聚碳硅烷纤维的不熔化处理研究(III)--不熔化机理的探讨

对PCS纤维空气氧化反应过程中产生的尾气进行了色谱分析 ,并对氧化后的纤维进行了红外分析 ,在此基础上推测了不熔化机理 ;采用XPS分析技术考察了氧在PCS纤维中的分布。结果表明 ,PCS纤维氧化反应过程中有少量氢气生成 ,出现局部过热时伴随有CO2 生成 ;氧在不熔化PCS纤维中由表及里呈梯度分布 ,低温、长时的不熔化处理条件有利于氧在纤维中的扩散和均匀分布     

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。     

连续聚铝碳硅烷纤维的预氧化

聚铝碳硅烷(PACS)纤维预氧化过程是制备近化学计量比Si C(Al)纤维的关键步骤。而连续PACS纤维预氧化的氧含量控制是关键问题。采用实时测量设备对连续PACS纤维预氧化过程进行跟踪,用分段积分方法对PACS纤维进行非等温动力学模拟;利用实时测量数据用非线性优化方法求解,可以预测PACS纤维预氧化增重。本文在实验过程中,采用聚碳硅烷(PCS)纤维和PACS纤维进行对比研究。结果表明:在相同的预氧化条件下,两种纤维均在Si—H键反应程度为40%时出现凝胶点,反应后凝胶含量均达到100%,其氧含量分别为9.9wt%和14.7wt%;PACS纤维的Si—H键反应程度和增重均比PCS纤维低。利用实时增重数据,用Matlab的Lsqnonlin函数进行求解预氧化动力学方程,得到PACS的预氧化活化能为62.2 k J/mol,模型可准确的预测其预氧化过程中的增重率变化。     

聚硅氮烷纤维的BCl3不熔化处理研究

研究了用三氯化硼对聚硅氮烷纤维进行了不熔化处理的过程，讨论了处理条件对不熔化反应的影响，并对不溶化过程的反机理进行了分析探讨。     

聚碳硅烷PC-P不熔化纤维的热解过程

聚碳硅烷PC—P是制备力学性能优异的低电阻率碳化硅纤维的先驱体。利用IR、TG、凝胶含量分析等手段研究了聚碳硅烷PC—P不熔化纤维的热解过程。研究表明，聚碳硅烷PC—P不熔化纤维高温热解过程与PCS不熔化纤维类似，但在300℃左右存在明显的自交联现象，使PC—P不熔化纤维的凝胶含量迅速增加，这是PC—P纤维在不熔化程度较低情况下能够通过高温烧成的原因。     

聚碳硅烷纤维的不熔化处理研究(Ⅱ)─-放大工艺的研究

采用熔融纺丝法纺出连续PCS纤维束,研究了升温制度、纤维装填量以及过热现象等因素对PCS纤维不熔化结果的影响,探讨了不熔化工艺的优化。结果表明,低温段慢速升温,中温段延长保温时间,高温段进一步强化的升温制度是比较合理的。纤维装填质量及密度增大到一定程度后,会因散热不利而引起急剧高温,导致纤维的熔并。急剧放热引起纤维结构的变化较大,而且内部纤维与表层纤维的反应程度不同。     

PAN原丝预氧化工艺与氧元素含量相关性研究

利用差热、热重以及元素分析等测试手段测定了预氧化纤维中氧含量,分析了纤维的吸水性对氧含量测定结果的影响,讨论了预氧化温度、走丝速度及牵伸倍数与氧含量的关系,研究了预氧丝氧含量与碳纤维拉伸强度之间的关系.实验结果表明:不同预氧化纤维的吸水性对氧含量的测定结果有不同的影响;氧含量随温度的升高而增加,且温度越高,增加幅度越大;走丝速率越慢,相同温度下氧含量越高;预氧化低温牵伸有利于氧元素的扩散;可以从氧含量接近或处于10%～12%范围的预氧丝中制得较高强度的碳纤维,否则很难制得好的碳纤维.     

C形、中空截面碳化硅纤维的成形工艺研究

以聚碳硅烷(PCS)为原料，经C形喷丝板熔融纺丝制备C形、中空截面PCS原丝后，再经不熔化和高温烧成后得到C形、中空截面SiC纤维。文中讨论了纺丝温度、N2压力和收丝速度对两种PCS纤维当量直径和异形度的影响，以及不熔化和烧成工艺对SiC纤维截面形状的影响。结果表明，纺丝温度对C形、中空PCS纤维当量直径和异形度影响较大；合适的纺丝工艺和不熔化及烧成条件下可以得到高异形度低当量直径的C形、中空截面SiC纤维。     

国产Hi-Nicalon型SiC纤维热处理后微观结构及性能演化

为考察国产Hi-Nicalon型SiC纤维在高温下的结构-性能演化规律,对国产Hi-Nicalon型SiC纤维分别在空气和氩气环境下进行了不同温度热处理,并对纤维的微观结构及纤维束丝力学性能演化进行了表征与测试。结果表明,在空气环境下,当超过1 100℃时,国产Hi-Nicalon型SiC纤维束丝强度开始下降,伴随着纤维表面生成SiO_2氧化膜,当温度超过1 200℃时,纤维表面会形成SiO_2氧化膜鼓泡。在氩气环境下1 100～1 500℃时,纤维束丝强度开始发生缓慢劣化。当热处理温度超过1 500℃时纤维束丝强度开始加速劣化,伴随着纤维开始发生β-SiC到α-SiC相变以及SiC晶粒尺寸增大。     

一种多元铌硅系原位复合材料的高温氧化行为

 采用电弧熔炼的方法制备了Nb-16Si-24Ti-6Cr-6Al-2Hf (原子百分数)多元铌硅系原位复合材料。进行了高温氧化试验,使用扫描电镜、能谱和X-射线衍射仪进行分析。结果表明该复合材料铸态组织主要由Nbss和β-Nb5Si3组成;经1250℃/100h静态氧化后,生成厚的氧化皮,其主要成分为CrNbO4,TiNb2O7;在氧化皮下发生严重的内氧化现象;氧优先在Nbss相中扩散并形成内氧化产物;硅化物对氧的扩散起到一定的阻挡作用;硅化物的分散分布有利于氧化皮中压应力的释放。     

原位合成Al2O3/Ti-Al复合材料的研究

利用氧对金属Ti、Al粉的部分氧化，原位合成了Al2O3／Ti-Al复合材料，通过XRD和SEM手段，发现Al2O3分布在Ti—Al基体交界处，在一些制得的复合材料中出现了大量原位生成的纤维。借助差热分析，对该制备过程的反应机理进行了初步探讨，研究认为该制备过程的反应步骤为：Ti、Al金属粉表面氧化→铝的熔化→TiAl，的生成→Ti2Al、TiAl、Ti，Al等多种化合物生成和Al对TiO2的还原反应。原始组成中铝含量决定了复合材料的主要晶相组成，铝含量不足时，生成Ti2Al、TiAl、Ti3Al等多种金属间化合物和氧化铝；铝含量足够时，最终的产物为TiAl3、金属铝以及氧化铝等相。     

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。     

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。     

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。     

原子氧辐照碳/酚醛复合材料的表面形貌及其演变机理研究

利用原子氧暴露地面模拟实验装置,分别对碳/酚醛复合材料、碳纤维和酚醛树脂进行了20h原子氧辐照,采用扫描电子显微镜(SEM)、傅立叶红外衰减全反射(ATR-FTIR)以及X射线光电子能谱(XPS)技术分析了原子氧对碳/酚醛复合材料的侵蚀行为。结果表明,在原子氧环境中,酚醛树脂和碳纤维及碳/酚醛复合材料均发生质量损失,且碳/酚醛复合材料的质量损失率大于酚醛树脂与碳纤维之和。究其机理可知:复合材料中的孔隙和界面增大了原子氧的剥蚀面积,碳/酚醛树脂和碳纤维与原子氧的作用符合"掏蚀"模型,树脂表面出现孔洞,酚醛树脂中亚甲基和醚键易被原子氧氧化,碳纤维表面的上浆剂在原子氧环境中首先被剥蚀,而后裸露的碳纤维本体与原子氧作用导致纤维截面不再呈圆形,且尺寸减小,表面出现浅而宽的沟槽,最终纤维被氧化生成了大量的—O—CO和—CO基团。     

Surface Morphology and Evolution Mechanism of Carbon Fiber/Phenolic Resin Composites on Atomic Oxygen Irradiation

利用原子氧暴露地面模拟实验装置,分别对碳/酚醛复合材料、碳纤维和酚醛树脂进行了20h原子氧辐照,采用扫描电子显微镜( SEM)、傅立叶红外衰减全反射(ATR-FTIR)以及X射线光电子能谱(XPS)技术分析了原子氧对碳/酚醛复合材料的侵蚀行为.结果表明,在原子氧环境中,酚醛树脂和碳纤维及碳/酚醛复合材料均发生质量损失,且碳/酚醛复合材料的质量损失率大于酚醛树脂与碳纤维之和.究其机理可知:复合材料中的孔隙和界面增大了原子氧的剥蚀面积,碳/酚醛树脂和碳纤维与原子氧的作用符合“掏蚀”模型,树脂表面出现孔洞,酚醛树脂中亚甲基和醚键易被原子氧氧化,碳纤维表面的上浆剂在原子氧环境中首先被剥蚀,而后裸露的碳纤维本体与原子氧作用导致纤维截面不再呈圆形,且尺寸减小,表面出现浅而宽的沟槽,最终纤维被氧化生成了大量的—0—C＝0和—C =0基团.     

异型(三叶形)截面碳化硅纤维的异形度控制

以聚碳硅烷（ＰＣＳ）为原料,采用熔融纺丝制备三叶形ＰＣＳ纤维后,经不熔化和烧成制得异形度为０．６５～０．８５的三叶形碳化硅纤维。研究了纺丝温度、压力、收丝速度等对纤维异形度的影响,并对预氧化和烧成工艺进行了研究,研究表明,氏的纺丝温度、适当主的纺丝压力和较低的转率有效于提高纤维的异形度,聚碳硅烷原丝经预氧化和烧结后,纤维异形度基本保持不变。     

聚碳硅烷纤维不熔化处理研究：（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。     

CVD纤维及其增强金属基复合材料强度的分布特征研究

采用单一Weibull统计分布函数来描述CVD纤维抗拉强度的分散性,发现具有不同断裂机制的缺陷所引发的断裂其拉伸强度分布分别符合Weibull分布,并具有各自独特的形态和参数;对热压复合前后的纤维的抗拉强度分布特征进行分析比较,结果表明热压复合过程对纤维的性能及抗拉强度分布特征有一定的影响,这主要是因为热压改变了纤维内部缺陷的类型和分布。另外还就以上研究结论在纤维的生产及其产品的性能表征方法、纤维增强金属基复合材料性能的非破坏性评估方法上的应用进行了讨论。     

CVD-BC_x在水氧环境中的自愈合机理

采用化学气相沉积法制备了BC x涂层,研究了水氧耦合环境中,CVD-BC x的氧化过程机理并获得CVD-BC x氧化的动力学参数。CVD-BC x氧化生成的B2O3可以对裂纹进行封填,利用CVD-BC x氧化时CVD-BC x的消耗速率和B2O3的生成速率,对微裂纹的愈合时间进行预测,并用层状BC x/SiC结构中的预制裂纹进行实验验证。结果表明,理论预测结果与实验验证能够很好地吻合。