PCS-PAN體系在高溫處理過程中的結(jié)構(gòu)演變規(guī)律.pdf

1、隨著有氧高溫領(lǐng)域應(yīng)用需求的不斷拓展，碳纖維陶瓷基復(fù)合材料以其優(yōu)異的適應(yīng)性和不可替代性正在越來越受到重視，碳纖維/碳化硅(Cf/SiC)復(fù)合材料是該類復(fù)合材料中典型的代表。
　　Cf/SiC復(fù)合材料的制備一般采用先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法，通過碳纖維浸漬先驅(qū)體聚碳硅烷(PCS)后經(jīng)交聯(lián)固化和陶瓷化過程而制得。在Cf/SiC復(fù)合材料的制備與使用過程中，由于碳纖維與陶瓷的熱物理性能不同以及界面處發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)的破壞，性能受損。為

2、減緩這種作用，Cf/SiC制備時(shí)常采用碳纖維表面涂覆游離碳的方法，但由此卻帶來復(fù)合材料性能的下降。因此設(shè)計(jì)一種合理的界面結(jié)構(gòu)，成為該領(lǐng)域目前關(guān)注的熱點(diǎn)。
　　本論文設(shè)計(jì)采用同步預(yù)氧化-交聯(lián)固化法，在PAN原絲階段浸漬PCS，使其部分滲入PAN纖維表層，形成一定梯度結(jié)構(gòu)，在PAN纖維預(yù)氧化碳化的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)PCS的交聯(lián)固化和陶瓷化。并對(duì)同步反應(yīng)過程中PCS/PAN體系在高溫處理下的結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行了探究。通過傅里葉紅外光譜(FT-IR)、

3、差示掃描量熱儀(DSC)、固體核磁碳譜(13C-NMR)、激光拉曼光譜(Raman)等表征手段測(cè)試了不同反應(yīng)階段的纖維樣品，研究PAN纖維的預(yù)氧化及PCS的交聯(lián)固化過程之間的相互影響，以及其對(duì)最終纖維性能的影響。取得的主要成果如下:
　　1.提出了在碳纖維表層設(shè)計(jì)制備包括碳纖維與碳化硅成分結(jié)構(gòu)、具有梯度特征的研究設(shè)想，通過聚丙烯腈（PAN）原絲浸漬聚硅碳烷(PCS)的方法，實(shí)現(xiàn)梯度結(jié)構(gòu)的形成。
　　2.PCS在不同氣氛下交聯(lián)

4、固化的反應(yīng)行為有所不同。在氮?dú)鈿夥障?，主要發(fā)生Si-H鍵加成和乙烯基自聚的反應(yīng);而在空氣氣氛下，還會(huì)發(fā)生Si-H鍵的氧化反應(yīng)。引入相對(duì)交聯(lián)度的概念來表征交聯(lián)固化過程中Si-H鍵的反應(yīng)程度。
　　3.在含PCS的PAN纖維熱穩(wěn)定化（預(yù)氧化）過程中，PAN分子的極性基團(tuán)會(huì)促進(jìn)PCS的交聯(lián)固化反應(yīng)，使得PCS/PAN體系中PCS的相對(duì)交聯(lián)度均大于純PCS。在預(yù)氧化的前中期，對(duì)PCS相對(duì)交聯(lián)度的促進(jìn)程度逐漸增加，在第五溫區(qū)相對(duì)交聯(lián)度差值最

5、大，達(dá)到10.60％;在預(yù)氧化后期，PCS的交聯(lián)固化程度增加幅度減緩。
　　4.PCS對(duì)體系中PAN大分子環(huán)化反應(yīng)會(huì)起到促進(jìn)作用，預(yù)氧化各階段的相對(duì)環(huán)化率較之未浸漬的PAN纖維均有所增加;也存在促進(jìn)作用在前中期逐漸增強(qiáng)、后期減緩的特征。隨著PCS浸漬濃度的增加，體系中PAN纖維的預(yù)氧化程度呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，在1％濃度浸漬時(shí)相對(duì)環(huán)化率和環(huán)化度均達(dá)到最大，分別為63.60％和38.45％，PCS對(duì)PAN預(yù)氧化的促進(jìn)效果最明顯。<