要集中于氧化層與纖維原芯界面處,使得纖維力學強度主要受界面微裂紋的影響。同等氧化條件,由于鈦硼元素的引入抑制了亞穩(wěn)態(tài)無定形Si-C-O相的分解,使得我們的TB-I型碳化硅纖維仍保持較少的反應缺陷,因此拉伸強度保持率較高。然而,上述TB-I型碳化硅纖維在1800℃C燒結(jié)后,其力學性能消失殆盡。針對TB-I型碳化硅纖維的這種問題,本論文通過改變硼源的方法成功制備了的新型含鈦硼碳化硅纖維(TB-Ⅱ型碳化硅纖維)。做法為:首先將液態(tài)聚硅烷(LPS)和鈦酸丁酯(Ti(OBu)4)混合反應制備出聚鈦碳硅烷(PTCS)先驅(qū)體;然后向聚鈦碳硅烷先驅(qū)體中加入一定量的聚碳硅烷(PCS)和化學改性的鄰碳硼烷混合物,得到硼改性聚鈦碳硅烷先驅(qū)體(TB-Ⅱ型高分子);最后,將所得TB-Ⅱ型高分子先驅(qū)體進行熔融紡絲,空氣不熔化處理,高溫燒結(jié),即可制備出含鈦硼元素的TB-Ⅱ 型燒結(jié)碳化硅纖維。本論文對所制備的不同鈦硼含量 TB-Ⅱ 型高分子進行了相關(guān)表征,結(jié)果表明,TB-Ⅱ型高分子與聚鈦碳硅烷具有相似的結(jié)構(gòu),且其分子量隨著鈦硼含量的增加而升高。此外,為了降低纖維中的氧含量,我們采用氧化預交聯(lián)結(jié)合熱交聯(lián)的方法來取代傳統(tǒng)的氧化不熔化處理工藝。并對所選定氧化預交聯(lián)結(jié)合熱交聯(lián)工藝制得TB-Ⅱ型碳化硅纖維的力學性能進行了研究。結(jié)果表明,當氧化預交聯(lián)溫度為200℃且保溫2 h處理后,再經(jīng)440℃C熱交聯(lián)和1200℃C熱解后得到的TB-Ⅱ型碳化硅纖維具有更好的力學性能。該TB-Ⅱ型碳化硅纖維在1000～1300℃熱解之后均呈現(xiàn)為無定形結(jié)構(gòu),且在1200℃熱解得到的含鈦硼碳化硅纖維強度最高。最后,我們還對190℃氧化交聯(lián)后不同含量的含鈦硼TB-Ⅱ型高分子纖維直接進行1800℃高溫燒結(jié)。燒結(jié)后所得TB-Ⅱ型燒結(jié)碳化硅纖維的拉伸強度分別為427 MPa和624 Mpa。與TB-Ⅰ型燒結(jié)碳化硅纖維相比,該硼源的引入可有效促進了纖維的致密,起到了燒結(jié)助劑的作用�；瘜W改性鄰碳硼烷的成本較高,這可能會限制其以后的工業(yè)化發(fā)展。為此,本論文還進一步嘗試探索了成本較低的苯硼酸作為硼源取代化學改性鄰碳硼烷,來制備含鈦硼的碳化硅纖維(TB-Ⅲ型碳化硅纖維)。研究表明,苯硼酸作為硼源所制備的硼改性聚鈦碳硅烷(TB-Ⅲ型)高分子紡絲性能較差。這可能是因為在熔融脫泡過程中溫度過高,先驅(qū)體持續(xù)發(fā)生反應導致高分子熔融脫泡不完全,進而影響了紡絲性能。
【學位單位】：廈門大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TQ174.758.21
【部分圖文】：

２．２．１含錢的有機硅高分子合成??將５ｇ液態(tài)聚硅烷（ＬＰＳ），６．６ｇ鈦酸丁酯Ｔｉ（ＯＢｕ）４分別加入到ｌ〇〇ｍｌ單口??圓底燒瓶中，按圖２－１所示連接反應裝置。然后在氬氣保護下開始按所設(shè)置的升??２２??

（ＴＢ－ＩＩ型）先驅(qū)體，壓實固定后放入熔融脫泡爐中，在惰性氣氛保護下，于負??壓狀態(tài)下根據(jù)所測得的軟化點設(shè)置升溫程序進行加熱脫泡。脫泡結(jié)束后，根據(jù)針??筒內(nèi)熔體的脫泡情況（觀察熔體內(nèi)有無氣泡），確定合適的融熔脫泡溫度。圖２－??２?（Ａ）和（Ｂ）分別為高分子融熔脫泡失敗和脫泡成功的示意圖。??Ｉ?Ｉ??Ｉ—?Ｉ??ｔ??圖２－２改制針簡模擬紡絲桶內(nèi)髙分子融熔脫泡示意圖：??融恪脫泡失�。▓DＡ）與成功脫泡（圖Ｂ）??２．３．２離分子先驅(qū)體的熔觸紡絲??首先將一定量的硼改性聚鈦碳硅烷（ＴＢ－ＩＩ型）先驅(qū)體裝于紡絲桶中，在脫??泡爐內(nèi)進行熔融脫泡處理。在氬氣保護下加熱至適當?shù)臏囟缺兀矗�，使ＴＢ－ＩＩ�??先驅(qū)體充分熔融脫泡。待熔融脫泡結(jié)束之后，將該紡絲桶迅速轉(zhuǎn)移到小型紡絲機??上，調(diào)節(jié)合適的紡絲溫度、紡絲機擠壓速度和收絲輥筒纏繞速度進行熔融紡絲，??以控制該高分子纖維的直徑。??２４??

Ｃｅｒａｍｉｃ?Ｙｉｅｌｄ?＝?—?ｘ?１００％??ｍ〇??．５力學性能測試??力學性能的測試主要包括拉伸強度（〇）和楊氏模量（Ｅ）兩個對象。本日本島津生產(chǎn)的萬能材料試驗機對纖維的強度進行測試［４］，標距為２５?ｍ速度為１?ｍｍ／ｍｉｎ，傳感器最大載荷為１０Ｎ。纖維拉伸強度的測試主要、測直徑、拉伸測試三個步驟。具體操作步驟如下：??（１）粘絲??首先將平直的纖維平鋪在標距為２５?ｍｍ的紙框上，保證纖維與紙框中，采用少量１：１混合均勻的ＡＢ膠將其粘在紙框上（如圖２－３所示）。然后，的陶瓷纖維置ｆ?６０°Ｃ烘箱中加熱至ＡＢ膠完全凝固。??
【參考文獻】

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5 李文華;王軍;王浩;唐云;商遙;;先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法含硼連續(xù)SiC纖維研究進展[J];宇航材料工藝;2007年04期

6 曹淑偉;謝征芳;王軍;王浩;唐云;李文華;;含異質(zhì)元素SiC陶瓷先驅(qū)體的研究進展[J];高分子材料科學與工程;2007年03期

7 毛仙鶴;宋永才;李偉;;由聚碳硅烷纖維通過化學氣相交聯(lián)法制備低氧含量碳化硅纖維[J];硅酸鹽學報;2006年01期

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4 彭善勇;干法紡絲法制備低氧含量碳化硅纖維[D];國防科學技術(shù)大學;2005年

5 朱冰;低預氧化聚碳硅烷纖維熱交聯(lián)技術(shù)的研究[D];國防科學技術(shù)大學;2002年

本文編號：2894688