1、材料科学与工程专业毕业论文 精品论文 SA 型碳化硅纤维的连续化技术研究关键词：碳化硅纤维 熔融纺丝 高温烧结 晶粒粗化 连续化技术 制备工艺摘要：先驱体法制备的 SiC 纤维是高性能陶瓷基复合材料(CMC)的关键增强材料。随着航空航天事业的发展，要求用于 CMC 的增强纤维具有优异的高温性能。通过在先驱体中引入铝元素烧结制备的近化学计量比 SA 型 SiC 纤维具有耐超高温特性，将在高技术复合材料领域发挥重要作用。 本文对 SA 型 SiC 纤维的连续制备工艺进行了全面分析，重点对先驱体 PACS 的合成、高温烧结中存在问题和各个工艺之间的相互关系进行了系统研究。揭示了 PACS 主要合成机
2、理，在此基础上改进了合成工艺，提高 PACS 中铝引入的稳定性。在研究了先驱体纤维组成和连续烧结过程对纤维烧结影响的基础上，设计了新的连续烧结工艺，可避免纤维在烧结过程中发生晶粒粗化，提高了 SA 型 SiC 纤维连续化制备过程的稳定性。 采用 FTIR、1HNMR 和 UV-Vis 等手段对 PSCS 和 Al(AcAc)3 的反应过程进行实时跟踪，发现合成过程三个阶段的主要反应：在 RT-325的第 1 阶段，主要发生 PSCS 裂解重排和扩链反应，Si-Si-Si 链转变为 Si-C-Si 链，并生成Si-H 键；在 325420的第 II 阶段，主要是 PSCS 的 Si-H 键与 A
3、l(AcAc)3 之间的反应；在 420以上的第 III 阶段，主要发生分子间缩合反应，由于Al(AcAc)3 的多官能团交联作用，这一阶段分子量和支化度急剧增加。 在以上研究基础上，解决了反应过程中铝含量波动的问题，并缩短了合成时间。研究表明，延长反应时间可减少铝的损失并提高 Mn，而延长第 I 阶段反应时间最为有利；据此调整合成升温制度并稳定精制工艺后，实现了 PACS 铝含量的可控性。针对合成时间过长不利于实际生产的问题，在裂解柱中填充填料来促进裂解重排和扩链反应，使整个合成时间缩短了近一半。并且，由此合成的 PACS的 Si-Si-Si 链含量更低，Mn 更大，分子量分布更窄。 对 P
4、ACS 的流变性研究表明，PACS 熔体是假塑性流体。当软化点在 190220时，PACS 的粘流活化能为 190260kJ/mol。PACS 的粘度在 100Pa.s 左右时可纺性好。随着铝含量增加，PACS 粘度增大，导致纺丝温度过高，可纺性变差。采用 PCS 与 PACS 共混提高了可纺性，同时保持 PACS 的高分子量部分，纺出纤维的平均直径可从18m 左右下降到 12m 左右。 PACS 纤维的预氧化是整个制备过程中的重要步骤。纤维中由此引入的氧具有多重作用，既使纤维交联确保下一步高温烧结时不并丝，又会在高温下带走纤维中富余碳使 SA 型 SiC 纤维达到近化学计量比。但研究表明，纤
5、维中氧含量过高将造成过多孔缺陷，甚至使纤维富硅，同时也会使铝失效导致 SA 型 SiC 纤维发生晶粒粗化。一般当 PACS 纤维的预氧化增重率约 8.5wt时，能制备出近化学计量比的连续纤维。研究还发现铝含量变化对 PACS 纤维的预氧化过程具有较大的影响，体现在铝含量提高其预氧化程度增加，但铝含量超过临界值后交联度反而下降。最终，本文在综合氧的多重作用并确定最佳氧含量范围后，通过实时称重预氧化装置实现了预氧化程度的精确控制。 在对 PACS 预氧化纤维高温连续烧结制备 SA 型 SiC 纤维的研究过程中发现以下规律。PACS 纤维中含有少量的铝(gt;0.2wt)就能有效抑制 -SiC 晶粒
6、增长，但当铝含量进一步增加时，其抑制晶粒长大作用基本不变。通过 EFTEM 分析发现铝原子富集于晶界，证实了铝的抑晶机理；由此认为，连续烧结时，纤维中氧含量过高将与铝结合，使铝不能有效进入 -SiC 晶格，导致铝的抑制晶粒长大的作用失效。此外，铝在 PACS 纤维中起到交联作用，故适当过量的铝有助于降低预氧化程度，减少预氧化过程中引入的氧；一步连续烧结对 PACS 预氧化纤维氧含量要求高，并且 SiCxOy 相分解过快是导致纤维存在较多孔缺陷和发生晶粒粗化的重要原因；二步烧结过程中 SiCxOy 纤维富碳层的存在导致气体扩散受阻是纤维制备不稳定的重要原因。根据以上研究，设计了新的烧结工艺。此工
7、艺对 PACS 纤维氧含量要求适中，并可协调和控制 SiCxOy 相分解和致密化过程：第一步将 PACS 预氧化纤维在 15001600下连续预烧，使 SiCxOy 相分解速度降低；第二步将纤维在 1800左右连续烧结，使纤维尽可能致密化。此烧结新工艺具有较好的性能重复性，制备出的连续 SA 型 SiC 纤维在 1800氩气中热处理 1 小时不出现晶粒粗化，强度保留率为 77。正文内容先驱体法制备的 SiC 纤维是高性能陶瓷基复合材料(CMC)的关键增强材料。随着航空航天事业的发展，要求用于 CMC 的增强纤维具有优异的高温性能。通过在先驱体中引入铝元素烧结制备的近化学计量比 SA 型 SiC
8、 纤维具有耐超高温特性，将在高技术复合材料领域发挥重要作用。 本文对 SA 型 SiC 纤维的连续制备工艺进行了全面分析，重点对先驱体 PACS 的合成、高温烧结中存在问题和各个工艺之间的相互关系进行了系统研究。揭示了 PACS 主要合成机理，在此基础上改进了合成工艺，提高 PACS 中铝引入的稳定性。在研究了先驱体纤维组成和连续烧结过程对纤维烧结影响的基础上，设计了新的连续烧结工艺，可避免纤维在烧结过程中发生晶粒粗化，提高了 SA 型 SiC 纤维连续化制备过程的稳定性。 采用 FTIR、1HNMR 和 UV-Vis 等手段对 PSCS 和 Al(AcAc)3 的反应过程进行实时跟踪，发现合
9、成过程三个阶段的主要反应：在 RT-325的第 1 阶段，主要发生 PSCS 裂解重排和扩链反应，Si-Si-Si 链转变为 Si-C-Si 链，并生成Si-H 键；在 325420的第 II 阶段，主要是 PSCS 的 Si-H 键与 Al(AcAc)3 之间的反应；在 420以上的第 III 阶段，主要发生分子间缩合反应，由于Al(AcAc)3 的多官能团交联作用，这一阶段分子量和支化度急剧增加。 在以上研究基础上，解决了反应过程中铝含量波动的问题，并缩短了合成时间。研究表明，延长反应时间可减少铝的损失并提高 Mn，而延长第 I 阶段反应时间最为有利；据此调整合成升温制度并稳定精制工艺后，
10、实现了 PACS 铝含量的可控性。针对合成时间过长不利于实际生产的问题，在裂解柱中填充填料来促进裂解重排和扩链反应，使整个合成时间缩短了近一半。并且，由此合成的 PACS的 Si-Si-Si 链含量更低，Mn 更大，分子量分布更窄。 对 PACS 的流变性研究表明，PACS 熔体是假塑性流体。当软化点在 190220时，PACS 的粘流活化能为 190260kJ/mol。PACS 的粘度在 100Pa.s 左右时可纺性好。随着铝含量增加，PACS 粘度增大，导致纺丝温度过高，可纺性变差。采用 PCS 与 PACS 共混提高了可纺性，同时保持 PACS 的高分子量部分，纺出纤维的平均直径可从18
11、m 左右下降到 12m 左右。 PACS 纤维的预氧化是整个制备过程中的重要步骤。纤维中由此引入的氧具有多重作用，既使纤维交联确保下一步高温烧结时不并丝，又会在高温下带走纤维中富余碳使 SA 型 SiC 纤维达到近化学计量比。但研究表明，纤维中氧含量过高将造成过多孔缺陷，甚至使纤维富硅，同时也会使铝失效导致 SA 型 SiC 纤维发生晶粒粗化。一般当 PACS 纤维的预氧化增重率约 8.5wt时，能制备出近化学计量比的连续纤维。研究还发现铝含量变化对 PACS 纤维的预氧化过程具有较大的影响，体现在铝含量提高其预氧化程度增加，但铝含量超过临界值后交联度反而下降。最终，本文在综合氧的多重作用并确
12、定最佳氧含量范围后，通过实时称重预氧化装置实现了预氧化程度的精确控制。 在对 PACS 预氧化纤维高温连续烧结制备 SA 型 SiC 纤维的研究过程中发现以下规律。PACS 纤维中含有少量的铝(gt;0.2wt)就能有效抑制 -SiC 晶粒增长，但当铝含量进一步增加时，其抑制晶粒长大作用基本不变。通过 EFTEM 分析发现铝原子富集于晶界，证实了铝的抑晶机理；由此认为，连续烧结时，纤维中氧含量过高将与铝结合，使铝不能有效进入 -SiC 晶格，导致铝的抑制晶粒长大的作用失效。此外，铝在 PACS 纤维中起到交联作用，故适当过量的铝有助于降低预氧化程度，减少预氧化过程中引入的氧；一步连续烧结对 P
13、ACS 预氧化纤维氧含量要求高，并且 SiCxOy 相分解过快是导致纤维存在较多孔缺陷和发生晶粒粗化的重要原因；二步烧结过程中 SiCxOy 纤维富碳层的存在导致气体扩散受阻是纤维制备不稳定的重要原因。根据以上研究，设计了新的烧结工艺。此工艺对 PACS 纤维氧含量要求适中，并可协调和控制 SiCxOy 相分解和致密化过程：第一步将 PACS 预氧化纤维在 15001600下连续预烧，使 SiCxOy 相分解速度降低；第二步将纤维在 1800左右连续烧结，使纤维尽可能致密化。此烧结新工艺具有较好的性能重复性，制备出的连续 SA 型 SiC 纤维在 1800氩气中热处理 1 小时不出现晶粒粗化，
14、强度保留率为 77。先驱体法制备的 SiC 纤维是高性能陶瓷基复合材料(CMC)的关键增强材料。随着航空航天事业的发展，要求用于 CMC 的增强纤维具有优异的高温性能。通过在先驱体中引入铝元素烧结制备的近化学计量比 SA 型 SiC 纤维具有耐超高温特性，将在高技术复合材料领域发挥重要作用。 本文对 SA 型 SiC 纤维的连续制备工艺进行了全面分析，重点对先驱体 PACS 的合成、高温烧结中存在问题和各个工艺之间的相互关系进行了系统研究。揭示了 PACS 主要合成机理，在此基础上改进了合成工艺，提高 PACS 中铝引入的稳定性。在研究了先驱体纤维组成和连续烧结过程对纤维烧结影响的基础上，设计
15、了新的连续烧结工艺，可避免纤维在烧结过程中发生晶粒粗化，提高了 SA 型 SiC 纤维连续化制备过程的稳定性。 采用 FTIR、1HNMR 和 UV-Vis 等手段对 PSCS 和 Al(AcAc)3 的反应过程进行实时跟踪，发现合成过程三个阶段的主要反应：在 RT-325的第 1 阶段，主要发生PSCS 裂解重排和扩链反应，Si-Si-Si 链转变为 Si-C-Si 链，并生成 Si-H 键；在 325420的第 II 阶段，主要是 PSCS 的 Si-H 键与 Al(AcAc)3 之间的反应；在 420以上的第 III 阶段，主要发生分子间缩合反应，由于 Al(AcAc)3 的多官能团交联
16、作用，这一阶段分子量和支化度急剧增加。 在以上研究基础上，解决了反应过程中铝含量波动的问题，并缩短了合成时间。研究表明，延长反应时间可减少铝的损失并提高 Mn，而延长第 I 阶段反应时间最为有利；据此调整合成升温制度并稳定精制工艺后，实现了 PACS 铝含量的可控性。针对合成时间过长不利于实际生产的问题，在裂解柱中填充填料来促进裂解重排和扩链反应，使整个合成时间缩短了近一半。并且，由此合成的 PACS 的 Si-Si-Si 链含量更低，Mn 更大，分子量分布更窄。 对 PACS 的流变性研究表明，PACS 熔体是假塑性流体。当软化点在 190220时，PACS 的粘流活化能为190260kJ/
17、mol。PACS 的粘度在 100Pa.s 左右时可纺性好。随着铝含量增加，PACS 粘度增大，导致纺丝温度过高，可纺性变差。采用 PCS 与 PACS 共混提高了可纺性，同时保持 PACS 的高分子量部分，纺出纤维的平均直径可从 18m 左右下降到 12m 左右。 PACS 纤维的预氧化是整个制备过程中的重要步骤。纤维中由此引入的氧具有多重作用，既使纤维交联确保下一步高温烧结时不并丝，又会在高温下带走纤维中富余碳使 SA 型 SiC 纤维达到近化学计量比。但研究表明，纤维中氧含量过高将造成过多孔缺陷，甚至使纤维富硅，同时也会使铝失效导致 SA 型 SiC 纤维发生晶粒粗化。一般当 PACS
18、纤维的预氧化增重率约8.5wt时，能制备出近化学计量比的连续纤维。研究还发现铝含量变化对PACS 纤维的预氧化过程具有较大的影响，体现在铝含量提高其预氧化程度增加，但铝含量超过临界值后交联度反而下降。最终，本文在综合氧的多重作用并确定最佳氧含量范围后，通过实时称重预氧化装置实现了预氧化程度的精确控制。在对 PACS 预氧化纤维高温连续烧结制备 SA 型 SiC 纤维的研究过程中发现以下规律。PACS 纤维中含有少量的铝(gt;0.2wt)就能有效抑制 -SiC 晶粒增长，但当铝含量进一步增加时，其抑制晶粒长大作用基本不变。通过EFTEM 分析发现铝原子富集于晶界，证实了铝的抑晶机理；由此认为，
19、连续烧结时，纤维中氧含量过高将与铝结合，使铝不能有效进入 -SiC 晶格，导致铝的抑制晶粒长大的作用失效。此外，铝在 PACS 纤维中起到交联作用，故适当过量的铝有助于降低预氧化程度，减少预氧化过程中引入的氧；一步连续烧结对PACS 预氧化纤维氧含量要求高，并且 SiCxOy 相分解过快是导致纤维存在较多孔缺陷和发生晶粒粗化的重要原因；二步烧结过程中 SiCxOy 纤维富碳层的存在导致气体扩散受阻是纤维制备不稳定的重要原因。根据以上研究，设计了新的烧结工艺。此工艺对 PACS 纤维氧含量要求适中，并可协调和控制 SiCxOy 相分解和致密化过程：第一步将 PACS 预氧化纤维在 1500160
20、0下连续预烧，使SiCxOy 相分解速度降低；第二步将纤维在 1800左右连续烧结，使纤维尽可能致密化。此烧结新工艺具有较好的性能重复性，制备出的连续 SA 型 SiC 纤维在1800氩气中热处理 1 小时不出现晶粒粗化，强度保留率为 77。先驱体法制备的 SiC 纤维是高性能陶瓷基复合材料(CMC)的关键增强材料。随着航空航天事业的发展，要求用于 CMC 的增强纤维具有优异的高温性能。通过在先驱体中引入铝元素烧结制备的近化学计量比 SA 型 SiC 纤维具有耐超高温特性，将在高技术复合材料领域发挥重要作用。 本文对 SA 型 SiC 纤维的连续制备工艺进行了全面分析，重点对先驱体 PACS
21、的合成、高温烧结中存在问题和各个工艺之间的相互关系进行了系统研究。揭示了 PACS 主要合成机理，在此基础上改进了合成工艺，提高 PACS 中铝引入的稳定性。在研究了先驱体纤维组成和连续烧结过程对纤维烧结影响的基础上，设计了新的连续烧结工艺，可避免纤维在烧结过程中发生晶粒粗化，提高了 SA 型 SiC 纤维连续化制备过程的稳定性。 采用 FTIR、1HNMR 和 UV-Vis 等手段对 PSCS 和 Al(AcAc)3 的反应过程进行实时跟踪，发现合成过程三个阶段的主要反应：在 RT-325的第 1 阶段，主要发生PSCS 裂解重排和扩链反应，Si-Si-Si 链转变为 Si-C-Si 链，并
22、生成 Si-H 键；在 325420的第 II 阶段，主要是 PSCS 的 Si-H 键与 Al(AcAc)3 之间的反应；在 420以上的第 III 阶段，主要发生分子间缩合反应，由于 Al(AcAc)3 的多官能团交联作用，这一阶段分子量和支化度急剧增加。 在以上研究基础上，解决了反应过程中铝含量波动的问题，并缩短了合成时间。研究表明，延长反应时间可减少铝的损失并提高 Mn，而延长第 I 阶段反应时间最为有利；据此调整合成升温制度并稳定精制工艺后，实现了 PACS 铝含量的可控性。针对合成时间过长不利于实际生产的问题，在裂解柱中填充填料来促进裂解重排和扩链反应，使整个合成时间缩短了近一半。
23、并且，由此合成的 PACS 的 Si-Si-Si 链含量更低，Mn 更大，分子量分布更窄。 对 PACS 的流变性研究表明，PACS 熔体是假塑性流体。当软化点在 190220时，PACS 的粘流活化能为190260kJ/mol。PACS 的粘度在 100Pa.s 左右时可纺性好。随着铝含量增加，PACS 粘度增大，导致纺丝温度过高，可纺性变差。采用 PCS 与 PACS 共混提高了可纺性，同时保持 PACS 的高分子量部分，纺出纤维的平均直径可从 18m 左右下降到 12m 左右。 PACS 纤维的预氧化是整个制备过程中的重要步骤。纤维中由此引入的氧具有多重作用，既使纤维交联确保下一步高温烧
24、结时不并丝，又会在高温下带走纤维中富余碳使 SA 型 SiC 纤维达到近化学计量比。但研究表明，纤维中氧含量过高将造成过多孔缺陷，甚至使纤维富硅，同时也会使铝失效导致 SA 型 SiC 纤维发生晶粒粗化。一般当 PACS 纤维的预氧化增重率约8.5wt时，能制备出近化学计量比的连续纤维。研究还发现铝含量变化对PACS 纤维的预氧化过程具有较大的影响，体现在铝含量提高其预氧化程度增加，但铝含量超过临界值后交联度反而下降。最终，本文在综合氧的多重作用并确定最佳氧含量范围后，通过实时称重预氧化装置实现了预氧化程度的精确控制。在对 PACS 预氧化纤维高温连续烧结制备 SA 型 SiC 纤维的研究过程
25、中发现以下规律。PACS 纤维中含有少量的铝(gt;0.2wt)就能有效抑制 -SiC 晶粒增长，但当铝含量进一步增加时，其抑制晶粒长大作用基本不变。通过EFTEM 分析发现铝原子富集于晶界，证实了铝的抑晶机理；由此认为，连续烧结时，纤维中氧含量过高将与铝结合，使铝不能有效进入 -SiC 晶格，导致铝的抑制晶粒长大的作用失效。此外，铝在 PACS 纤维中起到交联作用，故适当过量的铝有助于降低预氧化程度，减少预氧化过程中引入的氧；一步连续烧结对PACS 预氧化纤维氧含量要求高，并且 SiCxOy 相分解过快是导致纤维存在较多孔缺陷和发生晶粒粗化的重要原因；二步烧结过程中 SiCxOy 纤维富碳层
26、的存在导致气体扩散受阻是纤维制备不稳定的重要原因。根据以上研究，设计了新的烧结工艺。此工艺对 PACS 纤维氧含量要求适中，并可协调和控制 SiCxOy 相分解和致密化过程：第一步将 PACS 预氧化纤维在 15001600下连续预烧，使SiCxOy 相分解速度降低；第二步将纤维在 1800左右连续烧结，使纤维尽可能致密化。此烧结新工艺具有较好的性能重复性，制备出的连续 SA 型 SiC 纤维在1800氩气中热处理 1 小时不出现晶粒粗化，强度保留率为 77。先驱体法制备的 SiC 纤维是高性能陶瓷基复合材料(CMC)的关键增强材料。随着航空航天事业的发展，要求用于 CMC 的增强纤维具有优异
27、的高温性能。通过在先驱体中引入铝元素烧结制备的近化学计量比 SA 型 SiC 纤维具有耐超高温特性，将在高技术复合材料领域发挥重要作用。 本文对 SA 型 SiC 纤维的连续制备工艺进行了全面分析，重点对先驱体 PACS 的合成、高温烧结中存在问题和各个工艺之间的相互关系进行了系统研究。揭示了 PACS 主要合成机理，在此基础上改进了合成工艺，提高 PACS 中铝引入的稳定性。在研究了先驱体纤维组成和连续烧结过程对纤维烧结影响的基础上，设计了新的连续烧结工艺，可避免纤维在烧结过程中发生晶粒粗化，提高了 SA 型 SiC 纤维连续化制备过程的稳定性。 采用 FTIR、1HNMR 和 UV-Vis
28、 等手段对 PSCS 和 Al(AcAc)3 的反应过程进行实时跟踪，发现合成过程三个阶段的主要反应：在 RT-325的第 1 阶段，主要发生PSCS 裂解重排和扩链反应，Si-Si-Si 链转变为 Si-C-Si 链，并生成 Si-H 键；在 325420的第 II 阶段，主要是 PSCS 的 Si-H 键与 Al(AcAc)3 之间的反应；在 420以上的第 III 阶段，主要发生分子间缩合反应，由于 Al(AcAc)3 的多官能团交联作用，这一阶段分子量和支化度急剧增加。 在以上研究基础上，解决了反应过程中铝含量波动的问题，并缩短了合成时间。研究表明，延长反应时间可减少铝的损失并提高 M
29、n，而延长第 I 阶段反应时间最为有利；据此调整合成升温制度并稳定精制工艺后，实现了 PACS 铝含量的可控性。针对合成时间过长不利于实际生产的问题，在裂解柱中填充填料来促进裂解重排和扩链反应，使整个合成时间缩短了近一半。并且，由此合成的 PACS 的 Si-Si-Si 链含量更低，Mn 更大，分子量分布更窄。 对 PACS 的流变性研究表明，PACS 熔体是假塑性流体。当软化点在 190220时，PACS 的粘流活化能为190260kJ/mol。PACS 的粘度在 100Pa.s 左右时可纺性好。随着铝含量增加，PACS 粘度增大，导致纺丝温度过高，可纺性变差。采用 PCS 与 PACS 共
30、混提高了可纺性，同时保持 PACS 的高分子量部分，纺出纤维的平均直径可从 18m 左右下降到 12m 左右。 PACS 纤维的预氧化是整个制备过程中的重要步骤。纤维中由此引入的氧具有多重作用，既使纤维交联确保下一步高温烧结时不并丝，又会在高温下带走纤维中富余碳使 SA 型 SiC 纤维达到近化学计量比。但研究表明，纤维中氧含量过高将造成过多孔缺陷，甚至使纤维富硅，同时也会使铝失效导致 SA 型 SiC 纤维发生晶粒粗化。一般当 PACS 纤维的预氧化增重率约8.5wt时，能制备出近化学计量比的连续纤维。研究还发现铝含量变化对PACS 纤维的预氧化过程具有较大的影响，体现在铝含量提高其预氧化程
31、度增加，但铝含量超过临界值后交联度反而下降。最终，本文在综合氧的多重作用并确定最佳氧含量范围后，通过实时称重预氧化装置实现了预氧化程度的精确控制。在对 PACS 预氧化纤维高温连续烧结制备 SA 型 SiC 纤维的研究过程中发现以下规律。PACS 纤维中含有少量的铝(gt;0.2wt)就能有效抑制 -SiC 晶粒增长，但当铝含量进一步增加时，其抑制晶粒长大作用基本不变。通过EFTEM 分析发现铝原子富集于晶界，证实了铝的抑晶机理；由此认为，连续烧结时，纤维中氧含量过高将与铝结合，使铝不能有效进入 -SiC 晶格，导致铝的抑制晶粒长大的作用失效。此外，铝在 PACS 纤维中起到交联作用，故适当过
32、量的铝有助于降低预氧化程度，减少预氧化过程中引入的氧；一步连续烧结对PACS 预氧化纤维氧含量要求高，并且 SiCxOy 相分解过快是导致纤维存在较多孔缺陷和发生晶粒粗化的重要原因；二步烧结过程中 SiCxOy 纤维富碳层的存在导致气体扩散受阻是纤维制备不稳定的重要原因。根据以上研究，设计了新的烧结工艺。此工艺对 PACS 纤维氧含量要求适中，并可协调和控制 SiCxOy 相分解和致密化过程：第一步将 PACS 预氧化纤维在 15001600下连续预烧，使SiCxOy 相分解速度降低；第二步将纤维在 1800左右连续烧结，使纤维尽可能致密化。此烧结新工艺具有较好的性能重复性，制备出的连续 SA
33、 型 SiC 纤维在1800氩气中热处理 1 小时不出现晶粒粗化，强度保留率为 77。先驱体法制备的 SiC 纤维是高性能陶瓷基复合材料(CMC)的关键增强材料。随着航空航天事业的发展，要求用于 CMC 的增强纤维具有优异的高温性能。通过在先驱体中引入铝元素烧结制备的近化学计量比 SA 型 SiC 纤维具有耐超高温特性，将在高技术复合材料领域发挥重要作用。 本文对 SA 型 SiC 纤维的连续制备工艺进行了全面分析，重点对先驱体 PACS 的合成、高温烧结中存在问题和各个工艺之间的相互关系进行了系统研究。揭示了 PACS 主要合成机理，在此基础上改进了合成工艺，提高 PACS 中铝引入的稳定性
34、。在研究了先驱体纤维组成和连续烧结过程对纤维烧结影响的基础上，设计了新的连续烧结工艺，可避免纤维在烧结过程中发生晶粒粗化，提高了 SA 型 SiC 纤维连续化制备过程的稳定性。 采用 FTIR、1HNMR 和 UV-Vis 等手段对 PSCS 和 Al(AcAc)3 的反应过程进行实时跟踪，发现合成过程三个阶段的主要反应：在 RT-325的第 1 阶段，主要发生PSCS 裂解重排和扩链反应，Si-Si-Si 链转变为 Si-C-Si 链，并生成 Si-H 键；在 325420的第 II 阶段，主要是 PSCS 的 Si-H 键与 Al(AcAc)3 之间的反应；在 420以上的第 III 阶段
35、，主要发生分子间缩合反应，由于 Al(AcAc)3 的多官能团交联作用，这一阶段分子量和支化度急剧增加。 在以上研究基础上，解决了反应过程中铝含量波动的问题，并缩短了合成时间。研究表明，延长反应时间可减少铝的损失并提高 Mn，而延长第 I 阶段反应时间最为有利；据此调整合成升温制度并稳定精制工艺后，实现了 PACS 铝含量的可控性。针对合成时间过长不利于实际生产的问题，在裂解柱中填充填料来促进裂解重排和扩链反应，使整个合成时间缩短了近一半。并且，由此合成的 PACS 的 Si-Si-Si 链含量更低，Mn 更大，分子量分布更窄。 对 PACS 的流变性研究表明，PACS 熔体是假塑性流体。当软
36、化点在 190220时，PACS 的粘流活化能为190260kJ/mol。PACS 的粘度在 100Pa.s 左右时可纺性好。随着铝含量增加，PACS 粘度增大，导致纺丝温度过高，可纺性变差。采用 PCS 与 PACS 共混提高了可纺性，同时保持 PACS 的高分子量部分，纺出纤维的平均直径可从 18m 左右下降到 12m 左右。 PACS 纤维的预氧化是整个制备过程中的重要步骤。纤维中由此引入的氧具有多重作用，既使纤维交联确保下一步高温烧结时不并丝，又会在高温下带走纤维中富余碳使 SA 型 SiC 纤维达到近化学计量比。但研究表明，纤维中氧含量过高将造成过多孔缺陷，甚至使纤维富硅，同时也会使
37、铝失效导致 SA 型 SiC 纤维发生晶粒粗化。一般当 PACS 纤维的预氧化增重率约8.5wt时，能制备出近化学计量比的连续纤维。研究还发现铝含量变化对PACS 纤维的预氧化过程具有较大的影响，体现在铝含量提高其预氧化程度增加，但铝含量超过临界值后交联度反而下降。最终，本文在综合氧的多重作用并确定最佳氧含量范围后，通过实时称重预氧化装置实现了预氧化程度的精确控制。在对 PACS 预氧化纤维高温连续烧结制备 SA 型 SiC 纤维的研究过程中发现以下规律。PACS 纤维中含有少量的铝(gt;0.2wt)就能有效抑制 -SiC 晶粒增长，但当铝含量进一步增加时，其抑制晶粒长大作用基本不变。通过E
38、FTEM 分析发现铝原子富集于晶界，证实了铝的抑晶机理；由此认为，连续烧结时，纤维中氧含量过高将与铝结合，使铝不能有效进入 -SiC 晶格，导致铝的抑制晶粒长大的作用失效。此外，铝在 PACS 纤维中起到交联作用，故适当过量的铝有助于降低预氧化程度，减少预氧化过程中引入的氧；一步连续烧结对PACS 预氧化纤维氧含量要求高，并且 SiCxOy 相分解过快是导致纤维存在较多孔缺陷和发生晶粒粗化的重要原因；二步烧结过程中 SiCxOy 纤维富碳层的存在导致气体扩散受阻是纤维制备不稳定的重要原因。根据以上研究，设计了新的烧结工艺。此工艺对 PACS 纤维氧含量要求适中，并可协调和控制 SiCxOy 相
39、分解和致密化过程：第一步将 PACS 预氧化纤维在 15001600下连续预烧，使SiCxOy 相分解速度降低；第二步将纤维在 1800左右连续烧结，使纤维尽可能致密化。此烧结新工艺具有较好的性能重复性，制备出的连续 SA 型 SiC 纤维在1800氩气中热处理 1 小时不出现晶粒粗化，强度保留率为 77。先驱体法制备的 SiC 纤维是高性能陶瓷基复合材料(CMC)的关键增强材料。随着航空航天事业的发展，要求用于 CMC 的增强纤维具有优异的高温性能。通过在先驱体中引入铝元素烧结制备的近化学计量比 SA 型 SiC 纤维具有耐超高温特性，将在高技术复合材料领域发挥重要作用。 本文对 SA 型
40、SiC 纤维的连续制备工艺进行了全面分析，重点对先驱体 PACS 的合成、高温烧结中存在问题和各个工艺之间的相互关系进行了系统研究。揭示了 PACS 主要合成机理，在此基础上改进了合成工艺，提高 PACS 中铝引入的稳定性。在研究了先驱体纤维组成和连续烧结过程对纤维烧结影响的基础上，设计了新的连续烧结工艺，可避免纤维在烧结过程中发生晶粒粗化，提高了 SA 型 SiC 纤维连续化制备过程的稳定性。 采用 FTIR、1HNMR 和 UV-Vis 等手段对 PSCS 和 Al(AcAc)3 的反应过程进行实时跟踪，发现合成过程三个阶段的主要反应：在 RT-325的第 1 阶段，主要发生PSCS 裂解
41、重排和扩链反应，Si-Si-Si 链转变为 Si-C-Si 链，并生成 Si-H 键；在 325420的第 II 阶段，主要是 PSCS 的 Si-H 键与 Al(AcAc)3 之间的反应；在 420以上的第 III 阶段，主要发生分子间缩合反应，由于 Al(AcAc)3 的多官能团交联作用，这一阶段分子量和支化度急剧增加。 在以上研究基础上，解决了反应过程中铝含量波动的问题，并缩短了合成时间。研究表明，延长反应时间可减少铝的损失并提高 Mn，而延长第 I 阶段反应时间最为有利；据此调整合成升温制度并稳定精制工艺后，实现了 PACS 铝含量的可控性。针对合成时间过长不利于实际生产的问题，在裂解
42、柱中填充填料来促进裂解重排和扩链反应，使整个合成时间缩短了近一半。并且，由此合成的 PACS 的 Si-Si-Si 链含量更低，Mn 更大，分子量分布更窄。 对 PACS 的流变性研究表明，PACS 熔体是假塑性流体。当软化点在 190220时，PACS 的粘流活化能为190260kJ/mol。PACS 的粘度在 100Pa.s 左右时可纺性好。随着铝含量增加，PACS 粘度增大，导致纺丝温度过高，可纺性变差。采用 PCS 与 PACS 共混提高了可纺性，同时保持 PACS 的高分子量部分，纺出纤维的平均直径可从 18m 左右下降到 12m 左右。 PACS 纤维的预氧化是整个制备过程中的重要
43、步骤。纤维中由此引入的氧具有多重作用，既使纤维交联确保下一步高温烧结时不并丝，又会在高温下带走纤维中富余碳使 SA 型 SiC 纤维达到近化学计量比。但研究表明，纤维中氧含量过高将造成过多孔缺陷，甚至使纤维富硅，同时也会使铝失效导致 SA 型 SiC 纤维发生晶粒粗化。一般当 PACS 纤维的预氧化增重率约8.5wt时，能制备出近化学计量比的连续纤维。研究还发现铝含量变化对PACS 纤维的预氧化过程具有较大的影响，体现在铝含量提高其预氧化程度增加，但铝含量超过临界值后交联度反而下降。最终，本文在综合氧的多重作用并确定最佳氧含量范围后，通过实时称重预氧化装置实现了预氧化程度的精确控制。在对 PA
44、CS 预氧化纤维高温连续烧结制备 SA 型 SiC 纤维的研究过程中发现以下规律。PACS 纤维中含有少量的铝(gt;0.2wt)就能有效抑制 -SiC 晶粒增长，但当铝含量进一步增加时，其抑制晶粒长大作用基本不变。通过EFTEM 分析发现铝原子富集于晶界，证实了铝的抑晶机理；由此认为，连续烧结时，纤维中氧含量过高将与铝结合，使铝不能有效进入 -SiC 晶格，导致铝的抑制晶粒长大的作用失效。此外，铝在 PACS 纤维中起到交联作用，故适当过量的铝有助于降低预氧化程度，减少预氧化过程中引入的氧；一步连续烧结对PACS 预氧化纤维氧含量要求高，并且 SiCxOy 相分解过快是导致纤维存在较多孔缺陷
45、和发生晶粒粗化的重要原因；二步烧结过程中 SiCxOy 纤维富碳层的存在导致气体扩散受阻是纤维制备不稳定的重要原因。根据以上研究，设计了新的烧结工艺。此工艺对 PACS 纤维氧含量要求适中，并可协调和控制 SiCxOy 相分解和致密化过程：第一步将 PACS 预氧化纤维在 15001600下连续预烧，使SiCxOy 相分解速度降低；第二步将纤维在 1800左右连续烧结，使纤维尽可能致密化。此烧结新工艺具有较好的性能重复性，制备出的连续 SA 型 SiC 纤维在1800氩气中热处理 1 小时不出现晶粒粗化，强度保留率为 77。先驱体法制备的 SiC 纤维是高性能陶瓷基复合材料(CMC)的关键增强
46、材料。随着航空航天事业的发展，要求用于 CMC 的增强纤维具有优异的高温性能。通过在先驱体中引入铝元素烧结制备的近化学计量比 SA 型 SiC 纤维具有耐超高温特性，将在高技术复合材料领域发挥重要作用。 本文对 SA 型 SiC 纤维的连续制备工艺进行了全面分析，重点对先驱体 PACS 的合成、高温烧结中存在问题和各个工艺之间的相互关系进行了系统研究。揭示了 PACS 主要合成机理，在此基础上改进了合成工艺，提高 PACS 中铝引入的稳定性。在研究了先驱体纤维组成和连续烧结过程对纤维烧结影响的基础上，设计了新的连续烧结工艺，可避免纤维在烧结过程中发生晶粒粗化，提高了 SA 型 SiC 纤维连续
47、化制备过程的稳定性。 采用 FTIR、1HNMR 和 UV-Vis 等手段对 PSCS 和 Al(AcAc)3 的反应过程进行实时跟踪，发现合成过程三个阶段的主要反应：在 RT-325的第 1 阶段，主要发生PSCS 裂解重排和扩链反应，Si-Si-Si 链转变为 Si-C-Si 链，并生成 Si-H 键；在 325420的第 II 阶段，主要是 PSCS 的 Si-H 键与 Al(AcAc)3 之间的反应；在 420以上的第 III 阶段，主要发生分子间缩合反应，由于 Al(AcAc)3 的多官能团交联作用，这一阶段分子量和支化度急剧增加。 在以上研究基础上，解决了反应过程中铝含量波动的问题
48、，并缩短了合成时间。研究表明，延长反应时间可减少铝的损失并提高 Mn，而延长第 I 阶段反应时间最为有利；据此调整合成升温制度并稳定精制工艺后，实现了 PACS 铝含量的可控性。针对合成时间过长不利于实际生产的问题，在裂解柱中填充填料来促进裂解重排和扩链反应，使整个合成时间缩短了近一半。并且，由此合成的 PACS 的 Si-Si-Si 链含量更低，Mn 更大，分子量分布更窄。 对 PACS 的流变性研究表明，PACS 熔体是假塑性流体。当软化点在 190220时，PACS 的粘流活化能为190260kJ/mol。PACS 的粘度在 100Pa.s 左右时可纺性好。随着铝含量增加，PACS 粘度
49、增大，导致纺丝温度过高，可纺性变差。采用 PCS 与 PACS 共混提高了可纺性，同时保持 PACS 的高分子量部分，纺出纤维的平均直径可从 18m 左右下降到 12m 左右。 PACS 纤维的预氧化是整个制备过程中的重要步骤。纤维中由此引入的氧具有多重作用，既使纤维交联确保下一步高温烧结时不并丝，又会在高温下带走纤维中富余碳使 SA 型 SiC 纤维达到近化学计量比。但研究表明，纤维中氧含量过高将造成过多孔缺陷，甚至使纤维富硅，同时也会使铝失效导致 SA 型 SiC 纤维发生晶粒粗化。一般当 PACS 纤维的预氧化增重率约8.5wt时，能制备出近化学计量比的连续纤维。研究还发现铝含量变化对PACS 纤维的预氧化过程具有较大的影响，体现在铝含量提高其预氧化程度增加，但铝含量超过临界值后交联度反而下降。最终，本文在综合氧的多重作用并确定最佳氧含量范围后，通过实时称重预氧化装置实现了预氧化程度的精确控制。在对 PACS 预氧化纤维高
