碳化硅纖維因具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫和抗氧化等性能,使其常被作為纖維增強(qiáng)體應(yīng)用于耐高溫陶瓷基復(fù)合材料。該類復(fù)合材料在航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,例如,碳化硅纖維碳化硅復(fù)合材料已被嘗試應(yīng)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(qiáng)體的性能(特別是耐溫性能)。經(jīng)過(guò)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(dāng)前主要研究方向和重點(diǎn)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(lái)實(shí)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(zhǎng)大,來(lái)實(shí)現(xiàn)碳化硅纖維的高溫力學(xué)穩(wěn)定性。在引入異質(zhì)元素的改進(jìn)方面,本課題組的王波偉合成了新型的含鈦硼有機(jī)硅高分子,并以其為高分子先驅(qū)體,通過(guò)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(píng)價(jià)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(shí)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(shí)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(qiáng)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(xué)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(qiáng)度損失率達(dá)60%!這是因?yàn)?未含鈦硼元素的碳化硅纖維氧化后,其亞穩(wěn)態(tài)的無(wú)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(xué)強(qiáng)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(wú)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(yīng)缺陷,因此拉伸強(qiáng)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(xué)性能消失殆盡。針對(duì)TB-I型碳化硅纖維的這種問(wèn)題,本論文通過(guò)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(yīng)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(xué)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(jìn)行熔融紡絲,空氣不熔化處理,高溫?zé)Y(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(duì)所制備的不同鈦硼含量 TB-Ⅱ 型高分子進(jìn)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(yù)交聯(lián)結(jié)合熱交聯(lián)的方法來(lái)取代傳統(tǒng)的氧化不熔化處理工藝。并對(duì)所選定氧化預(yù)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(xué)性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,當(dāng)氧化預(yù)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(xué)性能。該TB-Ⅱ型碳化硅纖維在1000～1300℃熱解之后均呈現(xiàn)為無(wú)定形結(jié)構(gòu),且在1200℃熱解得到的含鈦硼碳化硅纖維強(qiáng)度最高。最后,我們還對(duì)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(jìn)行1800℃高溫?zé)Y(jié)。燒結(jié)后所得TB-Ⅱ型燒結(jié)碳化硅纖維的拉伸強(qiáng)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(jìn)了纖維的致密,起到了燒結(jié)助劑的作用�；瘜W(xué)改性鄰碳硼烷的成本較高,這可能會(huì)限制其以后的工業(yè)化發(fā)展。為此,本論文還進(jìn)一步嘗試探索了成本較低的苯硼酸作為硼源取代化學(xué)改性鄰碳硼烷,來(lái)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?yàn)樵谌廴诿撆葸^(guò)程中溫度過(guò)高,先驅(qū)體持續(xù)發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致高分子熔融脫泡不完全,進(jìn)而影響了紡絲性能。
【學(xué)位單位】：廈門大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TQ174.758.21
【部分圖文】：

２．２．１含錢的有機(jī)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(yīng)裝置。然后在氬氣保護(hù)下開(kāi)始按所設(shè)置的升??２２??

（ＴＢ－ＩＩ型）先驅(qū)體，壓實(shí)固定后放入熔融脫泡爐中，在惰性氣氛保護(hù)下，于負(fù)??壓狀態(tài)下根據(jù)所測(cè)得的軟化點(diǎn)設(shè)置升溫程序進(jìn)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(wú)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(jiǎn)模擬紡絲桶內(nèi)髙分子融熔脫泡示意圖：??融恪脫泡失敗（圖Ａ）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(jìn)行熔融脫泡處理。在氬氣保護(hù)下加熱至適當(dāng)?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(jī)??上，調(diào)節(jié)合適的紡絲溫度、紡絲機(jī)擠壓速度和收絲輥筒纏繞速度進(jìn)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(xué)性能測(cè)試??力學(xué)性能的測(cè)試主要包括拉伸強(qiáng)度（〇）和楊氏模量（Ｅ）兩個(gè)對(duì)象。本日本島津生產(chǎn)的萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)纖維的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試［４］，標(biāo)距為２５?ｍ速度為１?ｍｍ／ｍｉｎ，傳感器最大載荷為１０Ｎ。纖維拉伸強(qiáng)度的測(cè)試主要、測(cè)直徑、拉伸測(cè)試三個(gè)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(biāo)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(xiàn)】

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本文編號(hào)：2894688