聚碳硅烷纤维不熔化处理的研究(Ⅰ)反应过程的增重及其动力学计算

利用TG－DTA和动力学计算方法对聚碳硅烷纤维在空气中的反应过程进行了研究,探讨了不熔化工艺条件对纤维增重及其不熔化程度的影响。结果表明,PCS纤维的氧化反应不是简单的一级反应,随着升温速率的加快,反应急剧放热,并引起进一步的化学反应,导致反应机理发生改变。升高温度或延长时间均有利于纤维的不熔化。     

低电阻率SiC纤维先驱体聚碳硅烷的制备与表征

由聚二甲基硅烷（PDMS）与3％－7％（质量分数）聚氯乙烯（PVC）共热解反应生成的聚碳硅烷（PC—P），是制备力学性能优良的低电阻率SiC纤维的先驱体。研究了PC-P先驱体的合成条件，利用GPC、IR、XPS、元素分析等手段对PC—P的组成与结构进行了分析。结果表明，PC—P先驱体的最佳合成条件为450℃保温6h-8h，熔点为180℃—230℃，数均分子量为1350-1800，分子量分散系数为2.0左右；PC—P含有Si、C、H、O元素，其C含量高于由PDMS制备的先驱体PCS，而Si含量低于PCS；结构与PCS相似，但Si-H键含量低于PCS中Si-H键含量。     

聚碳硅烷在新材料研制中的应用

聚碳硅烷是以硅碳键为主链的有机硅聚合物。它在非氧化性的气氛中经高温处理可转变成碳化硅,是制备连续碳化硅纤维及其他碳化硅材料的先驱体。本文对聚碳硅烷的合成方法,结构性能及其应用作了评述。     

先驱体法制备连续Si-Fe-C-O吸波纤维的研究

用聚二甲基硅烷和二茂铁合成聚铁碳硅烷,经多孔熔融纺丝、预氧化、连续烧成,制得电阻率低至10-2Ω·cm,拉伸强度可达2.0GPa,长度大于500m的连续Si-Fe-C-O纤维,这种纤维在8～18GHz范围内具有较好的吸收雷达波性能.研究铁对Si-Fe-C-O纤维电阻率和β-SiC结晶的影响:铁含量的增加有利于β-SiC晶粒的增长和电阻率的降低.     

结构吸波材料SiC—C纤维的研究

本文用聚碳硅烷(PCS)与煤沥青(P)共混,制得PCS-P共混物,经纺丝、氧化、高温烧成,制得了SiC-C纤维,其电阻率随碳含量的增加而减小,强度和模量随碳含量的增高而降低,用该纤维与环氧树脂复合制得的层合板材,具有良好的吸收电磁波性能。     

用聚碳硅烷与聚丙烯共混纤维烧成碳化硅纤维

本文对由聚碳硅烷和聚丙烯共混纤维作先躯体制备碳化硅纤维进作了研究。在高温烧成时,共混纤维中的聚丙烯大量挥发,给所得碳化硅纤维的结构和性能造成较大影响,影响的大小取决于共混纤维中聚丙烯的含量和结构。共混纤维的强度明显高于未共混的,可见用适当的物质共混可能是制备连续碳化硅纤维的途径之一。     

氧化聚丙烯腈纤维径向异质光学显微分析

为检测整束氧化聚丙烯腈纤维径向异质结构发育情况,迫切需要开发一种评价聚丙烯腈纤维是否均质氧化的检测方法。本文通过树脂包埋和研磨抛光制备用于光学分析的纤维试样,应用光学显微方法对比分析了两种类型氧化聚丙烯腈纤维径向异质结构演变过程,提出了氧化聚丙烯腈纤维径向异质结构演变模型。结果表明,TG300氧化聚丙烯腈纤维呈典型的径向异质结构,TG800氧化聚丙烯腈纤维径向异质结构不明显。随着氧化反应进行,纤维直径和碳含量逐渐降低,而氧含量逐渐上升。这说明光学显微分析可以用于氧化聚丙烯腈纤维是否均质氧化评价,可为得到均质氧化聚丙烯腈纤维提供分析检测手段。     

烧蚀反应动力学参数的确定

本文提出了一种理论模型与实验相结合确定碳基材料烧蚀反应动力学参数(活化能和指前因子)的方法。首先建立了碳基材料热化学烧蚀的湍流边界层模型,运用数值方法对边界层守恒方程组、表面烧蚀和固相热传导进行耦合求解,计算过程中不需要事先假设烧蚀的控制类型。其次,在电弧加热器中模拟火箭发动机喷喉的烧蚀环境进行烧蚀材料与氧化性气体反应的烧蚀实验。最后,运用所建立的模型和在电弧加热器上的实验结果进行预测比较,确定烧蚀反应的动力学参数。作为实例,确定了石墨与CO_2的烧蚀反应的动力学参数。     

聚铝硅氮烷的合成、纺丝及陶瓷化性能研究

以不同比例的聚硅氮烷液态低聚物和乙酰丙酮铝［0.1%~1%（w）］为原料,通过热聚合反应制备了一系列聚铝硅氮烷（PASZ）先驱体。PASZ经熔融纺丝、空气预氧化处理和高温裂解后得到连续SiAlCN（O）纤维。采用FT-IR、GPC、SEM、XRD和金相显微镜等测试手段对PASZ和SiAlCN（O）纤维进行了分析表征。结果表明：PASZ的重均分子量Mw为7 191~11 275 g/mol,乙酰丙酮铝质量分数为0.2%制备的PASZ在熔融状态下表现为剪切变稀,纺丝性良好,可实现长达3 km的连续纺丝。SiAlCN（O）纤维为非晶型的含铝氮化硅纤维,直径为20~70 μm,较脆;纤维表面光滑,无裂纹、沟槽等明显缺陷。     

冷却通道预氧化处理抑制碳氢燃料热裂解结焦的研究

主动冷却超燃冲压发动机用吸热碳氢燃料应用过程中不可避免产生裂解结焦,这是制约燃料热沉能力和过程可靠性的重要因素。冷却通道表面进行预处理,是减少裂解结焦的重要途径之一。系统研究了预氧化321不锈钢管(Φ3 mm×0.5 mm)的元素迁移和微观结构。利用超临界航空煤油RP-3的热裂解反应为探针,研究预氧化处理对结焦的影响。实验发现,高温氧化后(900℃),管表面形成一层致密的Cr2O3膜,能减少碳沉积,几乎不生成纤维碳;较低温(600~800℃)氧化时,虽然Cr元素不断向金属表面迁移,Fe,Ni元素向金属内部迁移,但同时产生了大量空缺位提供渗碳通道,最终导致结焦量高于空管。     

性能影响的数值研究

为了研究当量比分配对超燃燃烧室性能的影响，对煤油在基于双级支板喷注的双模态冲压发动机中的超声速燃烧过程进行了数值模拟研究。超燃燃烧室进口污染空气由烧氢补氧加热器提供，总温为1231K，入口马赫数为2.0。液态煤油通过两级十字型布置的支板直喷入燃烧室，全局当量比恒定为0.8，采用了三种不同的上下游燃料分配方案。数值模拟采用k-ω SST模型来模拟湍流；离散相模型来模拟煤油液雾的破碎、雾化、蒸发以及与连续场之间的耦合过程；部分预混火焰面模型来考察湍流与化学反应之间的相互作用；煤油采用正癸烷(C10H22)作为替代燃料，其半详细的化学反应动力学模型包括40组分141步基元反应。预测的三种工况条件下壁面静压分布均与试验值符合良好，表明本文采用的数值方法可以较为准确地描述大分子碳氢燃料的超声速燃烧过程。通过对燃烧流场的进一步分析，可以做出以下结论:燃烧室内存在着两个反应区，上游反应区前锋驻留在上级支板尾缘，下游反应区前锋驻留在下级支板尾缘。随着上游当量比从0.1提高到0.3，上游反应区逐渐从位于流道竖向中央的对称结构转变为向下底壁与侧壁交接的角区倾斜的非对称结构，下游反应区则逐渐缩小；预燃激波串起始位置向燃烧室进口移动，进入上游反应区的气流逐渐从超声速气流转换为亚声速气流，而进入下游反应区的气流逐渐从亚声速气流转换为超声速气流；燃烧室出口总压恢复系数从37.6%单调增加到41.1%，燃烧室内推力却从366.4N单调降低到331.8N；然而，燃烧室出口燃烧效率与上游当量比之间不存在单调相关性。