前驱体聚合物转化法制备SiBN(C)陶瓷纤维研究进展

SiC,Si3N4,BN等二元体系陶瓷纤维因具有优良高温机械性能、介电性能、高温稳定性能所以被广泛地应用,而相比较而言多元体系SiBN(C)陶瓷纤维正处于研究的初步阶段,但是因其综合了上述二元体系的各种优点,如高温热稳定性、高温耐腐蚀、抗氧化等性能所以已成为当前航空航天领域的研究热点,尤其是含碳量很低的SiBN陶瓷纤维具有很好的透波性能,在导弹天线罩上有重要的应用。其中前驱体聚合物转化法是SiBN(C)陶瓷纤维的主要制备方法,该方法的优点在于可通过前驱体聚合物的分子结构设计,得到含有目标元素的分子前驱体,并在聚合过程中调控其流变性能,从而获得具有可纺性的前驱体聚合物。主要概述了近年来国际和国内采用前驱体聚合物转化法制备SiBN(C)陶瓷纤维的几种方法,它们分别是含硼分子改性聚硅氮烷法,单体改性硼基前驱体法和小分子单体合成法。其中小分子单体合成法又分为多步法和一步合成法。用图表分析比较了各种方法的合成路线,SiBN(C)陶瓷纤维制品性能,以及存在的问题,并且提出了进一步研发的方向和建议。

SiBN(C)透波陶瓷纤维研究进展

SiBN(C)透波陶瓷纤维是耐高温透波复合材料与天线罩制备的关键增强材料,是一种具有耐高温、耐腐蚀、抗氧化、透波等性能的结构功能一体化材料。SiBN连续纤维结合了Si3N4纤维和BN纤维的优点,是一种理想的透波陶瓷纤维材料。主要综述了SiBN(C)透波陶瓷纤维的研究进展,并对未来发展情况进行了展望。

先驱体转化法制备Si-B-N-C陶瓷纤维及表征

以聚硼硅氮烷为先驱体，经熔融纺丝、不熔化处理及氮气中高温热解、烧结得到Si—B—N．C陶瓷纤维．利用元素分析、FTIR、XRD、高温热重分析等手段对Si—B—N—C纤维的组成、结构以及高温稳定性和抗氧化性等进行了表征．结果表明，纤维主要由Si3N4，BN和SiC等相组成，其室温抗拉强度为2．1GPa，弹性模量为230GPa，具有很好的非晶稳定性和高温抗氧化性，惰性气氛中可保持非晶至1700℃，空气中加热至1100℃以下时无增重，在1100～1400℃温度范围内增重约3．3％．

SiBN陶瓷纤维的高温抗氧化性研究

采用FTIR及TG对SiBN陶瓷纤维的结构及高温稳定性进行分析,在空气气氛中1 400℃下对其进行高温氧化处理,并利用SEM、XRD、EDS等手段对高温处理后陶瓷纤维的结构及元素分布情况进行表征。结果表明:SiBN陶瓷纤维具有良好的高温稳定性,Si—N键、B—N键构成了SiBN陶瓷纤维的骨架架构,其碳的质量分数仅为0.1%;经高温氧化处理后SiBN纤维出现明显的皮芯结构,其中O元素以SiO2的形式主要富集在皮层,隔绝了纤维内部与空气的接触,从而保证了纤维的高温稳定性。另外,高温氧化处理后仍保持其纤维形状,结构致密,无明显孔洞,且仍为无定型结构。

高性能SiBN(C)陶瓷纤维的热稳定性能及透波性能

SiBN（C）陶瓷纤维因其优异的性能（高温稳定性、高温抗蠕变和高温抗氧化性能等）被认为是高温高性能陶瓷基复合材料的理想增强体。研究了SiBN（C）陶瓷纤维的热稳定性能及微观结构,探索了SiBN（C）陶瓷纤维在1 100-1 500℃的抗氧化过程,并研究了C含量对SiBN（C）陶瓷纤维介电性能的影响。结果表明：SiBN（C）陶瓷纤维在高温热处理至1 600℃的N2气氛下仍然呈现无定形结构;HT-TGA结果表明该SiBN（C）陶瓷纤维具有良好的高温热稳定性,该陶瓷纤维的热失重率（1 450℃,N2气氛）仅为1.5wt%;同时SiBN（C）纤维也表现出优良的高温抗氧化性能,SiBN（C）陶瓷纤维在1 400℃,空气中处理5h后,纤维致密且无裂纹,XRD分析表明SiBN（C）陶瓷仍然呈现无定形结构,1 500℃处理5h后,SiBN（C）陶瓷纤维开始出现皮芯结构,并且出现微晶现象;XRD、SEM和EDX等测试手段表明氧化后样品的表面主要以SiO2微晶形式存在;介电性能研究表明当C含量低至0.1wt%时,SiBN（C）陶瓷纤维的介电常数为2.1,介电损耗为0.001 7（频率为10GHz）。性能评价说明该SiBN（C）陶瓷纤维可满足高温透波材料对增强体的要求。

共聚硅氮硼烷前驱体纤维的不熔化处理研究

对SiBN(C)陶瓷纤维前驱体纤维共聚硅氮硼烷(Co-PBSZ)纤维进行了不熔化处理的研究,选取310℃下,在氨气气氛中恒温不同时间,得到不同不熔化程度的纤维。采用索氏萃取法、FTIR、EA、单丝强力测试和SEM对其进行表征。结果表明:经过不熔化处理,Co-PBSZ纤维的结构发生了明显的变化,随着不熔化时间的延长,不熔化程度增大,纤维的断裂强度增大,不熔化纤维仍然保持纤维的形状且结构致密。

SiBN三元陶瓷纤维的聚硼硅氮烷裂解转化制备和性能

以三氯硅烷、六甲基二硅氮烷、三氯化硼和甲胺为原料合成聚硼硅氮烷前驱体,对前驱体进行熔融纺丝和不熔化处理,将其高温裂解后制备出SiBN陶瓷纤维。使用FT-IR、NMR、XRD、TEM、TGA等表征手段研究了在不同聚合温度下聚硼硅氮烷前驱体的化学结构特征、SiBN陶瓷纤维的高温热稳定性、介电性能以及力学性能。结果表明:在不同温度下制备的聚硼硅氮烷前驱体的骨架为Si-N-B,均含有HSiN3、BN3及NCH3等结构。在1400℃热处理后SiBN陶瓷纤维仍保持无定形态,直径为14μm,拉伸强度达到0.91 GPa。在氮气气氛中SiBN陶瓷纤维从室温到1400℃的失重为1.5%,表明这种纤维具有较高的热稳定性。SiBN陶瓷纤维的介电常数为2.6～2.8,损耗角正切的数量级为10-2。

SiBN陶瓷纤维的组成结构及高温稳定性研究

以三氯化硼(BCl_3)、三氯硅烷(Si HCl_3)、六甲基二硅氮烷(Me_6Si_2NH)为原料,通过共缩聚一步法制备了小分子前驱体,然后经过聚合得到聚硼硅氮烷前驱体(PBSZ),后经熔融纺丝、不熔化处理、高温热解制备出硅硼氮(Si BN)陶瓷纤维。利用FT-IR、NMR、TG、XRD及TEM等分析手段对Si BN陶瓷纤维的组成结构及高温稳定性能进行了表征。研究表明,热解后的Si BN陶瓷纤维主要包括Si N_4及BN_3结构,其中B—N以六元环形式存在,基本实现了无机化转变,在850℃时失重约为1%,在1 400℃仍然保持非晶结构,具有较好的高温稳定性。