有机硅聚合物用于碳纤维增强陶瓷基复合材料

nanotoday

碳纤维增强陶瓷基复合材料（CFCMCs）是一种耐高温、耐磨损、低密度的高性能材料，在航空、航天、兵器、光学系统、能源、化工等领域具有广阔的应用前景，近年来成为相关领域研究开发的热点。CFCMCs的制备方法有化学气相渗透法（CVI）、液态硅渗透法（LSI）以及聚合物前驱体浸渍热解转化法（PIP）。相比于CVI和LSI技术，PIP法制备CFCMCs具有工艺简单，加工温度低，陶瓷基体组成、性质可调等优点。由于需求推动和路线自身固有的优势，PDC法制备CFCMCs已发展成为横跨化学、材料等学科的一个重要研究领域，得到了广泛的关注，并在某些领域CFCMCs已经得到应用。目前，PIP法制备CFCMCs主要有两大发展方向，一是复合材料的低成本化制备技术，二是高温热结构-功能一体化复合材料的制备技术。围绕这两大方向，相关工作有待进一步开展。 从前驱体分子设计、合成制备的角度出发，合成了一系列适宜浸渍裂解工艺的聚硅氧烷前驱体（PSO）， 探索复合材料的低成本化制备技术；此外，还制备了高温热结构材料用聚碳硅烷前驱体（AHPCS），研究了AHPCS的性质及复合材料的性能。论文工作主要包括以下几个方面： 1.通过阳离子开环聚合反应制备了具有低黏度、高陶瓷产率、Si-H与Si-Vi摩尔比可调的系列聚硅氧烷PSOs，然后对系列聚硅氧烷进行筛选，并确定聚硅氧烷与SiC粉的最佳混合比例。结果表明在考察的范围内，Si-H/Si-Vi为等摩尔比的PSO1与SiC粉按质量比1:1 混合（S-PSO）所得的浆料用于复合材料制备最为适宜。 2. 对S-PSO的固化、流变、裂解行为进行了动力学分析，为复合材料的层压裂解工艺提供数据支持；考察了浸渍裂解周期，裂解速率和碳纤维处理温度对复合材料力学性能的影响，对复合材料的抗氧化性进行了评估。结果表明以1700 °С热处理的碳纤维为增强相，经过6个浸渍裂解周期制备的复合材料力学强度最高：弯曲强度达300 MPa，剪切强度为32 MPa。在不制备抗氧化涂层的 情况下，样品在静态空气下分别于800 °C和 1000 °C 氧化20 min后，强度保留率分别为80%和 60%。 3. 利用格氏反应，合成了两种烯丙基含量不同的低粘度液态聚碳硅烷 （AHPCS1和AHPCS2），考察了烯丙基含量对聚合物固化、裂解、碳相演变及结晶行为的影响。结果表明烯丙基含量较少的AHPCS1陶瓷产率较高，转化得到的陶瓷中自由碳含量较少，但AHPCS1和AHPCS2转化得到的陶瓷SiC1、SiC2中，自由碳的演变与自由碳的含量几乎无关，而且随着裂解温度的升高，SiC1和SiC2的晶粒尺寸增大，在同一温度下，两者的晶粒尺寸相差不多，1650 °C热处理2 h时，晶粒大小分别为12.6 nm 和11 nm。 4. 以AHPCS1为前驱体制备了碳纤维增强SiC基复合材料（Cf/SiCp/SiC），考察了填料含量和浸渍裂解周期对复合材料机械性能的影响，结果表明：1）AHPCS1和SiC填料按质量比1:1混合组成的浆料适于复合材料制备；2）经过6个浸渍裂解周期所得到复合材料的力学强度最高，室温弯曲强度达276 MPa，在静态空气中于1500 °C 氧化10 min 后弯曲强度保留率约为50%。 5. 比较Cf/SiCp/SiOC和Cf/SiCp/SiC发现，Cf/SiCp/SiC的室温及惰性气氛下的高温力学强度比Cf/SiCp/SiOC低，两者室温力学强度分别为276 MPa和300 MPa；但高温下（温度在1000°C及以上时），Cf/SiCp/SiC的抗氧化性比Cf/SiCp/SiOC的好，如1000 °C氧化20 min时，前者弯曲强度保留率为68%，后者为60%，更高温度下，Cf/SiCp/SiOC的弯曲强度剧烈下降，而Cf/SiCp/SiC在1500°C氧化10 min后，弯曲强度依然达137 MPa。