含納米鐵碳化矽纖維設計及其高溫吸波性能

《含納米鐵碳化矽纖維設計及其高溫吸波性能》是依託廈門大學，由陳立富擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：含納米鐵碳化矽纖維設計及其高溫吸波性能
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陳立富
• 依託單位：廈門大學

項目摘要

吸波陶瓷基複合材料是目前國家急需的先進耐高溫結構/功能一體化隱身材料，同時也是國際上重點發展的新材料，在航空、先進國防裝備上具有重要的用途。廈門大學發展了新型的納米鐵溶膠製備技術，並利用該溶膠對聚碳矽烷改性，成功製備了含高濃度納米鐵粒子的高強度碳化矽纖維。初步測試表明，纖維具有優異的力學性能和電磁性能，有可能用做吸波陶瓷基複合材料的增強纖維。碳化矽纖維的吸波性能由其介電損耗和磁損耗決定，而它們又受到纖維化學組成、相組成、微觀結構等因素的影響。本課題擬製備不同鐵含量、鐵粒子尺度的碳化矽纖維，研究纖維在長時間高溫氧化環境下的力學性能、相組成、微結構與電磁性能的關係，為纖維化學組成和微結構的設計提供依據；為了驗證纖維高溫吸波性能，採用CVI技術製備SiC/SiC複合材料，測量複合材料高溫電磁性能，並通過理論分析，預測纖維與複合材料的高溫吸波性能及其變化規律，為確定纖維的合適服役條件提供理論依據。

結題摘要

本課題的主要目的是研究含有納吸波碳化矽纖維製備過程中的基礎科學問題，並系統研究了纖維的吸波性能以及影響因素。圓滿完成了項目的任務要求，取得了一系列具有創新性的理論研究和套用成果，項目期間一共發表了18篇學術論文，其中11篇被SCI收錄，11篇被EI收錄；獲得2項授權的國家發明專利；一共培養了15名博士研究生、碩士研究生和青年教師。在該成果的基礎上，項目獲得了國家十二五重點課題的資助，進行吸波纖維製備關鍵技術的攻關研究。本課題以低分子量聚碳矽烷（PCS）與羰基鐵Fe(CO)5為原料製得含納米鐵的溶膠，系統研究了鐵溶膠的化學結構和形成機理。然後將鐵溶膠與高分子量聚碳矽烷共混製備含鐵聚碳矽烷（Fe-PCS），經熔融紡絲、氧化交聯、裂解最終得到含鐵SiC纖維。通過放大合成實驗，製備了鐵含量（基於先驅體質量）分別為0wt%、1wt%、2wt%的三種含鐵SiC纖維，將此三種纖維分別在700℃~1100℃下保溫0~100h，研究熱處理條件對纖維的結構與性能的影響。研究表明，在鐵溶膠的形成過程中，由於液態PCS和羰基鐵的化學反應，在界面上形成化學交聯，使鐵溶膠顆粒被PCS包覆，顯著體高峰了鐵溶膠的穩定性，為製備含納米鐵碳化矽纖維的製備奠定了基礎。在熱解過程中，納米鐵粒子顯著促進了纖維中beta-SiC的結晶，這對纖維的電阻率和吸波性能產生了顯著的影響。在最終的碳化矽纖維中，鐵以納米（5~7nm）的alpha-Fe粒子形式存在，均勻分散在纖維中。熱處理可改變含鐵SiC纖維的微觀結構，從而顯著地改變纖維的電阻率。在本研究設定的Fe含量跨度及熱處理條件下，SiC纖維電阻率可實現跨越約4個數量級的變化。其中氧含量對電阻率的影響最大，其次為Fe含量及SiC結晶度，而碳的石墨化度對電阻率影響最小。研究結果為纖維成分和工藝的設計提供了理論依據。